基于AHP-FCE的运营公路隧道照明能耗动态评价.pdf

doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.04.043 基于 AHP-FCE 的运营公路隧道照明能耗动态评价 唐明旭 1，王亚琴2，李 明2，蒋雅君3，刘 莎4（1.广西交通投资集团河池高速公路运营有限公司，广西 河池 547000；2.吉林建筑大学，吉林 长春 130119；3.西南交通大学，四川 成都 610031；4.大连理工大学，辽宁 大连 116024）摘要：为解决公路隧道照明在运营期能耗高且无法实时动态反映能耗水平的问题，通过参考建筑能耗评价相关研究，建立了运营公路隧道照明能耗水平动态评价模型。首先，根据能耗影响因素选取评价指标；其次，将指标进行动静态分类，并依据规范和经验划分各指标的分级判定标准；然后，采用层次分析法，计算各层次中的指标权重；最后，采用模糊统计法和柯西分布函数计算各指标的隶属度，建立模糊综合评价模型，通过置信度识别原则确定能耗水平。关键词：隧道照明；能耗动态评价；层次分析法；模糊综合评价法；运营公路 中图分类号：U453.7 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）04-0205-07 Dynamic Evaluation of Lighting Energy Consumption Level of Operating Highway Tunnels Based on AHP-FCE TANG Mingxu1,WANG Yaqin2,LI Ming2,JIANG Yajun3,LIU Sha4(1.Hechi Expressway Operation Co.,Ltd.,Guangxi Communications Investment Group,Hechi Guangxi 547000,China;2.Jilin Jianzhu University,Changchun Jilin 130118,China;3.Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China;4.Dalian University of Technology,Dalian Liaoning 116081,China)Abstract:In order to solve the problem that the high energy consumption of highway and tunnel lighting during the operation period cannot reflect the energy consumption level dynamically in real time,a dynamic evaluation model for the energy consumption level of operating highway tunnel lighting was established by referring to the relevant research on building energy consumption evaluation.Firstly,the evaluation index was selected according to the influence factors of energy consumption.Secondly,the indicators were classified into static categories of actions,and the criteria for the classification of indicators were divided according to norms and experience.Then,using the analytic hierarchy process(AHP),the index weights in each level were calculated.Finally,the membership degree of each index was calculated by using fuzzy statistics and Cauchy distribution function,and a fuzzy comprehensive evaluation model is established.The energy consumption level was determined by the principle of confidence degree identification.Key words:tunnel lighting;dynamic evaluation of lighting energy consumption;analytic hierarchy process;fuzzy comprehensive evaluation method;operating highway tunnel 收稿日期：2022-10-11 基金项目：2021 年度交通运输行业重点科技项目（2021-ZD1-014）；广西重点研发计划项目（2021AB22117）；广西北投交通养护科技 集团有限公司科技项目（BTYHKY-2022-08）作者简介：唐明旭（1980-），男，广西河池人，高级政工师，从事高速公路运营管理工作.（）通信作者：李明（1981-），男，吉林长春人，博士，副教授，从事地质工程和地下空间开发利用工作.（）206 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 0 引言 近年来，中国运营公路隧道的能耗问题日渐显现，尤其是以隧道照明电能消耗为主1。但是，我国尚未发布公路隧道照明能耗水平评价的统一参考标准，造成相关企业的节能改造工作难以进行。目前在公路隧道照明节能领域，国内外学者主要关注其结构性节能2-3和技术性节能4-7，对于管理性节能的能耗评价还处于初步探索阶段，相关的基础研究不成熟，同时缺乏相关的实例作为数据支撑。王少飞等8-9依托公路隧道节能减排的影响因素，使用定性与定量结合的方法，建立了高速公路隧道运营节能减排的指标评价体系。陈云勇等10提出了长大隧道通风和照明的联合节能指标空气通透率。李沛沛等11从隧道照明能耗、通风能耗、节能技术和隧道运营管理四个方面出发，总结了隧道节能绩效评价体系。贡松多吉等12进一步细化隧道运营的相关指标，将其分化到基础指标、能耗指标、交通功能、能效指标、交通安全和经济效益六个层面，以西藏拉贡机场高速公路（G4218）嘎拉山隧道运营期能耗作为数据支撑，建立了公路隧道运营期能耗监测指标体系。虽然上述文献对运营公路隧道能耗评价进行了有益的探索，但缺乏动态实时性，且未针对隧道照明系统提出具有可操作性的方法，因此评价方法的选择与评价系统的构建仍需要进一步探讨。层次分析法（Analytic Hierarchy Process,AHP）和模糊综合评价法（Fuzzy Comprehensive Evaluation,FCE）在建筑节能方面的成熟运用，证明了这两种方法在建筑节能评价体系的可行性。本文将其创新延伸到公路隧道照明节能领域，基于广西某高速公路的隧道基础资料，构建了以 AHP 确定权重，将评价指标进行动静态分类并确定分级标准，并通过 FCE 确定运营公路隧道照明能耗水平的综合评价体系。最后使用汕昆高速公路（G78）河池段凹垌隧道验证本文建立的综合评价指标体系的可行性和适用性，为运营公路隧道照明能耗评价研究提供借鉴。1 构建评价指标体系及评价标准 1.1 确定评价指标体系 按照定性与定量相结合的思想，遵循层次性、系统性、有效性、可计量性等原则，考虑获取数据的便利性、重要性、可简化性等方面，同时考虑保证交通安全，要在安全运营的前提下进行照明能耗评价（各项相关技术指标应符合 JTG/T D70/2-012014公路隧道照明设计细则13等的要求）。在查阅资料、实地调研、现场测试的基础上，选择从土建特征、照明设施、交通环境、运营管理 4 个方面展开研究，最终确定了 13 个指标作为运营公路隧道照明能耗水平评价指标，如图 1 所示。图 1 运营公路隧道照明能耗水平评价指标体系 Fig.1 Evaluation index system of lighting energy consumption level of operating highway tunnel （1）土建特征 主要包括洞口形式、墙面反射系数、隧道通透率14这 3 个指标。对一个隧道的能耗水平进行评价，应着重于在同等长度、车道数等客观条件下相似隧道的评价。洞口形式。隧道洞门若采用削竹式或遮光棚，有利于节能。墙面反射系数。随着墙面反射系数的增加，路面增亮效果加大，有利于隧道节能。隧道通透率。通透率表示隧道光线穿透能力，通透率越好，照明能耗越小。（2）照明设施 主要包括照明布灯方式15-16、照明灯具光强分布、照明灯具光效、照明控制方式 4 个指标。照明布灯方式。不仅要考虑灯具效能的发挥，还要同时考虑维护维修的便利性。照明灯具光强分布。不同的照明灯具光强分布对路面亮度影响较大，合理选择灯具的配光曲线，有利于照明节能。照明灯具光效，是衡量其隧道照明光源效率优劣的指标。优先选用 LED 光效高的灯具作为照明光源，以加强隧道照明节能性，减轻运营成本。照明控制方式。采用按需控制17实时调整照明系统，减少不必要的浪费。（3）交通环境 包括洞外亮度、交通量 2 个指标。第 4 期 唐明旭等，基于 AHP-FCE 运营公路隧道照明能耗动态评价 207 洞外亮度。对于没有动态调光的隧道来说，洞外亮度参数取值不当，会造成运营中能耗的巨大浪费；对于有动态调光的隧道来说，洞外亮度低，需要的照明就少，洞外亮度高，就需要更高的照明条件满足行车需要。交通量。对于没有动态调光的隧道，尤其初期，交通量预测值与实际值的误差越大，能耗浪费越多；对于有动态调光的隧道，交通量的大小直接影响照明所需要的规模，交通量越大，能耗越大。（4）运营管理 包括日常节能管理规章制度、灯具清洁频率、节能宣传及培训情况、能耗的智能监测 4 个指标。日常节能管理规章制度的制订，是进行节能管理工作的基础，以保障节能管理工作有依有据。灯具清洁频率，主要是考察灯具清洁频率是否有利于隧道照明节能。节能宣传及培训情况，主要考察隧道运营管理的工作人员受节能培训的程度，提高节能减排意识。能耗的智能监测，主要考察能否独立计量每座隧道、各能耗设备的分项耗能情况以及自动监测情况。1.2 指标动静态分类与分级标准 为提高评价的准确性和合理性，将指标进行动静态归类，随时间相对变化的指标为动态指标，包括洞外亮度、交通量；基本不变的指标为静态指标。对于指标分级标准，结合实地调研，参照公路隧道照明设计细则（JTG/T D70/2-012014），并运用专家访谈法进行论证。因此，全部指标划分为 5 个等级并确定各指标值范围，如表 1 所示。表 1 运营公路隧道照明能耗水平评价指标分级标准 Tab.1 Evaluation index classification standard of lighting energy consumption level of operating highway tunnel 指标 分类 等级界限 优秀 良好 一般 较差 差 洞口形式 静 节能效果好的遮光棚 普通遮光棚 两侧削竹式 端墙+削竹式 两侧端墙式 墙壁反射系数 静 10.8 0.80.7 0.70.6 0.60.5 0.50 隧道通透率 静 50%100%40%50%30%40%20%30%0%20%照明布灯方式*静 单侧布灯 两侧交错 两侧对称 中央布灯 其他 照明灯具光强分布*静 非对称形 对称蝶形 对称倾斜式 对称非蝶形 其他 照明灯具光效/（lm/W）静 120 100120 80100 6080 060 照明控制方式 静 按需控制 无极调光控制 分级调光控制 单一时序控制 手动控制 洞外亮度/(cd/m2)*动 01 500/010%1 5003 000/10%20%3 0004 500/20%30%4 5006 000/30%40%6 000/40%50%交通量/(veh/(h ln)*动 0350/020%350650/20%40%650950/40%60%9501 200/60%80%1 200/80%100%日常节能管理规章制度 静 有制度且很完善 有制度但较完善 有制度但不完善 无制度但有要求 无制度无要求 灯具清洁频率 静 1 次/月 1 次/季度 1 次/半年 1 次/年 1 次/2 年 节能宣传及培训情况 静 宣传培训非常到位 宣传培训比较好 宣传培训一般 宣传培训不到位 没有宣传培训 隧道智能监测 静 监测内容非常完善 监测内容较完善 存在监测不完善 监测没有智能化 无监测*注：1.照明布灯方式指标中，若该评价隧道为三车道隧道，则按照如下标准来评判：若交通量大，优先考虑舒适性，两侧交错两侧对称中央布灯；若交通量小，优先考虑节能经济性，中央布灯两侧交错两侧对称。2.照明灯具光强分布指标中，根据照明布灯方式的不同，节能效果从优到差排序为：中线布灯：非对称、对称蝶形、对称非蝶形、对称倾斜式；拱顶偏侧布灯：非对称、对称蝶形、对称倾斜式、对称非蝶形；两侧对称布灯：对称蝶形、非对称、对称倾斜式、对称非蝶形；两侧交错布灯：对称蝶形、非对称、对称非蝶形、对称倾斜式15。3.洞外亮度指标中，对于有动态调光的，通过采集亮度传感器的实时数据计算；对于无动态调光的隧道，用实际值与设计值的误差来计算。4.交通量指标中，对于有动态调光的，通过采集车检器、交调站或门架的实时数据计算；对于无动态调光的隧道，用实际值与设计值的误差来计算。2 确定评价指标权重 2.1 层次分析法 AHP 是一种解决多目标问题的研究方法，能统一处理定性和定量指标，用决策者的经验判断各指标的相对重要程度，进而计算权重18-19。2.2 AHP 主要步骤（1）构造判断矩阵 本文邀请了 20 名参与隧道运营管理的专家，采用 19 标度法进行打分，见表 2，构造判断矩阵 A。208 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 以专家 1 为例，其准则层的指标重要性程度构造的判断矩阵见表 3。表 2 19 标度法 Tab.2 19 scale method 标度 含义 1 表示两个指标同样重要 3 表示第一个指标比第二个指标稍微重要 5 表示第一个指标比第二个指标一般重要 7 表示第一个指标比第二个指标十分重要 9 表示第一个指标比第二个指标绝对重要 2，4，6，8 表示上述相邻判断的中间值 倒数 若指标和指标的重要性之比为，那么指标与指标的重要性之比为=1/表 3 专家 1 准则层判断矩阵 Tab.3 Expert 1 criterion layer judgment matrix 能耗评价 土建特征 机电设备 交通环境 运营管理 土建特征 1 1/8 1/8 1/4 机电设备 8 1 1 7 交通环境 8 1 1 7 运营管理 4 1/7 1/7 1 （2）求最大特征值及特征向量 过渡段进行阶矩阵一致的充分必要条件为最大特征值max=。=(1)式中，为判断矩阵；为特征值；为特征向量。（3）一致性检验 为了避免人为打分构建的判断矩阵出现与客观事实的误差，需要对判断矩阵进行一致性检验，以下列出一致性检验的计算步骤。第一步，计算一致性指标：=max 1(2)第二步，查找随机一致性指标，取值如表 4所示。表 4 取值 Tab.4 Value of consistency index 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 0.52 0.89 1.12 1.26 1.36 1.41 1.46 第三步，计算一致性比例：=(3)如果 )(6)式中，()为隶属度；，为调整函数的参数，其中，取值为 2，一般由实践经验确定。居中型隶属度函数中和按式（7）取值 =(max+min)/2=4/(max min)2(7)式中，max，min分别对应级别相应参数的上下界限值。（2）定性指标隶属度确定 通过模糊统计的方法确定定性指标的隶属度。模糊统计是让参与评价的专家，按规定的评价等级划分评价指标等级，然后依此统计各指标等级的频数，统计结果即为定性指标的隶属度。3.4 单因素模糊评价，建立模糊关系矩阵 单因素模糊评价是以单个因素为评价的出发点，通过确定评语集与评价对象对应的函数关系，得到相应的隶属程度指标。评价每个指标得到其对评价各等级模糊子集的隶属度，得到模糊关系矩阵20-21。=111212122212(8)3.5 多因素模糊评价 将利用层次分析法得到的权向量与模糊关系矩阵合成，得到各评价对象的模糊综合评价结果向量20-21。=(1,2,)111212122212=(1,2,)(9)3.6 综合评价结果确定（1）置信度识别确定评价等级 对于评价结果的确定，本文选用置信度识别原则22。因为最大隶属度原则会丢失除最大隶属度以外的全部隶属度信息，造成评级结果出现误差，故通过置信度识别原则来评判评价结果。置信度识别原则：设评价类（1，2，3，4，5）为有序分割，置信度为（0.5 0.6=3，由表 7可得凹垌隧道能耗水平等级为一般,对应隧道照明能耗水平分数=3.49。4.3 评价结果分析与应用 为验证动态变化的数据对评估结果的影响，调整相关动态指标数据，主要是模拟隧道照明在中午与夜间的状况，对比分析调整前后的评价结果，从而验证准确性。调整前后的数据见表 9，调整后得到分数=2.69。表 9 动态指标数据调整表 Tab.9 Dynamic indicator data adjustment table 指标 调整前（中午）调整后（夜间）原始数据 处理后 原始数据 处理后 洞外亮度 1 385 7.6%0 100%交通量 316 43.7%83 85.2%从整个评估结果分析，凹垌隧道能耗水平为一般，其中洞口形式评价结果为差，这是目前首要考虑节能的环节；隧道墙面反射系数、照明布设方式、照明控制方式等为一般，是该隧道照明能耗管理中较薄第 4 期 唐明旭等，基于 AHP-FCE 运营公路隧道照明能耗动态评价 211 弱的环节。从调整数据后的结果分析，能耗水平得分减少，这一结果与夜间洞外亮度减少，交通量减少，照明需求相应减少，但误差增大，能耗浪费增加的客观实际情况相符。说明本文提出的运营隧道照明能耗水平动态评价，理论上可行，对于实时掌握隧道能耗水平有一定的参考意义。根据以上分析可知，隧道运营单位应考虑智能照明控制方式、发光反光的高性能涂料、运用新型的遮光棚技术等降低洞内外亮度差，以及强化职工节能减排操作技能，如按照时间、天气、交通量等进行照明回路的控制，从而降低照明能耗。对于没有采用动态调光的隧道应通过实测洞外亮度来调整设计值，遇到交通量较少的情况，要根据实际情况按需进行调整，避免不必要的耗电。5 结论 本文通过对运营公路隧道照明能耗影响因素、指标等级划分及评价方法的调研，建立了基于AHP-FCE的运营公路隧道照明能耗水平动态评价模型，验证了该模型的可行性，得到以下结论：（1）通过分析运营公路隧道照明能耗的影响因素，再结合规范及调研资料的研究分析，建立了运营公路隧道照明能耗水平评价指标体系。（2）通过研究目前的节能技术，结合规范及专家意见对评价等级范围进行划分，继而提出 AHP-FCE的运营公路隧道照明能耗水平动态评价模型。（3）在能耗评价过程中将指标进行动静态分类，既能实现动态评价，又能很好地与传感器数据相结合，探索隧道照明能耗评价在“隧道智慧运营管理平台”中的运用，通过实时能耗评价数据，为节能改造工作提供参考。参考文献：1 杨翠,胡国辉,余波,等.公路隧道照明节能大有可为J.光源与照明,2015(3):32-36.2 张世平,王兴平,史玲娜,等.光伏太阳能薄膜遮阳棚在公路隧道中的应用研究J.公路交通技术,2018,34(3):86-89.3 尹力,史玲娜,刘贞毅,等.基于发光反光高性能涂料的隧道照明安全与节能技术应用研究J.隧道建设(中英文),2019,39(S1):327-333.4 Li Qin,Lili dong,Wenhai xu,et al.A“vehicle in,light brightens;vehicle out,light darkens”energy-saving control system of highway tunnel lightingJ.Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research,2017,66:147-156.5 Li Qin,Xuhua Shi,Arturo S.Leon,et al.Dynamic luminance tuning method for tunnel lighting based on data mining of real-time traffic flowJ.Building and Environment,2020,176:106844.1-106844.10.6 袁立,史玲娜,张龙.基于太阳光照明的隧道按需照明节能控制技术研究J.隧道建设(中英文),2019,39(S1):131-138.7 李柯,马怀琴.低交通量公路隧道中间段照明节能技术研究J.现代隧道技术,2021,58(1):190-196.8 王少飞,涂耘,邓欣.高速公路隧道运营节能减排评价指标体系J.铁道工程学报,2013(11):88-92.9 王少飞,柏立懂,王辉,等.再论公路隧道运营管理J.公路,2014,59(10):171-176.10 陈云勇,杨治攀.安全运营条件下长大公路隧道节能指标研究J.公路交通技术,2019,35(1):134-139.11 李沛沛,王建辉,贾春峰.高速公路运营期节能减排绩效评价指标体系研究C/.2015 年中国环境科学学会学术年会论文集(第一卷),2015:414-423.12 贡松多吉,海森,李望,等.公路隧道运营期能耗监测指标体系J.地下空间与工程学报,2020,16(S1):407-412.13 JTG/T D70/2-012014.公路隧道照明设计细则S.14 袁立,史玲娜,涂耘,等.公路短隧道通透率计算方法及其影响因素J.地下空间与工程学报,2019,15(4):1112-1117.15 杨超,李敏,肖宇,等.配光曲线和布灯方式对隧道照明功耗及照明效果的影响J.现代隧道技术,2018,55(6):131-138.16 宫广涛.公路隧道照明布灯方案的改良设计分析J.西部交通科技,2020(9):109-111.17 谢居应,胡磊,杜晟,等.基于“按需照明”的隧道照明能效分析研究J.交通节能与环保,2021,17(3):111-114+128.18 SAATY T L.The Analytic Hierarchy Process:Planning,PrioritySetting,Resource AllocationM.New York:M cG raw Hill,1980 19 刁建新,郭璠,荀浩桅,等.基于 AHP-模糊综合评价法的坝上农宅节能评价J.建筑节能(中英文),2021,49(03):127-133.20 阎少宏,王宏.模糊数学基础及应用M.北京:化学工业出版社,2017.21 郑立宁,蒋雅君,刘世圭.基于模糊综合评价法的城市综合管廊结构健康评价方法研究J/OL.隧道建设(中英文),2022(S1):560-567.22 靳红梅,党琪,李洪安,等.基于 FCE-AHP 的矿井通风质量动态评价J.工矿自动化,2021,47(9):77-84.