機車照明現(xiàn)狀分析及智能照明研究

程世軍

摘 要：隨著鐵路新技術的快速發(fā)展，機車安全運行的要求也不斷在提高，機車司機室內(nèi)、外部照明也顯得尤為重要。本文對現(xiàn)有機車照明情況進行了調(diào)查分析，對比了各機車照明燈具的性能，提出了使用性能最佳的LED燈，應用ZigBee技術及最新的調(diào)光調(diào)色技術實現(xiàn)機車照明動靜態(tài)智能調(diào)控，達到智慧照明、健康照明的目標，為司乘人員提供舒適、高效、節(jié)能的照明環(huán)境。

關鍵詞：機車照明；智能調(diào)控；分析；研究

1.引言

目前鐵路機車內(nèi)外照明仍采用老式燈具，穩(wěn)定性差，閃爍問題嚴重，發(fā)熱量大、色溫不可調(diào)節(jié)，燈具安裝、配光未體現(xiàn)司乘人員及路況瞭望的照明需求，對司乘人員的視覺損傷較大，嚴重影響瞭望效果和行車安全。通過無線傳輸技術，應用智能調(diào)光調(diào)色、光學膜LED光譜剪裁技術實現(xiàn)適合人體節(jié)律的智慧照明，為乘務員提供更舒適實的工作環(huán)境，通過對環(huán)境的監(jiān)控，應用彎道自適應照明技術現(xiàn)實機車外照明的智能控制，使乘務員更易瞭望和觀察列車前方的路況，保證了機車運行安全。

2.現(xiàn)狀調(diào)查

2.1筆者對廣鐵集團長沙機務段機車照明設備類型調(diào)查如下表1

2.2司機室內(nèi)照明現(xiàn)狀分析

2.2.1目前大部分機車司機室內(nèi)仍采用白熾燈，僅HXD3C機車使用節(jié)能燈，此類燈具壽命短，穩(wěn)定性差，閃爍問題嚴重。機車車內(nèi)燈具如下圖1。

2.2.2司機室內(nèi)燈具的安裝、配光未真正體現(xiàn)廂內(nèi)結構與司乘人員的照明需求，局部照明過度導致眩光嚴重、某些區(qū)域照明過低存在照明“死角”。

2.2.3機車司機室采用二級照明：正常照明、減光照明或弱光照明，但燈具色溫不可調(diào)節(jié)，且照明降級時需要通過手動調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。2.2.4司機在長時間、跨時段工作的情況下單一燈光易造成視覺疲勞，影響行車安全的問題。

2.3司機室外照明現(xiàn)狀

2.3.1目前大部分列車室外燈仍采用氙氣或鹵鎢燈，壽命短，穩(wěn)定性差，發(fā)熱量極大，機車室外燈具如下圖2。

2.3.2一般情況下的列車前照燈采用二級照明：遠光照明和近照明，但實

際行車過程中往往出現(xiàn)過亮或過暗情況，影響司機瞭望

2.3.3列車室外照明燈具色溫不可調(diào)節(jié)，雨天和霧天的瞭望效果較差。

2.3.4進出隧道過程中無法進行有效的光補償，對司乘人員的視覺損傷較大，嚴重影響瞭望效果和行車安全。

3.現(xiàn)有機車燈具與LED燈照明性能對比分析

3.1現(xiàn)有機車照明燈與LED燈性能比較如下表2

3.2性能對比解析

3.2.1光色特性比較：一是光效度： LED光效最高，90%的電能轉化為可見光，且光單色性好，光譜窄，無需過濾，熒光燈、金鹵燈光效可達100 lm/W，氙氣燈、白熾燈光效最差。二是顯色性：LED顯色指數(shù)也可達95，接近于白熾燈的100，顯色性較好，熒光燈、氙氣燈、金鹵燈顯色性較差。三是色溫：一般地色溫〈3000K定義為溫暖色，色溫在3000-5000K定義為中間色或爽快色，色溫〉5000K定義為冷色或清涼色。由此可知LED色溫范圍廣，熒光燈、金鹵燈色溫集中在中間色，白熾燈則為溫暖色。

3.2.2電氣特性：LED燈能耗較低，功率因數(shù)可達0.95，節(jié)能且對電系統(tǒng)干擾較小，白熾燈90%的能量轉換為熱能，能耗最好，其他燈具雖然能耗不高，但功率因數(shù)較低，對用電有一定干擾。

3.2.3安全性能對比：由上表可知LED燈發(fā)熱溫度最低，金鹵燈、氙氣燈、白熾燈均有較高的發(fā)熱，燈具發(fā)熱極易造成線路燒損、更有甚者引發(fā)機車火情，白熾燈10倍于額定電流的啟動電流也常引發(fā)電器線路燒損。

3.2.4健康指數(shù)對比：由上表可知LED燈無頻閃、眩光、紫外線，但其發(fā)出的白光帶有較多的藍光成分；而熒光燈、金鹵燈、氙氣燈則有嚴重的頻閃、眩光問題，金鹵燈還有34%的紫外線輻射問題，長時間使用都會對機車乘務員身體健康產(chǎn)生影響。

3.2.5壽命與成本：由上表可知LED燈使用壽命在30000小時，白熾燈最少小于1000小時，其他燈具平均在1000-15000小時。

4.問題提出及分析

4.1針對機車乘務員的工作場景，如何提供更加舒適的燈光，提升乘務員的舒適度。

4.1.1現(xiàn)有機車司機室、走廊、機車外部光環(huán)境較差，司機室照明頻閃嚴重、照明分配不均，局部眩光嚴重，局部光線昏暗，同時存在紅外線、紫外線、輻射性等問題，乘務員整體舒適度不高。分析認為較差的照明對人的生理和心理產(chǎn)生影響，易使乘務員產(chǎn)生不良情緒，影響到機車的安全運行。

4.1.2通過微電子調(diào)光、調(diào)色、廣角度變換技術可實現(xiàn)光照的人性化智能控制，不同空間、場景通過改變光照的色溫、亮度、方向來科學地調(diào)節(jié)光照環(huán)境，例如色溫調(diào)節(jié)，根據(jù)目前最新研究發(fā)現(xiàn)，不管是暖光色還是冷光色（色溫不一樣），在每天不同時段，人都各有所需。 高色溫的冷光色相當于晴朗的天空。在這種燈光環(huán)境下，人體器官會產(chǎn)生皮質(zhì)醇和血清素，在這些激素的作用下可以幫助我們集中注意力，保持清醒。反之，低色溫的暖光可使人放松。具體到機車上我們可以現(xiàn)實機車根據(jù)運行方向、速度自動判斷調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光色溫，機車操縱端為冷色光，且機車速度越高色溫越高，讓乘務員注意力集中、保持清醒，非操縱端為暖色光，且機車速度越低色溫越低讓休息的乘務員得到徹底放松。從光環(huán)境來提升乘務員的舒適度，達到改善乘務員情緒的目的。

4.2針對晝夜以及雨、霧天氣、隧道等運行環(huán)境，如何匹配不同色溫的燈光，營造舒適的瞭望環(huán)境。

4.2.1現(xiàn)有機車室外照明未能結合運行環(huán)境合理配置照明，光照、色溫、角度不可調(diào)，雨天和霧天瞭望效果差，特殊環(huán)境無光照補償，司乘人員的視覺損傷大且機車運行安全得不到保障。

4.2.2利用中央控制系統(tǒng)、各型傳感器、環(huán)境監(jiān)測模塊、無線網(wǎng)絡技術現(xiàn)實機車室外照明根據(jù)外界環(huán)境變化進行自適應調(diào)整，達到機車的智能化動態(tài)照明。

5.新技術應用與實現(xiàn)

5.1新技術闡述

5.1.1 新型LED照明燈具。LED照明燈具有光效高、能耗低、色溫范圍廣、功率因素高，無頻閃、眩光、不發(fā)熱等傳統(tǒng)燈無法比擬的優(yōu)勢，而且LED燈具是一個完全的電子產(chǎn)品，而傳統(tǒng)的照明燈具僅是一個電器產(chǎn)品。LED燈可以很方便地與各種類型的傳感器關聯(lián)，從而實現(xiàn)光控、紅外控制等多種自動、智能控制。

5.1.2 智能傳感器。傳感器作為信號采集和機電轉換的器件技術向小型化、智能化、多功能化、低成本化邁進。機車照明控制系統(tǒng)所使用的傳感去如下：一是人感紅外傳感器（PIR），它靠探測人體發(fā)射的紅外線而工作，人體發(fā)射的紅外線借菲涅爾濾光透鏡增強到熱釋電元件PIR，再經(jīng)過熱電轉換后控制燈具，通過人體溫度與背景溫度比較即可實現(xiàn)燈具實時控制。二是照度傳感器。光敏電阻板對光線的明暗亮度十分敏感。可根據(jù)天氣、時間段和地區(qū)自動控制燈具的開斷或光照度大小。三是超聲波傳感器（ULT）。可探測由移動人員的反射產(chǎn)生多普勒效應引起的頻率改變。通過頻率比較即可實現(xiàn)對燈具實時控制。

5.1.3 ZigBee無線傳輸技術。應用在短距離范圍內(nèi)以及數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設備之間的信息傳輸技術，數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器）和間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）。采用跳頻技術，因此非常適用于照明等小型電子設備的無線控制指令傳輸。非常適用于照明等小型電子設備的無線控制指令傳輸。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，從睡眠狀態(tài)轉入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需要30ms且價格低。

5.1.4 色溫調(diào)控技術。采用多個LED器件和驅動控制模塊，多個LED器件包括多種不同色溫的白色LED器件，依據(jù)色溫不同分為若干LED器件組，驅動模塊用于分別控制所屬LED器件的工作，達到實時控制所需色溫。

5.1.5“彎曲、自適應照明”技術。此技術對機車前照燈組成的每一個照明單元進行電子控制，系統(tǒng)與車輛的轉向位置、車身角度、輪對速度通訊，能預測前方的道路情況，系統(tǒng)的照明單元更可旋轉20度，顯示對路況環(huán)境的“自適應”。

5.1.6光學膜LED光譜剪裁技術。利用光學薄膜現(xiàn)實對LED燈光中藍光的裁剪，現(xiàn)實LED低藍光的健康照明。如下圖3所示：

5.2新技術應用與現(xiàn)實

5.2.1機車照明智能控制系統(tǒng)由中央處理單元，白色LED照明，無線智能傳感器，ZigBee無線數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡，色溫調(diào)控+彎曲、自適應照明+光學膜LED光譜剪裁技術組成的智慧照明單元組成。

5.2.2系統(tǒng)結構圖如下圖4：

6.結論

通過對機車照明系統(tǒng)的分析與研究，采用白色LED照明，無線智能傳感器，ZigBee無線數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡及新技術智慧照明單元組成的系統(tǒng)可現(xiàn)實機車內(nèi)外照明動靜態(tài)智能調(diào)控，為機車乘務員提供良好的瞭望場景，和舒適的值乘環(huán)境。

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