火車站智能照明控制系統開發及工程應用

劉家濤

(中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081)

引言

隨著鐵路“強基達標、提質增效”工作主題的提出，鐵路客運站“節能降耗、減員增效”成為客運車站建設和發展的主旋律。車站照明占據車站電能消耗的30%～40%，中型車站照明費用每年達200～300萬元。經常出現站臺無人、無車而燈常亮的浪費現象，尤其是在候車室和車站進出站通道，表現更為突出。孟金林[1]通過GSM-SMS控制技術研究了鐵路集裝箱中心站場區域照明控制系統的設計，但沒有從燈具布點期考慮燈具分布，且沒有結合車站業務進行控制，節能效果有限。陳思敏等[2]針對高效圖書館照明能耗高的問題，提出了基于PLC的綠色智能照明方案，實現的就地控制到遠程控制的轉變。王曉暉等[3]利用LoRa技術實現了照明的遠距離無限控制，但控制距離較短，且適合校園、公園等較空曠的場所。YIN等[4]和BYUN等[5]對LED燈的選型與能效的關系進行的研究，對建筑物室內照明策略進行研究，提出了分時控制照明燈具的策略。沈海平[6]對照明視覺問題進行了論證和問題研究，這對照明燈具的分布設置具有重大意義。總體上，國內對照明的控制仍比較粗放，沒有結合車站業務對照明進行精細化控制，主要著眼于照明燈具定時開關控制，對照明燈具的分布設置研究較少。且缺少照明舒適度等問題的研究。在發達國家，歐美等國對照明舒適度非常重視，對不同場所的照明場景應用廣泛[7]。

本文對車站照明燈具的分布設置進行深入研究，并結合車站到發業務及環境參數(照度、人體感知等)對車站的照明進行基于業務的策略控制，取得良好的效果。在車站實際應用后，節能效果顯著，有效地降低作業人員勞動強度。

1 火車站智能照明控制系統原理

1.1 火車站智能照明控制系統方案

利用現代信息技術，物聯網感知技術，結合車站業務數據，建設系統化、網絡化、信息化智能照明控制系統。實現車站照明設備的智能化監控，并可支持突發情況下人工干預，以圖形化方式展示照明回路的運行狀態，為用戶提供實時、高效、智能化服務，達到節能降耗、減員增效的目的[8]。

圖1為火車站智能照明控制系統架構圖，控制平臺部署于車站指揮中心，設一名值班人員進行盯控。通過局域網鏈接到信息機房的服務控制器(含路由)，服務控制器通過網線連接到PLC控制模塊，距離較遠時，設置網橋。網絡模塊把網絡信號轉換成電信號通過485線連接終端控制模塊。終端控制模塊主要實現信號接收，并根據信號調節其內置的繼電器。從而達到遠程控制。控制平臺主要實現開關命令的執行，包括定時開關命令，自定義場景開關命令；接收現場安裝的照度傳感器、人體紅外感應傳感器的信號，并結合車站旅服系統到發信息按配置模板生成分區域開關燈計劃，自動調節燈的開關和數量。通過照度傳感器感光控制，靠近窗戶的照明回路，根據外界自然光的亮度自動開關控制，當外界亮度很強時，靠近室外的回路關閉，當外界照度不夠時，系統自動開啟靠近室外的照明回路，補充照度。人體紅外感應傳感器，在有人活動的場景下，燈自動開啟，人離開一定時間后，燈自動熄滅。結合車站旅服業務，為不同類型車(始發、途徑、終到)設置開燈提前量和后置量，定時實現不同區域照明的控制[9-11]。

圖1 火車站智能照明控制系統架構圖

1.2 傳感器及燈具分布

為了實現車站照明的智能控制，光傳感器分布要真實反映站臺和候車室平均照度。光源分布要滿足策略控制要求，能實現1/2、1/4等控制模式，區域照度均勻。

1)傳感器及燈具分布原則。光敏材料在其周圍的照度發生變化時，物理量會相應發生改變，故可將亮度轉換為電信號。因此，采用光敏材料對該點照度信號進行采集，然后將模擬信號轉換為數字信號，以此構成光電傳感單元。光源和傳感器的分布，須遵循以下原則:①燈具布置需滿足車站候車室工作人員、乘客乘降候車需求;②傳感單元的分布必須能夠真實的反映候車室內及站臺雨棚下的照度;③光源與傳感單元之間須無障礙，傳感單元的分布位置在滿足前一條件的基礎上可適當調節。

2)傳感器及燈具分布設置。光源采用多點均勻分布，傳感單元則視候車室內面積和光源數目而定。如: 在售票車間內，作業場所需實現無影作業，采用多光源均勻分布于作業場所上方，將傳感單元均勻分布于作業場所四周和上空; 在候車室內，為了滿足乘客和工作人員需求，光源采用多點均勻分布方式，傳感單元置于墻體四周及候車室廳內頂棚。以候車室內光源分布為例予以進一步說明。光源采用3 × 3陣列分布，如圖2 所示。

圖2 光源與傳感器分布圖

圖2中M 代表傳感器，A 代表光源，將傳感器分布于墻體四周，距地面2 m以上同一水平面處。光源成陣列形式分布于頂上天花板，到傳感器垂直距離為H，水平距離為D，空間距離為L，夾角為θ。

如圖3所示，設傳感單元受光面為S，取其中一個微面元ds; 面元ds對點光源A 所張的微立體角元為dω，則dω=ds/L2。而點光源A在微立體角元dω范圍內射向被照面N 的光通量dΦ，由光強定義可知[9]：

Iθ=dΦ/(dω×sinθ)

(1)

那么，由照度的定義可求得點光源A 在微面元ds上產生的照度Ev為

(2)

則全部光源作用下，傳感器Mi感光表面上的照度為:

(3)

當傳感單元與光源足夠遠時，可將傳感單元視為一個點，有

(4)

圖3 點光源指向傳感單元處照度

為確保區域內光線均勻分布，并滿足區域照度要求，對二者分布進行相關的二級調節。

3)傳感器及燈具分布二級調節。相關二級調節就是指在調節某處照度時，首先將該處照度差值與相鄰兩處照度差值相關，找出相關性再予以調節。為了在程序中容易實現，相關正負關系足以達到設計需求。其次，在調節時，根據相關結果予以分級調節。以圖4 為例進行說明。

圖4 調節說明示意圖

由式(3)可知，M6處所測的照度數據與L2成反比。故調節時，以M6為圓心，分別以光源距M6距離中最近的2個距離為半徑畫圓。以上述理論分析為基礎，對車站部分區域照明燈具進行微調，并在區域內增設傳感器，滿足上述計算場景。

1.3 電氣設計與施工

系統設計中將太原站站臺、候車室站前廣場的照明燈具由原來的金鹵燈改造為LED燈，并對車站站臺和候車室等區域的電氣控制柜進行重新規劃設計和施工，并對部分區域照明回路按分布設計進行整改，以滿足智能照明點位分布的要求。

1.4 智能照明控制系統策略

綜合考慮客站具體業務結合列車到發信息與環境參數(亮度)配置控制策略模板如下：

根據客站照明設備的業務特點，將照明控制策略分為站臺照明控制策略和其他區域照明控制策略。

1)站臺照明控制策略。站臺照明策略綜合考慮列車到發信息以及運營環境參數等影響因子，設列車到達時刻為T1，出發時刻為T2，并設置列車到站前的時間值M和列車離站后的時間值N兩個時間參數；根據運營環境參數設置閾值[P，Q]，策略配置如下：

當前亮度值

當前時間屬于[T1-M，T2+N]時，執行照明的開操作；

當前時間不屬于[T1-M，T2+N]時，執行照明的關操作；

在一定時間T內，若有多次開與關操作，則中間的操作忽略執行。

當前亮度值>Q時，執行照明的關操作。

2)其他區域照明控制策略。其他區域的策略主要考慮運營環境因子，結合區域的使用情況根據環境的亮暗進行照明設備的開關。設置參數閾值[P，Q]，策略配置如下：

區域開放時，當前亮度值Q時，執行照明的關操作。

區域關閉時，執行照明的關操作。

2 智能照明控制系統方案

1)業務流程。智能照明控制系統主要是結合車站業務需求，在確保車站正常生產、提供舒適的車站環境的基礎上，有效的、合理的控制車站照明的開關狀態，達到延長設備的使用壽命，減少維護成本以及節能降耗的目的。系統整體業務流程圖如圖5所示。

圖5 智能照明控制系統業務流程圖

2)PLC選型及程序編寫。結合項目情況，設計中使用西門子PLC S7-200 CPU226進行控制，并在終端控制模塊選擇正泰交流接觸器CJX2-1210。PLC程序如圖6所示，為一個照明回路的控制程序。

圖6 單回路控制程序

3 效果分析

1)能耗分析。對系統使用前后的能耗進行對比分析。使用前，①候車室及進出站通道照明處于24 h常開狀態；②站臺從晚上開燈后，到第二天早上關閉；③開關燈操作，由各區域值班人員在配電箱。使用后，①候車室設置照度傳感器，自動跟蹤外部自然光線的變換，打開或關閉臨窗照明回路，大大縮短燈具工作時間；②模式控制中，進出站通道白天時，使用半開、1/4模式控制，大大降低能源浪費；③站臺區域，系統按照預先設置的程序進行照明開關，無需人工干預，不但節能人工成本，而且準時、全自動運行。

對系統安裝前后進行統計分析，站臺上平均每個回路每天少運行1 h，進出站通道每天可少運行2.5 h，候車室每天少運行1.5 h，同時由于光度自動調節區域，開燈率由原來的100%降低到75%～80%。通過縮短開燈時間和開燈率，在不影響車站作業的情況下，開燈時間可壓縮約30%。

2)投資回報分析。每個額定電流為10 A回路的實際負載為4 A，每天每個回路工作10 h，節省電能為2.64 kW·h，每年工作365天，每度電按0.9元計算，實際每年節省電費867.24元，太原站站臺、候車室、進出站通道燈具為2 540盞。按每個回路20盞，有153個回路，共可節電132 651元，節能效果可觀，圖7為采用照度傳感器后不同天氣形成的效果圖，圖8為進出站通道使用不同控制模塊、設置不同控制方式后的效果圖，可以直觀地看出燈具開關情況及效果。

圖7 不同的天氣形成的效果圖

圖8 不同控制模塊使用情況效果圖

3)人力成本分析。火車站7個站臺的值班員可以減少2人，同時候車室、進出站通道也可以減少值班員2人，需要對監控平臺進行盯控，故加崗1人。初步估計能夠減少3人的成本。

4)應用效果分析。智能照明控制系統主要是結合車站業務需求，綜合考慮其他影響因素，在保證安全正常的作業運行基礎上，對車站照明進行有效、合理的控制，實現節能降耗的效果。主要效果包含有以下幾個方面：

a)照明的自動化監控。系統主要結合車站的業務需求，同時考慮時控、環境光照亮度等因素，實現對車站內不同的區域照明進行自動的監控。通過場景模式控制照明回路，達到對照明的自動控制效果。

b)延長設備壽命周期。根據車站業務需求，結合照明自動監控，進行照明狀態的合理控制，有效地、合理地控制設備的使用情況，延長其使用壽命。

c)實現節能能耗效果。綜合考慮時控(季節性等)、環境亮度(傳感器等)因素，自動控制車站區域照明的狀態。當車站某區域無作業等情況時，適時的控制照明關閉，避免照明不必要的空開，達到節能效果。同時，系統實現對照明的自動控制，大大降低現場人員的工作任務，有效地提高員工的工作效率。

d)美化車站環境，提高服務質量。候車室等室內照明利用場景調節變化加強空間環境的舒適效果，為旅客營造出舒適的候車環境，有利于旅客的身心健康，提高客站的服務質量[12]。

5)節能效果分析。通過在太原站詳細的調研了解到太原站照明目前都是通過人工開關回路，根據不同季節的光照情況，給出開關燈的大致時間范圍，工作人員憑自己的感官感受進行開關，時間有很大誤差，并且開燈時默認為全開，造成了能耗的浪費。以太原站站臺為例，太原站現在開關燈情況如表1所示。

表1 使用系統前站臺區域照明開關時間點

一站臺高架下有4個回路，雨棚下有4個回路，二、三站臺，四、五站臺，六、七站臺高架下分別有6個回路，雨棚有8個回路，按照一個回路開1 h為單位計算，每天需要開516回路×小時。

按照太原站的業務要求，車進站前10 min開燈，車離站5 min關燈，相鄰兩趟車的時間間隔大于30 min關燈，在設備節能監控系統中進行配置后，結合到發與時控生成計劃后每天開關燈時間如表2所示。

表2 使用系統后站臺區域照明開關時間點(根據到發業務自動生成計劃)

每天需要開296回路×小時。按照上述計算，大約能節省43%的能耗。

使用系統前后每個站臺的能量消耗情況(以回路×小時計算)如圖9所示。

圖9 系統使用前后節能效果對比圖

4 結論

本文對客運火車站照明燈具的分布進行研究，并結合車站到發業務和環境參數對火車站智能照明控制系統進行了設計，并依據時間段、到發業務、環境參數(照度和人體感應)對車站不同區域的照明回路進行了策略研究，達到了預期效果，節能率達到43%，且能減少客運作業人員崗位，縮短作業時間。在車站應用過程中能夠靈活、高效地對照明燈具進行控制，經濟效益可觀。下一步需要深入研究開關次數與燈具壽命的關系及照明眩光等參數對旅客舒適度的影響，以提供舒適的乘車環境。