鐵路隧道照明控制方案探討

王瑞云

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司 北京 102600）

1 引言

當今節約能源、節約資源、保護環境成為社會共識，國家及各部委均已出臺相應法律法規和方針政策，要求節約能源，降低能耗［1－2］，提高能源利用率，促進再生能源的應用。鐵路隧道內照明光源、照度標準及功率密度已有國家相應標準［3］，參與工程項目建設的有關各方均已按規定執行，將節能落到實處。為進一步降低能耗，現通過采用現代電子檢測技術對隧道內照明系統的啟閉時間進行調控，實現鐵路的安全節能運行。

2 鐵路隧道內照明功能及設置依據

鐵路隧道內設置照明裝置除去作為檢修照明外，還可以為隧道內通行的火車提供必要的照明支持，保證鐵路安全運營［4］。

依據國家相應規范要求高速鐵路、城際鐵路、時速200 km客貨共線鐵路中長度在500 m以上的隧道內應設置正常照明；設計時速160 km及以下客貨共線鐵路、貨運專線鐵路中隧道長度在3 000 m及以上的可設置正常照明［5］。

根據規范規定，客運專線及高速鐵路隧道幾乎均需要設置正常照明燈具。隨著國家經濟實力及相關技術水平的提高，鐵路工程建設已達到逢山穿越、遇溝架橋的階段，鐵路隧道建設越來越多，隧道里程越來越長，每年隧道照明耗能逐年增加，如何降低隧道照明能耗問題已經凸顯。

3 鐵路隧道現有照明控制方式及能耗

目前國內隧道照明系統控制方式主要有兩種：現場手動控制和遠動控制方式。現場手動控制：人工現場通過設置在隧道口的電源開關箱及洞內的照明控制箱進行照明燈具的控制［6］。這種方式用于線路檢修人員檢修線路時使用，但鐵路正常運行時，為保障列車的安全運行，一般隧道照明被設置為長明燈方式。遠動控制：由遠控中心人員根據各列車通過隧道時間或根據需要開啟或關閉隧道內的照明燈具。一個遠控中心需管理多條鐵路線路，每條線路又包含多條隧道，控制點位多、控制系統復雜，同時受列車時刻表調整影響，管理更加復雜繁瑣，造成許多遠動控制的隧道照明系統采用長明方式運營［7］。

長明運營方式的能耗很大，以一條長度為1 000 m的單線隧道為例，其正常軌面照度標準為3 lx，功率密度標準約為0.35 W／m2。

根據照明標準能耗計算公式：

式中：E為能耗，kW·h；P為照明功率密度標準值，W／m2；S 為照明面積，m2，T 為照明時間，h。

經計算，上述隧道其全年照明消耗電能約為1.5萬kW·h。現實中鐵路隧道照度設計值一般都高于規范要求，達到5～10 lx，其實際電能消耗遠比計算值大的多。考慮全國鐵路隧道的體量，其全年照明耗能巨大。

根據以上隧道照明系統控制方式的論述及能耗分析發現，在照度標準、照明功率密度值及照明面積固定的前提下，與隧道照明能耗關系最大的是運行時間，因而選用一種能對隧道內照明系統時間進行調控的方案，對于降低鐵路隧道照明能耗非常關鍵［8］。

4 隧道照明控制方案研究

鐵路隧道內照明燈具已有的啟閉控制方案較多，且比較成熟，但能做到列車通過隧道時隧道內的照明燈具自動開啟，提供運營照明，而當列車通過隧道后隧道內的照明燈具自動關閉［9］，這種能自動減少不必要開燈時間的控制方案卻比較少，因此本文探討基于現代電子檢測技術現場自動啟閉隧道內照明燈具的控制方案。

4.1 紅外對射形式

紅外對射探測器的工作原理是從一端發射紅外線，另外一端接收紅外線，形成一個回路。如果有物體擋在紅外對射探測器之間，阻斷紅外回路，接收機信號發生變化，放大處理后發出動作信號［10］。紅外對射探測器工作原理：隧道兩側設置紅外對射裝置，在檢測到有列車開進隧道時開啟隧道內的照明燈具；在檢測到列車通過隧道后關閉隧道內的照明燈具。具體檢測設備布置方案如下：

現火車設計時速一般為120～350 km，即每秒在45～95 m之間，綜合考慮系統轉換、傳輸時間，在距隧道兩端約4～5 s火車行駛車程（400～450 m）處分別設置兩組紅外對射探測器。列車車底板距軌頂一般為0.9～1.0 m，紅外對射探測器安裝高度以距軌頂高度1.1～1.7 m為宜，保證對射信號能完全被遮斷；兼顧到系統穩定、先后順序識別性及保證探測信號最終可以同時被遮斷，按長度約100～150 m（8節列車長度約200 m）來控制兩組探測器之間間距。探測器需在每條通過隧道的線路上布設，將距隧道端頭遠端的探測器標識為A組，近端標識為B組探測器。牽涉單洞單線及單洞雙線模式，具體檢測設備布置方案見圖1。

圖1 紅外對射檢測設備布置方案

4.2 地感線圈模式

地感線圈模式是一個振蕩電路，線圈是振蕩電路的一部分，由線圈和電容組成振蕩電路。振蕩信號通過變換發送到單片機組成的頻率測量電路，便可以測量這個振蕩器的頻率［11］。當有大的金屬物如火車經過時，由于空間介質發生變化引起振蕩頻率的變化（有金屬物體時振蕩頻率升高），這個變化就作為火車經過“地感線圈”的證實信號，地感線圈的感應系統信號經過處理作為控制隧道內照明燈具啟閉的信號。將4.1章節所述紅外對射探測器換成地感線圈，同樣在隧道的同側每條線路上設置A、B兩地感線圈，距隧道端頭遠端的探測器標識為A組，近端標識為B組探測器。對于我國1.435 m軌距的線路，可采用1.2 m×1.0 m矩形線圈布置在軌道內側，設置方案見圖2。

圖2 地感檢測器件布設方案

4.3 磁鋼檢測模式

磁鋼可以感應磁場的變化，當導磁物體接近磁鋼時，磁鋼會輸出一個正脈沖；當導磁物體從接近位置遠離磁鋼時，磁鋼會輸出一個0 V電壓。利用這個特性通過相關的設計電路輸出正脈沖信號提供一個觸發類的信號，鐵路中車號識別系統及檢測列車軸數均利用磁鋼檢測裝置來配合完成。對于磁鋼檢測裝置信號用在隧道照明控制信號只需將地感線圈模式中的地感線圈換成磁鋼（有對應成套的檢測裝置），通過感應的系統信號來控制隧道內燈具的開啟和關閉。磁鋼安裝于軌道內側，感應火車輪軌經過的信號，A、B兩點的安裝距離由地感線圈模式的100～150 m調整為24～26 m，同樣將距隧道端頭遠端的探測器標識為A組，近端標識為B組探測器。做為隧道照明系統的控制信號需在每個檢測點取一次信號檢測后延遲30 s再取第二次檢測信號。

4.4 相應控制方案

采集后的信號經過處理做為隧道照明的控制信號，控制隧道內照明燈具的啟閉。具體過程為當檢測到的遮擋（感應）信號由鐵路隧道同側A到B時則在設置的計數器內加上1，同時開啟隧道內的照明燈具。當檢測到的遮擋（感應）信號由隧道同側B到A則在設置的計數器內減去1，考慮到發車及追車間距延時5 min（密集發車間距一般為3 min）后再根據計數器內數值判斷是否有車進入隧道或正在隧道內行駛：若計數器數值為零，則表明隧道內沒有列車存在，此時關閉隧道內的照明燈具；若計數器數值不為零，表明隧道內有列車存在，則燈具繼續保持開啟狀態直至檢測到計數器數值歸零為止。具體控制方案見圖3。

圖3 信號檢測流程

4.5 相應配電系統形式

現場檢測信號經處理后作為控制信號傳至隧道照明控制箱，與現場手動控制、遠動控制信號共同控制隧道內照明燈具的啟閉。控制可劃分優先級，一級為現場手動控制信號、二級遠動控制信號、三級現場檢測信號控制。隧道照明配電系統見圖4。

圖4 隧道照明配電系統

4.6 系統的檢測校核

為了解系統的運行情況，及早發現并解決系統問題，在隧道內最不利自然采光處設置光照度探測器，探測器安裝于距疏散平臺地面以上0.5 m高部位。當配電系統接到啟動信號后，光照度檢測的照度由低值（小于1 lx）升至3～5 lx并穩定在此范圍內，表明隧道內的照明燈具正常開啟，檢測校驗系統發出正常信號。當探測器探測到照度值由低值（小于1 lx）快速升至幾千勒克斯隨后降低，瞬間再次快速升至幾千勒克斯再到低值，表明有列車行駛在隧道內而隧道內的照明燈具沒有啟動，系統則發出故障報警信號；當有啟動照明燈具信號但照度探測器未檢測到照度變化時，表明沒有列車駛入隧道，隧道內的照明燈具也沒有開啟，這時系統也發出故障報警信號。維護人員收到故障信號后可到現場進行處理，從照明燈具、配電線路及系統、檢測裝置、信號線路等幾方面進行檢查。這樣就可以及早發現并解決系統問題，同時可以減少后期不必要的現場維護檢修次數。

5 適用范圍及方案實施時應注意的問題

（1）隧道占比較多，特別是采用長大隧道較多的線路。

（2）采用對射方案時，應避免對射裝置安裝位置侵入車輛限界，保證車輛運行的安全性。

（3）為減少外界對系統的影響，紅外對射每組光束接收裝置需采用長桶細徑狀。

（4）為保證系統的穩定及準確性，每組對射探測器建議采用3～4光束探測器。

（5）地感線圈需做好磁通量的確定調整，安裝時需與路基、軌道專業做好協調溝通，做好局部的基礎處理。

（6）磁鋼檢測系統需采用經過國家鐵路局或原國家鐵道部技術評審備案的產品。

（7）隧道內照明燈具需采用能及時點亮的光源［12］。

（8）對于隧道與隧道之間的距離小于1 000 m的連續隧道群可按一個整體隧道來考慮，在隧道群兩端設置檢測控制系統。

6 結論

在原有隧道照明控制方式的手動、遠控模式的基礎上增加能根據現場列車通行情況自動啟閉隧道照明燈具的控制系統，對隧道內的照明燈具啟閉進行控制，做到有列車通過隧道時開啟隧道內的照明燈具，列車通過隧道后關閉隧道內的照明燈具，方便管理，同時能保證火車運行安全又做到節能，減少鐵路運營成本，符合國家及各部委對節能的總體要求。