基于電力線載波通信的鐵路隧道照明控制系統

張 斌，邱立運

(中冶長天(長沙)智能科技有限公司，湖南 長沙 410205)

引言

鐵路隧道照明關系隧道內安全行車與防災救災[1]，近年來越來越受到項目的重視。鐵道部1992年發布的鐵路隧道照明設施與供電技術條件[2]，對鐵路隧道照明和供電有明確的要求，后續的設計規范又不斷完善了隧道照明的標準，在防災條款中對應急照明、疏散照明也作了一些要求[3]。然而，我們對隧道照明的工作狀況、具體的運行方式以及如何實施有效的監控，還需要不斷地探討；另外，對隧道照明項目的照明配電、通信方式、防災系統聯動需求和自動控制也缺少深入的應用研究。

一般情況下，鐵路隧道照明均處于關燈狀態，目前對隧道照明控制技術關注還比較少，且方案較落后，大多在照明供電干線首末端采用人工手動控制，只讓維修人員進行操作。另外，現有的鐵路隧道照明項目對經過隧道的列車狀態缺乏有效判斷，主要應用紅外對射和地感線圈技術進行探測[4]，一旦隧道地質輕微沉降就會導致紅外對射異常、線圈傳感器失效，可靠性差。再就是考慮異常情況下，人員能在最短的距離按下按鈕控制照明回路開閉，隧道內需要配置大量應急照明按鈕，難以有效管控。從通信方式看，隧道照明控制設備組網傳輸數據采用RS485有線方式，或ZigBee、NB-IoT等無線方式[5]，都需要專門架設通信管線或無線網關設備，增加成本、維護麻煩，尤其在5 km以上的長隧道項目問題更突出。

電力線載波通信具有無需重新布線、易于維護、技術成熟等特點，給設備供電的同時實現數據通信，目前已經在智能電網用電信息采集上廣泛應用。根據鐵路隧道照明的功能需求、使用環境和技術特點，有效結合電力線載波通信技術進行鐵路隧道照明智能控制系統設計，可以解決以上主要問題，并使照明控制更加精細化、智能化、實用化。

1 照明控制系統設計

本文提出的這種基于電力線載波通信的鐵路隧道照明控制系統[6]，整個系統方案主要由隧道照明控制主站系統、隧道照明集中控制箱、隧道列車探測箱以及隧道照明應急按鈕箱組成。

1.1 照明系統構成

隧道照明控制系統采用現場控制與遠程控制相結合的方式[7]。現場控制包括手動應急控制、列車探測自動控制兩種方式。手動應急控制是用于列車故障(出軌或停車)導致人員下車，或者維修人員臨時開關燈情況下，照明燈具能手動控制點亮，考慮列車形成的阻斷，隧道內任意點距手動控制點的位置應不大于30 m；列車探測自動控制是當探測傳感器檢測到列車車速很慢或者列車停靠在隧道洞內，立即自動將該照明段回路打開，當列車以正常速度正常行駛或離開隧道洞內則自動關閉照明回路。遠程控制是通過鐵路專網或者公網進行通信互聯，實現聯動控制和相關告警處理、設備狀態維護管理等，隧道照明回路可以根據遠方監控中心的通信命令進行操作。隧道照明控制系統設計如圖1所示。

圖1 隧道照明控制系統設計圖Fig.1 Design drawing of tunnel lighting system

鐵路隧道照明控制是根據變壓器的供電臂長度(如1 km)進行分段布置，因此圖1所示的內容是對應某一段供電臂長度照明控制。集中控制箱負責該段隧道所有照明回路的控制，應急按鈕箱沿隧道內一側或者兩側安裝，間隔距離如50 m；列車探測箱只需要在隧道內的一側安裝，間隔距離要少于最短的列車長度，一般可定為200 m。隧道照明控制設備之間全部基于電力線載波通信，除了供電線之外不再需要額外鋪設其他通信線纜。

1.2 照明回路配電

由于鐵路隧道照明引入了應急照明、疏散指示照明等，其用電負荷按電力負荷分級應為一級負荷[8]，正常情況下一級負荷配電應為2路10 kV獨立電源同時供電、互為備用的方案，高壓電源通常一路取自鐵路10 kV配電所饋出線，一路取自鐵路10 kV貫通線。但項目實際應用時，考慮到照明用電容量在100 kW以下，又難以從鐵路沿線電網取得第二電源，可配置EPS作為備用電源。為方便項目供電實施，鐵路隧道照明配電設計為一路高壓輸入并配置EPS電源的方式，每個箱變負責以隧道照明為主的1 km左右的供電，10 kV高壓線輸入后，經過變壓器轉換進行低壓回路分配。其中K-1和K-2用于隧道內插座箱和洞室照明；K-4負責管理接入EPS備用電源后的所有隧道照明供電回路，包括正洞照明(K-5和K-6)、應急疏散照明(K-7和K-8)、照明控制設備(K-9)共5個子回路。

正洞照明K-5和K-6兩個回路分別負責隧道線左右兩側的照明電源，應急疏散照明兩個回路同理。照明控制設備K-9回路提供了本系統在該供電臂長度下所有隧道照明集中控制箱、隧道列車探測箱以及隧道照明應急按鈕箱的供電。隧道照明回路配電設計如圖2所示。

圖2 隧道照明回路配電設計圖Fig.2 Tunnel lighting circuit power distribution design drawing

1.3 主站功能接口

隧道照明控制主站部署在鐵路數據中心或集控中心，當某一條鐵路線所有集中控制箱都通過上行通信(公網或者鐵路專網)接入到主站系統后，即可管理該鐵路線上所有隧道照明控制設備。可利用大屏幕展示全站隧道照明概覽、設備狀態、GIS地圖監測、設備故障報警、故障列車隧道定位等，實現多合一的管理，直觀地了解全線隧道照明的細節。隧道照明控制主站系統典型的功能模塊包括智能監測、遠程控燈、能耗統計、事件跟蹤、故障報警、自動巡檢、運維管理、APP支持等。

同時隧道照明主站系統能夠提供API功能接口，與其他鐵路管理系統進行對接，包括防災救援監控系統、設備運維管理系統等。譬如當防災救援系統探測到有災情發生時，能夠第一時間通知隧道照明主站系統進行聯動，通過遠程命令下發對指定隧道的所有集中控制箱執行全隧道開燈操作。隧道照明主站功能設計如圖3所示。

圖3 隧道照明主站功能Fig.3 Functions of tunnel lighting master station

1.4 通信方案研究

隧道照明系統的通信方案分為上行通信和下行通信兩個部分。其中上行通信為隧道照明集中控制箱跟主站系統之間的數據通信，可支持4G/5G、以太網/光纖網絡等通信方式。根據現有鐵路四電系統條件，以太網/光纖是上行通信的首選，由通信系統方負責統一管理和分配網絡IP地址，也可根據實際情況或者具體要求采用移動運營商的4G/5G無線網絡進行上行通信。另外，參考鐵路電力及自動化系統的各種控制器設備通信，數據傳輸協議優先選用ModbusTCP通信協議，主站可配置為客戶端TCP client，集中控制箱里的主控單元作為服務端TCPserver。以隧道照明的3個回路狀態查詢及控制為例，讀離散輸入狀態(0x02功能碼)用于查詢某照明回路狀態，寫單個線圈(0x05功能碼)用于執行某照明回路開關燈操作，并嚴格按照標準寄存器地址范圍進行命令擴展，照明回路狀態查詢及控制命令如表1所示。

表1 照明回路狀態查詢及控制命令Table 1 Lighting circuit status inquiry and control command

下行通信是指隧道照明集中控制箱、列車探測箱以及應急按鈕箱設備之間的本地通信，采用HPLC電力線寬帶載波專用芯片和低壓寬帶載波組網通信技術，只要有供電線就可以同時供電和數據通信，方便施工和維護管理。項目中HPLC高速電力線載波通信模塊采用了深圳力合微電子LME3460寬帶物聯網載波芯片，支持多點快速組網并實現事件上報和命令下發的全雙工通信，具備響應速度快、可靠性好的優點，能夠滿足隧道照明供電情況下設備穩定通信要求，其特點如表2所示。

表2 高速電力線載波通信特點Table 2 Characteristics of high speed power line carrier communication

2 設備功能及實施

2.1 集中控制箱

集中控制箱是隧道照明回路的直接控制設備，安裝于隧道配電室內(變壓器洞室或箱變)，對應每一個變壓器或者箱變負責的照明供電段，集中控制箱用于控制該段隧道照明回路打開或者關閉。為了更好地實現集中控制箱主控單元各種功能需求，軟件基于嵌入式Linux操作系統進行功能開發，硬件設計上采用了ATMEL公司ARM9內核嵌入式微處理器芯片AT91SAM9G25，主頻達到400 MHz，外圍器件主要包括電源模塊、光電轉換模塊、LCD液晶顯示模塊、能耗計量模塊、輸入輸出控制模塊、載波通信模塊、4G/5G通信模塊、Wi-Fi及維護模塊等，功能接口包括6路串口、2路以太網口、3路USB口以及SPI、CAN、IIC等，完全滿足了集中控制箱所有檢測控制和通信功能開發要求。主控單元硬件設計如圖4所示。

圖4 主控單元硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of main control unit

根據隧道現場的通信條件，集中控制箱由上行通信網絡連接到照明控制主站系統，其主控單元安裝的載波通信模塊能跟應急按鈕箱和列車探測箱中的載波節點模塊進行組網通信，在設備供電回路上，所有照明控制設備，包括集中控制箱、應急按鈕箱、列車探測箱都通過低壓電力線進行正常供電和數據通信。集中控制箱安裝實施如圖5所示。

隧道照明集中控制箱功能包括：1)上行與照明控制主站系統通信交互，執行主站下發命令，下行通過載波通信，轉發命令給某個應急按鈕箱或列車探測箱執行；2)對集中控制箱下面管控的多個應急按鈕箱和列車探測箱進行維護管理，實時接收事件上報，并根據事件判斷后執行照明回路控制；3)除了通過上行通信連接到主站控制系統外，還具備多個集中控制箱之間的組網通信功能，譬如隧道內通過串聯式單模光纖把多個集中控制箱連接到交換機進行UDP廣播通信，能夠實現隧道內所有集中控制箱均同步執行照明回路開閉操作，即實現隧道全開燈和隧道全關燈；4)檢測隧道照明回路交流接觸器線圈狀態，判斷是否正常打開或者關閉，如果發生異常則立即上報給主站系統，提示該段的隧道照明回路存在控制故障需要進行維修，避免電力能源浪費；5)對外提供其他通信接口，方便在隧道現場，其他上位機能直接對集中控制箱進行命令操作，譬如現場的火災監控設備，當火災發生時能夠馬上命令集中控制箱執行照明操作。

2.1 列車探測箱

隧道列車探測箱通過探測傳感器(超聲波、激光或其他)進行列車異常檢測，探測傳感器采用雙探頭方式，一個發射一個接收，最大有效探測距離應超過隧道壁到列車車廂外側的最大距離，只需在隧道壁單側安裝。列車探測箱通過外接220 V供電，探測箱中控制單元基于電力線載波和集中控制箱進行通信。隧道內每間隔一定距離安裝一個列車探測箱，并且該距離不超過鐵路列車的最短長度。當無列車時，由于探測距離過遠，傳感器根據測距值判斷隧道內無列車停靠；當有列車經過時，傳感器探測到有列車，并根據測距值和時間信息計算出實時速度，結合列車運行速度閥值，當判定列車可能由于某些原因即將臨時停靠于該段隧道里邊，立即上報事件通知隧道集中控制箱打開隧道照明回路，實現開燈操作；當列車開走則立即上報事件使照明回路關燈恢復正常。列車探測箱判斷流程如圖6所示。

圖6 隧道列車探測箱工作流程圖Fig.6 Working flow chart of tunnel train detection box

探測傳感器有效探測列車后，進行數據濾波操作后得到穩定的測距信號，并結合相鄰兩個探測傳感器測距數據、安裝距離和時間信息，通過軟件算法計算出列車行駛的速度，根據速度閥值來判斷列車是否正常行駛或者出現故障即將停靠。列車探測箱根據設定好的距離閥值和速度閥值進行列車異常判斷，這些閥值參數可以根據實際情況，通過隧道照明主站系統或者集中控制箱的主控單元下發命令配置。隧道列車探測箱建議安裝在隧道內大、小避車洞旁的側壁上，參考安裝高度距離軌面值為1.8 m，傳感器探頭垂直對準列車側面車身進行檢測。

2.2 應急按鈕箱

根據鐵路隧道照明要求，除了列車故障時能自動打開照明回路亮燈，同時還需要具備手動應急控制功能，因此配置了隧道照明應急按鈕箱，主要用于維修人員或列車異常停車后下車的旅客及行人等，能夠在最短的距離內按下開燈按鈕執行隧道照明開燈操作，尤其在某些特殊情況下，譬如災害發生時馬上進行全隧道應急開燈操作，并且按鈕箱具備相應的關燈按鈕進行恢復。隧道手動控制箱按照每間隔50 m進行雙側安裝，則能保證人員處于隧道內任何位置時到達最近的手動控制點距離不會大于25 m。應急按鈕箱應安裝在隧道內左右過道旁邊側壁上，為方便人員操作參考安裝高度為距離過道地面1.2 m。應急按鈕箱安裝實施如圖7所示。

圖7 隧道照明應急按鈕箱實施圖Fig.7 Implementation drawing of tunnel lighting emergency button box

隧道照明應急按鈕箱的功能主要包含：1)回路開燈、回路關燈、一鍵全開、一鍵全關四種控制方式，回路開/關燈按鈕用于打開或關閉該供電段隧道照明回路，一鍵全開/關燈按鈕則用于打開或者關閉整條隧道所有供電段的照明回路；2)通過電力線供電和載波組網通信，任何按鈕按下，應能在最短的時間內上報給集中控制箱，由集中控制箱根據按鈕事件判斷和執行對應照明回路開關燈操作；3)采用發光按鈕并通過不同顏色區分，保證在隧道里面黑暗的情況下也能夠有效分辨和識別按鈕功能。

3 應用效果

基于電力線載波通信的隧道照明控制系統完成了設計和開發，目前在某省已經進行了項目實際應用，取得了良好的效果。該系統運行穩定可靠，能夠對列車故障進行有效探測并自動開關照明回路，可以通過主站顯示故障列車處于鐵路線某個隧道的具體位置；手動控制相比原來常用的首末兩端操作方式更加靈活，應急按鈕箱間隔布置后能夠保證人員在最短的時間進行開燈和關燈恢復。隧道照明控制系統主站運行界面如圖8所示。

圖8 隧道照明控制系統主站界面圖Fig.8 Interface diagram of main station of tunnel lighting control system

在應用過程中，可以根據項目情況靈活配置。長度比較短的隧道可以完全由集中控制箱自組網控制，可不通過上行通信接入到主站系統，各集中控制箱里面的主控單元能夠下發命令互相通信，當有應急按鈕按下，或者探測到列車運行故障時，主控單元進行邏輯判斷，自動決策打開該段的照明回路還是實現全隧道的照明回路開閉操作。在隧道長度較長的情況下，一般通過以太網/光纖專網接入到照明控制主站系統，而且一條隧道只需要有一個集中控制箱接入網絡即可，即鐵路通信系統針對同一條隧道照明控制只需分配一個固定IP給某個集中控制箱使用，該集中控制箱再管理同一隧道的其他集中控制箱設備，該實施方式節省了更多網絡IP資源。

4 結語

基于電力線載波通信的隧道照明控制系統方案簡單可靠、方便實施應用，除了有效解決隧道照明工程領域控制方式落后、缺乏列車故障有效探測、照明設備通信困難等問題之外，還能夠實現隧道照明回路智能管控，若結合LED照明燈具的應用，更加節省電力能源[9]。由于系統設計需要安裝的設備少，相比其他方案能有效降低隧道照明工程的投資；應急按鈕開關燈和列車自動探測開關燈即使在不具備上行通信對接到主站系統時也能夠正常使用，更加利于隧道洞內的行車行人安全。通過實際的項目實施，該系統完全滿足隧道照明智能控制要求，并可以全面地應用到包括鐵路隧道的軌道交通隧道照明工程領域。