物聯網技術下制蓋照明在地鐵車站的運用

任海燕

（陜西工商職業學院，西安 710000）

地鐵系統作為現代城市交通體系的重要組成部分，扮演著運送大量乘客、緩解交通擁堵和減少環境污染的關鍵角色。然而，地鐵車站的照明系統長期以來一直是一個高能耗的領域，對城市能源供應系統產生了巨大壓力[1]。隨著全球對氣候變化和環境可持續性的日益關注，節能減排和提高能效已經成為不可回避的課題，特別是在城市基礎設施中。為了實現可持續的地鐵運營，降低能源消耗并提高乘客體驗，照明技術的創新變得尤為重要[2]。物聯網（IoT）技術的崛起為地鐵車站照明帶來了巨大的潛力。IoT技術的發展已經使傳感器、數據分析和智能控制系統變得更加普遍和經濟實惠，這些技術可以用于實現高效的照明管理。制蓋照明技術，即智能照明系統，是一種通過互聯設備和先進控制算法來優化照明的方法，以提高能源效率和服務質量[3]。

因此，有必要深入探討物聯網技術在地鐵車站制蓋照明中的應用。將研究如何利用IoT傳感器、智能控制系統以及制蓋照明技術來實現地鐵車站照明的節能、精確控制和高效管理。通過詳細的案例研究和數據分析，將展示IoT技術如何改善地鐵車站的能效，降低運營成本，提高乘客的出行體驗。

1 物聯網技術與智能照明的結合

1.1 物聯網技術概述

物聯網（Internet of Things，IoT）是一種創新性的技術和概念，它將互聯網連接擴展到了各種物理設備和對象，使它們能夠相互通信和共享信息。以下是對物聯網技術的概述。

（1）互聯性。物聯網建立在互聯網的基礎上，但它更進一步，通過將傳感器、設備和物品連接到互聯網，使它們能夠實時通信和共享數據。這種互聯性使各種物理實體智能化協同工作。

（2）傳感技術。物聯網中的設備通常配備各種傳感器，用于收集環境數據，如溫度、濕度、光線、位置等。這些傳感器數據可以用于監控和控制設備，以及進行分析和決策。

（3）數據通信。物聯網設備使用各種通信技術來傳輸數據，包括Wi-Fi、藍牙、NFC、LPWAN（低功耗廣域網）、5G等。選擇通信技術取決于應用場景和需求。

（4）云計算。物聯網設備通常將數據上傳到云端，進行存儲、分析和處理。云計算提供了高度可擴展性和計算資源，使物聯網應用能夠處理大規模數據。

（5）數據分析和智能決策。物聯網產生大量的數據，通過數據分析和機器學習，可以從中提取有價值的信息和模式。這些分析結果用于智能決策，改善效率和服務。

1.2 物聯網技術在地鐵車站智能照明中的作用

物聯網技術在地鐵車站智能照明中發揮著關鍵作用，為這些交通樞紐帶來了多方面的好處。

（1）節能與環保。物聯網智能照明系統可以根據車站內的實際照明需求動態調整光照強度和照明區域。傳感器可以檢測到人員和光線水平，根據情況自動調整照明，從而減少能源浪費，降低能源消耗，有助于環保和可持續發展。

（2）成本降低。智能照明系統可以通過燈具自身的狀態監測來提供預測性維護。這意味著故障的燈具可以在損壞之前被檢測出來，減少了緊急維修的需求，降低了維護成本。

（3）安全增強。物聯網智能照明可以增強地鐵車站的安全性。智能傳感器可以監測人員活動和異常情況，例如，停留的時間過長或不尋常的行為。這些信息可以用于安全監控和緊急響應，確保乘客的安全。

（4）數據收集和分析。物聯網智能照明系統可以收集大量有關車站使用情況的數據，如人流量、照明使用情況等。這些數據可以用于優化車站運營和規劃，提高效率和安全性。

2 物聯網技術下的智能照明系統原理

2.1 無級調節和節能特性

物聯網技術下的智能照明系統采用了無級調節原理和節能特性，以實現高效的照明管理。這涉及燈具亮度的調整，其根據環境變量和用戶需求進行動態控制。

2.1.1 無級調節原理

式中：L(t) 代表照明系統的亮度，隨時間t變化，cd/m2；E表示環境光照強度，lx，通常由光照傳感器測量；U是用戶需求，即用戶希望的照明水平，可以通過用戶界面或傳感器獲取；T是溫度，溫度可以影響照明設備的性能；P是電力供應的狀態，可以檢測電力波動或停電；S是安全性因素，當需要增加照明以應對安全威脅時，S會增加。

根據式（1），通過適當的控制算法，動態地調整照明亮度，以實現用戶需求和節能目標的平衡。無級調節允許在不同時間和場景下調整亮度，以滿足不同需求。

2.1.2 節能特性

式中：Einitial表示初始能耗，Efinal表示最終狀態下的能耗。節能特性關注如何最大程度地減少能源消耗，而不犧牲照明質量。通過式（2），系統可以動態響應環境變化和用戶需求，以最小化能源消耗。節能特性的度量是節能比率，它衡量了在系統運行中實際實現的節能量。ER的值越高，表示系統越高效地節省能源。

2.2 單盞燈具精確控制與燈光均勻分布

物聯網技術下的智能照明系統實現了單盞燈具的精確控制和燈光均勻分布，基于光照度和光照分布均勻度UDI等關鍵參數進行控制。

2.2.1 光照度控制

控制系統根據目標光照度和當前光照度之間的差異來調整燈具的亮度，以保持所需的光照水平：

式中：Kp是控制增益參數，用于確定調整的速度和幅度。這個控制機制允許單盞燈具根據需求動態調整亮度，以維持目標光照度；Ltarget是目標光照度，這是用戶或系統預設的期望光照水平；Lcurrent是當前光照度，通過光照傳感器實時測量的光照度；B是控制亮度，是單盞燈具的亮度控制變量。

2.2.2 燈光均勻分布

光照度均勻度UDI是一個衡量照明均勻度的參數，通常通過在不同位置測量光照度來計算。控制系統還考慮了光照度的均勻分布，以確保在照明區域內不會出現亮度不均勻的情況。這可以根據不同位置的光照度測量來優化燈具的位置和亮度分布。系統會根據UDI的計算結果來調整單盞燈具的亮度和方向，以實現均勻的照明分布。

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2.3 節能降耗與降低改造費用

智能照明系統基于環境光照度E和用戶需求U來實現節能降耗和降低改造費用。系統的核心目標是使實際光照度Lactual接近用戶期望光照度Ldesired，同時優化照明設備的使用和維護。通過使用比例控制算法，通過計算光照度差異來調整照明設備的亮度，具體表達式：

式中：Kp 是控制增益參數，可以根據照明設備類型和環境特性進行調整。系統可以實時響應環境變化，減少能源浪費，同時滿足用戶需求。

時間控制：智能系統可以根據時間和場景要求調整照明，例如，在白天降低照明亮度或在非工作時段關閉不必要的燈具。

能源管理策略：系統可以監測和記錄能源消耗，以便進行優化和報告。這有助于降低能源成本，并為未來改進提供數據支持。

傳感器集成：利用現有的物聯網和傳感技術，系統可以輕松集成到現有照明設施中，無需大規模更改。

系統可擴展性：智能照明系統具有模塊化設計，可以逐步擴展，減少初始改造成本。

2.4 物聯網與智能照明的集成

物聯網技術下的智能照明系統基于物聯網IoT與智能照明的集成，通過傳感器、數據通信和控制算法實現高效、可持續的照明管理。物聯網技術下的智能照明系統通過將照明設備與物聯網連接，實現了遠程監控、自動化控制和數據分析。該系統基于光照度、用戶需求U、能源成本Cenergy和改造費用Crenovation等關鍵參數來優化照明效率。

式中：Cenergy是能源成本，R是能源費率（單位能源費用），Econsumed是照明系統的能源消耗。

具體工作原理如圖1所示。

圖1 物聯網智能照明系統的工作原理

傳感器集成：系統集成了光照傳感器，用于測量實際光照度Lcurrent。這些傳感器捕捉環境光照度并將數據傳輸到物聯網平臺，實現實時監測。數據通信：照明設備通過物聯網協議與中央控制器和云平臺進行數據通信。這些數據包括光照度、設備狀態和用戶需求等信息。控制算法：中央控制器使用控制算法，根據目標光照度Ltarget和當前光照度Lcurrent的比較來調整照明設備的亮度B。這些控制算法可以采用比例控制等策略，以確保照明水平滿足需求。能源管理策略：系統通過監測能源成本Cenergy來進行能源管理。根據實時成本和需求情況，系統可以決定是否調整照明強度，以降低能源成本。

通過物聯網技術的集成，智能照明系統能實時響應環境變化和用戶需求，實現高效的照明控制，從而節能、降低能源成本，并降低改造費用，同時提供數據分析支持，以優化照明管理策略。

3 物聯網技術下的智能照明在地鐵車站的應用案例

3.1 場景控制與時鐘控制

在物聯網技術的支持下，智能照明在地鐵車站的應用案例中實現了場景控制與時鐘控制的完美融合。通過智能感知和自動化調節，系統可以根據不同時間、天氣、人流等情境需求，智能調整照明亮度，既提高了乘客的舒適感和安全性，又節約能源。同時，時鐘控制使系統能夠根據日出和日落等時段，按計劃自動調整照明設置，確保車站照明在各種情況下都高效運行，為乘客提供更好的服務體驗。這些智能照明策略在地鐵車站的應用為節能、環保和便捷出行提供了先進的解決方案。

3.2 智能照明模式案例

物聯網技術下的智能照明在地鐵車站的應用案例中，智能照明模式的多樣性和智能性充分彰顯了其卓越的適應能力。通過連續監測環境的光照度，系統能夠智能切換不同的照明模式，如白天模式、高峰時段模式和夜晚模式，實現精準的亮度調整，以適應時間和天氣變化。這一創新不僅提高了乘客的旅行體驗，確保站內外的安全和舒適，還顯著減少了能源的不必要消耗，從而實現了可持續照明管理，為地鐵車站引入了智能和環保的嶄新標準，進一步推動了城市交通系統的現代化。圖2是基于智能化的地鐵照明控制圖。

圖2 地鐵照明智能控制圖

4 結論

研究結果表明，物聯網技術與制蓋照明系統的結合為實現這一目標提供了有力的工具。通過無級調節、精確控制和單燈具管理，物聯網技術下的智能照明不僅能夠顯著減少能源消耗，還能夠提高照明質量，創造更加宜人的乘車體驗。而且，這一技術的應用還能降低運營成本，對城市可持續性產生積極影響。然而，我們也要意識到，物聯網技術下的照明系統解決方案不是一蹴而就的，它需要精心規劃、適應性設計和不斷的監測和優化。