張樹國

（神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300）

鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng)研究

張樹國

（神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司，內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010300）

隨著我國鐵路事業(yè)的迅猛發(fā)展，特長隧道的長度新紀(jì)錄被不斷刷新，越來越多的隧道投入使用。隧道照明的功能著重在于隧道設(shè)施本身的正常運行、定期維護(hù)檢修和事故狀態(tài)的疏散和救援，針對鐵路隧道照明技術(shù)存在的問題，提出了一種全新的照明控制系統(tǒng)，實現(xiàn)鐵路隧道照明的自動化、智能化。

鐵路；隧道照明；自動控制

1 引言

目前，鐵路隧道照明多采用鎢燈或白熾燈，控制方式主要有以下幾種：（1）無論是否有人進(jìn)入隧道，隧道照明燈都一直處于打開狀態(tài)，由于人員不經(jīng)常進(jìn)入隧道施工或通過隧道，因而造成資源的浪費；（2）在隧道兩側(cè)入口安裝單刀雙擲式開關(guān)，人員進(jìn)入隧道時打開照明燈，離開時關(guān)閉，這種方式存在以下問題，一是人員通過時隧道的照明燈都是亮的，隧道越長浪費現(xiàn)象越嚴(yán)重；二是人員離開隧道時有時會忘記關(guān)燈；（3）在隧道內(nèi)不同位置安裝多個聲控開關(guān)，這種方式的問題在于，列車通過隧道時照明燈也會亮，列車通過時間越長，照明時間就越長，自動閉塞區(qū)間車流密度很大時，照明設(shè)施會多數(shù)處于工作狀態(tài)，并且聲控開關(guān)的延時功能又不能保證人員在隧道內(nèi)停留或施工時燈不會滅，需要人員間隔一段時間就發(fā)出一定的聲響。雙線隧道問題更加嚴(yán)重，常規(guī)設(shè)計無法考慮通過隧道人員的需求，只能按最大限度設(shè)計相應(yīng)照明設(shè)施，造成設(shè)施設(shè)備有效利用效率很低，增加人工及設(shè)備成本。

上述現(xiàn)有的鐵路隧道照明控制方式主要存在以下缺陷：（1）照明燈長時間工作，造成電能的浪費及照明燈的使用壽命縮短，線路及相應(yīng)控制設(shè)施的老化；（2）開關(guān)及燈具安裝過高則維護(hù)困難，需要每次攜帶梯子等工具，安裝過低則容易損壞；（3）隧道往往處在偏遠(yuǎn)地區(qū)，維修人員不方便第一時間對照明燈具進(jìn)行維修，影響正常使用，也很難進(jìn)行有效時常養(yǎng)護(hù)。照明設(shè)備的配件更換很不方便，同時還會受到不同程度的人為破壞及盜竊；（4）由于照明不足，隧道行走人員難以發(fā)現(xiàn)諸如電纜溝蓋板損壞、步行通道障礙等隱患而發(fā)生意外傷害。為此，相關(guān)部門每年需要投入大量的人力、物力和財力來對隧道照明設(shè)備設(shè)施進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

2 隧道照明自動控制技術(shù)

隧道照明自動控制系統(tǒng)需要解決的是在人員進(jìn)入隧道時照明燈亮，在人員行走時前方的照明燈依次點亮，后方的照明燈依次熄滅，同時還需要保證火車通過時照明燈不會點亮，還要考慮到工務(wù)、供電等維修人員在隧道內(nèi)停留及作業(yè)時相應(yīng)的照明燈不會熄滅。針對上述要求，隧道照明自動控制系統(tǒng)應(yīng)該包括：控制單元、探測單元、照明單元以及電源。探測單元連接控制單元，并且探測單元包括多組紅外探測器和聲音傳感器，每組紅外探測器和聲音傳感器的探測信號傳輸至控制單元。控制單元連接照明單元，當(dāng)紅外探測器輸出有效信號而聲音傳感器輸出無效信號時，控制單元輸出有效控制信號至照明單元，以控制照明單元開始照明。電源為控制單元供電。

控制單元包括微處理器以及兩個光電隔離器，來自探測單元的探測信號經(jīng)兩個光電隔離器中的一個傳輸至微處理器，轉(zhuǎn)而微處理器的控制信號經(jīng)光電隔離器中的另一個傳輸至照明單元。

照明單元包括多個控制開關(guān)和對應(yīng)數(shù)量的隧道照明燈，每個控制開關(guān)與對應(yīng)的一個隧道照明燈相連，并按照控制單元的控制信號，執(zhí)行導(dǎo)通與關(guān)斷?？刂崎_關(guān)為交流接觸器，控制單元通過動力電纜連接該交流接觸器。探測單元通過信號電纜連接控制單元，其紅外探測器為雙元紅外移動探頭，聲音傳感器為當(dāng)感應(yīng)到的聲音大于50dB時輸出有效信號的聲音傳感器。此聲音信號強度的設(shè)置根據(jù)隧道結(jié)構(gòu)及機車車輛情況可選擇需要的設(shè)定值，主要目的為保證機車、列車及其它自輪運轉(zhuǎn)設(shè)備通過隧道時照明燈不會工作。

鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

3 具體實施方式

圖1 隧道照明自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖

如圖1所示，本技術(shù)中的鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng)包括：控制單元1、探測單元2、照明單元3和電源4。探測單元2設(shè)置在鐵路隧道內(nèi)用以探測隧道內(nèi)情況，探測單元2連接控制單元1，控制單元1接收并分析來自探測單元2的探測信號，并輸出控制信號至與其相連接的照明單元3以控制照明單元3的照明。電源4連接控制單元1并為其供電。

其中，探測單元2包括多個由紅外探測器21和聲音傳感器22組成的設(shè)備組。探測單元2將這些由紅外探測器21和聲音傳感器22組成的設(shè)備組相間隔地設(shè)置在隧道內(nèi)，間隔距離按照實際需要設(shè)定。在一些較長的隧道中，需要設(shè)置備用件。主要用于采集隧道內(nèi)的紅外圖像信號與聲音信號并將信號傳輸至控制單元1，紅外探測器21主要用于探測其監(jiān)測區(qū)域內(nèi)人員的進(jìn)入，聲音傳感器22主要用于感應(yīng)隧道內(nèi)列車的聲音信息。探測單元2將其探測到的光與聲信號轉(zhuǎn)換為電信號，作為控制單元1的輸入信號通過信號電纜23傳輸至控制單元1。根據(jù)本技術(shù)的一個實例，紅外探測器21選用雙元紅外移動探頭，型號PA-476，如圖2所示。

圖2 雙元紅外探頭

雙元紅外移動探頭性能指標(biāo)：（1）探測范圍：11m× 11m；（2）自動脈沖數(shù)調(diào)節(jié)，二級調(diào)整；（3）自動溫度補償；（4）抗射頻干擾金屬護(hù)罩；（5）阻燃外殼。

雙元紅外移動探頭經(jīng)實際運用具有探測靈敏、經(jīng)久耐用、省電環(huán)保等眾多優(yōu)點。

聲音傳感器22選用型號為BYG71-007的聲音傳感器，聲音傳感器選用能夠感應(yīng)到大于50dB聲響、型號為

BYG71-007的聲音傳感器，如圖3所示。

圖3 BYG71-007聲音傳感器

聲音傳感器性能指標(biāo)：（1）測量聲強范圍：40dB-120dB；（2）測量頻率范圍：100Hz-4 000Hz；（3）分辨率：1Hz；（4）精度：±1%。

信號電纜23規(guī)格為PTYA23-10*1。

控制單元1包括微處理器11以及兩個光電隔離器12，兩個光電隔離器12分別連接在探測單元2與微處理器11之間、以及微處理器11與照明單元3之間，光電隔離器亦稱光耦合器，以光為媒介傳輸電信號，具有信號單向傳輸、輸入端與輸出端電氣隔離、抗干擾能力強、傳輸效率高等優(yōu)點，根據(jù)本實例，光電隔離器12選用TOSHIBA（東芝公司）的TLP521光電隔離器。微處理器11用于分析并處理來自探測單元2的隧道內(nèi)信息，再輸出控制信號至照明單元3。

照明單元3包括多個交流接觸器31和對應(yīng)數(shù)量的隧道照明燈32?？刂茊卧?連接所有的交流接觸器31，每個交流接觸器31與一個隧道照明燈32相連接。交流接觸器廣泛用于電力的開斷和控制電路，利用接點的斷開與吸合來開閉電路。根據(jù)本實例，來自控制單元1的控制信號可通過動力電纜33為交流接觸器31供電，促使交流接觸器31吸合，從而與其相連的隧道照明燈32隨即開始照明。目前，交流接觸器在鐵路相關(guān)設(shè)備大量廣泛的應(yīng)用，可以遠(yuǎn)距離的控制照明燈的開合。根據(jù)本實例，交流接觸器31型號為CJX2-1210，隧道照明燈32可選用LED隧道照明燈、高壓鈉燈或其它基本照明燈。隧道照明燈最好選用LED隧道照明燈。

表1為根據(jù)本實例的微處理器11的邏輯狀態(tài)表。其中，紅外探測器21和聲音傳感器22的輸出信號（即探測信號）均分為有效信號和無效信號，當(dāng)紅外探測器21探測到人員時（包括列車、機車等作業(yè)車輛）輸出有效信號，否則輸出無效信號；當(dāng)聲音傳感器22感應(yīng)到的聲音大于50dB時（例如當(dāng)列車、機車等作業(yè)車輛通過時），輸出有效信號，否則輸出無效信號。微處理器11可設(shè)置為，僅當(dāng)紅外探測器21的輸出信號為有效信號（通?？稍O(shè)置為高電平信號），而聲音傳感器22的輸出信號不是有效信號（通常設(shè)置為低電平信號）時，輸出有效的控制信號至照明單元。而在其它情況中，則輸出無效的控制信號，不影響隧道照明燈的狀態(tài)。該功能可利用微處理器中的邏輯運算模塊實現(xiàn)。

表1 微處理器的邏輯狀態(tài)表

并且，微處理器還設(shè)置為，當(dāng)輸出有效信號時，開始供應(yīng)電流至照明單元3，當(dāng)達(dá)到預(yù)設(shè)的照明時間長度時，停止向照明單元3供電，照明時間長度可依據(jù)探測單元2在隧道內(nèi)的安裝間距以及隧道內(nèi)具體環(huán)境而定。在隧道照明燈32照明期間，控制單元1可控制探測單元2暫停采集信號，或者也可以是控制單元1本身暫停接收探測單元2的輸出信號。該功能可利用微處理器中的計時模塊實現(xiàn)。根據(jù)本實例，微處理器11選用MICROCHIP（微芯公司）的PIC16F1516微處理器。通過對微處理器的編程，可以滿足各種對隧道照明的控制動作。

為了確保人員在隧道內(nèi)停留或施工時，隧道照明燈不會因有列車通過而處于非照明狀態(tài)，可以根據(jù)隧道長度S、列車長度L、列車最低運行速度vmin設(shè)置一次照明時間長度最小值tmin，tmin=（S+L）/vmin，當(dāng)隧道長度500m，列車編組最大為240輛（列車長度約為3 500m），最低時速為5km/h，則一次照明時間長度參考值為13min。國內(nèi)開行2萬t列車的區(qū)間很少，多數(shù)萬噸列車編組102輛C80型貨車長度只有1 400m，所以這個時間也只是一個參考值，實際使用過程中可按照使用維修人員的需求進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，按照人員正常步行速度5km/h計算，如果需要保證有兩個照明燈工作，設(shè)計一次照明時間為30-40s就可以滿足人員通過隧道的要求。

探測單元安裝在隧道側(cè)壁的上部，沿隧道長度每隔15m安裝一個探測單元。因此，在正常情況下隧道內(nèi)沒有人員或列車時，紅外探測器21輸出無效信號，無論聲音傳感器22是否輸出有效信號，控制單元1都不會向照明單元供電；當(dāng)紅外探測器21探測到有人員進(jìn)入其所

監(jiān)測的區(qū)域時，將輸出有效信號，此時聲音傳感器22輸出無效信號，則控制單元1為交流接觸器31供電，使交流接觸器31吸合，隧道照明燈32開始照明，隧道照明燈32維持照明一段時間，在其照明期間，探測單元2不采集光與聲信號；當(dāng)隧道照明燈32照明結(jié)束前2s內(nèi)，探測單元2重新開始探測光與聲信號，而此時如果人員已經(jīng)走出該紅外探測器21的監(jiān)測區(qū)域，則紅外探測器21輸出無效信號，則控制單元1并不向交流接觸器31供電，交流接觸器31處于斷開狀態(tài)，隧道照明燈32處于關(guān)閉狀態(tài)（即非照明狀態(tài)）；當(dāng)隧道內(nèi)有列車通過時，雖然紅外探測器21輸出有效信號，但是此時聲音傳感器22也輸出有效信號，控制單元1不提供電能至交流接觸器31，以避免列車的通過造成燈光的誤控制；但是，如果在列車通過隧道前，隧道照明燈32已經(jīng)處于打開狀態(tài)，則說明探測單元2已經(jīng)暫停探測光與聲信號，所以列車通過隧道時并不影響隧道照明燈32的狀態(tài)。

另外，因列車提速，原電線路、電纜線路明敷的方式已不適應(yīng)新的情況，應(yīng)當(dāng)盡量采取電纜溝敷設(shè)電力電纜。必須明敷時，應(yīng)使用金屬封閉線槽的方式敷設(shè)。文中所選用的紅外探測器、聲音傳感器、LED隧道照明燈也都選用了耐腐蝕、阻燃性能好的外殼。

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng)，能夠便利地控制隧道照明燈的開關(guān)，有效地避免了現(xiàn)有技術(shù)所帶來的資源浪費問題，并能提高隧道照明燈的使用效率，延長其使用壽命。此外，該系統(tǒng)在正常人員可觸及的地方未設(shè)置易被破壞的裝置，可有效防止無關(guān)人員對照明系統(tǒng)的破壞。

照明燈多數(shù)只在工務(wù)人員巡道時工作，自動控制系統(tǒng)的使用使得隧道照明裝置實際工作時間減少了75%以上，大面積使用可以節(jié)約的費用可達(dá)到千萬能數(shù)量級。我國幅員遼闊，山地眾多，隨著鐵路建設(shè)的高速發(fā)展，隧道數(shù)量將大量增加，尤其是長大隧道越來越多，節(jié)約用電勢在必行，鐵路隧道照明自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景較為廣闊，有巨大的經(jīng)濟和社會效益。

［1］TB10008-2006鐵路電力設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］TB/T2275-91鐵路隧道照明設(shè)施與供電技術(shù)條件［S］.

［3］TB/T2796-1997鐵路隧道固定燈具技術(shù)條件［S］.

［4］TB10063-2007鐵路工程設(shè)計防火規(guī)范［S］.

Study on Railway Tunnel Automatic Lighting Control System

Zhang Shuguo
（Shenhua Zhungeer Energy Da-Zhun Railway Company, Zhungeer 010300, China）

In this paper, in view of the problems existing in the lighting technology of the railway tunnels, we proposed a brand newlighting control system which was capable of realizing the automatic and intelligent lighting of the railway tunnels.

railway； tunnel lighting； automatic control

U459.1；TU113.666

A

1005-152X（2016）09-0145-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.09.030

2016-07-25

張樹國（1970-），高級工程師，現(xiàn)任神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司安質(zhì)部經(jīng)理。