方漫然

(南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧照明在地鐵車站的應(yīng)用

方漫然

(南京地鐵運(yùn)營有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210012)

智慧照明系統(tǒng)比傳統(tǒng)照明更加節(jié)能。簡要介紹了智慧照明的技術(shù)原理，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，比較了智慧照明與傳統(tǒng)照明的區(qū)別與優(yōu)點(diǎn)，列舉了地鐵運(yùn)營中常見的照明節(jié)能問題與解決辦法，提出了地鐵車站四類區(qū)域的智慧照明應(yīng)用方案。智慧照明可以有效解決乘客多樣復(fù)雜的照明需求與地鐵節(jié)能之間的矛盾，適合在地鐵車站中應(yīng)用。

智慧照明；物聯(lián)網(wǎng)；地鐵車站; 節(jié)能

引言

地鐵運(yùn)營虧損是國內(nèi)外地鐵行業(yè)面臨共同的難題，運(yùn)營成本中電費(fèi)能占到20%～25%，更加合理的使用電能，成為解決運(yùn)營虧損問題的一項主要措施。一般來講，車站照明系統(tǒng)占整個車站設(shè)備負(fù)荷的15%左右，所以照明是地鐵節(jié)能的重點(diǎn)之一。目前，地鐵車站使用的照明多半還處在由傳統(tǒng)日光燈管向LED照明過度的階段。在新的地鐵線路設(shè)計時，會以傳統(tǒng)日光燈管為主，LED照明作為補(bǔ)充的方式進(jìn)行，造成了電能的浪費(fèi)。在照明的控制上，通過BAS系統(tǒng)中大量的可編程邏輯控制器對照明回路進(jìn)行開關(guān)控制，這種控制方式比較粗放，難以滿足乘客日益增加的照明多樣化需求。智慧照明可以較為全面的解決這些問題。

1 智慧照明系統(tǒng)簡介

1.1智慧照明系統(tǒng)構(gòu)成

如圖1所示，智慧照明系統(tǒng)由智慧照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)物物相聯(lián)組成，覆蓋地鐵車站的所有區(qū)域，并可以相互通訊。該網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)關(guān)連入云端后可以和計算機(jī)、手機(jī)等傳統(tǒng)信息設(shè)備交互數(shù)據(jù)。智慧照明的運(yùn)行主要依靠自身所集成的傳感器與物聯(lián)網(wǎng)中其他照明發(fā)送的信息，也可以接收到來自網(wǎng)絡(luò)內(nèi)運(yùn)行管理服務(wù)器的指令并進(jìn)行開關(guān)動作。

圖1 智慧照明系統(tǒng)構(gòu)成Fig.1 Intelligent lighting system

1.2智慧照明技術(shù)原理

通過將智能控制模塊嵌入LED光源中，在高度集成后，制作成與傳統(tǒng)日光燈管相同型式標(biāo)準(zhǔn)的光源，可對現(xiàn)場既有照明直接替換。其所集成的控制模塊包含基礎(chǔ)的三個模塊，程序運(yùn)行，LED亮度控制，無線組網(wǎng)。擴(kuò)展的部分可根據(jù)照明用途組合選擇，包括雷達(dá)、紅外、藍(lán)牙、照度傳感器等裝置，以實(shí)現(xiàn)包括：人、物體感知；光線強(qiáng)弱的感知；人、物體移動速度的感知；遙控；與手機(jī)直接通訊等功能，如圖2所示。

圖2 智慧照明技術(shù)原理Fig.2 Intelligent lighting technology

1.3智慧照明系統(tǒng)特點(diǎn)

1)無級調(diào)光，無感節(jié)能。每盞燈都可以進(jìn)行無級調(diào)光。通過內(nèi)置集成的LED亮度控制模塊，可以無級調(diào)節(jié)通過LED芯片的電流，從而使整燈亮度在0～100%范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。與傳統(tǒng)的節(jié)能方式相比，智慧照明可以在不關(guān)一盞燈的前提下降低車站整體照度，布光均勻，讓乘客覺察不到車站進(jìn)行了節(jié)能。

均勻的光線保證了車站內(nèi)藝術(shù)品的觀賞性，保證了車站主題化裝修整體效果的實(shí)現(xiàn)。美觀的環(huán)境提升了車站服務(wù)，給乘客帶來良好的感受。

2)單燈精細(xì)化控制，按需照明。車站管理人員通過遙控器等方式，可以不受回路限制，自由選擇某盞或某組照明進(jìn)行關(guān)閉或調(diào)光，滿足了車站最精細(xì)的管理需求。針對乘客的照明類投訴響應(yīng)非常及時，可以完全按照乘客要求對某盞或某組照明進(jìn)行調(diào)整，直至乘客滿意。在解決投訴問題的同時也減少了重復(fù)投訴，使整體投訴數(shù)量下降。

單燈可單獨(dú)進(jìn)行時間控制，環(huán)境照度控制，在精細(xì)化管理的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)智慧化，單燈自動識別時間和環(huán)境照度，作出正確響應(yīng)，減少管理工作量。

在故障方面，單燈控制不會造成大面積照明故障，比回路控制方式對運(yùn)營影響更小。因為不關(guān)燈，一旦照明發(fā)生故障，車站管理人員能夠及時發(fā)現(xiàn)。維修跟上后，車站照明條件可長期保持穩(wěn)定。

3)深度節(jié)能，改造成本低。智慧照明節(jié)能率高，在平均照度相等前提下，比傳統(tǒng)日光燈管節(jié)能70%以上，比普通LED燈管節(jié)能也超過40%。每盞燈集成無線組網(wǎng)模塊，燈燈相聯(lián)自動組網(wǎng)，不需要網(wǎng)絡(luò)布線，只需要更換照明燈管，應(yīng)用方便，同時也減少了因有線控制帶來的設(shè)計、材料、施工成本。

4)物聯(lián)網(wǎng)+智慧照明，燈隨人動。每盞燈都具有單獨(dú)智慧。單燈可集成多種傳感器，例如定時，光線感知，物體探測等，每盞燈可以根據(jù)自身所處環(huán)境與運(yùn)行要求判斷采取那種亮暗模式。

多盞燈互聯(lián)成網(wǎng)后形成集體智慧。典型的應(yīng)用是前燈感知到物體，通知后燈開啟。每盞燈既是執(zhí)行者又是控制者。這樣組成的網(wǎng)絡(luò)沒有控制中樞，去中心化特點(diǎn)明顯。其智慧特點(diǎn)類似于蜂群在飛行時改變方向，不是依靠中心指揮，而是來自相鄰蜜蜂的行為影響，綜合判斷后改變自身的飛行路線，進(jìn)而使蜂群整體有序的向同一方向遷徙。這種去中心化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)還可以隨時轉(zhuǎn)換為有中心的，單燈感知到環(huán)境的改變，通知整組燈改變運(yùn)行模式，例如智慧照明系統(tǒng)的應(yīng)急模式，只要對網(wǎng)絡(luò)中的任意一盞燈下達(dá)指令，所有燈都會響應(yīng)并執(zhí)行。

智慧照明系統(tǒng)可以兼容傳統(tǒng)的控制模式，例如在網(wǎng)絡(luò)中接入控制服務(wù)器來對所有照明進(jìn)行更復(fù)雜的控制，其運(yùn)作方式類似于傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)，每個照明有一個單獨(dú)的數(shù)字化身份，運(yùn)行指令精確的傳達(dá)并執(zhí)行。

2 地鐵照明節(jié)能的常見問題

2.1設(shè)計施工方面的問題

地鐵照明在設(shè)計時，考慮到車站的多樣化用途和主題特點(diǎn)，往往會超出國家標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。以南京地鐵4號線為例，開通的第1個月，車站照明全開，測得最高照度近500 lx，遠(yuǎn)超國標(biāo)中站廳200 lx，站臺150 lx的標(biāo)準(zhǔn)。這就給地鐵運(yùn)營企業(yè)的節(jié)能帶來了空間。在照明回路設(shè)計時，往往沒有考慮到實(shí)際情況，例如，地下車站出入口頂棚上的照明和通道照明設(shè)計在同一回路中，難以通過回路分開控制。施工時沒有嚴(yán)格按照交叉布燈設(shè)計原則接線，導(dǎo)致某片區(qū)域照明在同一回路，全開不節(jié)能，全關(guān)又較暗等。

2.2管理方面的問題

地鐵照明節(jié)能的一般性做法是關(guān)燈，將多個照明回路中的幾路關(guān)閉，以實(shí)現(xiàn)間隔關(guān)閉的效果。對回路的控制還會納入BAS系統(tǒng)功能，為其設(shè)置專門的節(jié)能模式，具備定時運(yùn)行的功能。但這樣做主要的問題有三點(diǎn)，一是布光不均，設(shè)計施工問題造成了局部不滿足規(guī)范。二是故障難識別，作為車站管理人員，分不清照明是因節(jié)能關(guān)閉還是因故障關(guān)閉，長期累積造成車站越來越暗。三是影響車站整體觀感，近年來地鐵車站的裝修都采用了主題化設(shè)計，例如南京地鐵的紅樓主題，龍舟主題等，壁畫小品為車站營造了特別的氛圍。間隔關(guān)閉照明后會使這些作品上出現(xiàn)斑駁的光影，影響車站整體美觀，在乘客的精神上造成了一定影響。

2.3投訴方面的問題

隨著近年來生活水平的提高，乘客的維權(quán)意識加強(qiáng)，關(guān)于地鐵照明的投訴是多種多樣。再加上政府對政務(wù)投訴滿意度關(guān)注度不斷提升，對地鐵車站照明節(jié)能造成了壓力。例如對地下車站出入口附近照明的投訴，就很難處理。地下車站出入口連接地面，形成了一條明暗交界線。這條交界線會隨著外界光線的變化不斷改變位置，前后相差十多米，此區(qū)域的照明經(jīng)常被投訴。在晴朗時確實(shí)可以關(guān)閉，但陰雨時又需打開，且該部分照明數(shù)量不多，不可能設(shè)計為單獨(dú)的回路，這就對車站處理增加了難度，處理不好結(jié)果就是不滿意，直接影響地鐵企業(yè)在城市中的公共服務(wù)滿意度排名。

3 地鐵車站智慧照明系統(tǒng)應(yīng)用方案

地鐵照明按區(qū)域分為站廳層、站臺層、出入口等公共區(qū)域，以及設(shè)備用房、管理附屬用房、區(qū)間隧道風(fēng)井等非公共區(qū)域。其中以公共區(qū)域的照明數(shù)量最多，又分為工作照明、節(jié)電照明、出入口照明、廣告照明、導(dǎo)向標(biāo)志照明、應(yīng)急照明等，通過回路進(jìn)行區(qū)分管理。智慧照明系統(tǒng)因為做到了單燈控制，可以突破回路的局限，使的部分傳統(tǒng)的分類方式變的不再適用，比如工作照明和節(jié)電照明。

通過在南京地鐵宏運(yùn)大道站的試點(diǎn)情況來看，智慧照明系統(tǒng)在公共區(qū)的應(yīng)用方案基本分為類，車站通道與站廳區(qū)，車站站臺區(qū)，樓梯與自動扶梯區(qū)。

1)車站通道與站廳區(qū)。在車站通道與站廳區(qū)域中，大部分乘客的目的是快速進(jìn)站前往站臺候車。乘客的步行速度在1 m/s左右，視線范圍在5～20 m。將智慧照明系統(tǒng)功能設(shè)計為，照明網(wǎng)絡(luò)中乘客最先遇到的第一盞燈亮起，判斷乘客的前進(jìn)方向，并通知該方向上10 m范圍內(nèi)的燈達(dá)到100%亮度，10～20 m范圍的燈處于70%亮度，超過20 m亮度10%。如圖3所示。隨著乘客前進(jìn)，前進(jìn)方向上的燈不斷亮起，而乘客身后的燈不斷由亮轉(zhuǎn)暗。總體效果是燈隨人動，人視野內(nèi)照明開啟100%亮度。當(dāng)然人未到達(dá)燈已亮，給人的感覺是周圍的燈一直亮著，節(jié)電的同時讓乘客不易察覺。

圖3 智慧照明燈隨人動效果示例Fig.3 Example: intelligent lighting effect

2)車站站臺區(qū)。該區(qū)域與站廳區(qū)不同，乘客要在此區(qū)域等待列車前來，并在此時會有閱讀行為，需要照明的持續(xù)亮起。此外站臺的人流特征與發(fā)車時間間隔有明顯的對應(yīng)關(guān)系，在列車即將到站時，站臺上的人數(shù)最多，在車離站的幾分鐘內(nèi)車站處于無人或者人少狀態(tài)。將智慧照明系統(tǒng)功能設(shè)計為，以檢測到有人的燈為中心，周圍5 m范圍的燈全部保持100%亮度，5～10 m的燈保持70%亮度，其他亮度10%。

3)樓梯與自動扶梯區(qū)。該區(qū)域往往樓梯與自動扶梯同時存在，需要進(jìn)行區(qū)分。自動扶梯屬于特種設(shè)備，在其上方安裝了專門的攝像裝置用于監(jiān)測故障，所以扶梯上方的照明需要達(dá)標(biāo)且常亮。樓梯上方?jīng)]有這樣的需求，檢測到乘客之后再亮起即可。將智慧照明系統(tǒng)功能設(shè)計為，樓梯上方燈與燈之間聯(lián)動。在有人將到達(dá)時，燈亮度無級調(diào)光到100%。離開后亮度無級調(diào)光為10%。自動扶梯上方100%常亮。

4)其他照明。應(yīng)急照明在失電情況下通過直流供電，智慧照明光源為LED光源，可以直流驅(qū)動，不受影響，只需集成電源轉(zhuǎn)換模塊。廣告照明費(fèi)用由廣告商支付，一般要求全亮。區(qū)間照明理論上可以應(yīng)用智慧照明網(wǎng)絡(luò)，節(jié)電量可觀，但有待進(jìn)一步研究論證。機(jī)房、設(shè)備房、走廊的照明一般也是常亮，可以應(yīng)用智慧照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人來燈亮、人走燈暗，定時開關(guān)等功能。

4 結(jié)束語

在地鐵車站站臺及站廳層的公共區(qū)采用智慧照明控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)無感節(jié)能，燈隨人動，按需照明等精細(xì)化控制，可以為地鐵節(jié)省可觀的電力費(fèi)用，特別是在潮汐式客流明顯的車站，客流少的車站，此類車站隨著地鐵行業(yè)大發(fā)展，線網(wǎng)提前規(guī)劃越來越多；在節(jié)能的同時可以提升車站整體效果與服務(wù)水平，產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

[1] 地鐵設(shè)計規(guī)范：GB 50157—2013.

[2] 城市軌道交通照明：GB/T 16275—2008.

IntelligentLightingatSubwayStationBasedonInternetofThingsTechnology

FANG Manran
(NanjingMetroOperationCo.,Ltd,Nanjing210012,China)

The intelligent lighting system can save more energy than traditional lighting. With a brief introduction of the structure and characteristics of intelligent lighting system, the new and old lighting are compared. Common issues and solutions are listed of energy saving in subway. Application schemes of intelligent lighting are presented for four kinds of subway areas. The intelligent lighting resolve the contradiction between the diverse needs of passenger and the energy saving in subway, and therefore it suits the subway stations’s application.

intelligent lighting; Internet of Things; subway station; energy saving

TM923: U231.4

B

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.015