李 瑞

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

1 鐵路車站設(shè)備能耗現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)鐵路客運(yùn)站硬件設(shè)施配置逐漸豐富，特別是新建的高速鐵路客運(yùn)站中，硬件設(shè)施現(xiàn)代化程度較高，不僅滿足了旅客的乘降候車需求，更為旅客提供了便捷舒適的服務(wù)。然而車站在為旅客輸出高質(zhì)量服務(wù)的背后，卻承擔(dān)著由于設(shè)備高耗能導(dǎo)致的高昂運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本。根據(jù)對(duì)各鐵路局集團(tuán)公司車站設(shè)備的能耗情況進(jìn)行調(diào)研，車站內(nèi)主要能耗用于照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電梯和導(dǎo)向屏 4 類設(shè)備，以上 4 類設(shè)備的用電量占據(jù)了車站整體用電量的 80% 以上[1]。受地理位置、自然環(huán)境及氣候差異的影響，各地車站的能耗差異主要體現(xiàn)在空調(diào)的能耗方面?？傮w來(lái)看，北方 (長(zhǎng)江以北地區(qū)) 對(duì)空調(diào)的依賴主要集中在夏季月份的制冷工作，冬季的供暖大多采用另外的供暖系統(tǒng)；而南方 (長(zhǎng)江以南地區(qū))的車站對(duì)于空調(diào)依賴程度較高，空調(diào)主要用來(lái)制冷工作，另外由于南方多數(shù)車站缺少額外的供暖系統(tǒng)，車站的暖通也由空調(diào)機(jī)組來(lái)承擔(dān)。由于車站的旅客服務(wù)、接發(fā)工作模式相同，對(duì)電梯、照明、顯示屏的運(yùn)維模式基本相同，因而對(duì)于這 3 類設(shè)備的能耗使用情況大致相同。車站設(shè)備能耗浪費(fèi)主要是由于對(duì)設(shè)備的管理不夠精細(xì)化造成的，主要體現(xiàn)在以下方面。

（1）空調(diào)能耗。一些車站的空調(diào)開(kāi)關(guān)控制只根據(jù)冬夏 2 種模式進(jìn)行粗放管理，沒(méi)有考慮到室內(nèi)實(shí)際溫度，空調(diào)在開(kāi)啟后，很少有人根據(jù)實(shí)際溫差進(jìn)行調(diào)整，造成能耗損失。

（2）照明能耗。除一些特等站、一等站外，其他等級(jí)的車站旅客候車、接發(fā)作業(yè)規(guī)律頻次、繁忙程度較低，但現(xiàn)階段此類車站候車室及站臺(tái)在無(wú)旅客的情況下仍存在照明長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟現(xiàn)象。

（3）電梯能耗。為方便旅客快速乘降，車站通常在進(jìn)站候車層、出站層設(shè)有多部電梯。而旅客進(jìn)站候車與出站隨列車到發(fā)有很強(qiáng)的規(guī)律性，在無(wú)旅客乘用的時(shí)候，電梯長(zhǎng)時(shí)間空轉(zhuǎn)會(huì)形成大量的能耗損失。

（4）顯示屏能耗。車站顯示屏包括進(jìn)站顯示大屏、引導(dǎo)屏和站臺(tái)屏?，F(xiàn)階段，如沒(méi)有旅客長(zhǎng)時(shí)間乘降時(shí)，候車室引導(dǎo)屏和站臺(tái)屏默認(rèn)都是開(kāi)啟狀態(tài)，長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟造成能耗損失。

為減少車站設(shè)備能耗損失，研究構(gòu)建鐵路智能車站設(shè)備節(jié)能集控系統(tǒng)，完成對(duì)車站能耗較大設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)采集，并結(jié)合不同環(huán)境需求下設(shè)備運(yùn)行的節(jié)能優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程智能化控制，在保證旅客乘降候車服務(wù)質(zhì)量的前提下，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2 鐵路智能車站設(shè)備節(jié)能集控系統(tǒng)總體方案研究

2.1 系統(tǒng)功能

鐵路智能車站設(shè)備節(jié)能集控系統(tǒng)主要功能模塊包括設(shè)備管理、數(shù)據(jù)采集、能耗分析、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、歷史數(shù)據(jù)查詢與報(bào)表打印，以及數(shù)據(jù)的可視化。

（1）設(shè)備管理。負(fù)責(zé)對(duì)系統(tǒng)集控設(shè)備的管理工作，通過(guò)對(duì)空調(diào)、照明設(shè)備、電梯、顯示屏等各類設(shè)備建立信息檔案，構(gòu)建出整個(gè)集控系統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，以電子履歷的模式實(shí)現(xiàn)設(shè)備的全生命周期管理：通過(guò)準(zhǔn)確掌握車站設(shè)備種類、數(shù)目、位置信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站設(shè)備的精準(zhǔn)化管理；通過(guò)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)，采用大數(shù)據(jù)分析算法對(duì)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的預(yù)測(cè)與預(yù)警；通過(guò)設(shè)備維護(hù)信息，指導(dǎo)車站維護(hù)人員動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)備維護(hù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精準(zhǔn)維護(hù)。

（2）數(shù)據(jù)采集。負(fù)責(zé)將傳感器采集到的溫度、照度、耗電量等設(shè)備信息進(jìn)行展示，同時(shí)將車站的集控設(shè)備按照設(shè)備類別以樹(shù)形結(jié)構(gòu)排列，實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集情況進(jìn)行查看。

（3）能耗分析。負(fù)責(zé)將底層智能電表對(duì)實(shí)際設(shè)備獲取能耗的統(tǒng)計(jì)分析工作。按照不同查詢條件給出相應(yīng)的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，包括各類設(shè)備月耗電量、季度耗電量及年耗電量的統(tǒng)計(jì)和其他設(shè)備同一時(shí)期的耗電量對(duì)比。

（4）設(shè)備遠(yuǎn)程控制。以遠(yuǎn)程自動(dòng)控制和人工控制 2 種方式完成對(duì)站內(nèi)空調(diào)、照明、電梯和顯示屏的控制。遠(yuǎn)程自動(dòng)控制是系統(tǒng)通過(guò)傳感器在感知到設(shè)備的監(jiān)控參數(shù)后，結(jié)合上層應(yīng)用的各項(xiàng)節(jié)能控制業(yè)務(wù)邏輯，生成新的設(shè)備控制指令，自動(dòng)通過(guò)終端控制器對(duì)設(shè)備的開(kāi)關(guān)操作；人工控制是指在特殊情況下，系統(tǒng)用戶以較高的優(yōu)先權(quán)限，直接發(fā)送設(shè)備控制命令，通過(guò)終端控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制。

（5）歷史數(shù)據(jù)查詢與報(bào)表打印。系統(tǒng)可以根據(jù)時(shí)間、設(shè)備類型、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等多種查詢條件，給出查詢統(tǒng)計(jì)結(jié)果，供用戶直觀分析對(duì)比。同時(shí)將不同查詢條件下得到的數(shù)據(jù)信息，按照實(shí)際報(bào)表模板格式顯示，調(diào)用打印組件模塊直接打印。

（6）數(shù)據(jù)的可視化。負(fù)責(zé)對(duì)設(shè)備統(tǒng)計(jì)結(jié)果以多種圖形的方式展示，根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容用柱狀圖、折線圖、餅圖等形式使統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)更加直觀，具體展示包括各類設(shè)備使用情況統(tǒng)計(jì)、運(yùn)行狀態(tài)統(tǒng)計(jì)、設(shè)備的能耗統(tǒng)計(jì)等。

2.2 總體架構(gòu)

車站設(shè)備的節(jié)能控制系統(tǒng)主要由底層硬件設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層和系統(tǒng)應(yīng)用層構(gòu)成。底層硬件設(shè)備層主要由智能電表和感知不同設(shè)備參數(shù)的傳感器組成，智能電表負(fù)責(zé)記錄單個(gè) (或一組) 設(shè)備的用電量，光電傳感器主要負(fù)責(zé)感知電梯口是否有人，光照傳感器負(fù)責(zé)感知外界光照強(qiáng)度，溫度傳感器負(fù)責(zé)感知站內(nèi)環(huán)境溫度。底層傳感設(shè)備在采集到環(huán)境參數(shù)后，會(huì)通過(guò)串口通信協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)協(xié)議解析后獲取到傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、轉(zhuǎn)化與封裝，通過(guò) TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)庫(kù)中，供系統(tǒng)應(yīng)用的調(diào)用[2]；同時(shí)負(fù)責(zé)將系統(tǒng)應(yīng)用層中對(duì)設(shè)備的控制命令，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，將 TCP/IP 方式轉(zhuǎn)換為串口通訊命令。系統(tǒng)應(yīng)用層中在獲取到底層數(shù)據(jù)后，根據(jù)業(yè)務(wù)需求可進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析及圖形化顯示，包括設(shè)備的管理、設(shè)備狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)、設(shè)備的能耗管理模塊，也可以根據(jù)相關(guān)的業(yè)務(wù)邏輯分析，結(jié)合相應(yīng)的節(jié)能策略，形成對(duì)底層硬件的控制命令[3]，控制命令再通過(guò) TCP/IP 協(xié)議傳輸?shù)降讓涌刂凭W(wǎng)絡(luò)，轉(zhuǎn)為串口通訊命令，最終由設(shè)備的控制電路完成開(kāi)啟關(guān)閉指令，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程關(guān)閉。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

2.3 系統(tǒng)邏輯

要實(shí)現(xiàn)對(duì)車站設(shè)備的節(jié)能控制，需要通過(guò)建立設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)。一是部署在設(shè)備端的各類傳感器獲取運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及通過(guò)在設(shè)備終端安裝的智能電表準(zhǔn)確的獲取到設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)上傳到應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中。二是結(jié)合所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，結(jié)合不同設(shè)備的節(jié)能策略，對(duì)各類設(shè)備的開(kāi)關(guān)進(jìn)行有效控制[4]。系統(tǒng)邏輯架構(gòu)如圖2 所示。

（1）基礎(chǔ)設(shè)施層。包含由智能電表、溫度、光敏、壓力等傳感器組成的感知層，由電梯、導(dǎo)向屏、空調(diào)、照明等控制模塊組成的控制層。感知層主要負(fù)責(zé)將各傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)串口協(xié)議的解析后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，供系統(tǒng)應(yīng)用層的業(yè)務(wù)邏輯調(diào)用?？刂茖又饕秦?fù)責(zé)將業(yè)務(wù)層邏輯層的控制指令，轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，對(duì)不同設(shè)備的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制操作。

（2）中間件。包含負(fù)責(zé)解析底層數(shù)據(jù)串口協(xié)議，將設(shè)備層不同傳感器監(jiān)測(cè)到的電表數(shù)據(jù)、溫度、光敏、光電傳感器數(shù)據(jù)，進(jìn)行解析后存到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)；同時(shí)，為外部 TDCS、旅客服務(wù)系統(tǒng)等其他外部系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)接口，將外部數(shù)據(jù)，如列車到發(fā)信息、FAS 系統(tǒng)信息等，接入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)中。條件對(duì)站內(nèi)的照明設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，并設(shè)置節(jié)能模式、夜間模式、全開(kāi)模式和關(guān)閉模式，使照明系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)切換。③電梯節(jié)能策略。主要從電梯開(kāi)啟數(shù)據(jù)和電梯開(kāi)啟模式 2 方面考慮，一是通過(guò)車站人流量、車站列車時(shí)刻表，對(duì)當(dāng)前車站內(nèi)的人流聚集人數(shù)進(jìn)行判斷，同時(shí)對(duì)最大人流密集程度進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果，按需求對(duì)車站不同進(jìn)站方向的扶梯進(jìn)行開(kāi)啟[3]。另一方面從設(shè)備角度節(jié)能，通過(guò)光電傳感器和變頻電機(jī)，感知當(dāng)前的使用狀態(tài)，改變電梯的輸出功率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。④顯示屏節(jié)能策略。通過(guò)系統(tǒng)控制的方式，根據(jù)接入 TDCS 的數(shù)據(jù)源與車站的運(yùn)行時(shí)刻表，對(duì)站內(nèi)顯示屏系統(tǒng)進(jìn)行控制：當(dāng)引導(dǎo)屏沒(méi)有接發(fā)任務(wù)時(shí)，屏幕熄滅，轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)；當(dāng)有接發(fā)任務(wù)，需要顯示信息時(shí)，屏幕通過(guò)系統(tǒng)指令，提前點(diǎn)亮屏幕，顯示具體的引導(dǎo)信息，待本次列車的接發(fā)車作業(yè)完成時(shí)，屏幕自動(dòng)熄滅轉(zhuǎn)為待機(jī)狀態(tài)，從而總體上降低了屏幕的使用能耗。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖Fig.1 System network architecture

圖2 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖Fig.2 System logical architecture

（5）系統(tǒng)應(yīng)用層。主要包括車站設(shè)備的管理功能、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)參數(shù)的配置、設(shè)備場(chǎng)景配置、設(shè)備能耗分析等功能模塊，主要用于車站管理人員對(duì)設(shè)備的精細(xì)化管理，同時(shí)通過(guò)設(shè)備的自動(dòng)控制體現(xiàn)出車站設(shè)備的智能化[4]。

（3）數(shù)據(jù)層。負(fù)責(zé)將底層傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口協(xié)議解析后，在數(shù)據(jù)庫(kù)中完成本地化和持久化，同時(shí)向上層服務(wù)提供可供調(diào)用的數(shù)據(jù)接口，上層應(yīng)用通過(guò)接口訪問(wèn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)、照明、電梯、顯示屏信息的調(diào)用；同時(shí)數(shù)據(jù)差還將通過(guò)外部系統(tǒng)接口調(diào)用的方式，將外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地，供業(yè)務(wù)層使用。

（4）業(yè)務(wù)邏輯層。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)底層設(shè)備控制的業(yè)務(wù)邏輯。結(jié)合不同的節(jié)能策略和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，形成具體對(duì)底層設(shè)備的控制。主要為各類設(shè)備的節(jié)能策略的算法實(shí)現(xiàn)，以及一些系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)類庫(kù)的實(shí)現(xiàn)。各類設(shè)備的節(jié)能控制策略如下。①空調(diào)節(jié)能策略。依據(jù)站內(nèi)溫度傳感器實(shí)時(shí)感知的數(shù)據(jù)作為控制條件，采用變頻控制和群組控制的方式對(duì)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行控制管理。②照明節(jié)能策略。站內(nèi)照明設(shè)施分布較廣，照明的開(kāi)閉條件主要受外部光照強(qiáng)度影響，為避免燈組的長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)啟所造成的電能消耗，可以根據(jù)光照強(qiáng)度及列車接發(fā)作業(yè)等

3 關(guān)鍵技術(shù)

鐵路智能車站設(shè)備節(jié)能集控系統(tǒng)的核心是通過(guò)對(duì)對(duì)底層硬件傳感器和控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的節(jié)能控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用Lonworks 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，完成對(duì)車站各類設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與控制工作。Lonworks 是基于面向?qū)ο蟮?OSI 模型構(gòu)建的協(xié)議框架，能夠很好地兼容多類設(shè)備以及協(xié)議接口[5]。在 lonworks 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，主要由遠(yuǎn)程終端模塊 (RTU) 采用全雙工的串口通信方式完成對(duì)底層硬件終端數(shù)據(jù)的采集和控制，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊和控制模塊成為一個(gè) lon 節(jié)點(diǎn)，lon 節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)上通過(guò) Lontalk 協(xié)議進(jìn)行通信；lonworks 網(wǎng)絡(luò)與上層應(yīng)用系統(tǒng)的通信則通過(guò)接口路由器，由 TCP/IP 協(xié)議負(fù)責(zé)通訊[6]。底層數(shù)據(jù)采集與控制過(guò)程：①由傳感器將采集到的信號(hào)量，經(jīng) RTU 的轉(zhuǎn)換芯片將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過(guò)串口協(xié)議將數(shù)據(jù)封裝后，傳輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)總線中；網(wǎng)絡(luò)路由器通過(guò)TCP/IP 協(xié)議將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綉?yīng)用層，進(jìn)行解析、存儲(chǔ)。②系統(tǒng)的控制由應(yīng)用層發(fā)起，系統(tǒng)根據(jù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備反饋數(shù)據(jù)的研判，選定封裝好的設(shè)備控制策略，生成控制命令并通過(guò)廣播的方式發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)中，由網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器接收到數(shù)據(jù)包后，進(jìn)行識(shí)別判斷，當(dāng)控制芯片將解析后的數(shù)據(jù)確定為該模塊的控制命令后，將控制命令通過(guò)串口通信的模式，直接作用于相應(yīng)的硬件設(shè)備控制模塊，完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制 (開(kāi)關(guān)、啟停)。底層數(shù)據(jù)采集與控制過(guò)程如圖3 所示。

圖3 底層數(shù)據(jù)采集與控制過(guò)程Fig.3 Data gathering and controlling in hardware layer

4 結(jié)束語(yǔ)

鐵路客運(yùn)站中設(shè)備的節(jié)能控制是智能車站建設(shè)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，在當(dāng)前車站設(shè)備節(jié)能的建設(shè)中，選取車站能耗較大的空調(diào)、照明、電梯、顯示屏 4 類設(shè)備進(jìn)行集控，優(yōu)化設(shè)備能耗管理[7]。鐵路智能車站設(shè)備節(jié)能集控系統(tǒng)的應(yīng)用，一方面有助于提高車站設(shè)備管理工作的效率，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的精細(xì)化管理；另一方面，通過(guò)以智能化的方式為旅客提供舒適服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備節(jié)能效果，可以體現(xiàn)車站的智能化建設(shè)和管理水平[8]。目前車站仍然有大量的旅客服務(wù)設(shè)備在使用過(guò)程中存在電能浪費(fèi)的情況，如閘機(jī)、自動(dòng)售票機(jī)、自動(dòng)取票機(jī)等設(shè)備。由于這些設(shè)備種類較多，受工作時(shí)間范圍的影響大，該類設(shè)備的能耗狀況比較模糊，尚缺乏有效的能耗管控措施，因而應(yīng)對(duì)車站旅客服務(wù)設(shè)備的節(jié)能控制研究做進(jìn)一步研究，將車站更多的設(shè)備加入到節(jié)能集控系統(tǒng)中，統(tǒng)一管理集中管控，進(jìn)而改善車站的整體節(jié)能效果，提高車站的智能化程度。