劉家濤

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計(jì)算技術(shù)研究所，北京 100081)

引言

隨著鐵路“強(qiáng)基達(dá)標(biāo)、提質(zhì)增效”工作主題的提出，鐵路客運(yùn)站“節(jié)能降耗、減員增效”成為客運(yùn)車站建設(shè)和發(fā)展的主旋律。車站照明占據(jù)車站電能消耗的30%～40%，中型車站照明費(fèi)用每年達(dá)200～300萬(wàn)元。經(jīng)常出現(xiàn)站臺(tái)無(wú)人、無(wú)車而燈常亮的浪費(fèi)現(xiàn)象，尤其是在候車室和車站進(jìn)出站通道，表現(xiàn)更為突出。孟金林[1]通過(guò)GSM-SMS控制技術(shù)研究了鐵路集裝箱中心站場(chǎng)區(qū)域照明控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但沒(méi)有從燈具布點(diǎn)期考慮燈具分布，且沒(méi)有結(jié)合車站業(yè)務(wù)進(jìn)行控制，節(jié)能效果有限。陳思敏等[2]針對(duì)高效圖書館照明能耗高的問(wèn)題，提出了基于PLC的綠色智能照明方案，實(shí)現(xiàn)的就地控制到遠(yuǎn)程控制的轉(zhuǎn)變。王曉暉等[3]利用LoRa技術(shù)實(shí)現(xiàn)了照明的遠(yuǎn)距離無(wú)限控制，但控制距離較短，且適合校園、公園等較空曠的場(chǎng)所。YIN等[4]和BYUN等[5]對(duì)LED燈的選型與能效的關(guān)系進(jìn)行的研究，對(duì)建筑物室內(nèi)照明策略進(jìn)行研究，提出了分時(shí)控制照明燈具的策略。沈海平[6]對(duì)照明視覺(jué)問(wèn)題進(jìn)行了論證和問(wèn)題研究，這對(duì)照明燈具的分布設(shè)置具有重大意義?？傮w上，國(guó)內(nèi)對(duì)照明的控制仍比較粗放，沒(méi)有結(jié)合車站業(yè)務(wù)對(duì)照明進(jìn)行精細(xì)化控制，主要著眼于照明燈具定時(shí)開(kāi)關(guān)控制，對(duì)照明燈具的分布設(shè)置研究較少。且缺少照明舒適度等問(wèn)題的研究。在發(fā)達(dá)國(guó)家，歐美等國(guó)對(duì)照明舒適度非常重視，對(duì)不同場(chǎng)所的照明場(chǎng)景應(yīng)用廣泛[7]。

本文對(duì)車站照明燈具的分布設(shè)置進(jìn)行深入研究，并結(jié)合車站到發(fā)業(yè)務(wù)及環(huán)境參數(shù)(照度、人體感知等)對(duì)車站的照明進(jìn)行基于業(yè)務(wù)的策略控制，取得良好的效果。在車站實(shí)際應(yīng)用后，節(jié)能效果顯著，有效地降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 火車站智能照明控制系統(tǒng)原理

1.1 火車站智能照明控制系統(tǒng)方案

利用現(xiàn)代信息技術(shù)，物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)，結(jié)合車站業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，建設(shè)系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化智能照明控制系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)車站照明設(shè)備的智能化監(jiān)控，并可支持突發(fā)情況下人工干預(yù)，以圖形化方式展示照明回路的運(yùn)行狀態(tài)，為用戶提供實(shí)時(shí)、高效、智能化服務(wù)，達(dá)到節(jié)能降耗、減員增效的目的[8]。

圖1為火車站智能照明控制系統(tǒng)架構(gòu)圖，控制平臺(tái)部署于車站指揮中心，設(shè)一名值班人員進(jìn)行盯控。通過(guò)局域網(wǎng)鏈接到信息機(jī)房的服務(wù)控制器(含路由)，服務(wù)控制器通過(guò)網(wǎng)線連接到PLC控制模塊，距離較遠(yuǎn)時(shí)，設(shè)置網(wǎng)橋。網(wǎng)絡(luò)模塊把網(wǎng)絡(luò)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)通過(guò)485線連接終端控制模塊。終端控制模塊主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)接收，并根據(jù)信號(hào)調(diào)節(jié)其內(nèi)置的繼電器。從而達(dá)到遠(yuǎn)程控制?？刂破脚_(tái)主要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)命令的執(zhí)行，包括定時(shí)開(kāi)關(guān)命令，自定義場(chǎng)景開(kāi)關(guān)命令；接收現(xiàn)場(chǎng)安裝的照度傳感器、人體紅外感應(yīng)傳感器的信號(hào)，并結(jié)合車站旅服系統(tǒng)到發(fā)信息按配置模板生成分區(qū)域開(kāi)關(guān)燈計(jì)劃，自動(dòng)調(diào)節(jié)燈的開(kāi)關(guān)和數(shù)量。通過(guò)照度傳感器感光控制，靠近窗戶的照明回路，根據(jù)外界自然光的亮度自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制，當(dāng)外界亮度很強(qiáng)時(shí)，靠近室外的回路關(guān)閉，當(dāng)外界照度不夠時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)啟靠近室外的照明回路，補(bǔ)充照度。人體紅外感應(yīng)傳感器，在有人活動(dòng)的場(chǎng)景下，燈自動(dòng)開(kāi)啟，人離開(kāi)一定時(shí)間后，燈自動(dòng)熄滅。結(jié)合車站旅服業(yè)務(wù)，為不同類型車(始發(fā)、途徑、終到)設(shè)置開(kāi)燈提前量和后置量，定時(shí)實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域照明的控制[9-11]。

圖1 火車站智能照明控制系統(tǒng)架構(gòu)圖

1.2 傳感器及燈具分布

為了實(shí)現(xiàn)車站照明的智能控制，光傳感器分布要真實(shí)反映站臺(tái)和候車室平均照度。光源分布要滿足策略控制要求，能實(shí)現(xiàn)1/2、1/4等控制模式，區(qū)域照度均勻。

1)傳感器及燈具分布原則。光敏材料在其周圍的照度發(fā)生變化時(shí)，物理量會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，故可將亮度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。因此，采用光敏材料對(duì)該點(diǎn)照度信號(hào)進(jìn)行采集，然后將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，以此構(gòu)成光電傳感單元。光源和傳感器的分布，須遵循以下原則:①燈具布置需滿足車站候車室工作人員、乘客乘降候車需求;②傳感單元的分布必須能夠真實(shí)的反映候車室內(nèi)及站臺(tái)雨棚下的照度;③光源與傳感單元之間須無(wú)障礙，傳感單元的分布位置在滿足前一條件的基礎(chǔ)上可適當(dāng)調(diào)節(jié)。

2)傳感器及燈具分布設(shè)置。光源采用多點(diǎn)均勻分布，傳感單元?jiǎng)t視候車室內(nèi)面積和光源數(shù)目而定。如: 在售票車間內(nèi)，作業(yè)場(chǎng)所需實(shí)現(xiàn)無(wú)影作業(yè)，采用多光源均勻分布于作業(yè)場(chǎng)所上方，將傳感單元均勻分布于作業(yè)場(chǎng)所四周和上空; 在候車室內(nèi)，為了滿足乘客和工作人員需求，光源采用多點(diǎn)均勻分布方式，傳感單元置于墻體四周及候車室廳內(nèi)頂棚。以候車室內(nèi)光源分布為例予以進(jìn)一步說(shuō)明。光源采用3 × 3陣列分布，如圖2 所示。

圖2 光源與傳感器分布圖

圖2中M 代表傳感器，A 代表光源，將傳感器分布于墻體四周，距地面2 m以上同一水平面處。光源成陣列形式分布于頂上天花板，到傳感器垂直距離為H，水平距離為D，空間距離為L(zhǎng)，夾角為θ。

如圖3所示，設(shè)傳感單元受光面為S，取其中一個(gè)微面元ds; 面元ds對(duì)點(diǎn)光源A 所張的微立體角元為dω，則dω=ds/L2。而點(diǎn)光源A在微立體角元dω范圍內(nèi)射向被照面N 的光通量dΦ，由光強(qiáng)定義可知[9]：

Iθ=dΦ/(dω×sinθ)

(1)

那么，由照度的定義可求得點(diǎn)光源A 在微面元ds上產(chǎn)生的照度Ev為

(2)

則全部光源作用下，傳感器Mi感光表面上的照度為:

(3)

當(dāng)傳感單元與光源足夠遠(yuǎn)時(shí)，可將傳感單元視為一個(gè)點(diǎn)，有

(4)

圖3 點(diǎn)光源指向傳感單元處照度

為確保區(qū)域內(nèi)光線均勻分布，并滿足區(qū)域照度要求，對(duì)二者分布進(jìn)行相關(guān)的二級(jí)調(diào)節(jié)。

3)傳感器及燈具分布二級(jí)調(diào)節(jié)。相關(guān)二級(jí)調(diào)節(jié)就是指在調(diào)節(jié)某處照度時(shí)，首先將該處照度差值與相鄰兩處照度差值相關(guān)，找出相關(guān)性再予以調(diào)節(jié)。為了在程序中容易實(shí)現(xiàn)，相關(guān)正負(fù)關(guān)系足以達(dá)到設(shè)計(jì)需求。其次，在調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)相關(guān)結(jié)果予以分級(jí)調(diào)節(jié)。以圖4 為例進(jìn)行說(shuō)明。

圖4 調(diào)節(jié)說(shuō)明示意圖

由式(3)可知，M6處所測(cè)的照度數(shù)據(jù)與L2成反比。故調(diào)節(jié)時(shí)，以M6為圓心，分別以光源距M6距離中最近的2個(gè)距離為半徑畫圓。以上述理論分析為基礎(chǔ)，對(duì)車站部分區(qū)域照明燈具進(jìn)行微調(diào)，并在區(qū)域內(nèi)增設(shè)傳感器，滿足上述計(jì)算場(chǎng)景。

1.3 電氣設(shè)計(jì)與施工

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中將太原站站臺(tái)、候車室站前廣場(chǎng)的照明燈具由原來(lái)的金鹵燈改造為L(zhǎng)ED燈，并對(duì)車站站臺(tái)和候車室等區(qū)域的電氣控制柜進(jìn)行重新規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工，并對(duì)部分區(qū)域照明回路按分布設(shè)計(jì)進(jìn)行整改，以滿足智能照明點(diǎn)位分布的要求。

1.4 智能照明控制系統(tǒng)策略

綜合考慮客站具體業(yè)務(wù)結(jié)合列車到發(fā)信息與環(huán)境參數(shù)(亮度)配置控制策略模板如下：

根據(jù)客站照明設(shè)備的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，將照明控制策略分為站臺(tái)照明控制策略和其他區(qū)域照明控制策略。

1)站臺(tái)照明控制策略。站臺(tái)照明策略綜合考慮列車到發(fā)信息以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境參數(shù)等影響因子，設(shè)列車到達(dá)時(shí)刻為T1，出發(fā)時(shí)刻為T2，并設(shè)置列車到站前的時(shí)間值M和列車離站后的時(shí)間值N兩個(gè)時(shí)間參數(shù)；根據(jù)運(yùn)營(yíng)環(huán)境參數(shù)設(shè)置閾值[P，Q]，策略配置如下：

當(dāng)前亮度值

當(dāng)前時(shí)間屬于[T1-M，T2+N]時(shí)，執(zhí)行照明的開(kāi)操作；

當(dāng)前時(shí)間不屬于[T1-M，T2+N]時(shí)，執(zhí)行照明的關(guān)操作；

在一定時(shí)間T內(nèi)，若有多次開(kāi)與關(guān)操作，則中間的操作忽略執(zhí)行。

當(dāng)前亮度值>Q時(shí)，執(zhí)行照明的關(guān)操作。

2)其他區(qū)域照明控制策略。其他區(qū)域的策略主要考慮運(yùn)營(yíng)環(huán)境因子，結(jié)合區(qū)域的使用情況根據(jù)環(huán)境的亮暗進(jìn)行照明設(shè)備的開(kāi)關(guān)。設(shè)置參數(shù)閾值[P，Q]，策略配置如下：

區(qū)域開(kāi)放時(shí)，當(dāng)前亮度值Q時(shí)，執(zhí)行照明的關(guān)操作。

區(qū)域關(guān)閉時(shí)，執(zhí)行照明的關(guān)操作。

2 智能照明控制系統(tǒng)方案

1)業(yè)務(wù)流程。智能照明控制系統(tǒng)主要是結(jié)合車站業(yè)務(wù)需求，在確保車站正常生產(chǎn)、提供舒適的車站環(huán)境的基礎(chǔ)上，有效的、合理的控制車站照明的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，達(dá)到延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，減少維護(hù)成本以及節(jié)能降耗的目的。系統(tǒng)整體業(yè)務(wù)流程圖如圖5所示。

圖5 智能照明控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程圖

2)PLC選型及程序編寫。結(jié)合項(xiàng)目情況，設(shè)計(jì)中使用西門子PLC S7-200 CPU226進(jìn)行控制，并在終端控制模塊選擇正泰交流接觸器CJX2-1210。PLC程序如圖6所示，為一個(gè)照明回路的控制程序。

圖6 單回路控制程序

3 效果分析

1)能耗分析。對(duì)系統(tǒng)使用前后的能耗進(jìn)行對(duì)比分析。使用前，①候車室及進(jìn)出站通道照明處于24 h常開(kāi)狀態(tài)；②站臺(tái)從晚上開(kāi)燈后，到第二天早上關(guān)閉；③開(kāi)關(guān)燈操作，由各區(qū)域值班人員在配電箱。使用后，①候車室設(shè)置照度傳感器，自動(dòng)跟蹤外部自然光線的變換，打開(kāi)或關(guān)閉臨窗照明回路，大大縮短燈具工作時(shí)間；②模式控制中，進(jìn)出站通道白天時(shí)，使用半開(kāi)、1/4模式控制，大大降低能源浪費(fèi)；③站臺(tái)區(qū)域，系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)置的程序進(jìn)行照明開(kāi)關(guān)，無(wú)需人工干預(yù)，不但節(jié)能人工成本，而且準(zhǔn)時(shí)、全自動(dòng)運(yùn)行。

對(duì)系統(tǒng)安裝前后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，站臺(tái)上平均每個(gè)回路每天少運(yùn)行1 h，進(jìn)出站通道每天可少運(yùn)行2.5 h，候車室每天少運(yùn)行1.5 h，同時(shí)由于光度自動(dòng)調(diào)節(jié)區(qū)域，開(kāi)燈率由原來(lái)的100%降低到75%～80%。通過(guò)縮短開(kāi)燈時(shí)間和開(kāi)燈率，在不影響車站作業(yè)的情況下，開(kāi)燈時(shí)間可壓縮約30%。

2)投資回報(bào)分析。每個(gè)額定電流為10 A回路的實(shí)際負(fù)載為4 A，每天每個(gè)回路工作10 h，節(jié)省電能為2.64 kW·h，每年工作365天，每度電按0.9元計(jì)算，實(shí)際每年節(jié)省電費(fèi)867.24元，太原站站臺(tái)、候車室、進(jìn)出站通道燈具為2 540盞。按每個(gè)回路20盞，有153個(gè)回路，共可節(jié)電132 651元，節(jié)能效果可觀，圖7為采用照度傳感器后不同天氣形成的效果圖，圖8為進(jìn)出站通道使用不同控制模塊、設(shè)置不同控制方式后的效果圖，可以直觀地看出燈具開(kāi)關(guān)情況及效果。

圖7 不同的天氣形成的效果圖

圖8 不同控制模塊使用情況效果圖

3)人力成本分析。火車站7個(gè)站臺(tái)的值班員可以減少2人，同時(shí)候車室、進(jìn)出站通道也可以減少值班員2人，需要對(duì)監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行盯控，故加崗1人。初步估計(jì)能夠減少3人的成本。

4)應(yīng)用效果分析。智能照明控制系統(tǒng)主要是結(jié)合車站業(yè)務(wù)需求，綜合考慮其他影響因素，在保證安全正常的作業(yè)運(yùn)行基礎(chǔ)上，對(duì)車站照明進(jìn)行有效、合理的控制，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的效果。主要效果包含有以下幾個(gè)方面：

a)照明的自動(dòng)化監(jiān)控。系統(tǒng)主要結(jié)合車站的業(yè)務(wù)需求，同時(shí)考慮時(shí)控、環(huán)境光照亮度等因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站內(nèi)不同的區(qū)域照明進(jìn)行自動(dòng)的監(jiān)控。通過(guò)場(chǎng)景模式控制照明回路，達(dá)到對(duì)照明的自動(dòng)控制效果。

b)延長(zhǎng)設(shè)備壽命周期。根據(jù)車站業(yè)務(wù)需求，結(jié)合照明自動(dòng)監(jiān)控，進(jìn)行照明狀態(tài)的合理控制，有效地、合理地控制設(shè)備的使用情況，延長(zhǎng)其使用壽命。

c)實(shí)現(xiàn)節(jié)能能耗效果。綜合考慮時(shí)控(季節(jié)性等)、環(huán)境亮度(傳感器等)因素，自動(dòng)控制車站區(qū)域照明的狀態(tài)。當(dāng)車站某區(qū)域無(wú)作業(yè)等情況時(shí)，適時(shí)的控制照明關(guān)閉，避免照明不必要的空開(kāi)，達(dá)到節(jié)能效果。同時(shí)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)照明的自動(dòng)控制，大大降低現(xiàn)場(chǎng)人員的工作任務(wù)，有效地提高員工的工作效率。

d)美化車站環(huán)境，提高服務(wù)質(zhì)量。候車室等室內(nèi)照明利用場(chǎng)景調(diào)節(jié)變化加強(qiáng)空間環(huán)境的舒適效果，為旅客營(yíng)造出舒適的候車環(huán)境，有利于旅客的身心健康，提高客站的服務(wù)質(zhì)量[12]。

5)節(jié)能效果分析。通過(guò)在太原站詳細(xì)的調(diào)研了解到太原站照明目前都是通過(guò)人工開(kāi)關(guān)回路，根據(jù)不同季節(jié)的光照情況，給出開(kāi)關(guān)燈的大致時(shí)間范圍，工作人員憑自己的感官感受進(jìn)行開(kāi)關(guān)，時(shí)間有很大誤差，并且開(kāi)燈時(shí)默認(rèn)為全開(kāi)，造成了能耗的浪費(fèi)。以太原站站臺(tái)為例，太原站現(xiàn)在開(kāi)關(guān)燈情況如表1所示。

表1 使用系統(tǒng)前站臺(tái)區(qū)域照明開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)

一站臺(tái)高架下有4個(gè)回路，雨棚下有4個(gè)回路，二、三站臺(tái)，四、五站臺(tái)，六、七站臺(tái)高架下分別有6個(gè)回路，雨棚有8個(gè)回路，按照一個(gè)回路開(kāi)1 h為單位計(jì)算，每天需要開(kāi)516回路×小時(shí)。

按照太原站的業(yè)務(wù)要求，車進(jìn)站前10 min開(kāi)燈，車離站5 min關(guān)燈，相鄰兩趟車的時(shí)間間隔大于30 min關(guān)燈，在設(shè)備節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行配置后，結(jié)合到發(fā)與時(shí)控生成計(jì)劃后每天開(kāi)關(guān)燈時(shí)間如表2所示。

表2 使用系統(tǒng)后站臺(tái)區(qū)域照明開(kāi)關(guān)時(shí)間點(diǎn)(根據(jù)到發(fā)業(yè)務(wù)自動(dòng)生成計(jì)劃)

每天需要開(kāi)296回路×小時(shí)。按照上述計(jì)算，大約能節(jié)省43%的能耗。

使用系統(tǒng)前后每個(gè)站臺(tái)的能量消耗情況(以回路×小時(shí)計(jì)算)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)使用前后節(jié)能效果對(duì)比圖

4 結(jié)論

本文對(duì)客運(yùn)火車站照明燈具的分布進(jìn)行研究，并結(jié)合車站到發(fā)業(yè)務(wù)和環(huán)境參數(shù)對(duì)火車站智能照明控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并依據(jù)時(shí)間段、到發(fā)業(yè)務(wù)、環(huán)境參數(shù)(照度和人體感應(yīng))對(duì)車站不同區(qū)域的照明回路進(jìn)行了策略研究，達(dá)到了預(yù)期效果，節(jié)能率達(dá)到43%，且能減少客運(yùn)作業(yè)人員崗位，縮短作業(yè)時(shí)間。在車站應(yīng)用過(guò)程中能夠靈活、高效地對(duì)照明燈具進(jìn)行控制，經(jīng)濟(jì)效益可觀。下一步需要深入研究開(kāi)關(guān)次數(shù)與燈具壽命的關(guān)系及照明眩光等參數(shù)對(duì)旅客舒適度的影響，以提供舒適的乘車環(huán)境。