段建國(guó)， 羅學(xué)平， 郭金彪， 金睿， 陸中玏

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司，湖北武漢430071）

0 引言

武漢北編組站地處京廣鐵路在滬漢蓉沿江經(jīng)濟(jì)帶的武漢市境內(nèi)，是我國(guó)一次性整體建成的亞洲規(guī)模最大、現(xiàn)代化程度最高的編組站，是全國(guó)主要路網(wǎng)性編組站之一［1-2］。武漢北編組站承擔(dān)著繁重的解體、編組任務(wù)，對(duì)照明設(shè)備的要求極高，但現(xiàn)有照明設(shè)備老化嚴(yán)重、故障頻發(fā)、耗能較大。因此，開展武漢北編組站燈橋燈塔節(jié)能改造具有良好的綜合效益和遠(yuǎn)期示范效益，可為其他編組站、車站的燈橋燈塔節(jié)能改造提供借鑒。

1 編組站概況及節(jié)能改造方案

1.1 基本情況

2009年5月18日，武漢北編組站正式投入使用，改變了原來(lái)華中地區(qū)路網(wǎng)能力限制而產(chǎn)生的不合理運(yùn)輸組織方式，保證了武漢鐵路樞紐運(yùn)輸?shù)臅惩ǎ?］。武漢北編組站，三級(jí)七場(chǎng)規(guī)模，負(fù)責(zé)江村、株洲北等12 個(gè)方向的直達(dá)、直通列車集結(jié)、編組任務(wù)，同時(shí)也負(fù)責(zé)管內(nèi)武昌東、鐵山等7個(gè)方向的區(qū)段及小運(yùn)轉(zhuǎn)列車集結(jié)、編組任務(wù)（見圖1）。全站日均解體、編組能力為178、171 列，辦理能力日均25364 輛。2018年日均解體、編組分別是115、116列，辦理車18074輛。

1.2 照明設(shè)備現(xiàn)狀

調(diào)車工作對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的照明有很高的要求。武漢北編組站內(nèi)燈橋燈塔燈具為高壓鈉燈，共有1052 盞，采用“遠(yuǎn)程控制+時(shí)間控制”系統(tǒng)管理模式。編組站燈橋燈塔燈具自開通運(yùn)行至今，已服役11年，期間未對(duì)燈具進(jìn)行過(guò)整體檢修更換，僅零星替換部分燈具及易損件。

（1）設(shè)備故障。目前，在武漢北編組站燈橋燈塔1052 盞燈具中，已有417 盞無(wú)法正常照明，故障率高達(dá)39.6%（為保障作業(yè)安全，對(duì)照度不夠的點(diǎn)位，已將其中108 盞零星更換為200 W 的LED 節(jié)能燈），剩余正在使用的635 盞燈具，使用時(shí)間也已遠(yuǎn)超7年質(zhì)保期。燈具損壞及老化帶來(lái)站場(chǎng)照明不均問(wèn)題，導(dǎo)致站場(chǎng)行車及作業(yè)安全存在隱患。

（2）設(shè)備能耗。武漢北編組站現(xiàn)有額定功率400 W的高壓鈉燈944 盞（另外108 盞為零星更換的200 W 的LED 節(jié)能燈），高壓鈉燈年用電量約181.93 萬(wàn)kW·h，年用電費(fèi)約178.29萬(wàn)元（電費(fèi)單價(jià)0.98元/（kW·h）），占編組站總電費(fèi)支出的71%，燈具用電成本居高不下。

（3）設(shè)備管理。武漢北編組站燈橋燈塔燈具開關(guān)采用的“遠(yuǎn)程控制+時(shí)間控制”系統(tǒng)管理模式，存在無(wú)法根據(jù)季節(jié)、天氣狀況變化準(zhǔn)確調(diào)整開關(guān)燈時(shí)間的問(wèn)題，出錯(cuò)率高，存在安全隱患，且高度依賴人工管理，成本支出較大。

1.3 節(jié)能改造方案

TB 10089—2015《鐵路照明設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.1 條：鐵路照明光源選擇應(yīng)根據(jù)不同場(chǎng)所的特點(diǎn)，在滿足照明的顯色性、色溫、啟動(dòng)時(shí)間和再啟動(dòng)時(shí)間等要求條件下，結(jié)合光源、燈具及鎮(zhèn)流器的效率、光通量維持率、壽命和價(jià)格進(jìn)行綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較后確定［4］。根據(jù)武漢北編組站燈具目前存在的問(wèn)題，綜合考慮技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素后，提出以下節(jié)能改造方案：

（1）使用LED 節(jié)能燈替換高壓鈉燈。大功率LED節(jié)能燈在安裝時(shí)，不改變?cè)袩魳驘羲碾娐吩瓲睿褂迷械慕拥匮b置，只要換上燈具即可，且功率比原有的金鹵燈或高壓鈉燈小，不會(huì)產(chǎn)生原有設(shè)備設(shè)施超負(fù)荷的問(wèn)題。大功率LED 節(jié)能燈主體材料是金屬導(dǎo)電材料且同時(shí)接地，不會(huì)產(chǎn)生靜電干擾［5］。因此，現(xiàn)有基礎(chǔ)條件支持使用LED 節(jié)能燈替換高壓鈉燈。

（2）采用“光控+遠(yuǎn)程智能監(jiān)控”模式替換現(xiàn)有的“遠(yuǎn)程控制+時(shí)間控制”管理模式。通過(guò)論證，既有編組站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和供電段的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)支持實(shí)現(xiàn)模式替換。

2 燈具技術(shù)、成本分析

以光源功率400 W的高壓鈉燈與200 W的LED節(jié)能燈為例，從技術(shù)指標(biāo)和綜合成本2個(gè)方面對(duì)節(jié)能改造方案采用燈具和現(xiàn)有燈具進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 技術(shù)指標(biāo)對(duì)比

LED節(jié)能燈作為第4代照明光源，在照明領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，已逐漸成為全球最熱門、最受矚目的光源［6］。LED 節(jié)能燈已在鐵路站房、站場(chǎng)、隧道、橋梁等場(chǎng)所照明中得到了廣泛應(yīng)用，其本身的安全性已在實(shí)際應(yīng)用中得到了驗(yàn)證。高壓鈉燈和LED 節(jié)能燈光源參數(shù)（來(lái)源：主流燈具廠商技術(shù)規(guī)格書）及特性對(duì)比見表1。

表1 高壓鈉燈和LED節(jié)能燈光源參數(shù)及特性對(duì)比

照度測(cè)試方法：以垂直于光源的方向?yàn)檎斩葴y(cè)量面，沿股道方向布點(diǎn)，分為水平和垂直股道方向放置照度計(jì)，測(cè)試結(jié)果的最大值作為最大照度值；以平行于燈橋方向，等間距測(cè)量照度來(lái)計(jì)算照度均勻度（開燈后2 h 左右進(jìn)行測(cè)量）［7］?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試2000 m2平均照度，LED 節(jié)能燈照度更高，照明效果更好。LED 節(jié)能燈在更換后不存在明顯光感變化，對(duì)整體平均照度影響更小，整體觀感更統(tǒng)一。

燈具炫光值與均勻度與光源關(guān)系不大，主要由燈具設(shè)計(jì)、配光曲線及燈具布置方案確定。TB 10089—2015 表4.5.3 中規(guī)定：編發(fā)場(chǎng)駝峰頂50～60 m 范圍、編發(fā)場(chǎng)道岔區(qū)首端，照度均勻度不低于0.25，炫光值不大于50；存輪場(chǎng)、客車整備線、機(jī)車整備臺(tái)位、列檢作業(yè)場(chǎng)所、轉(zhuǎn)車盤等場(chǎng)所照度均勻度不低于0.25，炫光值不大于45。本次燈具更換燈具布置間距不變，高壓鈉燈更換為L(zhǎng)ED 燈具后，照明均勻度及炫光值滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)比說(shuō)明：LED 節(jié)能燈額定功率較小、耗電量小，額外損耗比鈉燈低、更節(jié)能，光衰（減）更小、照明運(yùn)行成本更低，故障率更低，相同功率相比LED節(jié)能燈光通量更高、平均使用壽命更長(zhǎng)。在符合TB 10089—2015 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的情況下，LED 節(jié)能燈在技術(shù)指標(biāo)上全面優(yōu)于高壓鈉燈，使用LED 節(jié)能燈替換高壓鈉燈可顯著提升編組站照明水平，節(jié)能效果明顯，且具有較好的霧天穿透性［7］，可減少站場(chǎng)行車及作業(yè)安全隱患。

2.2 綜合成本對(duì)比

選取質(zhì)量、商譽(yù)、銷售業(yè)績(jī)等方面較好的3個(gè)品牌（品牌A、品牌B、品牌C），以某電商集采平臺(tái)價(jià)格為基準(zhǔn)，從采購(gòu)成本、維修成本、用電成本3個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比分析。

（1）采購(gòu)成本：高壓鈉燈與LED 節(jié)能燈的平均價(jià)格分別為3146元和3865元。以編組站現(xiàn)有944盞高壓鈉燈計(jì)算，全部替換為L(zhǎng)ED 節(jié)能燈的采購(gòu)成本為355.79 萬(wàn)元，更換為新高壓鈉燈的采購(gòu)成本為296.98萬(wàn)元。

（2）維修成本：高壓鈉燈主要部件包含光源、鎮(zhèn)流器、觸發(fā)器、電容。目前，高壓鈉燈售后三包為7年，其中易損件售后三包為1年，1年后更換非常頻繁［8］。高壓鈉燈易損件費(fèi)用按均價(jià)計(jì)算，光源為242 元、鎮(zhèn)流器678 元、觸發(fā)器140 元、電容器145 元，每年燈具易損件的往年平均損壞率為11.2%，考慮更換燈具人工費(fèi)200元/盞，944盞高壓鈉燈易損件售后以外的6年更換維修成本約為89.13 萬(wàn)元。LED 節(jié)能燈售后三包7年，廠家免費(fèi)維修更換，維修成本為0。

（3）用電成本：根據(jù)武漢北編組站燈橋燈塔燈具照明時(shí)間設(shè)定，全年日均照明時(shí)間約12 h，附加10%電損，按電費(fèi)單價(jià)0.98 元/（kW·h）計(jì)算，高壓鈉燈7年用電成本約為1248.02 萬(wàn)元，LED 節(jié)能燈7年用電成本約為624.02萬(wàn)元。

對(duì)比采購(gòu)成本，購(gòu)置LED 節(jié)能燈成本略高于高壓鈉燈，投入使用后長(zhǎng)期維修成本和用電成本卻遠(yuǎn)低于高壓鈉燈。三者綜合對(duì)比，LED 節(jié)能燈替換高壓鈉燈7年共計(jì)可節(jié)約654.32萬(wàn)元，平均每年綜合成本可節(jié)約93.47萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益明顯（見表2）。

表2 7年綜合成本對(duì)比 萬(wàn)元

3 方案實(shí)施

武漢北編組站面積大、作業(yè)量多，人員穿行平交道與股道頻繁，特別是夜間作業(yè)對(duì)燈橋燈塔燈具照明要求較高。盡管LED 節(jié)能燈在各項(xiàng)指標(biāo)上優(yōu)于高壓鈉燈，但是為了保證運(yùn)輸生產(chǎn)及作業(yè)人員安全，本次節(jié)能改造方案實(shí)施采取“三步走”策略：

第1步：先進(jìn)行多種場(chǎng)景試驗(yàn)，取得第三方檢測(cè)報(bào)告。選擇專業(yè)資質(zhì)強(qiáng)、聲譽(yù)良好的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，按照TB 10089—2015 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)試LED 節(jié)能燈與高壓鈉燈相關(guān)參數(shù)，并對(duì)試驗(yàn)全程數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性負(fù)責(zé)。將測(cè)試數(shù)據(jù)與鐵路照明設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，出具具有法律效力的檢測(cè)報(bào)告。

選取作業(yè)任務(wù)相對(duì)較少的場(chǎng)區(qū)，將其中1座燈橋上2 排平行燈具中的1 排更換為A 品牌的LED 節(jié)能燈。分天氣狀態(tài)、時(shí)間段，對(duì)該座燈橋2 排燈具進(jìn)行對(duì)照試驗(yàn)，對(duì)比光通量、光效、顯示指數(shù)、色溫、啟動(dòng)時(shí)間、功率因數(shù)、電壓及溫度變化影響等參數(shù)數(shù)據(jù)，對(duì)LED節(jié)能燈和高壓鈉燈的性能進(jìn)行全方位對(duì)比。同理，換裝B品牌LED節(jié)能燈，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

第2步：走訪調(diào)研排除安全隱患，逐步全面替換現(xiàn)有燈具。選定武漢北編組站Ⅳ場(chǎng)燈橋作為測(cè)試區(qū)域，按照依法合規(guī)采購(gòu)方式，選定A、B 兩種品牌，各采購(gòu)LED 節(jié)能燈38 盞，安裝并進(jìn)行對(duì)照性試用。在試用1個(gè)季度后，采用問(wèn)卷調(diào)查、座談訪問(wèn)等多種形式，對(duì)武漢北編組站職工進(jìn)行調(diào)研，了解職工在LED 節(jié)能燈具使用中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，征詢職工對(duì)LED 節(jié)能燈具的接受度，確定LED 節(jié)能燈對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)安全有無(wú)風(fēng)險(xiǎn)隱患。在充分調(diào)研確定職工接受度高并排除安全風(fēng)險(xiǎn)隱患后，對(duì)武漢北編組站燈橋燈塔燈具等設(shè)備逐步進(jìn)行替換更新。第1階段對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ場(chǎng)燈橋燈塔燈具及附屬設(shè)備進(jìn)行更新，共計(jì)燈橋6 座，燈塔9 座，更換472 盞LED節(jié)能燈及附屬設(shè)備。第2階段更換Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ場(chǎng)燈橋燈塔燈具及附屬設(shè)備進(jìn)行更新，共計(jì)燈橋7座，燈塔10座，更換472盞LED節(jié)能燈及附屬設(shè)備。

第3步：復(fù)核照明檢測(cè)和節(jié)能效果，推廣至其他編組站。完成武漢北編組站的燈橋燈塔燈具及附屬設(shè)備更換后，對(duì)照明監(jiān)測(cè)和節(jié)能效果進(jìn)行復(fù)核，達(dá)到照明預(yù)期和節(jié)能效果后，按上述模式全面推廣至鐵路局集團(tuán)公司其他編組站。當(dāng)前中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司所有供電段管轄的編組站共有高壓鈉燈2170 盞，若全部替換為L(zhǎng)ED 節(jié)能燈，預(yù)計(jì)全年綜合成本可節(jié)約約204.92萬(wàn)元。

4 管理維護(hù)模式

為徹底解決武漢北編組站所用的“遠(yuǎn)程控制+時(shí)間控制”系統(tǒng)管理模式存在燈具無(wú)法準(zhǔn)確根據(jù)季節(jié)、天氣狀況適時(shí)調(diào)整開關(guān)燈時(shí)間，且高度依賴人工管理，成本支出大，出錯(cuò)率高等問(wèn)題，將現(xiàn)有管理模式升級(jí)為“光控+遠(yuǎn)程智能監(jiān)控”式，即利用既有編組站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和武漢供電段的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，加裝智能電表，將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和圖像通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)接入武漢供電段安全生產(chǎn)指揮中心，以實(shí)現(xiàn)智能化管理，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)線抄表、智能監(jiān)控、遠(yuǎn)程指揮、實(shí)時(shí)維修?；诰幗M站內(nèi)既有燈橋燈塔控制系統(tǒng)現(xiàn)狀，對(duì)編組站內(nèi)站場(chǎng)照明智能監(jiān)視及控制系統(tǒng)架構(gòu)方案進(jìn)行了重點(diǎn)研究，提出近期和遠(yuǎn)期的可行方案。

4.1 近期方案：基于電力遠(yuǎn)動(dòng)通道方案

在近期，可采用基于電力遠(yuǎn)動(dòng)通道方案，對(duì)13 座燈橋（含17 套照明控制箱，其中4 座超長(zhǎng)燈橋各設(shè)置2套照明控制箱）、19 座燈塔（含19 套照明控制箱）進(jìn)行集中更換?；陔娏h(yuǎn)動(dòng)通道方案系統(tǒng)架構(gòu)見圖2?？刂葡鋬?nèi)設(shè)置電力遠(yuǎn)動(dòng)終端RTU并配置光時(shí)控制模塊。各控制箱內(nèi)的RTU 通過(guò)敷設(shè)光纖至就近10.0 kV/0.4 kV變電所接入電力遠(yuǎn)動(dòng)通道。編組站設(shè)置站場(chǎng)照明智能監(jiān)視及控制主站（簡(jiǎn)稱監(jiān)控主站），通過(guò)視頻監(jiān)控改造工程設(shè)置的視頻監(jiān)控復(fù)示終端實(shí)現(xiàn)對(duì)燈橋燈塔狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)視。監(jiān)視主站將燈橋燈塔監(jiān)視及控制信息接入武漢供電段安全生產(chǎn)指揮中心，與擬建的燈橋、燈塔照明遠(yuǎn)程抄表及節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行功能組合，最終實(shí)現(xiàn)編組站內(nèi)燈橋、燈塔照明光時(shí)自動(dòng)控制、編組站就地級(jí)控制及供電段級(jí)集中控制。

圖2 基于電力遠(yuǎn)動(dòng)通道方案系統(tǒng)架構(gòu)

4.2 遠(yuǎn)期方案：基于無(wú)線公網(wǎng)通道方案

在遠(yuǎn)期，可采用基于無(wú)線公網(wǎng)通道方案，方案的燈橋燈塔照明控制箱數(shù)量及位置均與近期方案一致，對(duì)36套照明控制箱（13座燈橋內(nèi)含17套、19座燈塔內(nèi)含19 套）進(jìn)行集中更換，照明控制箱內(nèi)設(shè)置無(wú)線終端并配置光時(shí)控制模塊，無(wú)線終端具備公網(wǎng)通信接口，通過(guò)4G 公網(wǎng)通信通道實(shí)現(xiàn)監(jiān)視及控制數(shù)據(jù)上傳下發(fā)。編組站智能監(jiān)視及控制系統(tǒng)架構(gòu)與主要功能與近期方案一致，編組站智能監(jiān)視及控制系統(tǒng)至現(xiàn)場(chǎng)級(jí)無(wú)線終端及遠(yuǎn)方武漢供電段智能監(jiān)視及控制平臺(tái)間均設(shè)置公網(wǎng)無(wú)線通信接口?；跓o(wú)線公網(wǎng)通道方案系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

遠(yuǎn)期方案和近期方案均能實(shí)現(xiàn)通過(guò)監(jiān)視主站將燈橋燈塔控制及監(jiān)視信息接入武漢供電段安全生產(chǎn)指揮中心，與燈橋、燈塔照明遠(yuǎn)程抄表及節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行功能組合，最終實(shí)現(xiàn)編組站內(nèi)燈橋燈塔特殊點(diǎn)位開關(guān)燈數(shù)量及光強(qiáng)調(diào)控。遠(yuǎn)期方案與近期方案主要區(qū)別如下：

（1）遠(yuǎn)期方案通信通道均采用基于4G 公網(wǎng)的無(wú)線通道方案，近期方案采用的遠(yuǎn)動(dòng)光纖傳輸通道。

圖3 基于無(wú)線公網(wǎng)通道方案架構(gòu)圖

（2）遠(yuǎn)期方案現(xiàn)場(chǎng)照明控制箱監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，不經(jīng)過(guò)站場(chǎng)低壓變電所匯聚，直接點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸至編組站智能監(jiān)控系統(tǒng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

武漢北編組站燈橋燈塔節(jié)能改造以問(wèn)題為導(dǎo)向，從技術(shù)指標(biāo)、綜合成本、方案實(shí)施和控制管理方面進(jìn)行綜合考慮，采用更為經(jīng)濟(jì)節(jié)能的LED 照明燈具，大幅降低了電能消耗和電費(fèi)支出。改造后燈具壽命、照明經(jīng)濟(jì)效益、安全性及未來(lái)運(yùn)營(yíng)管控等方面較現(xiàn)狀均得到提升。

在深入貫徹落實(shí)習(xí)近平生態(tài)文明思想的時(shí)代背景下，認(rèn)真落實(shí)中國(guó)國(guó)家鐵路集團(tuán)有限公司2020年節(jié)支降耗要求，武漢北編組站在照明設(shè)備節(jié)能改造方面的研究與探索具有十分重要的意義：

（1）武漢北編組站照明設(shè)備的成功改造，可為其他編組站、車站提供借鑒和參考，大幅提升節(jié)能改造效果，精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)節(jié)支降耗目標(biāo)。

（2）通過(guò)此次照明設(shè)備節(jié)能改造的逐步推廣與應(yīng)用，編組站照明能耗量將持續(xù)降低，并在較大程度上減少鐵路非牽引耗電量，促進(jìn)鐵路整體能效水平的提升。

（3）在踐行“交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行”的發(fā)展理念背景下，構(gòu)建經(jīng)濟(jì)、高效、節(jié)能的照明系統(tǒng)能夠有效提升鐵路綠色發(fā)展水平，在一定程度上擴(kuò)大鐵路在“綠色高效”方面的比較優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)鐵路構(gòu)建“綠色交通運(yùn)輸體系”、建設(shè)“交通強(qiáng)國(guó)”的使命與擔(dān)當(dāng)［9-10］。