馬文琦

（西安鐵路信號有限責任公司西安分院，陜西西安 710199）

溫度控制系統(tǒng)是一種通過對周圍環(huán)境因素進行條件判斷，根據(jù)判斷結(jié)果對溫度進行調(diào)整的自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)在社會生產(chǎn)和生活中被廣泛應(yīng)用，如交通運輸中的冷鏈溫控、服務(wù)器機房中的溫度控制和智能家居中的室內(nèi)溫度控制等。溫控系統(tǒng)主要組成包括環(huán)境溫度采集分析、溫度控制調(diào)溫和溫度校驗反饋[1-2]。環(huán)境溫度采集分析是通過當前環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的分析計算，獲得預設(shè)溫度值；溫度校驗反饋進行預設(shè)值與當前值的比較，對差值進行條件判斷并決定是否進行溫度控制調(diào)整。目前普遍應(yīng)用的溫控系統(tǒng)，大部分是上述3 個部分組成的簡單閉環(huán)溫控制系統(tǒng)，存在溫度控制反應(yīng)過快或過慢、控制精度低、功耗高、體感差等不足。為此，結(jié)合地鐵實際運營情況，通過客戶和運營管理多角度需求分析，設(shè)計符合地鐵車站和列車的智能溫控系統(tǒng)。

1 整體設(shè)計方案

智能溫控系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括紅外熱成像人員采集子系統(tǒng)、站(車)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、站(車)外環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)、云數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)、溫度預警子系統(tǒng)和溫度控制子系統(tǒng)。圖1 中箭頭表示數(shù)據(jù)及控制命令流向。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

上述各子系統(tǒng)分布式安裝在不同的上位機中，每個子系統(tǒng)對于整個溫控系統(tǒng)而言都是一個具備獨立功能的功能模塊，子系統(tǒng)對外有調(diào)用接口，子系統(tǒng)之間通過內(nèi)部局域網(wǎng)進行網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)通信。其中，安裝在站內(nèi)的子系統(tǒng)之間通過以太網(wǎng)進行互聯(lián)通信，安裝在列車上的子系統(tǒng)之間采用無線組網(wǎng)通信互聯(lián)。紅外熱成像人員采集子系統(tǒng)、站(車)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)和站(車)外環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)，主要對人流量、體溫及影響環(huán)境溫度的因素進行采集、分析和統(tǒng)計，并將結(jié)果數(shù)據(jù)存儲于本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)周期性進行當前溫度與預設(shè)溫度的比較、異常溫度數(shù)據(jù)監(jiān)測分析。溫度預警子系統(tǒng)響應(yīng)實時監(jiān)測子系統(tǒng)的異常溫度事件，并對外進行報警及展示。溫度控制子系統(tǒng)進行當前溫度的升高或降溫操作，并將處理結(jié)果實時反饋給溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)。云數(shù)據(jù)庫服務(wù)器從本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中獲取允許外網(wǎng)查詢?yōu)g覽的數(shù)據(jù)，如人流量、站內(nèi)外環(huán)境溫度等。本地服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中保存系統(tǒng)運行需要的所有預設(shè)或?qū)崟r數(shù)據(jù)，部分數(shù)據(jù)不對外網(wǎng)開放。

2 系統(tǒng)功能

2.1 紅外熱成像人員采集子系統(tǒng)

紅外熱成像人員采集子系統(tǒng)負責對進入地鐵站的人員群體或個體進行信息采集，采集信息包括個體人員體溫、人流量，并對采集的數(shù)據(jù)信息按時段進行分析統(tǒng)計，計算某時段最高、最低和平均人體體溫，將統(tǒng)計結(jié)果按時段存入本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器?；跍囟茸兞砍掷m(xù)時間長、變化慢的特征，為了提高采集溫度數(shù)據(jù)的精度，紅外熱成像人員采集子系統(tǒng)采用多點測溫取平均值的方式進行測溫統(tǒng)計。該子系統(tǒng)主要安裝在地鐵入站處，可以根據(jù)功能需求及成本在各節(jié)車廂選擇性安裝。

2.2 站(車)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

站(車)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)負責對地鐵站(車)內(nèi)部的環(huán)境信息進行采集、分析計算，采集信息包括環(huán)境溫度、濕度、通風量、車站(車內(nèi))面積、車站(車內(nèi))空間，并對采集的數(shù)據(jù)信息按時段進行分析統(tǒng)計，將統(tǒng)計結(jié)果存入本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。其中，車站(車內(nèi))面積、車站(車內(nèi))空間可作為常量一次性存入對應(yīng)的本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。

站(車)內(nèi)環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)在車站內(nèi)部及列車內(nèi)部進行布局安裝。該子系統(tǒng)的傳感器包括：溫濕度傳感器、風量傳感器和空氣質(zhì)量傳感器。每個傳感器和子系統(tǒng)所在的上位機通過CAN總線進行互聯(lián)通信。

2.3 站(車)外環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)

站(車)外環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)負責對地鐵站(車)外的自然環(huán)境信息進行采集、分析計算，采集信息包括溫度、濕度、風級數(shù)、天氣狀況(晴、多云、雨、雪及其他)，這些數(shù)據(jù)部分可以通過中國氣象局-天氣預報官網(wǎng)獲取。站(車)外環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)對采集的數(shù)據(jù)信息按時段進行分析統(tǒng)計，并存入本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，為后續(xù)計算地鐵站入口至站內(nèi)空間的階梯溫度計算進行數(shù)據(jù)準備。

站外環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)安裝在車站外入口處，可以設(shè)置聯(lián)網(wǎng)功能，自動通過天氣預報官網(wǎng)獲取當?shù)靥鞖鉅顩r數(shù)據(jù)信息。車外環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)在列車離站長距離、長時間行駛，或者列車在區(qū)間線路上發(fā)生故障需要長時間停留2 種情況下安裝。站(車)外環(huán)境監(jiān)測子系統(tǒng)中的傳感器包括：溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器。

2.4 溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)

溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)負責從本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中讀取當前人體相關(guān)溫度數(shù)據(jù)，站(車)內(nèi)環(huán)境溫度、濕度和風量數(shù)據(jù)，站(車)外環(huán)境溫度、濕度、風量和天氣狀況，并對以上數(shù)據(jù)進行同類比較，根據(jù)比較結(jié)果決定是否啟動溫度控制子系統(tǒng)或溫度預警子系統(tǒng)。

對于人體最高溫度和最低溫度需要進行分析，如果偏離人體標準溫度過大，則需要對入站人員個體溫度數(shù)據(jù)分析查驗，確保沒有發(fā)熱人員，若有則需要進行溫度預警，提示工作人員。實時環(huán)境溫度、濕度與同時段的基礎(chǔ)環(huán)境溫度、濕度進行比較，如果存在較大差值，則需要進行溫度預警，提示工作人員進行火災或調(diào)溫系統(tǒng)故障的排查作業(yè)。

溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)可以根據(jù)同一時間段內(nèi)歷史與實時環(huán)境數(shù)據(jù)的分析比較，對未來1～2 h 的溫度、濕度進行近似估算，實現(xiàn)智能工作模式，避免頻繁溫度調(diào)整，達到節(jié)能減排的目的。估算精度取決于車站環(huán)境數(shù)據(jù)的累計量。

2.5 溫度預警子系統(tǒng)

溫度預警子系統(tǒng)自身帶有溫度預警二次分析確認功能，當收到溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)的預警信息時，系統(tǒng)會進行二次分析確認，以保證收到的預警信息不是短時間的數(shù)據(jù)波動，從而降低預警誤報的概率。預警信息確認后，該子系統(tǒng)對外提供對應(yīng)的預警信息供工作人員瀏覽查看。預警信息包括人體溫度異常和環(huán)境溫濕度異常。對外提供預警解除接口，并將解除信息傳遞給實時監(jiān)測子系統(tǒng)，實時監(jiān)測子系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析，確認實際預警是否解除。

2.6 溫度控制子系統(tǒng)

溫度控制子系統(tǒng)接收實時監(jiān)測子系統(tǒng)發(fā)送的環(huán)境溫度、濕度、風量調(diào)整數(shù)據(jù)信息，并進行相應(yīng)的調(diào)整操作。該子系統(tǒng)對外提供手動操作接口，在手動工作模式下有效。子系統(tǒng)的控制配置參數(shù)可以通過接收溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)定期發(fā)送的數(shù)據(jù)進行自動化配置，同時支持工作人員手動錄入配置。在系統(tǒng)斷網(wǎng)或出現(xiàn)長時間通信故障的情況下，以手工配置的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)運行參數(shù)。工作人員對其進行階段性的數(shù)據(jù)維護。

該子系統(tǒng)對于環(huán)境數(shù)據(jù)的實時調(diào)整結(jié)果進行監(jiān)測分析，如果達到預期調(diào)整目標，在一段時間內(nèi)若沒有收到實時監(jiān)測子系統(tǒng)發(fā)送的停止調(diào)整指令，則主動上報調(diào)整目標完成，監(jiān)測子系統(tǒng)對其進行確認；系統(tǒng)繼續(xù)PID控制運行，維持平穩(wěn)的預期調(diào)整目標輸出。該子系統(tǒng)可以在斷網(wǎng)的情況下，以基礎(chǔ)環(huán)境數(shù)據(jù)和人工設(shè)定的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)為參考，進行獨立的溫控調(diào)整工作。

2.7 數(shù)據(jù)庫服務(wù)器

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器包括云數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器存儲當前站(車)的所有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)信息。云數(shù)據(jù)庫服務(wù)器從本地數(shù)據(jù)庫中獲取允許對外訪問展示的數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)同步存儲于云數(shù)據(jù)庫服務(wù)器?；A(chǔ)數(shù)據(jù)信息為站(車)面積、站(車)空間大小。環(huán)境數(shù)據(jù)信息包括人體最高溫度、人體最低溫度、人體均溫；站(車)內(nèi)溫度、濕度、風量、站內(nèi)人流量和站內(nèi)人員平均分布；站(車)外溫度、濕度、風量、天氣情況；站入口階梯溫度。以上數(shù)據(jù)應(yīng)按年、季、月、日進行統(tǒng)計存儲。

數(shù)據(jù)庫服務(wù)器配有管理軟件，本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的管理軟件負責接收存儲采集子系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)信息，同時將部分實時采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)所在的上位機，供監(jiān)測子系統(tǒng)分析使用。云數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的管理軟件負責從本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中讀取部分允許對外訪問展示的數(shù)據(jù)信息，并對這些數(shù)據(jù)信息進行定期刪除和更新。

管理軟件對本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中的數(shù)據(jù)信息定期進行綜合分析，按實際需求分別形成以不同時段(如年、四季、周、日等)為單位的數(shù)據(jù)統(tǒng)計信息，并存儲在服務(wù)器對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。以一年以上的數(shù)據(jù)量為基礎(chǔ)，管理軟件通過以上數(shù)據(jù)信息分析計算當前站(車)的環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并將這些數(shù)據(jù)信息存儲到本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中。環(huán)境數(shù)據(jù)信息以年為周期進行計算校驗，校驗數(shù)據(jù)來源于對本地數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中歷史統(tǒng)計數(shù)據(jù)的分析計算。特殊情況下，環(huán)境數(shù)據(jù)可以根據(jù)經(jīng)驗值進行手動設(shè)置。

3 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)設(shè)計過程中充分考慮節(jié)能、健康和控制精度等，主要技術(shù)包括以下內(nèi)容。

3.1 節(jié)能技術(shù)

系統(tǒng)集成設(shè)備均為以低功耗芯片進行設(shè)備驅(qū)動和功能實現(xiàn)的低功耗設(shè)備。所有控制芯片均支持睡眠模式、低功耗喚醒模式和低功耗運行模式。系統(tǒng)中各類傳感器在正常工作時段運行采用低功耗模式，當無采集對象或暫時不需要工作時，傳感器會進入睡眠模式節(jié)省電能消耗，當需要傳感器工作時會被系統(tǒng)時鐘喚醒。

系統(tǒng)中的無線溫度傳感器模塊由ZigBee通信模塊和DS18B20數(shù)字溫度傳感器組成。其中，通信模塊發(fā)送模式和接收模式下工作電流只需20 mA，深度睡眠模式下只需要電流160 nA；DS18B20支持寄生電源方式，通過通信線對DS18B20進行強上拉供電，不需要額外電源供電。

在全年能耗方面，溫度、濕度分開獨立控制方式比常規(guī)溫濕度統(tǒng)一控制方式能耗降低了26.2%[3]。系統(tǒng)延續(xù)溫度、濕度分開獨立控制的方式，以達到節(jié)能的目的。

3.2 健康舒適

從乘客健康角度考慮，人體最適宜的溫度是18～27℃，濕度是45%～65%RH。環(huán)境濕度低于35%RH時，流感病毒在24 h后存活率仍在10%以上；環(huán)境濕度高于50%RH 時，流感病毒在10 h 后幾乎全部死亡[4-5]。當人的正常體溫為37℃時，人體皮膚表面的溫度約為33℃，當環(huán)境條件為溫度25℃、相對濕度50%、氣流速度0.15 m/s 時，人體處于最理想的熱平衡狀態(tài)，感覺最為舒適[6]。人體感覺的有效溫度比室內(nèi)溫度略低1～2℃，因而空調(diào)器控制溫度在27℃左右時，人體感覺更為舒適。系統(tǒng)的溫度、濕度均參考以上數(shù)據(jù)為調(diào)整目標。

3.3 核心控制

目前，我國對于地鐵車內(nèi)控制溫度沒有明確的設(shè)定標準，大部分借鑒歐洲鐵路聯(lián)盟的標準，使用的是UIC553—1990(客車通風、采暖和空調(diào))中車廂內(nèi)的設(shè)計溫度，結(jié)合《鐵道客車采暖通風設(shè)計參數(shù)》(TB/T 1955—2000)[7]，車內(nèi)控制溫度為

式中：tin為車內(nèi)空氣溫度，℃；tout為車外空氣溫度，℃。

從自動控制原理分析，車外空氣溫度tout是輸入量，車內(nèi)空氣溫度tin是輸出量，該公式是一個比例傳遞函數(shù)，對溫度控制范圍和精度有限，未考慮車內(nèi)環(huán)境中其他干擾因素，如乘客體溫、乘客數(shù)量、車內(nèi)濕度、車內(nèi)通風量及空氣質(zhì)量等。

智能溫控系統(tǒng)考慮了影響乘客健康和增加電能消耗的各因素，將影響因素即前文中所述的各種采集環(huán)境數(shù)據(jù)信息作為輸入量，將溫度、濕度、風量作為被控對象進行PID 控制調(diào)整，并將調(diào)整后的溫度、濕度、風量作為輸出量。以溫度控制為例，闡明系統(tǒng)的控制實現(xiàn)過程如下。

溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)將當前人體均溫與站內(nèi)當前溫度比較，如果存在超過6℃以上的差值時，則需啟動調(diào)溫系統(tǒng)進行室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)，保證人體溫度與站內(nèi)環(huán)境溫度差值在5℃以內(nèi)。夏季和秋季人體溫度及站內(nèi)溫度一般偏高，這就需要在人體溫度與站內(nèi)溫度差值穩(wěn)定在5℃以內(nèi)的基礎(chǔ)上，進行站內(nèi)降溫控制，避免人體溫度與環(huán)境溫度的溫差過大導致人體不適；冬季和春季人體溫度及站內(nèi)溫度一般較低，這時在維持人體溫度與站內(nèi)溫度差值在5℃以內(nèi)的基礎(chǔ)上，進行升溫控制，同時避免升溫太快導致大溫差出現(xiàn)。室內(nèi)與室外溫差很難保證5℃左右的絕對溫度差，可以通過車站入口階梯溫度進行階梯溫度差的漸進調(diào)整，保證每次等溫度、小溫度值調(diào)整[8]。

分析計算的預設(shè)溫度是輸入量，環(huán)境溫度是被調(diào)量，5℃以內(nèi)的差值是溫度實時監(jiān)測子系統(tǒng)中的一個條件判斷量，其控制原理如圖2所示。

圖2 溫度控制原理

溫度變化一般是緩慢過程，系統(tǒng)在實際應(yīng)用中，對基于PID的閉環(huán)控制過程加入了時間間隔參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)分頻運行，進而降低系統(tǒng)運行能耗。對系統(tǒng)運行中的所有帶屏幕顯示設(shè)備，在符合系統(tǒng)運行需求的前提下進行無操作定時熄屏控制，降低屏幕顯示能耗。

4 系統(tǒng)運行測試

系統(tǒng)設(shè)計有站控模式、車控模式、手動模式、自動模式、節(jié)能模式等多種工作模式。

站控模式是系統(tǒng)安裝在車站時設(shè)置好的一種基礎(chǔ)設(shè)置模式，車控模式是系統(tǒng)安裝于列車內(nèi)部的一種基礎(chǔ)設(shè)置模式，這兩種模式設(shè)置好后一般不能進行更改。

手動模式是管理人員對系統(tǒng)進行人為基礎(chǔ)參數(shù)設(shè)定、預調(diào)目標溫度設(shè)置后啟動溫控系統(tǒng)，手動模式支持1～3 d 內(nèi)的預調(diào)目標溫度曲線設(shè)置，用戶可一次性設(shè)置好未來3 d 內(nèi)各個時段的目標溫度，設(shè)置界面以溫度曲線顯示用戶設(shè)置的多個目標溫度。

自動模式是溫控系統(tǒng)根據(jù)實時采集的人體均溫和環(huán)境溫濕度進行差值計算后，自動運行調(diào)溫系統(tǒng)的工作方式。根據(jù)濕度預設(shè)值、調(diào)溫風量預設(shè)值進行濕度和風量的調(diào)整，并實時監(jiān)測計算是否存在預警信息。

節(jié)能模式是在自動控制模式的基礎(chǔ)上，引入同時段歷史基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、人工設(shè)定的調(diào)溫頻率，根據(jù)溫度差自動計算合理的風量調(diào)節(jié)頻率、恒溫保持設(shè)定時間等參數(shù)而進行溫度控制，并實時監(jiān)測是否存在預警信息。節(jié)能模式可以通過人工模式設(shè)置是否啟動運行。

系統(tǒng)目前處于實驗階段，在實驗室進行了核心溫度控制仿真實驗，實驗結(jié)果顯示系統(tǒng)具備快速響應(yīng)、抗干擾能力強、動態(tài)性能穩(wěn)定、調(diào)溫準確等特點，符合設(shè)計初衷，具備實際應(yīng)用價值。

5 結(jié)束語

基于數(shù)據(jù)分析的地鐵智能溫控系統(tǒng)可以根據(jù)實際需求進行功能模塊擴展或縮減，如在系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴展加載空氣質(zhì)量監(jiān)控功能等。系統(tǒng)控制策略以乘客的健康和舒適度為目標，采用PID控制達到變頻節(jié)能控制效果，在地鐵溫控系統(tǒng)中具有應(yīng)用價值。對于基于多數(shù)據(jù)參數(shù)的溫度控制算法尚未深入討論，高精度的溫度控制算法模型搭建驗證是后續(xù)的工作重心。