火车站智能照明控制系统开发及工程应用

刘家涛

(中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081)

引言

随着铁路“强基达标、提质增效”工作主题的提出，铁路客运站“节能降耗、减员增效”成为客运车站建设和发展的主旋律。车站照明占据车站电能消耗的30%～40%，中型车站照明费用每年达200～300万元。经常出现站台无人、无车而灯常亮的浪费现象，尤其是在候车室和车站进出站通道，表现更为突出。孟金林[1]通过GSM-SMS控制技术研究了铁路集装箱中心站场区域照明控制系统的设计，但没有从灯具布点期考虑灯具分布，且没有结合车站业务进行控制，节能效果有限。陈思敏等[2]针对高效图书馆照明能耗高的问题，提出了基于PLC的绿色智能照明方案，实现的就地控制到远程控制的转变。王晓晖等[3]利用LoRa技术实现了照明的远距离无限控制，但控制距离较短，且适合校园、公园等较空旷的场所。YIN等[4]和BYUN等[5]对LED灯的选型与能效的关系进行的研究，对建筑物室内照明策略进行研究，提出了分时控制照明灯具的策略。沈海平[6]对照明视觉问题进行了论证和问题研究，这对照明灯具的分布设置具有重大意义。总体上，国内对照明的控制仍比较粗放，没有结合车站业务对照明进行精细化控制，主要着眼于照明灯具定时开关控制，对照明灯具的分布设置研究较少。且缺少照明舒适度等问题的研究。在发达国家，欧美等国对照明舒适度非常重视，对不同场所的照明场景应用广泛[7]。

本文对车站照明灯具的分布设置进行深入研究，并结合车站到发业务及环境参数(照度、人体感知等)对车站的照明进行基于业务的策略控制，取得良好的效果。在车站实际应用后，节能效果显著，有效地降低作业人员劳动强度。

1 火车站智能照明控制系统原理

1.1 火车站智能照明控制系统方案

利用现代信息技术，物联网感知技术，结合车站业务数据，建设系统化、网络化、信息化智能照明控制系统。实现车站照明设备的智能化监控，并可支持突发情况下人工干预，以图形化方式展示照明回路的运行状态，为用户提供实时、高效、智能化服务，达到节能降耗、减员增效的目的[8]。

图1为火车站智能照明控制系统架构图，控制平台部署于车站指挥中心，设一名值班人员进行盯控。通过局域网链接到信息机房的服务控制器(含路由)，服务控制器通过网线连接到PLC控制模块，距离较远时，设置网桥。网络模块把网络信号转换成电信号通过485线连接终端控制模块。终端控制模块主要实现信号接收，并根据信号调节其内置的继电器。从而达到远程控制。控制平台主要实现开关命令的执行，包括定时开关命令，自定义场景开关命令；接收现场安装的照度传感器、人体红外感应传感器的信号，并结合车站旅服系统到发信息按配置模板生成分区域开关灯计划，自动调节灯的开关和数量。通过照度传感器感光控制，靠近窗户的照明回路，根据外界自然光的亮度自动开关控制，当外界亮度很强时，靠近室外的回路关闭，当外界照度不够时，系统自动开启靠近室外的照明回路，补充照度。人体红外感应传感器，在有人活动的场景下，灯自动开启，人离开一定时间后，灯自动熄灭。结合车站旅服业务，为不同类型车(始发、途径、终到)设置开灯提前量和后置量，定时实现不同区域照明的控制[9-11]。

图1 火车站智能照明控制系统架构图

1.2 传感器及灯具分布

为了实现车站照明的智能控制，光传感器分布要真实反映站台和候车室平均照度。光源分布要满足策略控制要求，能实现1/2、1/4等控制模式，区域照度均匀。

1)传感器及灯具分布原则。光敏材料在其周围的照度发生变化时，物理量会相应发生改变，故可将亮度转换为电信号。因此，采用光敏材料对该点照度信号进行采集，然后将模拟信号转换为数字信号，以此构成光电传感单元。光源和传感器的分布，须遵循以下原则:①灯具布置需满足车站候车室工作人员、乘客乘降候车需求;②传感单元的分布必须能够真实的反映候车室内及站台雨棚下的照度;③光源与传感单元之间须无障碍，传感单元的分布位置在满足前一条件的基础上可适当调节。

2)传感器及灯具分布设置。光源采用多点均匀分布，传感单元则视候车室内面积和光源数目而定。如: 在售票车间内，作业场所需实现无影作业，采用多光源均匀分布于作业场所上方，将传感单元均匀分布于作业场所四周和上空; 在候车室内，为了满足乘客和工作人员需求，光源采用多点均匀分布方式，传感单元置于墙体四周及候车室厅内顶棚。以候车室内光源分布为例予以进一步说明。光源采用3 × 3阵列分布，如图2 所示。

图2 光源与传感器分布图

图2中M 代表传感器，A 代表光源，将传感器分布于墙体四周，距地面2 m以上同一水平面处。光源成阵列形式分布于顶上天花板，到传感器垂直距离为H，水平距离为D，空间距离为L，夹角为θ。

如图3所示，设传感单元受光面为S，取其中一个微面元ds; 面元ds对点光源A 所张的微立体角元为dω，则dω=ds/L2。而点光源A在微立体角元dω范围内射向被照面N 的光通量dΦ，由光强定义可知[9]：

Iθ=dΦ/(dω×sinθ)

(1)

那么，由照度的定义可求得点光源A 在微面元ds上产生的照度Ev为

(2)

则全部光源作用下，传感器Mi感光表面上的照度为:

(3)

当传感单元与光源足够远时，可将传感单元视为一个点，有

(4)

图3 点光源指向传感单元处照度

为确保区域内光线均匀分布，并满足区域照度要求，对二者分布进行相关的二级调节。

3)传感器及灯具分布二级调节。相关二级调节就是指在调节某处照度时，首先将该处照度差值与相邻两处照度差值相关，找出相关性再予以调节。为了在程序中容易实现，相关正负关系足以达到设计需求。其次，在调节时，根据相关结果予以分级调节。以图4 为例进行说明。

图4 调节说明示意图

由式(3)可知，M6处所测的照度数据与L2成反比。故调节时，以M6为圆心，分别以光源距M6距离中最近的2个距离为半径画圆。以上述理论分析为基础，对车站部分区域照明灯具进行微调，并在区域内增设传感器，满足上述计算场景。

1.3 电气设计与施工

系统设计中将太原站站台、候车室站前广场的照明灯具由原来的金卤灯改造为LED灯，并对车站站台和候车室等区域的电气控制柜进行重新规划设计和施工，并对部分区域照明回路按分布设计进行整改，以满足智能照明点位分布的要求。

1.4 智能照明控制系统策略

综合考虑客站具体业务结合列车到发信息与环境参数(亮度)配置控制策略模板如下：

根据客站照明设备的业务特点，将照明控制策略分为站台照明控制策略和其他区域照明控制策略。

1)站台照明控制策略。站台照明策略综合考虑列车到发信息以及运营环境参数等影响因子，设列车到达时刻为T1，出发时刻为T2，并设置列车到站前的时间值M和列车离站后的时间值N两个时间参数；根据运营环境参数设置阈值[P，Q]，策略配置如下：

当前亮度值

当前时间属于[T1-M，T2+N]时，执行照明的开操作；

当前时间不属于[T1-M，T2+N]时，执行照明的关操作；

在一定时间T内，若有多次开与关操作，则中间的操作忽略执行。

当前亮度值>Q时，执行照明的关操作。

2)其他区域照明控制策略。其他区域的策略主要考虑运营环境因子，结合区域的使用情况根据环境的亮暗进行照明设备的开关。设置参数阈值[P，Q]，策略配置如下：

区域开放时，当前亮度值Q时，执行照明的关操作。

区域关闭时，执行照明的关操作。

2 智能照明控制系统方案

1)业务流程。智能照明控制系统主要是结合车站业务需求，在确保车站正常生产、提供舒适的车站环境的基础上，有效的、合理的控制车站照明的开关状态，达到延长设备的使用寿命，减少维护成本以及节能降耗的目的。系统整体业务流程图如图5所示。

图5 智能照明控制系统业务流程图

2)PLC选型及程序编写。结合项目情况，设计中使用西门子PLC S7-200 CPU226进行控制，并在终端控制模块选择正泰交流接触器CJX2-1210。PLC程序如图6所示，为一个照明回路的控制程序。

图6 单回路控制程序

3 效果分析

1)能耗分析。对系统使用前后的能耗进行对比分析。使用前，①候车室及进出站通道照明处于24 h常开状态；②站台从晚上开灯后，到第二天早上关闭；③开关灯操作，由各区域值班人员在配电箱。使用后，①候车室设置照度传感器，自动跟踪外部自然光线的变换，打开或关闭临窗照明回路，大大缩短灯具工作时间；②模式控制中，进出站通道白天时，使用半开、1/4模式控制，大大降低能源浪费；③站台区域，系统按照预先设置的程序进行照明开关，无需人工干预，不但节能人工成本，而且准时、全自动运行。

对系统安装前后进行统计分析，站台上平均每个回路每天少运行1 h，进出站通道每天可少运行2.5 h，候车室每天少运行1.5 h，同时由于光度自动调节区域，开灯率由原来的100%降低到75%～80%。通过缩短开灯时间和开灯率，在不影响车站作业的情况下，开灯时间可压缩约30%。

2)投资回报分析。每个额定电流为10 A回路的实际负载为4 A，每天每个回路工作10 h，节省电能为2.64 kW·h，每年工作365天，每度电按0.9元计算，实际每年节省电费867.24元，太原站站台、候车室、进出站通道灯具为2 540盏。按每个回路20盏，有153个回路，共可节电132 651元，节能效果可观，图7为采用照度传感器后不同天气形成的效果图，图8为进出站通道使用不同控制模块、设置不同控制方式后的效果图，可以直观地看出灯具开关情况及效果。

图7 不同的天气形成的效果图

图8 不同控制模块使用情况效果图

3)人力成本分析。火车站7个站台的值班员可以减少2人，同时候车室、进出站通道也可以减少值班员2人，需要对监控平台进行盯控，故加岗1人。初步估计能够减少3人的成本。

4)应用效果分析。智能照明控制系统主要是结合车站业务需求，综合考虑其他影响因素，在保证安全正常的作业运行基础上，对车站照明进行有效、合理的控制，实现节能降耗的效果。主要效果包含有以下几个方面：

a)照明的自动化监控。系统主要结合车站的业务需求，同时考虑时控、环境光照亮度等因素，实现对车站内不同的区域照明进行自动的监控。通过场景模式控制照明回路，达到对照明的自动控制效果。

b)延长设备寿命周期。根据车站业务需求，结合照明自动监控，进行照明状态的合理控制，有效地、合理地控制设备的使用情况，延长其使用寿命。

c)实现节能能耗效果。综合考虑时控(季节性等)、环境亮度(传感器等)因素，自动控制车站区域照明的状态。当车站某区域无作业等情况时，适时的控制照明关闭，避免照明不必要的空开，达到节能效果。同时，系统实现对照明的自动控制，大大降低现场人员的工作任务，有效地提高员工的工作效率。

d)美化车站环境，提高服务质量。候车室等室内照明利用场景调节变化加强空间环境的舒适效果，为旅客营造出舒适的候车环境，有利于旅客的身心健康，提高客站的服务质量[12]。

5)节能效果分析。通过在太原站详细的调研了解到太原站照明目前都是通过人工开关回路，根据不同季节的光照情况，给出开关灯的大致时间范围，工作人员凭自己的感官感受进行开关，时间有很大误差，并且开灯时默认为全开，造成了能耗的浪费。以太原站站台为例，太原站现在开关灯情况如表1所示。

表1 使用系统前站台区域照明开关时间点

一站台高架下有4个回路，雨棚下有4个回路，二、三站台，四、五站台，六、七站台高架下分别有6个回路，雨棚有8个回路，按照一个回路开1 h为单位计算，每天需要开516回路×小时。

按照太原站的业务要求，车进站前10 min开灯，车离站5 min关灯，相邻两趟车的时间间隔大于30 min关灯，在设备节能监控系统中进行配置后，结合到发与时控生成计划后每天开关灯时间如表2所示。

表2 使用系统后站台区域照明开关时间点(根据到发业务自动生成计划)

每天需要开296回路×小时。按照上述计算，大约能节省43%的能耗。

使用系统前后每个站台的能量消耗情况(以回路×小时计算)如图9所示。

图9 系统使用前后节能效果对比图

4 结论

本文对客运火车站照明灯具的分布进行研究，并结合车站到发业务和环境参数对火车站智能照明控制系统进行了设计，并依据时间段、到发业务、环境参数(照度和人体感应)对车站不同区域的照明回路进行了策略研究，达到了预期效果，节能率达到43%，且能减少客运作业人员岗位，缩短作业时间。在车站应用过程中能够灵活、高效地对照明灯具进行控制，经济效益可观。下一步需要深入研究开关次数与灯具寿命的关系及照明眩光等参数对旅客舒适度的影响，以提供舒适的乘车环境。