淺談軌道交通智能照明系統(tǒng)的研究

安科瑞 陳聰

【摘要】：軌道交通智能照明控制系統(tǒng)可提高運行效率、節(jié)約能源、減少污染，文章介紹了該系統(tǒng)的概念、特點及在節(jié)能、安全、智能化方面的作用，闡述了其在車站、隧道、軌行區(qū)的應(yīng)用，探討了該系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并分析了其發(fā)展趨勢和面臨的挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵字】：軌道交通；智能照明控制系統(tǒng)；感知技術(shù)；控制算法；無線通信技術(shù)

0引言

城市化加速，軌道交通系統(tǒng)在緩解擁堵、節(jié)能減排方面發(fā)揮重要作用。但其照明系統(tǒng)能耗占比較大，提高能效對降低運營成本、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展意義重大?；诖?，智能照明控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，通過靈活控制策略和感知技術(shù)，可根據(jù)實際需求動態(tài)調(diào)光，大幅降低能源消耗，是解決這一問題的有效途徑。

1軌道交通智能照明控制系統(tǒng)的重要性

軌道交通作為現(xiàn)代城市重要基礎(chǔ)設(shè)施，其運營效率和服務(wù)質(zhì)量事關(guān)城市競爭力和緩解交通壓力。照明系統(tǒng)不僅關(guān)乎運營安全，也影響能耗和成本。傳統(tǒng)照明系統(tǒng)存在弊端，無法適應(yīng)節(jié)能環(huán)保和智能化需求。智能照明控制系統(tǒng)通過技術(shù)和靈活策略，實現(xiàn)了智能化管理和精細(xì)調(diào)控，可根據(jù)實際需求動態(tài)調(diào)光，大限度節(jié)能，同時提升照明質(zhì)量、運營安全性和出行舒適度，是實現(xiàn)軌道交通可持續(xù)智能綠色發(fā)展的重要手段^[1]。

2軌道交通智能照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1車站照明控制應(yīng)用

（1）照明控制策略。車站照明控制是軌道交通智能照明控制系統(tǒng)的重要應(yīng)用場景。照明控制策略通常根據(jù)車站客流量、時間段等因素進(jìn)行動態(tài)調(diào)整。在夜間或客流量較低的時段可適當(dāng)降低照明亮度，減少能源消耗；在日間或客流量較大時，則提高照明水平，確保良好的視覺舒適度和安全性。一些照明控制系統(tǒng)還采用分區(qū)控制的策略，將車站區(qū)域劃分為不同的照明控制區(qū)域，根據(jù)各區(qū)域的實際情況單獨調(diào)節(jié)亮度，避免了提高或降低照明水平帶來的能源浪費。

（2）節(jié)能效果分析。車站照明控制應(yīng)用顯著提升了軌道交通系統(tǒng)的能源利用效率。采用智能照明控制系統(tǒng)后，不同車站的節(jié)能效果如表1所示。

以A市地鐵樞紐站為例，每年照明用電約700×10⁴kW·h，采用智能控制系統(tǒng)后節(jié)能率達(dá)35%，年節(jié)電量高達(dá)245×10⁴kW·h，節(jié)約成本122.5萬元。節(jié)能效果不僅來自降低亮度，更多源于系統(tǒng)對照明設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控和高效管理。傳統(tǒng)照明控制方式由于缺乏狀態(tài)監(jiān)測，部分設(shè)備長期處于全亮狀態(tài)浪費能源。智能系統(tǒng)通過無線傳感技術(shù)實時監(jiān)測發(fā)現(xiàn)異常，及時報警并遠(yuǎn)程控制，消除了能源浪費，進(jìn)一步提升能效。該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅大幅節(jié)省運營成本，還體現(xiàn)了軌道交通事業(yè)對可持續(xù)發(fā)展的承諾。

2.2隧道照明控制應(yīng)用

（1）照明控制方法。隧道照明控制是智能照明控制系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域的另一重要應(yīng)用場景。由于隧道環(huán)境封閉、視線受限，照明質(zhì)量對行車安全和乘客舒適度至關(guān)重要。智能照明控制系統(tǒng)通常采用分段控制和自適應(yīng)調(diào)光的方法，根據(jù)列車位置、行駛狀態(tài)以及隧道內(nèi)外光照條件動態(tài)調(diào)節(jié)照明亮度，實現(xiàn)精細(xì)化照明控制。當(dāng)列車駛?cè)胨淼罆r，系統(tǒng)可提前適當(dāng)距離打開隧道照明，為車頭照明提供補充；當(dāng)列車行駛至隧道內(nèi)時，沿線區(qū)域的照明燈具亮度隨之提升，確保車廂兩側(cè)有足夠的照明；列車通過后，各區(qū)域照明則可逐步降低亮度，避免資源的無謂浪費^[2]。該控制方法不僅保證了隧道照明質(zhì)量，充分考慮駕駛和乘客視覺需求，還大限度節(jié)約了能源，顯著提高了運營效率。

（2）安全性和舒適性評估。隧道智能照明控制系統(tǒng)不僅提高了能源利用效率，還為乘客和駕駛員提供了更好的安全性和舒適性。根據(jù)多條隧道的實測數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)不僅確保了安全和舒適度，還顯著降低了能源消耗。傳統(tǒng)照明與智能照明控制系統(tǒng)安全性和舒適性評估結(jié)果如表2所示。

從表中可以看出，智能照明控制系統(tǒng)在保證足夠照度水平的前提下，將年平均能耗從280×104kW·h降至168×104kW·h，節(jié)省率高達(dá)40%。同時，由于靈活的分段控制策略，駕駛員和乘客的視覺舒適度評分也分別提高到4.5和4.3，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)照明系統(tǒng)。這些數(shù)據(jù)充分證明，智能照明控制系統(tǒng)在隧道照明領(lǐng)域的性能。該系統(tǒng)既滿足了隧道行車安全和乘客舒適的照明需求，又大幅降低了能源消耗，是軌道交通綠色低碳發(fā)展的有力保證。

2.3軌行區(qū)照明控制應(yīng)用

（1）區(qū)域劃分控制。軌行區(qū)照明控制是智能照明系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域另一重要應(yīng)用。軌行區(qū)是指鐵路線路兩側(cè)的區(qū)域，包括站臺、路基、橋隧等。傳統(tǒng)照明控制方式下，這些區(qū)域的照明通常一視同仁，無法根據(jù)不同區(qū)域的實際需求調(diào)節(jié)亮度，導(dǎo)致能源的低效利用。智能照明控制系統(tǒng)則采用區(qū)域劃分控制的策略，根據(jù)區(qū)域特點和重要性將軌行區(qū)劃分為不同的照明控制分區(qū)，實現(xiàn)分區(qū)獨立控制。通過精細(xì)化的分區(qū)控制，智能系統(tǒng)大限度滿足了不同區(qū)域的照明需求，既保證了運營安全，又實現(xiàn)了能源的節(jié)約利用。

（2）智能化管理。智能照明控制系統(tǒng)在軌行區(qū)的應(yīng)用不僅體現(xiàn)在靈活的分區(qū)控制策略上，還體現(xiàn)在系統(tǒng)智能化管理能力。通過部署無線傳感網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)可實時采集軌行區(qū)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，如環(huán)境亮度、設(shè)備工作狀態(tài)、列車位置等，并將這些數(shù)據(jù)傳輸至控制^[3]?？刂苾?nèi)的決策算法可基于這些數(shù)據(jù)，自動生成*優(yōu)的照明控制策略，并將控制指令下發(fā)至現(xiàn)場執(zhí)行設(shè)備。

3軌道交通智能照明控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1感知技術(shù)

（1）車流量檢測技術(shù)。車流量檢測技術(shù)是智能照明控制系統(tǒng)獲取交通狀態(tài)信息的重要手段。該技術(shù)通過對路面車輛進(jìn)行實時監(jiān)測和統(tǒng)計，輸出包括車流量、車速、車型等數(shù)據(jù)，為照明控制策略制訂提供關(guān)鍵依據(jù)。目前，常用的車流量檢測技術(shù)主要有視頻檢測技術(shù)和微波雷達(dá)檢測技術(shù)兩大類。視頻檢測技術(shù)利用視頻圖像處理算法對道路監(jiān)控畫面進(jìn)行分析，識別并跟蹤車輛運動軌跡，獲取車流參數(shù)；微波雷達(dá)檢測技術(shù)通過對車輛反射的微波信號進(jìn)行分析，根據(jù)多普勒頻移原理計算車速，并結(jié)合其他特征提取車流量等數(shù)據(jù)。

（2）環(huán)境亮度檢測技術(shù)。環(huán)境亮度檢測技術(shù)是智能照明控制系統(tǒng)中另一項關(guān)鍵的感知技術(shù)。該技術(shù)通過部署光傳感器網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測軌道交通場景下的自然光照條件變化，為控制系統(tǒng)制訂合理的照明亮度調(diào)節(jié)策略提供依據(jù)。典型的環(huán)境亮度檢測方案是在隧道入口、出口、車站外部等區(qū)域布設(shè)光傳感器陣列，感知外界自然光線的強弱變化。同時，在隧道內(nèi)部、站廳等封閉區(qū)域也需布設(shè)傳感器，監(jiān)測該區(qū)域的實際亮度水平。

（3）其他感知技術(shù)。其他常用的感知技術(shù)及應(yīng)用情況如表3所示。

通過多種感知技術(shù)的融合應(yīng)用，系統(tǒng)可以感知列車運行狀態(tài)、人員分布、障礙物位置、設(shè)備運行狀態(tài)等多維度信息，為制訂精細(xì)化的照明控制策略奠定基礎(chǔ)，這些的感知技術(shù)是智能照明控制系統(tǒng)實現(xiàn)智能化管理的重要支撐。

3.2控制算法

（1）時間控制算法?；跁r間的控制算法根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析得出不同時間段的交通規(guī)律，預(yù)先將照明亮度設(shè)定為固定等級。例如，發(fā)現(xiàn)高峰時段車流量大，則高峰時段亮度等級較高。這種算法簡單可靠、成本低，適用于非關(guān)鍵線路，缺點是響應(yīng)性差、無法與實時交通匹配，以及存在能源浪費。盡管有缺陷，該算法依然是智能控制的基礎(chǔ)，在各線路中廣泛應(yīng)用。

（2）需求控制算法?；谛枨蟮目刂扑惴ǜ鶕?jù)實時采集的車流量、環(huán)境亮度等數(shù)據(jù)，動態(tài)評估當(dāng)前照明需求，并立即調(diào)整照明亮度以準(zhǔn)確匹配。該算法綜合考慮能耗、舒適度等多種因素，通過算法量化和權(quán)衡，生成*優(yōu)控制方案。相比固定的時間控制策略，該算法具有更強適應(yīng)性和靈活性，能充分滿足不同場景需求，提升了節(jié)能環(huán)保性能。

（3）預(yù)測控制算法。預(yù)測控制算法是智能照明控制中一種策略。該算法借助大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立交通流量預(yù)測模型，能夠預(yù)判未來一段時間內(nèi)的交通變化趨勢。系統(tǒng)據(jù)此提前調(diào)整照明亮度，主動應(yīng)對需求變化，增強了系統(tǒng)的前瞻性和適應(yīng)能力。相比被動響應(yīng)的需求控制，預(yù)測控制算法更有利于節(jié)省能源，是實現(xiàn)軌道交通綠色智能發(fā)展的重要手段。

3.3無線通信技術(shù)

（1）無線傳感網(wǎng)絡(luò)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)智能照明控制系統(tǒng)的重要技術(shù)支撐。該網(wǎng)絡(luò)由大量低功耗無線傳感節(jié)點組成，分布部署在軌道交通沿線的各個關(guān)鍵區(qū)域，負(fù)責(zé)采集車流量、環(huán)境亮度等現(xiàn)場信息，并將這些數(shù)據(jù)通過多跳自組織網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有靈活部署、自主組網(wǎng)和可擴(kuò)展等優(yōu)點，能夠有效降低布線成本，適應(yīng)軌道交通環(huán)境的復(fù)雜性和長程線性特征。目前，基于ZigBee、LoRa等技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)已在多個軌道線路成功應(yīng)用于智能照明控制系統(tǒng)。

（2）遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。無線通信技術(shù)為智能照明控制系統(tǒng)提供了遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的能力。控制可以通過移動通信網(wǎng)絡(luò)實時監(jiān)視沿線各區(qū)域的運行狀態(tài)，包括車流量、環(huán)境亮度、照明設(shè)備工作狀況等，并遠(yuǎn)程向每個照明節(jié)點下發(fā)控制指令，對亮度等參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種集中式的遠(yuǎn)程控制模式，不僅提高了管理效率，還實現(xiàn)了彈性化調(diào)度，能夠根據(jù)實際情況隨時對控制策略進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，充分發(fā)揮智能化系統(tǒng)的優(yōu)勢。同時，遠(yuǎn)程監(jiān)控功能也為后期維護(hù)保養(yǎng)帶來便利，可及時發(fā)現(xiàn)故障點，指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)。

4軌道交通智能照明控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢與面臨的挑戰(zhàn)

軌道交通智能照明控制系統(tǒng)未來將朝著更加智能化、綠色化、一體化的方向發(fā)展。

（1）智能化。系統(tǒng)算法水平將不斷提高，利用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)系統(tǒng)能夠自主學(xué)習(xí)交通規(guī)律，持續(xù)優(yōu)化控制策略。

（2）綠色化。系統(tǒng)將進(jìn)一步降低能源消耗，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

（3）一體化。系統(tǒng)將與其他軌道運營系統(tǒng)深度融合，形成智能化綜合管理平臺，提升整體運營效率。

盡管前景廣闊，但智能照明控制系統(tǒng)在發(fā)展過程中也面臨著一些挑戰(zhàn)。

（1）由于影響數(shù)據(jù)質(zhì)量的因素復(fù)雜，很難獲取*準(zhǔn)確的交通流量等預(yù)測數(shù)據(jù)，將直接影響控制策略的效果。

（2）系統(tǒng)的復(fù)雜度不斷提高，對算法的實時性、魯棒性等提出了更高要求。

（3）新技術(shù)的融合將帶來技術(shù)兼容性挑戰(zhàn)，需要制定統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

5安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

5.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩(wěn)定。開關(guān)驅(qū)動器具備獨立工作的能力，適用于一些中小型的項目；模塊化設(shè)計，可以任意拼接擴(kuò)展，同時預(yù)留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

5.2應(yīng)用場所

適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學(xué)校、酒店，以及體育場所、機(jī)場、隧道、車站等大型公建項目的照明控制需求。

5.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

5.4系統(tǒng)功能

1）實時檢測并顯示各個模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場受控回路的開關(guān)狀態(tài)，監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來瀏覽。

2）當(dāng)發(fā)生模塊離線、網(wǎng)關(guān)設(shè)備掉線或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時會發(fā)生故障報警，并將故障報警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對單個照明回路實現(xiàn)開關(guān)控制；每個模塊、樓層都有相應(yīng)的模塊控制開關(guān)和樓層控制開關(guān)，也可以一個模塊或者整個樓層實現(xiàn)開關(guān)控制。

4）開關(guān)驅(qū)動器支持過零觸發(fā)功能，負(fù)載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對電網(wǎng)的沖擊，延長燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個照明回路可以預(yù)設(shè)掉電狀態(tài)，當(dāng)照明電源掉電時，開關(guān)驅(qū)動器會自動切換到預(yù)設(shè)的掉電狀態(tài)；確保重新上電時燈具的開關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動調(diào)光控件，照明設(shè)備從0%到100%進(jìn)行調(diào)光，可以對單個照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對一個模塊的照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對多個照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，通過圖標(biāo)的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場開關(guān)的狀態(tài)。

7）點擊場景控件，打開或者關(guān)閉對應(yīng)場景設(shè)置，軟件界面上顯示不同的場景模式和場景功能，通過圖標(biāo)的亮滅顯示對應(yīng)的場景狀態(tài)是打開還是關(guān)閉。

8）設(shè)置定時時間，確認(rèn)時間點后，對該事件點執(zhí)行的動作進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置燈在設(shè)定的時間點亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過預(yù)設(shè)的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息，自動計算每天的日升日落時間；根據(jù)天文時鐘控制照明開關(guān)，實現(xiàn)日落開燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時控制計劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動模塊；當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)故障或模塊離線時，驅(qū)動模塊可以利用自帶的RTC時鐘維持定時控制計劃的正常執(zhí)行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴于其他元件而能夠獨立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過程序的設(shè)定實現(xiàn)功能的多樣性。

12）預(yù)留BA或三方集成平臺接口，采用modbus、opc等方式。

5.5設(shè)備選型

6結(jié)束語

智能照明控制系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域大有可為。該系統(tǒng)可顯著降低照明能耗、減少運營成本、提高照明質(zhì)量和交通安全性，實現(xiàn)了智能化自動化管理。未來，可持續(xù)發(fā)展理念和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將進(jìn)一步推動其在軌道交通中廣泛應(yīng)用，但投資成本和技術(shù)創(chuàng)新也是制約因素。因此，持續(xù)加大研發(fā)投入、加快技術(shù)進(jìn)步，是推動其在該領(lǐng)域取得更大發(fā)展的關(guān)鍵。

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