鐵路隧道照明自動控制系統研究

張樹國

（神華準能大準鐵路公司，內蒙古 準格爾 010300）

鐵路隧道照明自動控制系統研究

張樹國

（神華準能大準鐵路公司，內蒙古 準格爾 010300）

隨著我國鐵路事業的迅猛發展，特長隧道的長度新紀錄被不斷刷新，越來越多的隧道投入使用。隧道照明的功能著重在于隧道設施本身的正常運行、定期維護檢修和事故狀態的疏散和救援，針對鐵路隧道照明技術存在的問題，提出了一種全新的照明控制系統，實現鐵路隧道照明的自動化、智能化。

鐵路；隧道照明；自動控制

1 引言

目前，鐵路隧道照明多采用鎢燈或白熾燈，控制方式主要有以下幾種：（1）無論是否有人進入隧道，隧道照明燈都一直處于打開狀態，由于人員不經常進入隧道施工或通過隧道，因而造成資源的浪費；（2）在隧道兩側入口安裝單刀雙擲式開關，人員進入隧道時打開照明燈，離開時關閉，這種方式存在以下問題，一是人員通過時隧道的照明燈都是亮的，隧道越長浪費現象越嚴重；二是人員離開隧道時有時會忘記關燈；（3）在隧道內不同位置安裝多個聲控開關，這種方式的問題在于，列車通過隧道時照明燈也會亮，列車通過時間越長，照明時間就越長，自動閉塞區間車流密度很大時，照明設施會多數處于工作狀態，并且聲控開關的延時功能又不能保證人員在隧道內停留或施工時燈不會滅，需要人員間隔一段時間就發出一定的聲響。雙線隧道問題更加嚴重，常規設計無法考慮通過隧道人員的需求，只能按最大限度設計相應照明設施，造成設施設備有效利用效率很低，增加人工及設備成本。

上述現有的鐵路隧道照明控制方式主要存在以下缺陷：（1）照明燈長時間工作，造成電能的浪費及照明燈的使用壽命縮短，線路及相應控制設施的老化；（2）開關及燈具安裝過高則維護困難，需要每次攜帶梯子等工具，安裝過低則容易損壞；（3）隧道往往處在偏遠地區，維修人員不方便第一時間對照明燈具進行維修，影響正常使用，也很難進行有效時常養護。照明設備的配件更換很不方便，同時還會受到不同程度的人為破壞及盜竊；（4）由于照明不足，隧道行走人員難以發現諸如電纜溝蓋板損壞、步行通道障礙等隱患而發生意外傷害。為此，相關部門每年需要投入大量的人力、物力和財力來對隧道照明設備設施進行維護保養。

2 隧道照明自動控制技術

隧道照明自動控制系統需要解決的是在人員進入隧道時照明燈亮，在人員行走時前方的照明燈依次點亮，后方的照明燈依次熄滅，同時還需要保證火車通過時照明燈不會點亮，還要考慮到工務、供電等維修人員在隧道內停留及作業時相應的照明燈不會熄滅。針對上述要求，隧道照明自動控制系統應該包括：控制單元、探測單元、照明單元以及電源。探測單元連接控制單元，并且探測單元包括多組紅外探測器和聲音傳感器，每組紅外探測器和聲音傳感器的探測信號傳輸至控制單元。控制單元連接照明單元，當紅外探測器輸出有效信號而聲音傳感器輸出無效信號時，控制單元輸出有效控制信號至照明單元，以控制照明單元開始照明。電源為控制單元供電。

控制單元包括微處理器以及兩個光電隔離器，來自探測單元的探測信號經兩個光電隔離器中的一個傳輸至微處理器，轉而微處理器的控制信號經光電隔離器中的另一個傳輸至照明單元。

照明單元包括多個控制開關和對應數量的隧道照明燈，每個控制開關與對應的一個隧道照明燈相連，并按照控制單元的控制信號，執行導通與關斷。控制開關為交流接觸器，控制單元通過動力電纜連接該交流接觸器。探測單元通過信號電纜連接控制單元，其紅外探測器為雙元紅外移動探頭，聲音傳感器為當感應到的聲音大于50dB時輸出有效信號的聲音傳感器。此聲音信號強度的設置根據隧道結構及機車車輛情況可選擇需要的設定值，主要目的為保證機車、列車及其它自輪運轉設備通過隧道時照明燈不會工作。

鐵路隧道照明自動控制系統的結構示意圖如圖1所示。

3 具體實施方式

圖1 隧道照明自動控制系統的結構示意圖

如圖1所示，本技術中的鐵路隧道照明自動控制系統包括：控制單元1、探測單元2、照明單元3和電源4。探測單元2設置在鐵路隧道內用以探測隧道內情況，探測單元2連接控制單元1，控制單元1接收并分析來自探測單元2的探測信號，并輸出控制信號至與其相連接的照明單元3以控制照明單元3的照明。電源4連接控制單元1并為其供電。

其中，探測單元2包括多個由紅外探測器21和聲音傳感器22組成的設備組。探測單元2將這些由紅外探測器21和聲音傳感器22組成的設備組相間隔地設置在隧道內，間隔距離按照實際需要設定。在一些較長的隧道中，需要設置備用件。主要用于采集隧道內的紅外圖像信號與聲音信號并將信號傳輸至控制單元1，紅外探測器21主要用于探測其監測區域內人員的進入，聲音傳感器22主要用于感應隧道內列車的聲音信息。探測單元2將其探測到的光與聲信號轉換為電信號，作為控制單元1的輸入信號通過信號電纜23傳輸至控制單元1。根據本技術的一個實例，紅外探測器21選用雙元紅外移動探頭，型號PA-476，如圖2所示。

圖2 雙元紅外探頭

雙元紅外移動探頭性能指標：（1）探測范圍：11m× 11m；（2）自動脈沖數調節，二級調整；（3）自動溫度補償；（4）抗射頻干擾金屬護罩；（5）阻燃外殼。

雙元紅外移動探頭經實際運用具有探測靈敏、經久耐用、省電環保等眾多優點。

聲音傳感器22選用型號為BYG71-007的聲音傳感器，聲音傳感器選用能夠感應到大于50dB聲響、型號為

BYG71-007的聲音傳感器，如圖3所示。

圖3 BYG71-007聲音傳感器

聲音傳感器性能指標：（1）測量聲強范圍：40dB-120dB；（2）測量頻率范圍：100Hz-4 000Hz；（3）分辨率：1Hz；（4）精度：±1%。

信號電纜23規格為PTYA23-10*1。

控制單元1包括微處理器11以及兩個光電隔離器12，兩個光電隔離器12分別連接在探測單元2與微處理器11之間、以及微處理器11與照明單元3之間，光電隔離器亦稱光耦合器，以光為媒介傳輸電信號，具有信號單向傳輸、輸入端與輸出端電氣隔離、抗干擾能力強、傳輸效率高等優點，根據本實例，光電隔離器12選用TOSHIBA（東芝公司）的TLP521光電隔離器。微處理器11用于分析并處理來自探測單元2的隧道內信息，再輸出控制信號至照明單元3。

照明單元3包括多個交流接觸器31和對應數量的隧道照明燈32。控制單元1連接所有的交流接觸器31，每個交流接觸器31與一個隧道照明燈32相連接。交流接觸器廣泛用于電力的開斷和控制電路，利用接點的斷開與吸合來開閉電路。根據本實例，來自控制單元1的控制信號可通過動力電纜33為交流接觸器31供電，促使交流接觸器31吸合，從而與其相連的隧道照明燈32隨即開始照明。目前，交流接觸器在鐵路相關設備大量廣泛的應用，可以遠距離的控制照明燈的開合。根據本實例，交流接觸器31型號為CJX2-1210，隧道照明燈32可選用LED隧道照明燈、高壓鈉燈或其它基本照明燈。隧道照明燈最好選用LED隧道照明燈。

表1為根據本實例的微處理器11的邏輯狀態表。其中，紅外探測器21和聲音傳感器22的輸出信號（即探測信號）均分為有效信號和無效信號，當紅外探測器21探測到人員時（包括列車、機車等作業車輛）輸出有效信號，否則輸出無效信號；當聲音傳感器22感應到的聲音大于50dB時（例如當列車、機車等作業車輛通過時），輸出有效信號，否則輸出無效信號。微處理器11可設置為，僅當紅外探測器21的輸出信號為有效信號（通常可設置為高電平信號），而聲音傳感器22的輸出信號不是有效信號（通常設置為低電平信號）時，輸出有效的控制信號至照明單元。而在其它情況中，則輸出無效的控制信號，不影響隧道照明燈的狀態。該功能可利用微處理器中的邏輯運算模塊實現。

表1 微處理器的邏輯狀態表

并且，微處理器還設置為，當輸出有效信號時，開始供應電流至照明單元3，當達到預設的照明時間長度時，停止向照明單元3供電，照明時間長度可依據探測單元2在隧道內的安裝間距以及隧道內具體環境而定。在隧道照明燈32照明期間，控制單元1可控制探測單元2暫停采集信號，或者也可以是控制單元1本身暫停接收探測單元2的輸出信號。該功能可利用微處理器中的計時模塊實現。根據本實例，微處理器11選用MICROCHIP（微芯公司）的PIC16F1516微處理器。通過對微處理器的編程，可以滿足各種對隧道照明的控制動作。

為了確保人員在隧道內停留或施工時，隧道照明燈不會因有列車通過而處于非照明狀態，可以根據隧道長度S、列車長度L、列車最低運行速度vmin設置一次照明時間長度最小值tmin，tmin=（S+L）/vmin，當隧道長度500m，列車編組最大為240輛（列車長度約為3 500m），最低時速為5km/h，則一次照明時間長度參考值為13min。國內開行2萬t列車的區間很少，多數萬噸列車編組102輛C80型貨車長度只有1 400m，所以這個時間也只是一個參考值，實際使用過程中可按照使用維修人員的需求進行相應調整，按照人員正常步行速度5km/h計算，如果需要保證有兩個照明燈工作，設計一次照明時間為30-40s就可以滿足人員通過隧道的要求。

探測單元安裝在隧道側壁的上部，沿隧道長度每隔15m安裝一個探測單元。因此，在正常情況下隧道內沒有人員或列車時，紅外探測器21輸出無效信號，無論聲音傳感器22是否輸出有效信號，控制單元1都不會向照明單元供電；當紅外探測器21探測到有人員進入其所

監測的區域時，將輸出有效信號，此時聲音傳感器22輸出無效信號，則控制單元1為交流接觸器31供電，使交流接觸器31吸合，隧道照明燈32開始照明，隧道照明燈32維持照明一段時間，在其照明期間，探測單元2不采集光與聲信號；當隧道照明燈32照明結束前2s內，探測單元2重新開始探測光與聲信號，而此時如果人員已經走出該紅外探測器21的監測區域，則紅外探測器21輸出無效信號，則控制單元1并不向交流接觸器31供電，交流接觸器31處于斷開狀態，隧道照明燈32處于關閉狀態（即非照明狀態）；當隧道內有列車通過時，雖然紅外探測器21輸出有效信號，但是此時聲音傳感器22也輸出有效信號，控制單元1不提供電能至交流接觸器31，以避免列車的通過造成燈光的誤控制；但是，如果在列車通過隧道前，隧道照明燈32已經處于打開狀態，則說明探測單元2已經暫停探測光與聲信號，所以列車通過隧道時并不影響隧道照明燈32的狀態。

另外，因列車提速，原電線路、電纜線路明敷的方式已不適應新的情況，應當盡量采取電纜溝敷設電力電纜。必須明敷時，應使用金屬封閉線槽的方式敷設。文中所選用的紅外探測器、聲音傳感器、LED隧道照明燈也都選用了耐腐蝕、阻燃性能好的外殼。

4 結論

本文所設計的鐵路隧道照明自動控制系統，能夠便利地控制隧道照明燈的開關，有效地避免了現有技術所帶來的資源浪費問題，并能提高隧道照明燈的使用效率，延長其使用壽命。此外，該系統在正常人員可觸及的地方未設置易被破壞的裝置，可有效防止無關人員對照明系統的破壞。

照明燈多數只在工務人員巡道時工作，自動控制系統的使用使得隧道照明裝置實際工作時間減少了75%以上，大面積使用可以節約的費用可達到千萬能數量級。我國幅員遼闊，山地眾多，隨著鐵路建設的高速發展，隧道數量將大量增加，尤其是長大隧道越來越多，節約用電勢在必行，鐵路隧道照明自動控制系統的應用前景較為廣闊，有巨大的經濟和社會效益。

［1］TB10008-2006鐵路電力設計規范［S］.

［2］TB/T2275-91鐵路隧道照明設施與供電技術條件［S］.

［3］TB/T2796-1997鐵路隧道固定燈具技術條件［S］.

［4］TB10063-2007鐵路工程設計防火規范［S］.

Study on Railway Tunnel Automatic Lighting Control System

Zhang Shuguo
（Shenhua Zhungeer Energy Da-Zhun Railway Company, Zhungeer 010300, China）

In this paper, in view of the problems existing in the lighting technology of the railway tunnels, we proposed a brand newlighting control system which was capable of realizing the automatic and intelligent lighting of the railway tunnels.

railway； tunnel lighting； automatic control

U459.1；TU113.666

A

1005-152X（2016）09-0145-04

10.3969/j.issn.1005-152X.2016.09.030

2016-07-25

張樹國（1970-），高級工程師，現任神華準能大準鐵路公司安質部經理。