智能照明系統在動車檢修車間中的應用

張永敬 中國鐵路上海局集團有限公司上海動車段

1 概述

隨著我國高速鐵路的快速建設，線上運行的動車組數量不斷增加，動車組檢修作業任務量不斷增多，動車段所以及檢修廠房的規模不斷增大。在進行大規模廠房建設過程中，照明控制及節能降耗問題逐漸凸顯，成為動車檢修廠房建設過程中的一個突出問題。

同時，隨著照明燈具及其控制技術的快速發展，未來鐵路廠房內新型燈具的運用及照明控制的智能化越來越重要。新型光源、新型燈具、新型的智能控制系統的運用不僅體現了鐵路廠房的高技術高標準，更重要的是提高了廠房管理的智能化、科學化，有利于推動企業節能降耗的要求。

2 動車檢修廠房照明的基本要求

通常來說，動車組檢修廠房具有廠房高度高、面積大、人員及控制點分布較分散等特點，并且在廠房的不同區域、不同廠房對照明有不同的需求。這些復雜因素使得動車組檢修廠房的照明系統要求比較高，具體包含以下幾個方面：

（1）滿足國家最低安全照度的要求。

（2）需要通過智能化的科學管理及監控延長燈具的使用壽命。

（3）根據不同的功能區域設定合理的照度工作程序，保證功能需求。

（4）考慮作業人員對整體光環境的感受，根據不同的功能區域、時間段、照明需求設置不同的控制方式，實現多種照明效果。

（5）提高管理水平，減少維護費用。

3 照明現狀及存在的問題

以上海動車段南翔運用所廠房燈具配置情況（表1）為例，檢修廠房內按照明需求將其劃分為6個區域，分別是頂棚，側墻，車底地溝，地面，二層作業平臺及車頂作業平臺。其中頂棚工礦燈、側壁燈用于滿足廠房內庫區整體照明需求；車底地溝、地面、二層作業平臺、車頂作業平臺，主要用于滿足四層不同區域的作業照明需求。

目前南翔運用所廠房內已經采取了一定的節能措施，如檢修車間內采用了LED地溝燈，地溝燈與二層作業平臺燈通過車輛探測器實現了車進燈亮的功能，辦公區則采用了一定的LED燈板。這些技術有效改善了動車組檢修廠房內的照明能耗，但是目前仍存在如下問題：

（1）采光滿足生產需要的情況下仍然有燈具開啟長時間照明，造成能源浪費。

（2）照明電路電氣控制系統的照明回路控制模式單一，只能統開統關并且需要人工手動開關，無法依據廠內各工區的需求適時進行局部照明，也無法依據廠內具體情況進行明暗調節。

（3）在有車無人情景下依然保持全功率照明沒有減少。

（4）頂棚采用金鹵燈照明的工況燈具功耗較大（額定功率單燈約400 W），壽命較短（小于12 000 h）并伴隨頻繁的開關次數壽命縮減較快，燈具啟動需要預熱并伴隨使用高溫發熱（超過300攝氏度），且目前已出現損壞、頻閃的情況，更換較為頻繁。

（5）全部四條檢修線三層作業平臺二、三層以及地溝燈仍采用T5管燈，能耗較高。

（6）地溝燈為PVC管道走線，燈型也不滿足防水、防碰等日常工作環境需求。

（7）目前部分更換的LED側墻燈及地溝燈，職工反映燈具近處燈光刺眼、遠處照度及照明廣度卻明顯不足。

（8）控制點分散，照明設備管理人員在管理照明設備的時候，關一遍燈，需要走完整個庫區，照明控制的分散也是照明能耗浪費的原因之一。

4 動車運用所檢修車間智能照明系統

4.1 各動車運用所檢修車間的作業模式與照明特點

各檢修股道進出車輛及檢修情況根據調度指令確定，股道內存在時長不等的無車情況。

各檢修股道進車存放后，檢修作業并非立即開始。

一、二級檢修作業總體流程開始后，因檢修工作為分段進行，職工進入地溝、地面、二層、車頂作業平臺的時間也是分散的。

早 5：30～7：30 期間、11：30～13：00 點，17：30～18：30 期間，為換班時間，工作人員休息，庫區內基本沒有工作人員。

通過對上述動車運用所檢修車間的作業模式分析，我們提出了以區域劃分為基礎的照明系統設計思想，以實現科學、方便、合理、經濟的照明控制和管理，提出了開發智能照明系統。

圖1 智能照明系統結構圖

4.2 智能照明系統功能特點

動車運用所檢修車間智能照明系統的結構如圖1所示，主要包括通信網絡、傳感器兩個部分。

4.2.1 通信網絡

燈具、控制設備與網關之間采用無線通信，簡化施工，免去布線的困難。設備物聯網可以與互聯網相通，還可實現遠程控制，能耗監控，通信網絡具有以下特點：

（1）自組網、快速部署：通信協議是在少量人工干預下的自組網通信協議，其中人工干預部分為待組網節點聲明，通過網絡監理者維護節點列表。這部分在項目前期調研過程中，通過現場的燈位圖、設備布局圖等現有圖紙，即可制成組網節點布局圖，通過二維碼掃描、Excel導入等可以快速建立節點列表（Node List）。余下的組網過程均為自組網。

（2）無線、大規模：在世界各地，工業無線網絡正在迅速向工廠及裝配廠擴展。無線技術具有很好的可靠性、穩定性和靈活性，易于安裝和維護，此外，也不需要安裝和維護電纜以及排除電纜故障，因此無線技術也具有很高的投資回報率。

（3）容錯和自修復：特殊的雙層網絡架構和冗余連接，保證了網絡的容錯性，在設備掉線或者離開的時候，冗余的通信通路可以替代工作。

（4）靈活和低成本：作為一個低功耗低速率無線自組網協議，網絡接入成本低，無需單獨布線，模塊也較現有的WiFi通信模塊、運營商網絡通信模塊，成本有著巨大優勢。

4.2.2 傳感器

傳感器是本系統的關鍵技術，根據實際現場勘查以及照明需求，系統中集成了各類傳感器以實現照明的進一步優化，達到節能環保，合理調配的目的。其中，車輛傳感器：對車輛進行感應，布設在鐵軌附近，通過傳感器對列車進出狀態的感應，由控制器自動控制開啟或關閉各照明燈；人體傳感器：對作業人員進行感應，通過感應人體，實現人來燈亮，人走燈滅等多種情況；照度傳感器：根據自然照度情況自動調節燈具光強，避免白天亮燈等情況。

4.2.3 系統工作流程（圖2）

圖2 基于人體傳感器的照明控制系統工作流程圖

運動傳感器啟動情況下，通過熱釋電紅外傳感器獲取信號，進行照明控制。當沒有人員經過傳感器的感應范圍內時，傳感器發送信號至網關，進行關閉燈具的操作，結束本次控制流程。

若當有人員經過感應范圍內時，傳感器感知人體運動后，觸發熱釋電紅外傳感器，將信號發送至網關，進行開啟燈具的操作。

當判斷燈具出于關閉狀態時，首先啟動燈具至預設值，并進行光強開關初始化，隨后根據環境光強，進行照度檢測，控制燈具亮度。若判斷燈具出于開啟狀態時，將直接保持現有亮度在預設值，隨后進行光強照度檢測，判斷是否進行亮度調整。同時結束本次控制流程。如此循環往復進行照明設備的實時控制。

4.2.4 智能照明系統對現有照明系統的改造

（1）將現有的部分能耗較高的熒光燈更換為節能環保的LED燈。

（2）為燈具增加可無線遠程控制并能接收傳感器無線信號的無線燈控；為部分區域增加車輛傳感器及人體傳感器。

（3）在采光較好的區域設置光強傳感器，能靈活根據自然照度的不同，自動控制燈具的明暗。

（4）綜合考慮時間、車輛是否入庫進線、人員是否在工作區域、光強是否達到照度需求，整體設計節能策略。

4.2.5 智能照明系統功能

（1）無線照明控制采光：燈與燈之間無需控制線，將燈控制器串聯于照明線路中；無線傳感器及開關固定在廠房鋼結構立柱或墻面格擋上，通過兩節電池供電（電池使用壽命約為2年），可自動或手動進行調節照度。

（2）充分利用自然采光：以達到國家要求的廠房光照強度為標準，實現日間在滿足生產需求的前提下，以燈光補充自然光為主的照明方式，通過光強探測和移動物體探測傳感器實現需求響應，以滿足車間內照明的照度均衡和穩定，實現人來燈亮、人走燈滅。

（3）精細區域化管理采光：將原一個墻面開關控制的整個回路拆分成按照工位劃分的小區域，一個小區域對應2-3個頂棚工況燈，通過給每個小區域配置無線開關和傳感器來實現區域化精細控制。

（4）分時段定時開關采光：可以根據各工段開關燈的時間定制化自動開關照明設備，節能降耗。如在休息時段定時降低照度或者關閉照明設備。

5 智能照明控制系統運用效果分析

5.1 照明系統評價體系

為了評估智能照明控制系統對現有廠房內照明系統的節能貢獻，我們對采用和未采用智能照明控制系統的廠房能耗情況進行對比。對比的前提條件是兩種模式下都能夠提供相同的作業現場照度，對比的范圍主要包括檢修車間、辦公區、倉庫及更衣室、臨修庫、璇輪庫及其他一些零碎的場景。

在計算費用時，我們綜合考慮電費和智能照明控制系統的改造維護費用，對傳統照明系統和智能照明系統的總擁有成本進行對比，我們假設智能照明系統是在原有照明系統基礎上進行加裝的，因此，兩套系統的燈具采購、安裝、維護費用相同，差異僅僅在智能照明控制系統的軟硬件成本及維護成本上。我們假設智能照明控制系統的使用年限為N年，則每年的折舊費為X/N。另外，系統維護費用為Y。所以每年的費用節省為Z（節省的電費）-X/N-Y。

5.2 照明系統評價結果

表2 節能效率預計表

表3 節能量匯總

依據對實際現場不同區域的采光情況、燈具配置以及人員工作情況，預計采用改造后的智能照明控制系統的節能效率如表2、表3所示。

根據上表中的預計，現計算年照明用電量為672 144度電，項目改造后預計年照明用電量為161 623度電，年節電量約為51.05萬度電，根據平均工業用電1.05元/度計算，年節電收益可達53.6萬元。

盡管目前運用所內已經進行了如辦公照明LED化、生產照明LED試點、定時開關燈等節能措施，但由于目前大功耗燈具均未LED化，且在生產場景下仍存在“車在人不在”狀況下始終亮燈以及辦公場景下忘記關燈等無意識不可控浪費，因此整體平均節能效率上仍可達到76%。

6 結束語

結合實際場景的照明情況和數據分析，充分考慮自然環境和人等因素，在策略上做進一步的節能優化是智能照明控制系統的一個重要節能方向。

節能環保是當前社會發展的主題，是“建設節約型社會”、“創建綠色鐵路照明”的具體要求。鐵路作為交通運輸的大動脈，鐵路維修廠房分布遍及全國各地，廠房內需要照明的場所較多，照明用電量大，在廠房照明中大力推廣新型高效的智能照明控制技術，可以節約電能消耗，延長照明光源及燈具的使用壽命，降低照明設施維護成本，以達到綠色、健康、人文的鐵路照明環境。