基于信息物理融合系統的鐵路客站智能照明系統

程清波，沈海燕，劉家濤，姚 劍

(中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所，北京 100081)

引言

隨著我國鐵路的快速發展，對鐵路客站智能照明提出了更高的要求[1-3]。鐵路客站站房面積大，通過智能照明可以對客站照明進行按需管控，有效降低能耗、提高旅客候乘車體驗、提高工作效率。信息物理融合系統(cyber physical systems，CPS)是一個綜合感知、傳輸、計算、管控的多維復雜系統，實現物理與信息世界之間的虛實互連，使之具有自主決策、判斷和管控能力[4]。本文提出基于CPS的鐵路客站智能照明系統，將物理信息融合系統的感知能力、網絡能力、計算能力和管控能力充分應用到照明設備的節能管控中。

1 基于CPS的鐵路客站智能照明相關技術

1.1 CPS簡介

1)CPS的工作原理。CPS的基本工作原理如圖1所示，主要由感知、傳輸、計算和管控四部分組成，其中感知為傳感器所采集到的物理數據，傳輸為信息在節點間的交互，計算為控制器對采集數據的分析，管控為執行器執行控制命令。

圖1 CPS基本工作原理Fig.1 Basic operating principles of CPS

a)感知：是CPS的基礎，系統通過傳感器與物理世界建立聯系，采集數據的準確性直接影響到后續進程。

b)傳輸：將傳感器采集的數據進行融合處理，并發送到后臺服務，為后續計算提供網絡保障。

c)計算：利用后臺數據信息進行邏輯運算，為管控提供智能決策。

d)管控：執行計算分析的結果，向執行器發送命令，對物理世界進行管控。

2)CPS的層級結構。CPS具有可靠感知、實時傳輸、普適計算、精準控制和可信服務，因此可以把它分為感知層、傳輸層、計算層、控制層和服務層[5,6]。其中，感知層是 5 層結構的最底層，主要負責與物理世界的交互，為系統提供外界的信息；網絡層負責將多源異構傳感器采集的數據進行融合處理，剔除冗余信息，并且將信息向上層傳遞；計算層是系統的核心層，該層主要利用和儲存底層傳遞來的物理信息，建立數學模型，進行邏輯推理運算，然后制定執行規則；控制層主要是按照計算層的運算結果向執行器發送指令；服務層主要負責人機交互，通常以數據，報表等形式向用戶提供服務。主要層次結構如圖2所示。

圖2 CPS層級結構圖Fig.2 Hierarchy chart of CPS

1.2 鐵路客站智能照明設備區域分布

鐵路客站的照明設備分布在站房的各區域，如進站口、售票廳、信息服務臺、安檢區、候車廳、站臺、地下通道、出站口等。其中，候車廳和站臺是旅客候乘車的主要區域、照明能耗的重點區域、節能空間的關鍵區域，本文主要研究以上兩區域的智能照明。

1.3 鐵路客站智能照明系統功能

為滿足旅客候乘車的舒適度體驗和節能要求，站臺和候車廳的智能照明功能設計充分體現智能化、科學化[7]。

1)候車廳智能照明功能。

a)根據候車廳照度傳感器感知的照度信息，自動調節照明的亮度和開關。

b)預設多種場景，做到一鍵一場景，一場景一照明策略，場景涵蓋白天模式、黑夜模式、作業模式、陰雨天模式、應急照明模式等。

c)預設時間，觸發相應的場景，自動開關照明。候車廳無檢票作業的時間區段，自動關閉照明；有檢票作業的時間區段，自動打開照明。

d)根據客運作業需要，支持客站指揮中心監控人員對照明的集中控制。

e)當系統出現故障時，支持就地手動控制照明。

2)站臺智能照明功能。

a)實現列車進站前打開對應站臺的相適應回路的照明，列車離站后關閉相適應回路的照明。

b)預設多種場景，做到一鍵一場景，一場景一照明策略，場景涵蓋白天模式、黑夜模式、作業模式、陰雨天模式、應急照明模式等。

c)根據站臺照度傳感器感知的照度信息，自動調節站臺照明的亮度和開關。站臺中間場所，根據設定的最低照度和最高照度進行自動開關和調節；站臺兩側根據自然光的影響進行自動開關和調節。

d)預設時間，觸發相應的場景，自動開關照明。一般情況下，根據當地的經緯度，自動推算出當天的日出日落時間進行自動開關和調節。

e)根據客運作業需要，支持客站指揮中心監控人員對照明的集中控制。

f)當系統出現故障時，支持就地手動控制照明。

2 基于CPS的鐵路客站智能照明模型

構建基于CPS的鐵路客站智能照明模型，通過感知融合列車到發、照度、場景模式(以白天/黑夜模式為例)異構傳感器，再通過中間件向上提供統一的應用接口，使采集的信息適應不同的應用場景，向下對各類異構傳感器提供多樣化的感知接口，結合旅客在鐵路客站候車廳、站臺的舒適度標準值，自動生成照明管控策略。其模型如圖3所示。

圖3 基于CPS的智能照明模型圖Fig.3 Smart lighting model based on CPS

2.1 列車到發感知

目前，列車到發信息感知是采用虛擬傳感器方式，即通過應用程序接入調度信息，獲取列車到發信息。該信息是旅客候乘車，工作人員站臺接發車作業和候車廳檢票作業的基礎信息，是決策者自動執行照明開關和亮暗的依據。

感知列車到發信息后，通過列車車次與站臺、候車廳的關聯關系，結合車站接發車和檢票作業的業務需求，智能分析各站臺作業的時間區間，并通過歷史經驗預設候車廳的候乘時間。

假設A站臺的接車時間為T接，發車時間為T發，接車前t前調亮照明，發車后t后調暗照明，燈亮時間區段為T，照明的時間區段計算公式為

T=[T接-t前，T發+t后]

(1)

2.2 照度感知

照度是指旅客感知的光通量，鐵路客站照明照度標準值按0.5 lx、1 lx、2 lx、3 lx、5 lx、10 lx、15 lx、20 lx、30 lx、50 lx、75 lx、100 lx、150 lx、200 lx、300 lx、500 lx、750 lx、1000 lx分級[8]。目前，測量照度值的方法主要采用照度傳感器，利用光電效應原理，將光信號轉換成電信號。照度值為決策者提供制定策略的依據，通過執行照明的開關、亮度，用于調節照明照度。

為滿足客運作業需要和旅客舒適度體驗的要求，鐵路客站站臺、候車廳的維持平均照度值應不低于表1所示的照度標準值。

表1 鐵路客站站臺、候車廳照度標準表

設區域A當前照度值Φ，所需照度標準值Φ標，每N個照明回路的照度增量ΔΦN,執行的回路數N的計算公式為

(2)

2.3 場景模式感知

場景模式包含白天模式、黑夜模式、作業模式、陰雨天模式、應急照明模式等，各客站根據自身業務需要，亦可設置個性化的模式，現以白天/黑夜模式為例。我國鐵路客站數量眾多，分布在全國各地，且南北差異較大，在同一時間點各客站的天然光照度不盡相同，那么切換白天/黑夜模式的時間點也隨之不同。

白天/黑夜感知的方式可采用歷史經驗，亦可采用照度傳感器感知。當采用歷史經驗，預先配置每日的白天、黑夜的臨界時間T，當時間為T時，自動切換白天/黑夜模式；當采用照度傳感器時，設照度標準值Φ，時間在[T1,T2] 范圍內，自動切換白天/黑夜模式。

3 基于CPS的鐵路客站智能照明節能管控

通過CPS的感知能力獲取列車到發、照度、白天/黑夜模式，將三者作為節能管控的參考指標，尋求智能照明的更優運行方案，同時結合各鐵路客站的共性及個性化需求，使其滿足旅客舒適度體驗前提下最大限度地節能降耗。

假設列車到發、照度、白天/黑夜模式的優先級分別為P1、P2、P3、Pi∈[0,3](1≤i≤3)；Pi不全為0；Pi不為0時，Pi不相等。

Pi=0為不考慮該CPS的感知信息，Pi越大優先級越高。

PMAX=MAX(Pi)

(3)

當P1=PMAX時，執行2.1節智能照明管控策略。當P2=PMAX時，執行2.2節智能照明管控策略。當P3=PMAX時，執行2.3節智能照明管控策略。

4 鐵路客站智能照明系統的應用

基于CPS的鐵路客站智能照明系統已在長沙南、太原、昆明南、通遼等鐵路客站得到了應用，取得了良好的運行效果。以長沙南站的智能照明系統為例，長沙南站全年用電能耗近8 000萬千瓦時，其中照明能耗占重點用電設備能耗的31.0%，照明能耗占總能耗的15.4%，照明用電約1 200萬千瓦時，公共區域(進站口、候車廳、站臺、出站口等)照明用電約占總照明用電的40%，其用電量約為500千瓦時。長沙南站為連接京廣高速鐵路與滬昆高速鐵路的重要樞紐車站，人均接發列車400多列，運營時間為7:00—23:48。在不考慮季節更替、異常天氣等情況下，實施智能照明系統前，照明開啟時間約為18:00—次日6:00，開啟時長約為12 h；實施智能照明系統后，根據車站列車到發的客運作業業務，公共區域照明開啟時間為18:00—次日1:00，開啟時長約為7 h，節約用電200多萬千瓦時，達到了節能降耗的效果。

5 結束語

本文提出了基于CPS的鐵路客站智能照明節能管控方法，實現了信息物理融合系統在鐵路客站的應用。結合鐵路客站業務特點，充分考慮列車到發、照度、白天/黑夜模式三類參考指標，提出了基于CPS的鐵路客站智能照明自感知、自調節的節能管控策略，并在多個車站得到了應用，取得了良好的運行效益。后續將結合照明設備使用壽命及三類參考指標的組合優化進一步研究。