物聯(lián)網(wǎng)技術下制蓋照明在地鐵車站的運用

任海燕

（陜西工商職業(yè)學院，西安 710000）

地鐵系統(tǒng)作為現(xiàn)代城市交通體系的重要組成部分，扮演著運送大量乘客、緩解交通擁堵和減少環(huán)境污染的關鍵角色。然而，地鐵車站的照明系統(tǒng)長期以來一直是一個高能耗的領域，對城市能源供應系統(tǒng)產(chǎn)生了巨大壓力[1]。隨著全球?qū)夂蜃兓铜h(huán)境可持續(xù)性的日益關注，節(jié)能減排和提高能效已經(jīng)成為不可回避的課題，特別是在城市基礎設施中。為了實現(xiàn)可持續(xù)的地鐵運營，降低能源消耗并提高乘客體驗，照明技術的創(chuàng)新變得尤為重要[2]。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術的崛起為地鐵車站照明帶來了巨大的潛力。IoT技術的發(fā)展已經(jīng)使傳感器、數(shù)據(jù)分析和智能控制系統(tǒng)變得更加普遍和經(jīng)濟實惠，這些技術可以用于實現(xiàn)高效的照明管理。制蓋照明技術，即智能照明系統(tǒng)，是一種通過互聯(lián)設備和先進控制算法來優(yōu)化照明的方法，以提高能源效率和服務質(zhì)量[3]。

因此，有必要深入探討物聯(lián)網(wǎng)技術在地鐵車站制蓋照明中的應用。將研究如何利用IoT傳感器、智能控制系統(tǒng)以及制蓋照明技術來實現(xiàn)地鐵車站照明的節(jié)能、精確控制和高效管理。通過詳細的案例研究和數(shù)據(jù)分析，將展示IoT技術如何改善地鐵車站的能效，降低運營成本，提高乘客的出行體驗。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術與智能照明的結合

1.1 物聯(lián)網(wǎng)技術概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是一種創(chuàng)新性的技術和概念，它將互聯(lián)網(wǎng)連接擴展到了各種物理設備和對象，使它們能夠相互通信和共享信息。以下是對物聯(lián)網(wǎng)技術的概述。

（1）互聯(lián)性。物聯(lián)網(wǎng)建立在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，但它更進一步，通過將傳感器、設備和物品連接到互聯(lián)網(wǎng)，使它們能夠?qū)崟r通信和共享數(shù)據(jù)。這種互聯(lián)性使各種物理實體智能化協(xié)同工作。

（2）傳感技術。物聯(lián)網(wǎng)中的設備通常配備各種傳感器，用于收集環(huán)境數(shù)據(jù)，如溫度、濕度、光線、位置等。這些傳感器數(shù)據(jù)可以用于監(jiān)控和控制設備，以及進行分析和決策。

（3）數(shù)據(jù)通信。物聯(lián)網(wǎng)設備使用各種通信技術來傳輸數(shù)據(jù)，包括Wi-Fi、藍牙、NFC、LPWAN（低功耗廣域網(wǎng)）、5G等。選擇通信技術取決于應用場景和需求。

（4）云計算。物聯(lián)網(wǎng)設備通常將數(shù)據(jù)上傳到云端，進行存儲、分析和處理。云計算提供了高度可擴展性和計算資源，使物聯(lián)網(wǎng)應用能夠處理大規(guī)模數(shù)據(jù)。

（5）數(shù)據(jù)分析和智能決策。物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析和機器學習，可以從中提取有價值的信息和模式。這些分析結果用于智能決策，改善效率和服務。

1.2 物聯(lián)網(wǎng)技術在地鐵車站智能照明中的作用

物聯(lián)網(wǎng)技術在地鐵車站智能照明中發(fā)揮著關鍵作用，為這些交通樞紐帶來了多方面的好處。

（1）節(jié)能與環(huán)保。物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)可以根據(jù)車站內(nèi)的實際照明需求動態(tài)調(diào)整光照強度和照明區(qū)域。傳感器可以檢測到人員和光線水平，根據(jù)情況自動調(diào)整照明，從而減少能源浪費，降低能源消耗，有助于環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展。

（2）成本降低。智能照明系統(tǒng)可以通過燈具自身的狀態(tài)監(jiān)測來提供預測性維護。這意味著故障的燈具可以在損壞之前被檢測出來，減少了緊急維修的需求，降低了維護成本。

（3）安全增強。物聯(lián)網(wǎng)智能照明可以增強地鐵車站的安全性。智能傳感器可以監(jiān)測人員活動和異常情況，例如，停留的時間過長或不尋常的行為。這些信息可以用于安全監(jiān)控和緊急響應，確保乘客的安全。

（4）數(shù)據(jù)收集和分析。物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)可以收集大量有關車站使用情況的數(shù)據(jù)，如人流量、照明使用情況等。這些數(shù)據(jù)可以用于優(yōu)化車站運營和規(guī)劃，提高效率和安全性。

2 物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能照明系統(tǒng)原理

2.1 無級調(diào)節(jié)和節(jié)能特性

物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能照明系統(tǒng)采用了無級調(diào)節(jié)原理和節(jié)能特性，以實現(xiàn)高效的照明管理。這涉及燈具亮度的調(diào)整，其根據(jù)環(huán)境變量和用戶需求進行動態(tài)控制。

2.1.1 無級調(diào)節(jié)原理

式中：L(t) 代表照明系統(tǒng)的亮度，隨時間t變化，cd/m2；E表示環(huán)境光照強度，lx，通常由光照傳感器測量；U是用戶需求，即用戶希望的照明水平，可以通過用戶界面或傳感器獲取；T是溫度，溫度可以影響照明設備的性能；P是電力供應的狀態(tài)，可以檢測電力波動或停電；S是安全性因素，當需要增加照明以應對安全威脅時，S會增加。

根據(jù)式（1），通過適當?shù)目刂扑惴ǎ瑒討B(tài)地調(diào)整照明亮度，以實現(xiàn)用戶需求和節(jié)能目標的平衡。無級調(diào)節(jié)允許在不同時間和場景下調(diào)整亮度，以滿足不同需求。

2.1.2 節(jié)能特性

式中：Einitial表示初始能耗，Efinal表示最終狀態(tài)下的能耗。節(jié)能特性關注如何最大程度地減少能源消耗，而不犧牲照明質(zhì)量。通過式（2），系統(tǒng)可以動態(tài)響應環(huán)境變化和用戶需求，以最小化能源消耗。節(jié)能特性的度量是節(jié)能比率，它衡量了在系統(tǒng)運行中實際實現(xiàn)的節(jié)能量。ER的值越高，表示系統(tǒng)越高效地節(jié)省能源。

2.2 單盞燈具精確控制與燈光均勻分布

物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能照明系統(tǒng)實現(xiàn)了單盞燈具的精確控制和燈光均勻分布，基于光照度和光照分布均勻度UDI等關鍵參數(shù)進行控制。

2.2.1 光照度控制

控制系統(tǒng)根據(jù)目標光照度和當前光照度之間的差異來調(diào)整燈具的亮度，以保持所需的光照水平：

式中：Kp是控制增益參數(shù)，用于確定調(diào)整的速度和幅度。這個控制機制允許單盞燈具根據(jù)需求動態(tài)調(diào)整亮度，以維持目標光照度；Ltarget是目標光照度，這是用戶或系統(tǒng)預設的期望光照水平；Lcurrent是當前光照度，通過光照傳感器實時測量的光照度；B是控制亮度，是單盞燈具的亮度控制變量。

2.2.2 燈光均勻分布

光照度均勻度UDI是一個衡量照明均勻度的參數(shù)，通常通過在不同位置測量光照度來計算。控制系統(tǒng)還考慮了光照度的均勻分布，以確保在照明區(qū)域內(nèi)不會出現(xiàn)亮度不均勻的情況。這可以根據(jù)不同位置的光照度測量來優(yōu)化燈具的位置和亮度分布。系統(tǒng)會根據(jù)UDI的計算結果來調(diào)整單盞燈具的亮度和方向，以實現(xiàn)均勻的照明分布。

基于問卷星平臺的“微測試”，以二維碼形式發(fā)放問卷，插入幻燈片，方便在多媒體教室展示，學生通過掃碼即可查看問卷。該種隨堂測試方法信息容量大，與傳統(tǒng)在幻燈片中直接插入習題相比，解決了容量有限、教室后面的學生看不清的問題；問卷提交之后可以自行查看答案，自我測試，與傳統(tǒng)習題相比，方式更為靈活；掃碼獲取答卷內(nèi)容符合目前信息化時代生活習慣，可及性強；教師通過賬號可即時查看答卷提交及正確率情況，反饋迅速。

2.3 節(jié)能降耗與降低改造費用

智能照明系統(tǒng)基于環(huán)境光照度E和用戶需求U來實現(xiàn)節(jié)能降耗和降低改造費用。系統(tǒng)的核心目標是使實際光照度Lactual接近用戶期望光照度Ldesired，同時優(yōu)化照明設備的使用和維護。通過使用比例控制算法，通過計算光照度差異來調(diào)整照明設備的亮度，具體表達式：

式中：Kp 是控制增益參數(shù)，可以根據(jù)照明設備類型和環(huán)境特性進行調(diào)整。系統(tǒng)可以實時響應環(huán)境變化，減少能源浪費，同時滿足用戶需求。

時間控制：智能系統(tǒng)可以根據(jù)時間和場景要求調(diào)整照明，例如，在白天降低照明亮度或在非工作時段關閉不必要的燈具。

能源管理策略：系統(tǒng)可以監(jiān)測和記錄能源消耗，以便進行優(yōu)化和報告。這有助于降低能源成本，并為未來改進提供數(shù)據(jù)支持。

傳感器集成：利用現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)和傳感技術，系統(tǒng)可以輕松集成到現(xiàn)有照明設施中，無需大規(guī)模更改。

系統(tǒng)可擴展性：智能照明系統(tǒng)具有模塊化設計，可以逐步擴展，減少初始改造成本。

2.4 物聯(lián)網(wǎng)與智能照明的集成

物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能照明系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)IoT與智能照明的集成，通過傳感器、數(shù)據(jù)通信和控制算法實現(xiàn)高效、可持續(xù)的照明管理。物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能照明系統(tǒng)通過將照明設備與物聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控、自動化控制和數(shù)據(jù)分析。該系統(tǒng)基于光照度、用戶需求U、能源成本Cenergy和改造費用Crenovation等關鍵參數(shù)來優(yōu)化照明效率。

式中：Cenergy是能源成本，R是能源費率（單位能源費用），Econsumed是照明系統(tǒng)的能源消耗。

具體工作原理如圖1所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)智能照明系統(tǒng)的工作原理

傳感器集成：系統(tǒng)集成了光照傳感器，用于測量實際光照度Lcurrent。這些傳感器捕捉環(huán)境光照度并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺，實現(xiàn)實時監(jiān)測。數(shù)據(jù)通信：照明設備通過物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議與中央控制器和云平臺進行數(shù)據(jù)通信。這些數(shù)據(jù)包括光照度、設備狀態(tài)和用戶需求等信息。控制算法：中央控制器使用控制算法，根據(jù)目標光照度Ltarget和當前光照度Lcurrent的比較來調(diào)整照明設備的亮度B。這些控制算法可以采用比例控制等策略，以確保照明水平滿足需求。能源管理策略：系統(tǒng)通過監(jiān)測能源成本Cenergy來進行能源管理。根據(jù)實時成本和需求情況，系統(tǒng)可以決定是否調(diào)整照明強度，以降低能源成本。

通過物聯(lián)網(wǎng)技術的集成，智能照明系統(tǒng)能實時響應環(huán)境變化和用戶需求，實現(xiàn)高效的照明控制，從而節(jié)能、降低能源成本，并降低改造費用，同時提供數(shù)據(jù)分析支持，以優(yōu)化照明管理策略。

3 物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能照明在地鐵車站的應用案例

3.1 場景控制與時鐘控制

在物聯(lián)網(wǎng)技術的支持下，智能照明在地鐵車站的應用案例中實現(xiàn)了場景控制與時鐘控制的完美融合。通過智能感知和自動化調(diào)節(jié)，系統(tǒng)可以根據(jù)不同時間、天氣、人流等情境需求，智能調(diào)整照明亮度，既提高了乘客的舒適感和安全性，又節(jié)約能源。同時，時鐘控制使系統(tǒng)能夠根據(jù)日出和日落等時段，按計劃自動調(diào)整照明設置，確保車站照明在各種情況下都高效運行，為乘客提供更好的服務體驗。這些智能照明策略在地鐵車站的應用為節(jié)能、環(huán)保和便捷出行提供了先進的解決方案。

3.2 智能照明模式案例

物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能照明在地鐵車站的應用案例中，智能照明模式的多樣性和智能性充分彰顯了其卓越的適應能力。通過連續(xù)監(jiān)測環(huán)境的光照度，系統(tǒng)能夠智能切換不同的照明模式，如白天模式、高峰時段模式和夜晚模式，實現(xiàn)精準的亮度調(diào)整，以適應時間和天氣變化。這一創(chuàng)新不僅提高了乘客的旅行體驗，確保站內(nèi)外的安全和舒適，還顯著減少了能源的不必要消耗，從而實現(xiàn)了可持續(xù)照明管理，為地鐵車站引入了智能和環(huán)保的嶄新標準，進一步推動了城市交通系統(tǒng)的現(xiàn)代化。圖2是基于智能化的地鐵照明控制圖。

圖2 地鐵照明智能控制圖

4 結論

研究結果表明，物聯(lián)網(wǎng)技術與制蓋照明系統(tǒng)的結合為實現(xiàn)這一目標提供了有力的工具。通過無級調(diào)節(jié)、精確控制和單燈具管理，物聯(lián)網(wǎng)技術下的智能照明不僅能夠顯著減少能源消耗，還能夠提高照明質(zhì)量，創(chuàng)造更加宜人的乘車體驗。而且，這一技術的應用還能降低運營成本，對城市可持續(xù)性產(chǎn)生積極影響。然而，我們也要意識到，物聯(lián)網(wǎng)技術下的照明系統(tǒng)解決方案不是一蹴而就的，它需要精心規(guī)劃、適應性設計和不斷的監(jiān)測和優(yōu)化。