WF-IoT融合物聯網技術在鐵路隧道照明中的應用研究

摘 要：

WF-IoT融合物聯網技術具有自主組網及無線節點多的優點，在物聯系統中應用較多。傳統鐵路隧道照明系統結構復雜，燈具供電、控制需要分別架設電纜，遠程監控也要布設通信網絡，照明模式單一，電纜消耗量大、施工周期長。為了克服傳統系統不足，以含有WF-IoT協議的LED光源作為隧道照明燈具，每個燈具獨立控制，由燈具作為通信節點在隧道內部構成無中心的無線物聯網，通過網關與鐵路專網連接實現遠程監控管理。該系統在隧道內部無需設置照明控制箱、控制線路和通信線纜，不僅能夠滿足巡檢照明的需求，也可實現預設的照明模式。基于燈具節點構建的WF-IoT無線網絡還可用于隧道內部其他設備的監控。該技術為鐵路隧道照明提供了一種新方案。

關鍵詞：

鐵路隧道; 融合物聯網; 無線物聯網; 照明控制; 遠程監控

中圖分類號： TU855

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）04-0074-06

DOI：

10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.04.013

0 引 言

典型鐵路隧道照明標準設計方案中，鐵路隧道照明通常分為正常照明和應急照明。鐵路隧道照明燈具一般沿隧道一側或兩側線型分布，照明燈具間距較大，通常情況下鐵路隧道內照明燈具處于關閉狀態，巡檢作業時由現場巡檢作業人員進行開關燈操作;對于設應急照明的隧道，事故情況下還須由遠方或現場一鍵啟動，點亮全部應急照明燈具。現有鐵路隧道照明系統沿用以支線電纜控制為基礎的分段控制方式，隧道內除照明干線電纜外，還根據照明分段控制的需要設置照明支線電纜，通過對照明支線的控制實現對隧道照明的分段控制。巡檢作業時由現場人員在隧道口照明首端控制箱處進行開燈操作，行進到下一分段時，再操作下一分段的照明首端控制箱和上一段末端控制箱，開啟下一分段的照明燈具，關閉上一段的照明燈具［1］。這種隧道照明系統低壓配電系統結構復雜、電纜消耗量大、投資成本高、施工周期長，照明控制需通過控制線纜來實現，照明控制箱原理復雜、接線繁瑣。現場隧道照明燈具只能在支線首末端進行控制，控制不靈活、不精細、耗電量較大。近年來，遠程監控技術被用于鐵路隧道機電設備［2］，在隧道內用光纜等作為通信介質，構建環形拓撲網絡，對風機、應急照明、緊急救援隧道外照明、防護門及消防泵等設備集中監控，保障了設備的安全運行，提高了維修效率［3］。但這種系統對于光纜的依賴較大，如光纜出現故障，影響范圍較大;光纜敷設需要過軌、過路且需各專業不同工序間比較精確的協調配合，施工難度較大。為解決以上問題本文提出了基于融合物聯網（WF-IoT）技術的鐵路智能照明技術。

1 WF-IoT物聯網

無線物聯網布線量少，為鐵路隧道照明系統的更新換代提供了另一種途徑。目前，物聯網技術有NB-IoT、LoRa、ZigBee、Wi-Fi、Bluetooth等［4-5］。傳統無線物聯網大多采用星型或半星型拓撲結構，節點設備需要與中心節點點對點通信。通常，鐵路隧道照明燈具沿隧道一側或兩側線型分布，燈具間距在30 m以內，具有線型、間距大的分布特點，采用星型拓撲結構，則須設置若干中心節點，勢必造成網絡結構的復雜化。另一方面，還需要考慮通信設備洞室以及通信設備供電等問題。一旦中心節點崩潰，會導致大范圍的網絡故障，照明系統無法正常工作。

WF-IoT融合物聯網是一種具有本土自主知識產權的物聯網技術，采用網狀拓撲結構，兼容Air Lamp物聯網照明組網控制協議，采用無需授權的免費無線頻段構建低功耗廣域網［6］。這種物聯網中相鄰的設備都可以進行網狀互聯，實現多路由數據傳輸。當某個節點出現故障，網絡將自動跳過故障節點，通過其他節點構成新的路由，個別節點的故障不會影響整個網絡的通信。網絡中所有節點設備都可作為中心節點，通過網關可實現與外部網絡互聯通信，這種技術已應用于建筑照明、樓宇自動化系統等［7］。本文針對鐵路隧道環境和照明需求的特點，采用WF-IoT無線物聯網技術構建鐵路隧道照明系統，可以實現人員進入隧道燈隨人亮的智能控制功能，實現鐵路隧道照明的智能化和各種預設模式的場景控制，具有節省隧道照明支線電纜、簡化鐵路隧道照明配電系統結構的優點。

WF-IoT融合物聯網以無線物聯網芯片為核心實現照明物聯網、識別定位網和廣域無線傳感網的融合［7］。

WF-IoT物聯網拓撲結構如圖1所示。圖1中，R1～R10為節點，G為WF-IoT網關，S1～S7為檢測或驅動控制單元。節點是含有ALL 協議的硬件設備，它是 WF-IoT的基本單元，可以是網絡中的網聯設備，如控制器、驅動器、傳感器、網關等，另外，節點也具有自主工作能力。節點之間為網格化拓撲、無中心、自由組網，以 ALL 協議通信，具有數據采集、處理和簡單的計算能力，可實現控制器和傳感器的配置、通信與控制。網絡中任何一個網聯設備都可作為WF-IoT中心，WF-IoT網絡的中心不是永久的，而是暫態的、階段性的，中心與節點關系不具有強制性，是動態的。WF-IoT物聯網實現了物—物互聯。通過網關設備，WF-IoT物聯網可以連接其他通信網絡，實現設備的遠程控制和管理。

WF-IoT物聯網芯片是一種集成了無線射頻收發、數字基帶、電源管理等功能的可編程片上系統，采用780 MHz和2.45 GHz無授權射頻頻段，它采用頻分多址（FDMA）、軟件定義跳頻（FHSS）、碼分多址（CDMA）等相結合的方法解決干擾問題，在同一空間覆蓋范圍內，相互重疊的網絡采用各自不同的頻點進行通信，同一頻點不同節點采用自動分配的時間間隙進行通信［6］。另外，采用直接序列擴頻（DSSS）技術可在同一時間、同一頻段上以不同的擴頻碼區分用戶，使同一空間域內的每個節點在通信時段可以獨占信道，避免了無線網絡的干擾問題。WF-IoT的最遠通信距離為80 m，采用增益設備時通信距離可達2 km，每個子網可容納60 000個節點。主要無線物聯網技術性能比較如表1所示。

由表1可知，WF-IoT對鐵路隧道照明系統而言，WF-IoT物聯網技術無論是在覆蓋范圍和抗干擾能力方面，還是在通信可靠性、數據安全和網絡安全方面都具有較高的優勢，其綜合性能較強。WF-IoT的優勢在于：① 兼容照明組網控制協議，該協議是針對智能照明的應用需求在RFID協議和WSN協議基礎上定義的專用通信控制協議，提供與燈具控制相關的數據傳輸接口，無需再設計照明控制協議。② WF-IoT處理器與燈具控制器融合的WF-IoT節點，采用照明電路供電，無需電池維持。③ WF-IoT采用非授權頻段通信，在系統運轉時無需再付費。④ 這些作為燈具控制器的WF-IoT節點除

實現對

燈具及照明網絡的監控，還可以作為物聯網的節點為其他用途的節點提供自組網支持，其兼容

性能夠避免重復布網的問題。⑤ 用WF-IoT改造傳統照明系統容易實現，除了更換燈具及其控制器，無需布設額外的通信網絡及設備，也無需改變配電線路。

2 基于WF-IoT的隧道照明系統

現有鐵路隧道照明系統采用傳統燈具，利用支線電纜和電氣控制箱進行分組控制，主要存在以下問題：① 操作費時、控制不便、功能單一;② 配電及控制系統復雜、線纜消耗量大、能耗大，碳排放量大;③ 專業接口多、工程量大、施工工藝繁瑣;④ 管理維護手段落后，管理信息實時性差，占用大量人力、物力;⑤ 纜線布置繁雜，事故隱患大等問題。傳統鐵路隧道照明配電系統如圖2所示。

WF-IoT的隧道照明系統如圖3所示。系統采用WF-IoT構建照明控制網絡，其中780 MHz頻段用于照明燈具的無線自組網通信，2.45 GHz用于隧道作業、人員與設備識別與定位、隧道照明的聯動控制等。

智能物聯網鐵路隧道照明低壓配電系統示意圖如圖4所示。不同于傳統的燈具分段分組控制方式，WF-IoT系統采用單個燈具獨立控制的方式。燈具采用一體化LED光源，其驅動控制器

包含了通信處理器，每個燈具即為WF-IoT網絡

的節點，具有電源控制、光源驅動、電路保護、故障隔離、無線自組網、無線通信功能。按照設計規范要求，設應急照明的隧道，燈具安裝高度距（參考平面）救援通道地面3 m、間距不小于30 m，WF-IoT的無線覆蓋范圍為80 m，隧道左右壁的燈具節點可以構成有效的WF-IoT網絡。

當激活的WF-IoT移動節點（如燈具遙控器、含有WF-IoT協議的網聯設備等）進入隧道時，就會被接入WF-IoT網絡，并按照WF-IoT的通信機制進行信息交換，實現對燈具的控制或配置。另外，也可通過設置在隧道內的網關把隧道內的WF-IoT網絡接入鐵路專用網絡，實現遠程監控。在圖3中，隧道中的WF-IoT網絡可以不依賴遠程監控中心而自主運行，實現燈具的控制和配置，監控中心也可以遠程控制和配置燈具，實現各種模式的照明需求，按地址讀取燈具節點的信息，進行監控和報警處理。

基于WF-IoT的隧道照明管理系統構成如圖5所示，實現照明系統的監控和運維。系統主要包括：燈具管理和系統管理。管理系統是照明系統的管理平臺，可以管理多個隧道子系統。在燈具管理中，燈具入網注冊主要實現現場燈具與WF-IoT網的綁定，包括區域、位置、編號、屬性、安裝時間等。編組管理用于設置特殊要求的照明模式。燈具狀態監測用于收集燈具工作狀態信息，包括工作模式、目前狀態、工作累計時間、上次更換時間等。報警管理用于收集并提示現場燈具故障信息，包括燈具的位置、編號、故障時間、故障原因等。能耗管理用于統計某一支路照明的用電量，可以提供不同時間長度的能耗統計分析。巡檢管理可用于人員管理，利用隧道照明燈具作為定位點，巡檢人員通過佩戴的RFID頭盔或者RFID工卡，在其行進過程中把其個人編碼信息、位置等上傳給管理系統，管理系統可以利用工作人員的個人信息搜索其位置，查詢其工作軌跡。系統管理主要實現終端分配和配置、用戶登記及權限分配、二次開發或與其他系統連接時接口分配。另外，通過日志管理可以生成生產管理所需的各種報表。

基于WF-IoT的隧道照明系統已不再是傳統意義上的照明系統，它是一種基于物聯網的智能系統，具有以下特點。

（1） 作業點現場的照明控制。

現場照明控制采用遙控器或便攜式終端設備，這些設備含有WF-IoT通信處理器，采用2.45 GHz與燈具節點通信，巡檢人員在行進過程中發出打開和關閉命令，實現“燈隨人亮”的功能，由于采用單個燈具獨立控制模式，克服了傳統照明巡檢人員所在區段燈具全部點亮而導致的能源浪費。

在隧道內部維護作業時，也可以根據作業需要開啟作業范圍內的燈具。

（2） 隧道照明的遠程監控與管理。

作為WF-IoT網絡節點的燈具控制器自動診斷燈具的健康狀態，當燈具出現故障時，自動斷開驅動電路，并把燈具故障編碼信息自動上傳至監控中心，運維管理平臺對燈具遠程集中監控，根據故障燈具的地址碼精確定位，提示故障類型和燈位地址，提醒工作人員進行處理。也可以在運維平臺上查詢燈具的服役時間和維修歷史信息。通過運維平臺可以控制隧道照明燈具、對燈具分組控制等，與防災救援系統聯動提供特定需求的照明模式。

（3） 緊急狀況下的應急一鍵啟動照明。

在某些特殊狀況下，需要即時打開隧道中所有燈具，通常在隧道中設置緊急啟動按鈕，當按動該按鈕時，打開所有照明設備。為了實現此功能，如圖3所示，在隧道中設置Air Nano無源無線開關。這種開關內置能量轉換單元把按動開關的機械量轉換為電能，以此提供開關所需的電能，不需要電源供電，是一種低功耗的WF-IoT設備，通信距離可達20 m以上，工作頻率為2.45 GHz。按照設計規范要求，其安裝高度距救援通道地面1.2 m，為了保證開關指令的有效性，Nano開關靠近燈具布置。配置Nano開關屬性后，當其被按動觸發時，它把緊急開燈命令發送至鄰近的燈具，通過隧道WF-IoT網絡把此命令傳遞給所有燈具，實現應急一鍵啟動照明。同時把燈具狀態上傳至監控中心。

（4） 隧道工作面人員定位與識別。

RFID射頻識別與定位是WF-IoT的基本功能。一旦隧道燈具安裝完成之后，每個WF-IoT燈具節點位置坐標固定，人員攜帶WF-IoT設備進入隧道時，網絡節點讀取設備特征信息，把信息傳遞給監控中心，實現人員身份實時識別和定位，追蹤人員運動軌跡。通過含有RFID電子標簽，監控中心可隨時了解隧道內部工作面的人員身份及位置分布，實現人員遠程監控和動態管理。

基于WF-IoT的隧道照明系統通過燈具節點在隧道內部形成了網格狀的無線網絡，該網絡不僅能夠實現隧道照明智能化要求，一網多能，還為把其他設備的智能運維融合到同一平臺提供了基礎。

這種照明系統采用單個燈具獨立控制方式，每個燈具獨立供電，省去了照明支線電纜及控制箱，簡化了配電系統的結構，可以極大地減少安裝施工的工程量。燈具既能實現對配電干線和網絡保護，也能實現對故障信息上傳、故障定位和報警，有助于系統可靠工作。另外，可以通過配置燈具模式的方法滿足不同的照明需求。

3 工程實例

2021年，西安至十堰高速鐵路柏朵山、胡家院等21座隧道在設計中采用了這種智能照明系統，隧道總長35.924 km。以柏朵山為例，該隧道為單洞雙線，全長4 593 m，隧道照明燈具采用雙側交錯布置，單側燈間距25 m，距地高度3.5 m，共設照明燈具396套，隧道左、右兩側各設有1條WDZN-YJY22-4×35+1×16照明干線電纜，長10.9 km，照明系統實現了“燈隨人亮”的控制，還可實現遠程、就地、應急等多場景、任意分組控制。另外，可對整個隧道照明系統的狀態實時感知和監控。

若采用傳統方案，傳統的鐵路隧道照明采用分段分組控制的方式，通過照明供電干線把電源連接引到各個分段的配電箱上，每個分段不大于750 m，由分段配電箱引出支線連接各個燈具，每個分段設置首端、末端配電箱，使工作人員能夠在行進過程中控制照明燈具的通斷，如圖2所示。這種系統需要在隧道內配置干線電纜、支線電纜以及大量的控制箱等。另外，巡檢作業時規范要求需要保證巡檢人員前后30 m范圍內滿足工作照明照度要求，實際上僅需3～4個燈具點亮即可，但傳統照明控制模式單一，同一區段的首、末兩端的配電箱距離較遠，在作業時巡檢人員所在區段750 m內所有燈具被全部點亮。有些情況下的隧道內部維護作業時，需要根據現場作業要求控制作業范圍內的燈具點亮，如果工作點位于某一照明區段內，需要點亮該區段的所有燈具，如果工作點處于兩個區段的交界附近，則需要2個區段1 500 m范圍內的燈具全部點亮。傳統照明控制模式在使用過程中產生了大量的、不必要的電能消耗。需設置2條WDZN-YJY22-4×35+1×16照明干線電纜，長10.9 km;2條WDZN-YJY22-5X6照明支線電纜，長10.9 km，2條WDZN—KYJY22-7×4控制電纜，長10.9 km;新型方案可節省電纜10.9 km，減少了67%線纜的使用量，取消了控制箱和控制線纜，取消全部首末端控制箱，工期縮短了64.4%。隧道照明系統工效對比表如表2所示。

4 結 語

基于WF-IoT的隧道照明系統采用無線物聯網技術，以燈具作為WF-IoT節點，在隧道內部構建了WF-IoT網絡，實現了隧道照明監控的智能化。

（1） 在巡檢情況下，“燈隨人亮”，根據現場需求預設照明模式實現各種場景照明控制，克服了傳統照明系統分段分組控制的能源浪費的缺陷。采用無源開關裝置實現了事故情況下一鍵啟動的應急啟動控制，無需額外電源供電，綠色節能。

（2） 采用單個燈具獨立控制的模式，低壓配電系統取消了隧道照明支線以及首端、末端控制箱、隧道照明控制線纜，簡化了鐵路隧道照明低壓配電系統結構。

（3） 監控平臺基于燈具節點提供的信息對其健康狀態實時監控和診斷，提示故障類型和位置，有助于故障排除，保障隧道照明系統的安全運行。借助于隧道內部的WF-IoT網絡和便攜WF-IoT設備，系統平臺可以對現場人員識別和定位，實現人員的實時監控和動態管理。

這種系統實現了鐵路隧道照明模式多樣化、管理智慧化，降低了隧道照明系統的碳排放量，提升了鐵路隧道照明管理的信息化水平，并能為隧道內部其他設備和設施融入WF-IoT網絡提供支持。

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［6］ WF-IoT融合物聯網技術.URL：http：∥www.yours-iot.com/index.php？c=contentamp;a=showamp;id=214［DB/OL］.2022-02-11.

［7］ 文海.WF-IoT 融合物聯網技術及應用［R］.西安優勢物聯網科技有限公司，2021.

收稿日期： 2024-03-15

Research on the Application of WF-IoT Technology in Railway Tunnel Lighting

YU Xiang

（China Railway First Survey and Design Institute Group Co.， Ltd.， Xi’an 710043， China）

Abstract：

Converged Internet of Things（WF-IoT）technology is widely used in IoT systems with the advantages of independent networking and multiple wireless nodes.The traditional railway tunnel lighting system has a complex structure.It requires separate cables for power supply and control of luminaires.In the meantime，remote monitoring also needs deployment of communication networks.This leads to the higher cable consumption and longer construction cycle.To overcome the shortcomings of traditional system，tunnel lighting control and remote monitoring system based on Wide area Fusion Internet of Things（WF-IoT） is developed in this paper.The system adopts LED light source with WF-IoT protocol as tunnel lighting fixture.Each luminaire is controlled independently and all luminaires are used as communication nodes to form a centerless wireless Internet of Things in the tunnel.Thus，the lighting system is connected to the railway network through a gateway to achieve remote monitoring and management.The lighting control cabinets，control wires or communication cables is no longer needed in this system.It can not only meet the needs of patrol lighting，but also realize the preset of lighting modes.The WF-IoT wireless network can also be used to monitor other devices in the tunnel.We provide a new solution for railway tunnel lighting.

Key words：

railway tunnel; wide area fusion Internet of things; wireless internet of things; lighting control; remote monitoring