深圳地鐵?3?號線車輛客室照明智能感光改造探討

周拯民，陳富東

（深圳市地鐵集團有限公司運營總部，廣東深圳 518040）

0 前言

深圳地鐵 3 號線分地下段與高架段，高架段占全程線路的 51.6%。列車運行高架線路區(qū)間自然陽光充裕，外界光照基本可以滿足客室光照強度要求，但原照明系統(tǒng)始終保持恒功率輸出，造成資源浪費。為此，在高架線路區(qū)段應(yīng)用智能感光照明系統(tǒng)，既可調(diào)節(jié)功率的低輸出，又可保證客室照明總亮度處于恒定要求值。

1 現(xiàn)有客室照明介紹

深圳地鐵 3 號線客室照明有 2 條主照明電路（交流回路 1、交流回路 2）和 1 條緊急照明電路。各條照明電路均采用恒壓控制、恒定功率輸出方式。

照明系統(tǒng)采用的節(jié)能方式為人工手動調(diào)節(jié)方式，即每日 17 : 30 前，客室照明開關(guān)打至“節(jié)能”位，只開啟交流回路 1（AC220V）及緊急照明回路（DC110V）照明；17 : 30 分之后，客室照明開關(guān)打至“全開”位，將另一個交流回路 2（AC220V）照明打開，此時客室照明LED 燈全部點亮?！肮?jié)能”位和“全開”位時的客室照明效果如圖1所示。

圖1 客室照明效果圖

2 現(xiàn)有客室照明存在的問題

3 號線路段有一半是高架段，外界光照充沛，由于外界光照的補償，無需照明恒功率輸出?，F(xiàn)有照明每天長達 16 h 以上連續(xù)亮燈，燈具功耗增加，造成電源模塊故障率攀升，光源模塊光衰嚴重，燈具的過輸出造成資源的浪費。

節(jié)能方式為人工手動按固定時間點進行操作，這種調(diào)節(jié)模式一方面司乘人員容易忘記，另一方面不能按客室照度的實際情況來調(diào)節(jié)，無法保證客室照度環(huán)境的舒適性。

交流回路 1 照明及緊急照明 LED 燈，每天工作時間比交流回路 2 照明 LED 燈長 2 倍左右。由于 LED 燈光隨著時間推移衰減，交流回路 1 及緊急照明 LED 燈比交流回路 2 明顯偏暗，不利于客室照明的美觀及維護。節(jié)能與舒適性要求，引入智能感光技術(shù)。智能感光照明系統(tǒng)可根據(jù)客室的光照強度，調(diào)節(jié)電源模塊功率的低輸出，在各功率輸出條件下，所有光源板件都保持點亮，這種調(diào)節(jié)方式既保證客室照明始終處于恒定要求照度值，又使光照強度均勻統(tǒng)一，不會因為“明暗相間”的照明亮度形式影響乘客的視覺舒適性。

3 LED 智能感光照明方案

LED 智能感光照明需將原有光源模塊、電源模塊更換為恒壓控制模式的燈具組件，改進的電源模塊、光源模塊均按原有安裝位置進行安裝，同時新增照度感光器、自動控制器。照度感光器內(nèi)嵌在照明自動控制器上，安裝于每節(jié)車廂兩側(cè)燈帶的端部燈罩內(nèi)，客室一位端及二位端各一個，分別控制每節(jié)車廂內(nèi)兩側(cè) LED燈帶。

客室照明供電線路與原有一致，分主照明電路（供電電壓為 AC220V）和緊急照明電路（供電電壓為 DC110V）；照明控制開關(guān)從原有三檔位設(shè)計改為兩檔位，即“OFF”和“ON”位，無需“節(jié)能”檔位的設(shè)計。

控制方式調(diào)整為感光智能調(diào)節(jié)，照度感光器不斷采集車廂內(nèi)的照度數(shù)據(jù)并和自動控制器的設(shè)定值進行比較，將比較后的脈寬信號輸送給 LED 驅(qū)動電源，自動調(diào)整照明系統(tǒng)光（功率）輸出，使車廂內(nèi)的照度維持在恒定的照度范圍內(nèi)。圖2 是光控原理圖，當照明開關(guān)處于“ON”位時，客室照明光源板件全部點亮，且根據(jù)外界的光照補償，由 LED 驅(qū)動電源輸出不同的功率值，統(tǒng)一調(diào)節(jié)光源板的照度值。

從感光器偵測到客室光照強度，自動控制器輸出脈寬信號， LED 驅(qū)動電源功率輸出，到光源模塊照度值變化，這一智能調(diào)光過程的時間設(shè)置為 1 s。如當列車由地面轉(zhuǎn)入地下或由地下轉(zhuǎn)入地面導(dǎo)致客室內(nèi)光照強度變化時，照度感應(yīng)器可檢測到客室內(nèi)照度變化，在 1 s 內(nèi)自動調(diào)節(jié)客室內(nèi)部照度，使車廂照度達到設(shè)定值。

深圳地鐵 3 號線高架區(qū)間有外界日光補償光照，為滿足

4 智能感光照明改造的實施

4.1 組裝階段

拆除原有的光源模塊和電源模塊，安裝新型的光源模塊、電源模塊、智能感光控制器。對每盞燈具進行通電測試，確保燈具點亮正常。測試感光控制器和燈具電源模塊通信狀態(tài)。將調(diào)試好的燈具進行安裝，安裝完畢后進行通電調(diào)光測試，測試燈具發(fā)光是否均勻以及感光系統(tǒng)是否滿足無極調(diào)光的工作要求。調(diào)試燈具正常后，恢復(fù)安裝照明燈具的其他部件。

4.2 調(diào)試階段

燈具裝車完畢后在庫內(nèi)試車線試驗調(diào)光，用照度儀測試客室光照強度，同時調(diào)節(jié)智能感光控制器的輸入值（有照度感光器照度調(diào)節(jié)按鈕和紅外線遠程遙控 2 種設(shè)置輸入方式），確?？褪覂?nèi)距離地板面 800 mm 處照度不低于 300 Lux（見 GB/T 7928-2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》規(guī)定）。改造后燈具組成見圖3。

圖2 智能調(diào)光控制原理圖

5 改造后的智能感光控制系統(tǒng)工作模式

5.1 正常模式

在照明系統(tǒng)智能感光控制器調(diào)節(jié)組件無故障時，客室照明系統(tǒng)進入正常工作模式，根據(jù)采集外界光照的不同，調(diào)節(jié)電源模塊功率的輸出，從而改變光源模塊的光照亮度，使客室光照強度處于恒定值。

圖3 改造后燈具組成圖

5.2 故障模式

當智能調(diào)光控制器或光照采集線路出現(xiàn)故障時，智能調(diào)光控制器自動禁用感光功能，各 LED 驅(qū)動電源模塊全功率輸出，光源模塊保持在最大亮度值。

5.3 緊急照明模式

在緊急照明模式下，智能感光器無電壓輸入，停止工作，緊急照明線路電源模塊無法接收到調(diào)光信號，均按最大功率進行輸出，保證門區(qū)位置緊急照明電路在距地板面 1 m 位置光照強度大于 30 Lux。

6 應(yīng)用情況

6.1 客室照度

改造后列車客室照明距地板面 800 mm 處滿足照度大于 300 Lux 的要求，在外界陽光充足的情況下，正線個別區(qū)段（除地下段）客室內(nèi)照度能達 400 Lux 以上。在燈帶全功率工作的情況下，隨機抽取一燈罩處測得的照度為 9 500 Lux，地下站時同一位置照度為5 500 Lux，高架段時為 3 500 Lux，智能調(diào)光功能正常。

6.2 節(jié)能效果

在改造后的列車和未經(jīng)改造的列車電氣柜內(nèi)安裝電能表，用于測量智能感光系統(tǒng)實際節(jié)省電量。根據(jù)統(tǒng)計值，改造前每列車平均功率為 5.6 kW，改造后每列車平均功率為 2.2 kW，以每列車每天工作17 h（6 : 30—23 : 30）、一年 365 天計算，電客車客室照明系統(tǒng)智能感光改造后每列車每年可節(jié)能：（5.6-2.2）×17×365 = 21 097 kW · h，即改造后每列車每年可節(jié)約2.1 萬度電。

6.3 維護費用

改造前 LED 光源模塊壽命約為 30 000 h（運營 5年），電源模塊約為 5 0 000 h（運營 7 年）；電源模塊故障率為 3.6%，電源模塊故障率為 1.7%；一列車光源模塊 1 350 個，電源模塊 280個；光源與電源模塊維護單價分別為 360 元、310 元。一個壽命周期的維護費用為：1 350×3.6%×360 + 280×1.7%×310 = 18 971.6 元。改造后，電源和光源模塊不存在過輸出情況，使用壽命延長，具體節(jié)省費用需要后期進行統(tǒng)計。

6.4 照度調(diào)節(jié)時間

改造后列車運行時在不同的光照強度下，均能保持恒定照度，客室照明強度均勻統(tǒng)一。在列車進入隧道和駛出隧道時地鐵的運行速度一般在 70～89 km/h，進出隧道 1 s 左右，燈具在 1 s 時間內(nèi)全亮，使車廂內(nèi)照度達到設(shè)定值。同時隧道口的光亮是漸變的，在進出隧道時就彌補了車廂內(nèi)的照度跟外部的變化，使車廂內(nèi)的照度變化很小，給予乘客溫和舒適的過渡。

6.5 節(jié)能控制方式

客室照明采用智能感光技術(shù)后，列車在外部光照強度充足的環(huán)境下，無需通過手動調(diào)節(jié)照明開關(guān)至“節(jié)能”位來達到節(jié)能的目的，減少了司機根據(jù)不同時間段轉(zhuǎn)換照明模式的作業(yè)。

6.6 光源衰減后的亮度調(diào)節(jié)

列車正線運營時，客室 3 條照明電路在正常情況下始終處于同時工作的狀態(tài)，各光源模塊工作點亮?xí)r間一致，其 LED 燈珠衰減速率同步。隨著使用時間的推移，各光源模塊的照度不會出現(xiàn)明顯的差別。在光源模塊的壽命期內(nèi)，LED燈珠發(fā)生衰減，照度降低時，均可通過電源模塊調(diào)高輸出功率，保證客室光照強度。

7 結(jié)語

深圳地鐵 3 號線車輛進行客室照明智能感光改造后，客室照明的光照強度始終均勻統(tǒng)一。電源模塊的低功率輸出不僅達到了節(jié)能的目的，同時延長了照明燈具元器件的壽命，從而產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益。后期在列車大修期，可推廣應(yīng)用客室照明智能感光技術(shù)。