智能照明系統(tǒng)在動(dòng)車檢修車間中的應(yīng)用

張永敬 中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海動(dòng)車段

1 概述

隨著我國(guó)高速鐵路的快速建設(shè)，線上運(yùn)行的動(dòng)車組數(shù)量不斷增加，動(dòng)車組檢修作業(yè)任務(wù)量不斷增多，動(dòng)車段所以及檢修廠房的規(guī)模不斷增大。在進(jìn)行大規(guī)模廠房建設(shè)過程中，照明控制及節(jié)能降耗問題逐漸凸顯，成為動(dòng)車檢修廠房建設(shè)過程中的一個(gè)突出問題。

同時(shí)，隨著照明燈具及其控制技術(shù)的快速發(fā)展，未來鐵路廠房?jī)?nèi)新型燈具的運(yùn)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(tǒng)的運(yùn)用不僅體現(xiàn)了鐵路廠房的高技術(shù)高標(biāo)準(zhǔn)，更重要的是提高了廠房管理的智能化、科學(xué)化，有利于推動(dòng)企業(yè)節(jié)能降耗的要求。

2 動(dòng)車檢修廠房照明的基本要求

通常來說，動(dòng)車組檢修廠房具有廠房高度高、面積大、人員及控制點(diǎn)分布較分散等特點(diǎn)，并且在廠房的不同區(qū)域、不同廠房對(duì)照明有不同的需求。這些復(fù)雜因素使得動(dòng)車組檢修廠房的照明系統(tǒng)要求比較高，具體包含以下幾個(gè)方面：

（1）滿足國(guó)家最低安全照度的要求。

（2）需要通過智能化的科學(xué)管理及監(jiān)控延長(zhǎng)燈具的使用壽命。

（3）根據(jù)不同的功能區(qū)域設(shè)定合理的照度工作程序，保證功能需求。

（4）考慮作業(yè)人員對(duì)整體光環(huán)境的感受，根據(jù)不同的功能區(qū)域、時(shí)間段、照明需求設(shè)置不同的控制方式，實(shí)現(xiàn)多種照明效果。

（5）提高管理水平，減少維護(hù)費(fèi)用。

3 照明現(xiàn)狀及存在的問題

以上海動(dòng)車段南翔運(yùn)用所廠房燈具配置情況（表1）為例，檢修廠房?jī)?nèi)按照明需求將其劃分為6個(gè)區(qū)域，分別是頂棚，側(cè)墻，車底地溝，地面，二層作業(yè)平臺(tái)及車頂作業(yè)平臺(tái)。其中頂棚工礦燈、側(cè)壁燈用于滿足廠房?jī)?nèi)庫(kù)區(qū)整體照明需求；車底地溝、地面、二層作業(yè)平臺(tái)、車頂作業(yè)平臺(tái)，主要用于滿足四層不同區(qū)域的作業(yè)照明需求。

目前南翔運(yùn)用所廠房?jī)?nèi)已經(jīng)采取了一定的節(jié)能措施，如檢修車間內(nèi)采用了LED地溝燈，地溝燈與二層作業(yè)平臺(tái)燈通過車輛探測(cè)器實(shí)現(xiàn)了車進(jìn)燈亮的功能，辦公區(qū)則采用了一定的LED燈板。這些技術(shù)有效改善了動(dòng)車組檢修廠房?jī)?nèi)的照明能耗，但是目前仍存在如下問題：

（1）采光滿足生產(chǎn)需要的情況下仍然有燈具開啟長(zhǎng)時(shí)間照明，造成能源浪費(fèi)。

（2）照明電路電氣控制系統(tǒng)的照明回路控制模式單一，只能統(tǒng)開統(tǒng)關(guān)并且需要人工手動(dòng)開關(guān)，無(wú)法依據(jù)廠內(nèi)各工區(qū)的需求適時(shí)進(jìn)行局部照明，也無(wú)法依據(jù)廠內(nèi)具體情況進(jìn)行明暗調(diào)節(jié)。

（3）在有車無(wú)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(guān)次數(shù)壽命縮減較快，燈具啟動(dòng)需要預(yù)熱并伴隨使用高溫發(fā)熱（超過300攝氏度），且目前已出現(xiàn)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(yè)平臺(tái)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(huán)境需求。

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

（8）控制點(diǎn)分散，照明設(shè)備管理人員在管理照明設(shè)備的時(shí)候，關(guān)一遍燈，需要走完整個(gè)庫(kù)區(qū)，照明控制的分散也是照明能耗浪費(fèi)的原因之一。

4 動(dòng)車運(yùn)用所檢修車間智能照明系統(tǒng)

4.1 各動(dòng)車運(yùn)用所檢修車間的作業(yè)模式與照明特點(diǎn)

各檢修股道進(jìn)出車輛及檢修情況根據(jù)調(diào)度指令確定，股道內(nèi)存在時(shí)長(zhǎng)不等的無(wú)車情況。

各檢修股道進(jìn)車存放后，檢修作業(yè)并非立即開始。

一、二級(jí)檢修作業(yè)總體流程開始后，因檢修工作為分段進(jìn)行，職工進(jìn)入地溝、地面、二層、車頂作業(yè)平臺(tái)的時(shí)間也是分散的。

早 5：30～7：30 期間、11：30～13：00 點(diǎn)，17：30～18：30 期間，為換班時(shí)間，工作人員休息，庫(kù)區(qū)內(nèi)基本沒有工作人員。

通過對(duì)上述動(dòng)車運(yùn)用所檢修車間的作業(yè)模式分析，我們提出了以區(qū)域劃分為基礎(chǔ)的照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想，以實(shí)現(xiàn)科學(xué)、方便、合理、經(jīng)濟(jì)的照明控制和管理，提出了開發(fā)智能照明系統(tǒng)。

圖1 智能照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.2 智能照明系統(tǒng)功能特點(diǎn)

動(dòng)車運(yùn)用所檢修車間智能照明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括通信網(wǎng)絡(luò)、傳感器兩個(gè)部分。

4.2.1 通信網(wǎng)絡(luò)

燈具、控制設(shè)備與網(wǎng)關(guān)之間采用無(wú)線通信，簡(jiǎn)化施工，免去布線的困難。設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)可以與互聯(lián)網(wǎng)相通，還可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，能耗監(jiān)控，通信網(wǎng)絡(luò)具有以下特點(diǎn)：

（1）自組網(wǎng)、快速部署：通信協(xié)議是在少量人工干預(yù)下的自組網(wǎng)通信協(xié)議，其中人工干預(yù)部分為待組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)聲明，通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)理者維護(hù)節(jié)點(diǎn)列表。這部分在項(xiàng)目前期調(diào)研過程中，通過現(xiàn)場(chǎng)的燈位圖、設(shè)備布局圖等現(xiàn)有圖紙，即可制成組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)布局圖，通過二維碼掃描、Excel導(dǎo)入等可以快速建立節(jié)點(diǎn)列表（Node List）。余下的組網(wǎng)過程均為自組網(wǎng)。

（2）無(wú)線、大規(guī)模：在世界各地，工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)正在迅速向工廠及裝配廠擴(kuò)展。無(wú)線技術(shù)具有很好的可靠性、穩(wěn)定性和靈活性，易于安裝和維護(hù)，此外，也不需要安裝和維護(hù)電纜以及排除電纜故障，因此無(wú)線技術(shù)也具有很高的投資回報(bào)率。

（3）容錯(cuò)和自修復(fù)：特殊的雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和冗余連接，保證了網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性，在設(shè)備掉線或者離開的時(shí)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(gè)低功耗低速率無(wú)線自組網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)接入成本低，無(wú)需單獨(dú)布線，模塊也較現(xiàn)有的WiFi通信模塊、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)通信模塊，成本有著巨大優(yōu)勢(shì)。

4.2.2 傳感器

傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)勘查以及照明需求，系統(tǒng)中集成了各類傳感器以實(shí)現(xiàn)照明的進(jìn)一步優(yōu)化，達(dá)到節(jié)能環(huán)保，合理調(diào)配的目的。其中，車輛傳感器：對(duì)車輛進(jìn)行感應(yīng)，布設(shè)在鐵軌附近，通過傳感器對(duì)列車進(jìn)出狀態(tài)的感應(yīng)，由控制器自動(dòng)控制開啟或關(guān)閉各照明燈；人體傳感器：對(duì)作業(yè)人員進(jìn)行感應(yīng)，通過感應(yīng)人體，實(shí)現(xiàn)人來燈亮，人走燈滅等多種情況；照度傳感器：根據(jù)自然照度情況自動(dòng)調(diào)節(jié)燈具光強(qiáng)，避免白天亮燈等情況。

4.2.3 系統(tǒng)工作流程（圖2）

圖2 基于人體傳感器的照明控制系統(tǒng)工作流程圖

運(yùn)動(dòng)傳感器啟動(dòng)情況下，通過熱釋電紅外傳感器獲取信號(hào)，進(jìn)行照明控制。當(dāng)沒有人員經(jīng)過傳感器的感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，傳感器發(fā)送信號(hào)至網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行關(guān)閉燈具的操作，結(jié)束本次控制流程。

若當(dāng)有人員經(jīng)過感應(yīng)范圍內(nèi)時(shí)，傳感器感知人體運(yùn)動(dòng)后，觸發(fā)熱釋電紅外傳感器，將信號(hào)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行開啟燈具的操作。

當(dāng)判斷燈具出于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，首先啟動(dòng)燈具至預(yù)設(shè)值，并進(jìn)行光強(qiáng)開關(guān)初始化，隨后根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)，進(jìn)行照度檢測(cè)，控制燈具亮度。若判斷燈具出于開啟狀態(tài)時(shí)，將直接保持現(xiàn)有亮度在預(yù)設(shè)值，隨后進(jìn)行光強(qiáng)照度檢測(cè)，判斷是否進(jìn)行亮度調(diào)整。同時(shí)結(jié)束本次控制流程。如此循環(huán)往復(fù)進(jìn)行照明設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。

4.2.4 智能照明系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有照明系統(tǒng)的改造

（1）將現(xiàn)有的部分能耗較高的熒光燈更換為節(jié)能環(huán)保的LED燈。

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

（3）在采光較好的區(qū)域設(shè)置光強(qiáng)傳感器，能靈活根據(jù)自然照度的不同，自動(dòng)控制燈具的明暗。

（4）綜合考慮時(shí)間、車輛是否入庫(kù)進(jìn)線、人員是否在工作區(qū)域、光強(qiáng)是否達(dá)到照度需求，整體設(shè)計(jì)節(jié)能策略。

4.2.5 智能照明系統(tǒng)功能

（1）無(wú)線照明控制采光：燈與燈之間無(wú)需控制線，將燈控制器串聯(lián)于照明線路中；無(wú)線傳感器及開關(guān)固定在廠房鋼結(jié)構(gòu)立柱或墻面格擋上，通過兩節(jié)電池供電（電池使用壽命約為2年），可自動(dòng)或手動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)照度。

（2）充分利用自然采光：以達(dá)到國(guó)家要求的廠房光照強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)日間在滿足生產(chǎn)需求的前提下，以燈光補(bǔ)充自然光為主的照明方式，通過光強(qiáng)探測(cè)和移動(dòng)物體探測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)需求響應(yīng)，以滿足車間內(nèi)照明的照度均衡和穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)人來燈亮、人走燈滅。

（3）精細(xì)區(qū)域化管理采光：將原一個(gè)墻面開關(guān)控制的整個(gè)回路拆分成按照工位劃分的小區(qū)域，一個(gè)小區(qū)域?qū)?yīng)2-3個(gè)頂棚工況燈，通過給每個(gè)小區(qū)域配置無(wú)線開關(guān)和傳感器來實(shí)現(xiàn)區(qū)域化精細(xì)控制。

（4）分時(shí)段定時(shí)開關(guān)采光：可以根據(jù)各工段開關(guān)燈的時(shí)間定制化自動(dòng)開關(guān)照明設(shè)備，節(jié)能降耗。如在休息時(shí)段定時(shí)降低照度或者關(guān)閉照明設(shè)備。

5 智能照明控制系統(tǒng)運(yùn)用效果分析

5.1 照明系統(tǒng)評(píng)價(jià)體系

為了評(píng)估智能照明控制系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有廠房?jī)?nèi)照明系統(tǒng)的節(jié)能貢獻(xiàn)，我們對(duì)采用和未采用智能照明控制系統(tǒng)的廠房能耗情況進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比的前提條件是兩種模式下都能夠提供相同的作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)照度，對(duì)比的范圍主要包括檢修車間、辦公區(qū)、倉(cāng)庫(kù)及更衣室、臨修庫(kù)、璇輪庫(kù)及其他一些零碎的場(chǎng)景。

在計(jì)算費(fèi)用時(shí)，我們綜合考慮電費(fèi)和智能照明控制系統(tǒng)的改造維護(hù)費(fèi)用，對(duì)傳統(tǒng)照明系統(tǒng)和智能照明系統(tǒng)的總擁有成本進(jìn)行對(duì)比，我們假設(shè)智能照明系統(tǒng)是在原有照明系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行加裝的，因此，兩套系統(tǒng)的燈具采購(gòu)、安裝、維護(hù)費(fèi)用相同，差異僅僅在智能照明控制系統(tǒng)的軟硬件成本及維護(hù)成本上。我們假設(shè)智能照明控制系統(tǒng)的使用年限為N年，則每年的折舊費(fèi)為X/N。另外，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用為Y。所以每年的費(fèi)用節(jié)省為Z（節(jié)省的電費(fèi)）-X/N-Y。

5.2 照明系統(tǒng)評(píng)價(jià)結(jié)果

表2 節(jié)能效率預(yù)計(jì)表

表3 節(jié)能量匯總

依據(jù)對(duì)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)不同區(qū)域的采光情況、燈具配置以及人員工作情況，預(yù)計(jì)采用改造后的智能照明控制系統(tǒng)的節(jié)能效率如表2、表3所示。

根據(jù)上表中的預(yù)計(jì)，現(xiàn)計(jì)算年照明用電量為672 144度電，項(xiàng)目改造后預(yù)計(jì)年照明用電量為161 623度電，年節(jié)電量約為51.05萬(wàn)度電，根據(jù)平均工業(yè)用電1.05元/度計(jì)算，年節(jié)電收益可達(dá)53.6萬(wàn)元。

盡管目前運(yùn)用所內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了如辦公照明LED化、生產(chǎn)照明LED試點(diǎn)、定時(shí)開關(guān)燈等節(jié)能措施，但由于目前大功耗燈具均未LED化，且在生產(chǎn)場(chǎng)景下仍存在“車在人不在”狀況下始終亮燈以及辦公場(chǎng)景下忘記關(guān)燈等無(wú)意識(shí)不可控浪費(fèi)，因此整體平均節(jié)能效率上仍可達(dá)到76%。

6 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景的照明情況和數(shù)據(jù)分析，充分考慮自然環(huán)境和人等因素，在策略上做進(jìn)一步的節(jié)能優(yōu)化是智能照明控制系統(tǒng)的一個(gè)重要節(jié)能方向。

節(jié)能環(huán)保是當(dāng)前社會(huì)發(fā)展的主題，是“建設(shè)節(jié)約型社會(huì)”、“創(chuàng)建綠色鐵路照明”的具體要求。鐵路作為交通運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈，鐵路維修廠房分布遍及全國(guó)各地，廠房?jī)?nèi)需要照明的場(chǎng)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(shù)，可以節(jié)約電能消耗，延長(zhǎng)照明光源及燈具的使用壽命，降低照明設(shè)施維護(hù)成本，以達(dá)到綠色、健康、人文的鐵路照明環(huán)境。