基于人工智能的高鐵站照明系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)研究

張桂平，董建林，秦俊非，李文友

（中國(guó)鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100043）

0 引言

隨著出行需求的增加，高鐵因其便利性、安全性，越來越多人選擇高鐵出行。截止到2018年底，中國(guó)高鐵的運(yùn)營(yíng)里程超過29萬公里，占全世界高速鐵路總里程的70%[1]。隨著高速鐵路的發(fā)展，其配套的高鐵站房的數(shù)量也出現(xiàn)了快速增長(zhǎng)，這就給中國(guó)的碳排放控制帶來了新的挑戰(zhàn)[2]。作為高鐵系統(tǒng)的能耗大戶，如果在高鐵站房中實(shí)現(xiàn)有效節(jié)能，就會(huì)大大減輕能源供給的壓力，有效地降低碳排放，積極響應(yīng)雙碳戰(zhàn)略。如何在滿足舒適度的基礎(chǔ)上，減少高鐵站房的冗余照明，降低照明能耗，是高鐵站房節(jié)能的主要方向之一。

1 高鐵站房照明系統(tǒng)控制現(xiàn)狀

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，空調(diào)、照明及電梯三部分的能耗在高鐵站站房總能耗中占比最高，達(dá)85%～95%[3]，其中，大部分已運(yùn)營(yíng)高鐵站的照明能耗占總能耗的比重在10%～20%之間[4]。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB 50034-2013《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》里的照度要求，高鐵站房?jī)?nèi)不同區(qū)域的基本照度要求存在差異，如售票大廳的照度標(biāo)準(zhǔn)值為200Lx，而有棚站臺(tái)的照度標(biāo)準(zhǔn)值為75Lx，滿足照度標(biāo)準(zhǔn)要求是照明節(jié)能的基本前提。一般情況下，高鐵車站照明在設(shè)計(jì)階段即存在較高的設(shè)計(jì)冗余，在無外界光照度影響的情況下均能滿足并超出光照度標(biāo)準(zhǔn)。

在車站運(yùn)營(yíng)期內(nèi)，為了滿足舒適度及安全運(yùn)行需求，部分區(qū)域的照明設(shè)備全天候處于滿負(fù)荷開啟狀態(tài)，如站臺(tái)、檢票口、進(jìn)站口、出站口等區(qū)域，而這些區(qū)域大部分在白天都會(huì)受外界自然光照度影響，實(shí)際在開啟部分照明設(shè)備的條件下即可滿足區(qū)域光照度的要求。此外，大部分的高鐵站房照明設(shè)備由人工控制或者獨(dú)立系統(tǒng)控制，尚未實(shí)現(xiàn)集成及智能控制，運(yùn)維人員按照內(nèi)部管理制度結(jié)合列車出發(fā)站、氣候、車站人員密度等情況進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整，無法及時(shí)調(diào)節(jié)等因素也造成了一部分不必要的照明能耗浪費(fèi)。

2 照明節(jié)能技術(shù)現(xiàn)狀

近幾年也有不少學(xué)者在照明節(jié)能方面開始探索。王曉健、韓博文、李高梅在2019年發(fā)表了《基于視覺舒適度的線側(cè)式高鐵站候車廳照明節(jié)能研究》，將舒適度指標(biāo)進(jìn)行了量化，基于舒適度要求對(duì)高鐵站候車廳的照明節(jié)能提出指導(dǎo)意見[5]；2020年殷小石在《建筑電氣設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)措施淺析》中對(duì)現(xiàn)階段的節(jié)能技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了分析[6]；陳小林在2021年發(fā)表了《建筑電氣照明系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)要點(diǎn)分析》從優(yōu)化設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，通過強(qiáng)化照明設(shè)計(jì)來增強(qiáng)節(jié)能效果[7]。目前，主要的照明節(jié)能技術(shù)包括以下幾種[8]：

1）建筑設(shè)計(jì)時(shí)充分利用天然光源

由于照明電器的使用，是在照度不足的情況下作為照度補(bǔ)充。因此，如果可以最大化利用自然光源，提高自然光使用率，那么，就可以在滿足目標(biāo)區(qū)域光照度的前提下減少照明電器的使用，從而降低了照明能耗，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。因此，在設(shè)計(jì)之初，可以通過技術(shù)手段，盡可能地在整個(gè)建筑體中的使用區(qū)域提高自然光源的使用。此外，也可以通過特殊材料如透光、導(dǎo)光以及光源反射的方式提高建筑體內(nèi)部的自然光源效果。

2）選擇高效的照明設(shè)備及附件

使用節(jié)能的照明是降低照明能耗最有效的方式之一，設(shè)備高效的照明設(shè)備及附件包括節(jié)能燈具、鎮(zhèn)流器、變壓器的使用。當(dāng)前階段，節(jié)能燈具主要就是LED燈具，而鎮(zhèn)流器的使用可以提高電能的使用效率，降低燈具本身的使用功率從而達(dá)到節(jié)能效果。變壓器的選擇要根據(jù)供電電壓選擇適合的并設(shè)置合理的電壓參數(shù)，以達(dá)到節(jié)能控制。

3）使用人工智能照明節(jié)能技術(shù)進(jìn)行科學(xué)管控

在信息技術(shù)快速發(fā)展的情況下，照明控制已逐步由人工控制轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)控制。系統(tǒng)控制除了實(shí)現(xiàn)根據(jù)時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行照明的啟停，還可以利用人工智能技術(shù)來進(jìn)行照明的智能控制。在系統(tǒng)中定義照明啟停的規(guī)則，系統(tǒng)可根據(jù)獲取到列車發(fā)車信息、人流密度、氣候、照度值，人工智能對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，并執(zhí)行照明啟停、調(diào)光方案，從而達(dá)到節(jié)能的效果。照明的智能控制，還可以根據(jù)區(qū)域的使用需求進(jìn)行亮度、顏色的控制。

3 人工智能技術(shù)在某高鐵站照明系統(tǒng)節(jié)能控制方面的應(yīng)用

3.1 某高鐵站照明智能控制系統(tǒng)概述

3.1.1 照明系統(tǒng)現(xiàn)狀

目前在某高鐵站使用LED節(jié)能照明設(shè)備，并針對(duì)不同區(qū)域采用不同的照明回路設(shè)計(jì)方案，并配備照明控制系統(tǒng)。該高鐵站建筑體基本都采用玻璃外墻，因此，在照明節(jié)能控制上具備節(jié)能空間及實(shí)現(xiàn)控制的基礎(chǔ)條件。

3.1.2 系統(tǒng)目標(biāo)

在該高鐵站部署了當(dāng)前最先進(jìn)的照明智能控制系統(tǒng)，系統(tǒng)基于人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)及知識(shí)圖譜2.0技術(shù)，通過照明系統(tǒng)的智能控制來減少照明冗余，降低照明能耗。照明智能控制系統(tǒng)確保在滿足不同區(qū)域光照度要求的前提下，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)光照度傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)照明回路進(jìn)行智慧化選擇及控制，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化，最終達(dá)到減少照明系統(tǒng)能耗的目的。即，在確保光照度達(dá)標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)照明舒適及節(jié)能，包括：

1）安全性：確保目標(biāo)區(qū)域光照度達(dá)標(biāo)；

2）舒適度：在光照度達(dá)標(biāo)的基礎(chǔ)上，確保UGR(炫光)、色溫（U0）及顯色度（Ra）達(dá)標(biāo)，從而確保舒適的亮度分布及燈光顏色品質(zhì)，避免炫光及區(qū)域陰影等；

3）節(jié)能：在確保安全性及舒適度的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最節(jié)能的照明調(diào)節(jié)。

3.1.3 控制區(qū)域

本次照明系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化主要針對(duì)有旅客滯留的超大空間，控制區(qū)域主要包括：

1）國(guó)鐵站房：首層24個(gè)空間，夾層18個(gè)空間，站臺(tái)層17個(gè)空間及高架層13個(gè)空間；

2）站房輔樓：西北側(cè)地面層5個(gè)空間，西北側(cè)夾層2個(gè)空間；西南側(cè)地面層3個(gè)空間，西南側(cè)夾層3個(gè)；東南側(cè)地面層3個(gè)空間；東北側(cè)地面層7個(gè)空間。

3.2 照明智能控制系統(tǒng)節(jié)能原理

照明智能控制系統(tǒng)技術(shù)原理：在合理區(qū)間內(nèi)窮舉生成基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)和操作數(shù)據(jù)，通過映射關(guān)系或者關(guān)聯(lián)關(guān)系計(jì)算評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，如果符合約束條件，且評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)比記錄中同一基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)下其它操作數(shù)據(jù)的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)較優(yōu)，產(chǎn)生新操作行為記錄；重復(fù)仿真，直到退出條件成立。

照明智能控制系統(tǒng)技術(shù)思路：

1）系統(tǒng)上線前模型建立：

（1）將照明管控區(qū)域的可控制的照明設(shè)備、照度傳感器在電子地圖上依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行位置的布置。需確保模型和實(shí)際場(chǎng)景的一致性。

圖1 照明設(shè)備及傳感器在站房的布置簡(jiǎn)示圖

（2）針對(duì)沒有外界光照度影響下，針對(duì)所有燈具開啟方案對(duì)應(yīng)的光照度進(jìn)行測(cè)試并記錄，建立仿真環(huán)境下的全數(shù)據(jù)模型。

圖2 A-1-2燈具開啟模擬示意圖

例如，在A-1-2燈具開啟時(shí)，可獲取如下信息：

①各個(gè)照度傳感器的值。

②各區(qū)域的照度值提升值。

③通過電子地圖獲取照度傳感器與所開燈具的距離，間接獲取距離燈具同等位置區(qū)域的照度。

④通過不同照明燈具的安裝方式、照明范圍、照度和距離的衰減值，模擬計(jì)算出各區(qū)域的照度值。

（3）通過步驟b的方式，獲取所有燈具開啟方案對(duì)應(yīng)的光照度模型，最后生成所有照明設(shè)備全數(shù)據(jù)/全機(jī)理/全狀態(tài)模型，并對(duì)全實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按照能耗等級(jí)進(jìn)行價(jià)值排序。

圖3 燈具配光示意圖

圖4 不同投射距離下的照射區(qū)域及區(qū)域內(nèi)平均照度示意圖

（4）在系統(tǒng)上線之前，到實(shí)際場(chǎng)景對(duì)之前模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模擬的數(shù)據(jù)進(jìn)行修訂，并更新價(jià)值排序。

2）在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中：

（1）考慮安全及舒適的前提下，針對(duì)不同的區(qū)域，在系統(tǒng)中設(shè)置不同區(qū)域的照度目標(biāo)；根據(jù)實(shí)際照度當(dāng)前值與目標(biāo)值之間的差異幅度，依據(jù)仿真環(huán)境下的全數(shù)據(jù)模型，選擇最節(jié)能的燈具開啟方案。

（2）通過傳感器數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)修正，在全數(shù)據(jù)模型中推送能耗值最優(yōu)的執(zhí)行方案。并結(jié)合試探式調(diào)節(jié)，不斷尋找更優(yōu)化的節(jié)能方案。

（3）系統(tǒng)具備記錄及學(xué)習(xí)功能，能夠記錄當(dāng)前照度條件下為達(dá)到目標(biāo)照度的最終燈具開啟方案，下次再出現(xiàn)同樣的情況需要調(diào)節(jié)時(shí)，直接選擇最節(jié)能的方案開啟。

3.3 照明智能控制系統(tǒng)具體控制策略

1）針對(duì)國(guó)鐵站房的不同區(qū)域特性，確定不同的照明控制方式：

（續(xù)）

圖5 燈具開啟方案統(tǒng)計(jì)圖

2）根據(jù)設(shè)計(jì)文件、設(shè)計(jì)圖紙等信息，結(jié)合國(guó)標(biāo)GB50034—2013《建筑照明設(shè)計(jì)要求》的要求，考慮安全及舒適的前提下，針對(duì)不同的區(qū)域，在系統(tǒng)中設(shè)置不同區(qū)域的照度目標(biāo)；同時(shí)，基于節(jié)能的考慮，在人員較少的時(shí)段實(shí)現(xiàn)階梯式照度目標(biāo)或進(jìn)行不同回路比例的啟停。

3）照度智能調(diào)節(jié)及自動(dòng)執(zhí)行

（1）基于區(qū)域光照度目標(biāo)值標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合照度傳感器反饋的當(dāng)前區(qū)域照度值以及當(dāng)前區(qū)域可實(shí)現(xiàn)的燈具控制模式，在現(xiàn)有照明開啟條件下利用照明智能控制系統(tǒng)進(jìn)行燈具啟?；蚧芈愤x擇操作。根據(jù)光照度傳感器實(shí)測(cè)照度當(dāng)前值與目標(biāo)值之間的差異幅度，決定每次啟停燈具/回路的數(shù)量，通過照明智能控制系統(tǒng)進(jìn)行下探式調(diào)節(jié)，直至照度大于且最接近目標(biāo)值即停止調(diào)節(jié)。

照明智能控制系統(tǒng)具備記錄及學(xué)習(xí)功能，能夠記錄當(dāng)前照度條件下為達(dá)到目標(biāo)照度的最終燈具開啟方案，下次再出現(xiàn)同樣的情況需要調(diào)節(jié)時(shí)，無需再進(jìn)行下探，直接開啟到能達(dá)到目標(biāo)值且能耗最低的選擇方案。

（2）車控序列控制方案（站臺(tái)及相關(guān)區(qū)域）

列車始發(fā)：在檢票前15分鐘開啟檢票區(qū)至站臺(tái)區(qū)整個(gè)區(qū)域的照明至100%照度要求。列車出站后15分鐘執(zhí)行50%照度要求。

到站策略：列車到站前15分鐘開啟站臺(tái)至出站廳、換乘區(qū)整個(gè)區(qū)域的照明至100%照度要求。終點(diǎn)列車，在列車到站15分鐘過后執(zhí)行50%照度要求。

3.4 具體應(yīng)用效果

1）控制模式

以該高鐵站候車大廳為例，在系統(tǒng)中設(shè)置候車大廳區(qū)域的光照度標(biāo)準(zhǔn)，照明智能控制系統(tǒng)在滿足光照度的前提下，根據(jù)照度傳感器反饋值自動(dòng)進(jìn)行回路控制，包括1/2回路開關(guān)、1/4回路開關(guān)和全回路開關(guān)控制，或進(jìn)行調(diào)光。系統(tǒng)記錄操作方案，通過數(shù)據(jù)積累，查找出最優(yōu)能耗下的操作記錄。智能控制系統(tǒng)的回路選擇對(duì)光照均勻度有影響，系統(tǒng)選擇操作方案時(shí)會(huì)自動(dòng)考慮相鄰區(qū)域不產(chǎn)生過大照度變化的影響，充分考慮候車大廳旅客的舒適度。對(duì)燈具的啟?；蚧芈房刂仆ㄟ^電子地圖綁點(diǎn)的控制器進(jìn)行控制。

候車大廳的照明控制模式包括：（1）手動(dòng)模式；（2）管控平臺(tái)控制模式：即由上層車站管控平臺(tái)下達(dá)照明控制指令；（3）照明運(yùn)行優(yōu)化智能控制模式：即AI控制模式?？刂茩?quán)限的優(yōu)先級(jí)為：手動(dòng)模式＞管控平臺(tái)控制模式＞AI控制模式。

2）接口協(xié)議

照明智能控制系統(tǒng)通過ModbusTCP協(xié)議與照明控制系統(tǒng)對(duì)接，對(duì)接點(diǎn)位包括：開關(guān)狀態(tài)（開、關(guān)）、設(shè)備開關(guān)控制、報(bào)警狀態(tài)（正常、報(bào)警）、故障信息、手自動(dòng)狀態(tài)（手動(dòng)、自動(dòng)）、電流值、開關(guān)延時(shí)控制、亮度調(diào)節(jié)控制等。

3）系統(tǒng)界面

照明區(qū)域劃分按建筑功能結(jié)合照明回路部署進(jìn)行合理劃分分區(qū)，如候車廳按照檢票候車區(qū)進(jìn)行劃分。在照明控制區(qū)域劃分后，系統(tǒng)基于仿真式自學(xué)習(xí)技術(shù)通過仿真模擬所有區(qū)域的所有回路開關(guān)、其照度值、能耗情況，形成全數(shù)據(jù)模型。在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)基于目標(biāo)值的設(shè)定，通過現(xiàn)場(chǎng)照度傳感器采集的實(shí)際照度數(shù)據(jù)與目標(biāo)照度數(shù)據(jù)的比差，自動(dòng)選擇滿足照度要求且能耗最優(yōu)的操作方案下發(fā)執(zhí)行。

在實(shí)際調(diào)節(jié)過程中，系統(tǒng)自動(dòng)記錄每次操作日志，并在此基礎(chǔ)上對(duì)仿真模擬的全數(shù)據(jù)模型進(jìn)行自動(dòng)校正和優(yōu)化，更新操作方案知識(shí)庫(kù)。

4）效果驗(yàn)證

（1）計(jì)算公式：

照明日節(jié)能效益=額定日耗電基數(shù)-實(shí)際日耗電量

額定日耗電基數(shù)：相應(yīng)照明能源分項(xiàng)的負(fù)載全部開啟的日耗電量。

實(shí)際日耗電量：取相應(yīng)照明能源分項(xiàng)的表計(jì)實(shí)際讀數(shù)。

（2）驗(yàn)證數(shù)據(jù)

圖6 不同控制模式下電量對(duì)比圖

通過在該高鐵站上線照明智能控制系統(tǒng)，僅一個(gè)月的時(shí)間，高鐵站房在照明系統(tǒng)方面共節(jié)電8931.78kWh，節(jié)能率達(dá)到12%，減少二氧化碳排放8904.98kg。

4 結(jié)語

本文提出的基于人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)+知識(shí)圖譜2.0技術(shù)的照明智能控制系統(tǒng)，不依賴歷史知識(shí)和在線訓(xùn)練，可解決學(xué)習(xí)樣本少的問題，可靠度得到提高；可解決機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)周期長(zhǎng)的問題，降低在線訓(xùn)練的時(shí)間成本；且該智能控制系統(tǒng)可直接推出訓(xùn)練完備的系統(tǒng)，建立工況全覆蓋、目標(biāo)最優(yōu)化的操作經(jīng)驗(yàn)庫(kù)，上線即可使用。

系統(tǒng)在該高鐵站的上線，以實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)論證了該技術(shù)在照明系統(tǒng)節(jié)能上的可行性，為今后人工智能技術(shù)在高鐵站照明節(jié)能方面提供參考。本文的研究思路還可以應(yīng)用于其他類型建筑空間的照明優(yōu)化策略，具備較好的通用性，均可取得較為可觀的節(jié)能效益。