基于人工智能的高鐵站照明系統(tǒng)節(jié)能設計研究
——以六安鐵路工程為例

董 宇

中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070

0 引言

高鐵是一種現(xiàn)代、高效的交通運輸方式，憑借其便捷、安全的優(yōu)勢在現(xiàn)代交通領域應用廣泛。據(jù)統(tǒng)計，2019年初，我國高鐵的運營里程已經(jīng)超過2.9×105 km，占全球高速鐵路總里程的70%。高鐵站是高鐵運行控制的基本單元，其在結構建設的基礎上，配置了較多的照明單元。現(xiàn)階段，高鐵站的照明系統(tǒng)存在照明冗余的問題，這大大增加了高鐵站的照明能耗，對我國碳排放控制造成了較大影響。新時期，利用人工智能技術開展高鐵站照明系統(tǒng)的節(jié)能設計，能實現(xiàn)照明效果、高鐵站舒適度與節(jié)能環(huán)保的有機統(tǒng)一。

1 高鐵站照明系統(tǒng)現(xiàn)存問題

1.1 照明冗余問題突出

高鐵站運行服務過程中存在能耗嚴重的問題，空調、照明及電梯的能耗較高，占比達總能耗的85%～95%，其中照明能耗占高鐵站總能耗的10%～20%，這對我國的碳排量控制和經(jīng)濟、生態(tài)的可持續(xù)發(fā)展造成較大影響[1]。《建筑照明設計標準》（GB 50034—2013）對建筑物的照度提出了較高要求，要求在高鐵站照明系統(tǒng)設計中，按照差異化的要求進行建筑物各區(qū)域的照度設計。例如，售票大廳、有棚站臺的照度標準應分別為200 lx和75 lx。在高鐵站照明系統(tǒng)設計中，滿足照度標準要求是照明節(jié)能的前提。結合高鐵站照明設計實際可知，在照明系統(tǒng)初期設計階段就存在設計冗余的問題，在該設計模式下，即便沒有外界光照影響，高鐵站的照度也會超出基本的照度設計標準。

1.2 節(jié)能控制系統(tǒng)落后

為了滿足高鐵站照明系統(tǒng)運行需要和舒適度控制要求，高鐵站的照明系統(tǒng)長期處于滿負荷開啟狀態(tài)，全天候、滿負荷開啟照明設備會導致較大的能源損耗。事實上，在站臺、檢票口外，進站口、出站口等地，在白天會受到外界光源的影響，這些區(qū)域不開啟照明設備也能滿足照度控制要求。人工控制和獨立系統(tǒng)控制是過去高鐵站照明系統(tǒng)的重要控制方式，受列車始發(fā)信息、氣候、人員密度等因素的影響，高鐵站照明系統(tǒng)容易出現(xiàn)控制不及時的問題，這也會間接增加照明系統(tǒng)的能耗。有必要采用先進、適用的節(jié)能技術來降低照明系統(tǒng)的能耗，實現(xiàn)高鐵站照明與節(jié)能控制的統(tǒng)一[2]。

2 高鐵站照明系統(tǒng)節(jié)能設計方法

2.1 充分利用天然光源

在建筑物照度不足的情況下，可考慮使用照明電器補充照度。在此基礎上，科學合理地進行高鐵站照明系統(tǒng)的設計，并最大限度地使用自然光源，能大大減少高鐵站對常規(guī)照明設備的依賴性，減少高鐵站的照明能耗，達到照明節(jié)能的目的?，F(xiàn)階段，依托天然光源實施高鐵站照明的辦法有兩種：一是基于現(xiàn)代技術手段，最大限度地擴大自然光源在高鐵站的使用區(qū)域；二是注重特殊材料的使用，如使用導光以及光源反射類材料，這類材料能有效提高高鐵站內(nèi)部的自然光源效果，滿足高鐵站內(nèi)部照度控制需要。

2.2 使用高效照明設備及附件

照明設備及附件的選擇對于高鐵站的照明效果和節(jié)能控制效果具有較大影響。新時期，基于高鐵站照明系統(tǒng)節(jié)能控制需要，在照明設備及附件選擇中應注重其節(jié)能降耗效果。目前，高鐵站高效節(jié)能照明設備及附件的類型較多，除節(jié)能燈具、鎮(zhèn)流器外，變壓器也是高鐵站高效照明設備的重要組成部分。LED燈具是高鐵站最常用的節(jié)能燈具；鎮(zhèn)流器能通過降低燈具使用功率來提升電能的使用效率，達到照明節(jié)能目的；在變壓器選擇中，應在考慮供電電壓的基礎上，選擇較合適的電壓控制參數(shù)，這樣既能保證變壓器的穩(wěn)定運行，又能實現(xiàn)高鐵站照明系統(tǒng)的節(jié)能控制，整體效益突出[3]。

2.3 使用人工智能節(jié)能技術

傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)采用人工控制的方式管理，照明控制不及時，容易引起電能損耗問題。在信息時代，照明系統(tǒng)已經(jīng)朝著智能化控制的方向轉變，使用智能技術，系統(tǒng)可根據(jù)時間自動控制照明系統(tǒng)的啟停。應用人工智能技術可提升照明控制的智能化程度。結合人工智能節(jié)能技術的應用實際可知，在該技術的應用初期，設計人員需系統(tǒng)地定義照明啟停的規(guī)則；然后在考慮列車發(fā)車信息、人流密度等因素的基礎上，準確控制氣候、照度值等參數(shù)；隨后在人工智能技術的作用下，計算系統(tǒng)中的參數(shù)，以此完成照明啟停、調光的系統(tǒng)控制，達到照明節(jié)能的目的[4]。

3 基于人工智能的高鐵站照明系統(tǒng)節(jié)能設計實例

3.1 項目概況

六安鐵路工程全長169.8 km，全線臨時施工供電點達70處，臨時施工用電負荷分布在車站、區(qū)間及隧道等區(qū)域。項目建設初期，設計人員調查了永久工程外電源引接點及線路路徑、車站位置、臨時工點位置，獲取了各臨時工點的用電量、電源引接容量、車站負荷等信息，并以此為基礎進行供電設計。在項目供電建設中，全線新建3座10 kV車站配電所，要求提前建設外部電源線，通過外部電源線為車站及車站附近的臨時施工點供電。施工結束后，外接電源線接入配電所，在車站附近新建電纜接頭箱，便于后期接入配電所。在照明系統(tǒng)節(jié)能控制中，設計人員結合使用人工智能技術和節(jié)能控制技術，實現(xiàn)高鐵站照明系統(tǒng)的自動、實時啟停與調光控制，有效滿足了高鐵站照明系統(tǒng)的節(jié)能控制需要。

3.2 照明系統(tǒng)節(jié)能設計目標

在項目照明系統(tǒng)節(jié)能控制中，系統(tǒng)使用人工智能技術控制照明參數(shù)，由現(xiàn)場光照度傳感器收集主要數(shù)據(jù)。在該控制模式下，需要通過選擇、控制照明回路，在滿足高鐵站照度控制要求的基礎上，減少照明冗余，降低照明系統(tǒng)運行能耗。該照明節(jié)能項目位于高鐵站，基于人工智能技術進行照明系統(tǒng)節(jié)能設計時，項目建設者需要考慮照明系統(tǒng)的安全性、舒適性，要求實現(xiàn)安全性、舒適性與照明節(jié)能目標的有機統(tǒng)一[5]。

3.3 照明系統(tǒng)節(jié)能設計的具體內(nèi)容

項目設計人員需要先建立照明系統(tǒng)節(jié)能控制模型，然后依托模型進行照明系統(tǒng)節(jié)能設計。

3.3.1 建立照明系統(tǒng)節(jié)能控制模型

設計人員要在分析照明管控區(qū)域的基礎上，設計符合實際情況的電子地圖，結合實際情況布置照明設備、照度傳感器等，保證模型與實際場景的一致性。設計人員要在沒有外界光照的環(huán)境條件下，測試并記錄所有燈具開啟方案對應的光照度，建立符合實際情況的數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫不僅包含照度傳感器信息、照度值情況，照度傳感器與燈具的距離、燈具安裝方式等信息，燈具的照射范圍、照度和距離的衰減值等都是信息數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容。在建立高鐵站光照度模型后，設計人員應按照能耗等級對所有實驗數(shù)據(jù)進行價值排序，在系統(tǒng)上線前，實測模擬數(shù)據(jù)，并結合實際場景所測信息修訂模擬數(shù)據(jù)，實現(xiàn)價值排序的有效更新。

3.3.2 依托模型進行照明系統(tǒng)節(jié)能設計

依托模型進行照明系統(tǒng)節(jié)能設計時，設計人員應先結合高鐵站各區(qū)域空間的特性，制定對應的節(jié)能控制目標。（1）單燈控制、回路控制等區(qū)域。若這些區(qū)域的燈光可調節(jié)，設計人員需根據(jù)區(qū)域照度要求，設計可以自動啟動及調節(jié)照度的控制單元。當空間面積、列車信息、人流等工況發(fā)生變化時，控制系統(tǒng)可在保證照度、舒適度的情況下進行照明系統(tǒng)啟停和調光控制，能在同等工況下實現(xiàn)照明能耗的最優(yōu)控制。若這些區(qū)域的燈光不可調節(jié)，設計人員可以采用可以自主學習系統(tǒng)回路控制習慣的智慧化照明節(jié)能控制方式，這樣能自動、靈活地完成照明回路的組合控制，達到照明節(jié)能的目的。（2）辦公室、母嬰室、會議室等區(qū)域。這些區(qū)域的人員流動效率較低，對于照明要求較高。因此，在照明系統(tǒng)節(jié)能控制中，應配合使用人員自控的方式進行照明設備的啟停干預，以滿足實際應用需要。（3）高鐵站走廊、樓梯等公共區(qū)域。這些區(qū)域可以使用照明自控系統(tǒng)。在紅外線感應技術的作用下，照明自控系統(tǒng)能按照“人來即開、人走即滅”的模式進行照明控制，實現(xiàn)高鐵站照明控制與節(jié)能效果的統(tǒng)一。

對照度調節(jié)及自動執(zhí)行控制過程進行控制時，應注重以下內(nèi)容：在利用人工智能技術對高鐵站照明系統(tǒng)實施控制管理時，要在光照度傳感器的作用下，實測照度當前值與目標值之間的差異幅度，以此為依據(jù)進行照明設備開啟和亮度的調節(jié)。在此過程中，所建設的智能化照明節(jié)能控制系統(tǒng)需要具有相應的學習功能，能在首次控制的基礎上，記錄當前照度條件下的燈具開啟方案，后續(xù)遇到同樣情況時，可自動化、智慧化地完成燈具開啟控制，并確保該控制方式下高鐵站照明系統(tǒng)的能耗最低。

在照度控制中，可以按照始發(fā)、到站的情境進行具體照度管理。在高鐵始發(fā)過程中，要求在檢票前15 min開啟檢票區(qū)至站臺區(qū)的所有照明設備，這些設備照度應達到100%；列車出站15 min后，按照50%照度的標準調節(jié)相關區(qū)域的照明設備亮度；在列車到站時，從到站前15 min開始，按照100%的照度標準控制站臺至出站廳、換乘區(qū)的照明設備，列車到站15 min后，將這些區(qū)域照明設備的照度控制在50%[6]。

3.4 照明系統(tǒng)節(jié)能設計效果評價

結合工程項目照明系統(tǒng)節(jié)能控制效果來看，基于人工智能技術設計的照明節(jié)能控制系統(tǒng)應用效果良好。

在使用人工智能技術后，可按建筑功能，結合照明回路部署進行照明分區(qū)。在人工智能仿真式自學習技術的支撐下，設計人員可系統(tǒng)化地構建高鐵站照明系統(tǒng)的仿真模型，然后在該模型的支撐下，分析回路開關、照度值、能耗情況的數(shù)據(jù)，最終通過現(xiàn)場照度傳感器采集的實際照度數(shù)據(jù)與目標照度數(shù)據(jù)的比較，完成高鐵站照明系統(tǒng)的自動化控制管理[7]。人工智能技術的使用，有效提高了高鐵站照明系統(tǒng)控制的自動化程度，提升了照明系統(tǒng)節(jié)能控制的整體效果[8]。

基于人工智能技術進行高鐵站照明控制后，該項目的照明系統(tǒng)控制單元能在考慮列車發(fā)車信息、人流密度、氣候、照度值等信息的基礎上，自動化地完成啟停與調光控制。并且考慮了人員流動效率較低的區(qū)域的照明控制情況，在人工智能控制的基礎上，配合人工控制手段進行照明系統(tǒng)管理，有效提升了照明系統(tǒng)控制的效率性。根據(jù)照明日節(jié)能效益等于額定日耗電基數(shù)與實際日耗電量的差值的原理，分區(qū)域、分時段進行照明系統(tǒng)節(jié)能控制，能有效減少全天候、滿負荷工作狀態(tài)下不必要的能耗損失，提升照明系統(tǒng)節(jié)能控制效果。

4 結束語

開展高鐵站照明系統(tǒng)節(jié)能設計是高鐵運輸行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在需求?；诂F(xiàn)代工程建設管理需要，在高鐵站照明節(jié)能設計的基礎上，系統(tǒng)化地使用人工智能技術，能充分保證照明系統(tǒng)控制的科學性、合理性和高效性。高鐵站工程的建設人員只有深刻認識到人工智能技術與照明系統(tǒng)節(jié)能技術結合應用的重要性，在考慮項目建設實際情況的基礎上，結合空間面積、列車信息、人流密度、氣候、照度值等因素進行智慧照明節(jié)能系統(tǒng)的深層次設計，才能有效提升照明系統(tǒng)節(jié)能設計及應用水平，在滿足高鐵站照度控制需要的同時，減少高鐵站照明能耗，進而實現(xiàn)高鐵站照明控制與節(jié)能控制的有機統(tǒng)一，推動高鐵站照明建設工程的有序發(fā)展。