深圳地铁 3 号线车辆客室照明智能感光改造探讨

周拯民，陈富东

（深圳市地铁集团有限公司运营总部，广东深圳 518040）

0 前言

深圳地铁 3 号线分地下段与高架段，高架段占全程线路的 51.6%。列车运行高架线路区间自然阳光充裕，外界光照基本可以满足客室光照强度要求，但原照明系统始终保持恒功率输出，造成资源浪费。为此，在高架线路区段应用智能感光照明系统，既可调节功率的低输出，又可保证客室照明总亮度处于恒定要求值。

1 现有客室照明介绍

深圳地铁 3 号线客室照明有 2 条主照明电路（交流回路 1、交流回路 2）和 1 条紧急照明电路。各条照明电路均采用恒压控制、恒定功率输出方式。

照明系统采用的节能方式为人工手动调节方式，即每日 17 : 30 前，客室照明开关打至“节能”位，只开启交流回路 1（AC220V）及紧急照明回路（DC110V）照明；17 : 30 分之后，客室照明开关打至“全开”位，将另一个交流回路 2（AC220V）照明打开，此时客室照明LED 灯全部点亮。“节能”位和“全开”位时的客室照明效果如图1所示。

图1 客室照明效果图

2 现有客室照明存在的问题

3 号线路段有一半是高架段，外界光照充沛，由于外界光照的补偿，无需照明恒功率输出。现有照明每天长达 16 h 以上连续亮灯，灯具功耗增加，造成电源模块故障率攀升，光源模块光衰严重，灯具的过输出造成资源的浪费。

节能方式为人工手动按固定时间点进行操作，这种调节模式一方面司乘人员容易忘记，另一方面不能按客室照度的实际情况来调节，无法保证客室照度环境的舒适性。

交流回路 1 照明及紧急照明 LED 灯，每天工作时间比交流回路 2 照明 LED 灯长 2 倍左右。由于 LED 灯光随着时间推移衰减，交流回路 1 及紧急照明 LED 灯比交流回路 2 明显偏暗，不利于客室照明的美观及维护。节能与舒适性要求，引入智能感光技术。智能感光照明系统可根据客室的光照强度，调节电源模块功率的低输出，在各功率输出条件下，所有光源板件都保持点亮，这种调节方式既保证客室照明始终处于恒定要求照度值，又使光照强度均匀统一，不会因为“明暗相间”的照明亮度形式影响乘客的视觉舒适性。

3 LED 智能感光照明方案

LED 智能感光照明需将原有光源模块、电源模块更换为恒压控制模式的灯具组件，改进的电源模块、光源模块均按原有安装位置进行安装，同时新增照度感光器、自动控制器。照度感光器内嵌在照明自动控制器上，安装于每节车厢两侧灯带的端部灯罩内，客室一位端及二位端各一个，分别控制每节车厢内两侧 LED灯带。

客室照明供电线路与原有一致，分主照明电路（供电电压为 AC220V）和紧急照明电路（供电电压为 DC110V）；照明控制开关从原有三档位设计改为两档位，即“OFF”和“ON”位，无需“节能”档位的设计。

控制方式调整为感光智能调节，照度感光器不断采集车厢内的照度数据并和自动控制器的设定值进行比较，将比较后的脉宽信号输送给 LED 驱动电源，自动调整照明系统光（功率）输出，使车厢内的照度维持在恒定的照度范围内。图2 是光控原理图，当照明开关处于“ON”位时，客室照明光源板件全部点亮，且根据外界的光照补偿，由 LED 驱动电源输出不同的功率值，统一调节光源板的照度值。

从感光器侦测到客室光照强度，自动控制器输出脉宽信号， LED 驱动电源功率输出，到光源模块照度值变化，这一智能调光过程的时间设置为 1 s。如当列车由地面转入地下或由地下转入地面导致客室内光照强度变化时，照度感应器可检测到客室内照度变化，在 1 s 内自动调节客室内部照度，使车厢照度达到设定值。

深圳地铁 3 号线高架区间有外界日光补偿光照，为满足

4 智能感光照明改造的实施

4.1 组装阶段

拆除原有的光源模块和电源模块，安装新型的光源模块、电源模块、智能感光控制器。对每盏灯具进行通电测试，确保灯具点亮正常。测试感光控制器和灯具电源模块通信状态。将调试好的灯具进行安装，安装完毕后进行通电调光测试，测试灯具发光是否均匀以及感光系统是否满足无极调光的工作要求。调试灯具正常后，恢复安装照明灯具的其他部件。

4.2 调试阶段

灯具装车完毕后在库内试车线试验调光，用照度仪测试客室光照强度，同时调节智能感光控制器的输入值（有照度感光器照度调节按钮和红外线远程遥控 2 种设置输入方式），确保客室内距离地板面 800 mm 处照度不低于 300 Lux（见 GB/T 7928-2003《地铁车辆通用技术条件》规定）。改造后灯具组成见图3。

图2 智能调光控制原理图

5 改造后的智能感光控制系统工作模式

5.1 正常模式

在照明系统智能感光控制器调节组件无故障时，客室照明系统进入正常工作模式，根据采集外界光照的不同，调节电源模块功率的输出，从而改变光源模块的光照亮度，使客室光照强度处于恒定值。

图3 改造后灯具组成图

5.2 故障模式

当智能调光控制器或光照采集线路出现故障时，智能调光控制器自动禁用感光功能，各 LED 驱动电源模块全功率输出，光源模块保持在最大亮度值。

5.3 紧急照明模式

在紧急照明模式下，智能感光器无电压输入，停止工作，紧急照明线路电源模块无法接收到调光信号，均按最大功率进行输出，保证门区位置紧急照明电路在距地板面 1 m 位置光照强度大于 30 Lux。

6 应用情况

6.1 客室照度

改造后列车客室照明距地板面 800 mm 处满足照度大于 300 Lux 的要求，在外界阳光充足的情况下，正线个别区段（除地下段）客室内照度能达 400 Lux 以上。在灯带全功率工作的情况下，随机抽取一灯罩处测得的照度为 9 500 Lux，地下站时同一位置照度为5 500 Lux，高架段时为 3 500 Lux，智能调光功能正常。

6.2 节能效果

在改造后的列车和未经改造的列车电气柜内安装电能表，用于测量智能感光系统实际节省电量。根据统计值，改造前每列车平均功率为 5.6 kW，改造后每列车平均功率为 2.2 kW，以每列车每天工作17 h（6 : 30—23 : 30）、一年 365 天计算，电客车客室照明系统智能感光改造后每列车每年可节能：（5.6-2.2）×17×365 = 21 097 kW · h，即改造后每列车每年可节约2.1 万度电。

6.3 维护费用

改造前 LED 光源模块寿命约为 30 000 h（运营 5年），电源模块约为 5 0 000 h（运营 7 年）；电源模块故障率为 3.6%，电源模块故障率为 1.7%；一列车光源模块 1 350 个，电源模块 280个；光源与电源模块维护单价分别为 360 元、310 元。一个寿命周期的维护费用为：1 350×3.6%×360 + 280×1.7%×310 = 18 971.6 元。改造后，电源和光源模块不存在过输出情况，使用寿命延长，具体节省费用需要后期进行统计。

6.4 照度调节时间

改造后列车运行时在不同的光照强度下，均能保持恒定照度，客室照明强度均匀统一。在列车进入隧道和驶出隧道时地铁的运行速度一般在 70～89 km/h，进出隧道 1 s 左右，灯具在 1 s 时间内全亮，使车厢内照度达到设定值。同时隧道口的光亮是渐变的，在进出隧道时就弥补了车厢内的照度跟外部的变化，使车厢内的照度变化很小，给予乘客温和舒适的过渡。

6.5 节能控制方式

客室照明采用智能感光技术后，列车在外部光照强度充足的环境下，无需通过手动调节照明开关至“节能”位来达到节能的目的，减少了司机根据不同时间段转换照明模式的作业。

6.6 光源衰减后的亮度调节

列车正线运营时，客室 3 条照明电路在正常情况下始终处于同时工作的状态，各光源模块工作点亮时间一致，其 LED 灯珠衰减速率同步。随着使用时间的推移，各光源模块的照度不会出现明显的差别。在光源模块的寿命期内，LED灯珠发生衰减，照度降低时，均可通过电源模块调高输出功率，保证客室光照强度。

7 结语

深圳地铁 3 号线车辆进行客室照明智能感光改造后，客室照明的光照强度始终均匀统一。电源模块的低功率输出不仅达到了节能的目的，同时延长了照明灯具元器件的寿命，从而产生可观的经济效益。后期在列车大修期，可推广应用客室照明智能感光技术。