智能照明系统在动车检修车间中的应用

张永敬 中国铁路上海局集团有限公司上海动车段

1 概述

随着我国高速铁路的快速建设，线上运行的动车组数量不断增加，动车组检修作业任务量不断增多，动车段所以及检修厂房的规模不断增大。在进行大规模厂房建设过程中，照明控制及节能降耗问题逐渐凸显，成为动车检修厂房建设过程中的一个突出问题。

同时，随着照明灯具及其控制技术的快速发展，未来铁路厂房内新型灯具的运用及照明控制的智能化越来越重要。新型光源、新型灯具、新型的智能控制系统的运用不仅体现了铁路厂房的高技术高标准，更重要的是提高了厂房管理的智能化、科学化，有利于推动企业节能降耗的要求。

2 动车检修厂房照明的基本要求

通常来说，动车组检修厂房具有厂房高度高、面积大、人员及控制点分布较分散等特点，并且在厂房的不同区域、不同厂房对照明有不同的需求。这些复杂因素使得动车组检修厂房的照明系统要求比较高，具体包含以下几个方面：

（1）满足国家最低安全照度的要求。

（2）需要通过智能化的科学管理及监控延长灯具的使用寿命。

（3）根据不同的功能区域设定合理的照度工作程序，保证功能需求。

（4）考虑作业人员对整体光环境的感受，根据不同的功能区域、时间段、照明需求设置不同的控制方式，实现多种照明效果。

（5）提高管理水平，减少维护费用。

3 照明现状及存在的问题

以上海动车段南翔运用所厂房灯具配置情况（表1）为例，检修厂房内按照明需求将其划分为6个区域，分别是顶棚，侧墙，车底地沟，地面，二层作业平台及车顶作业平台。其中顶棚工矿灯、侧壁灯用于满足厂房内库区整体照明需求；车底地沟、地面、二层作业平台、车顶作业平台，主要用于满足四层不同区域的作业照明需求。

目前南翔运用所厂房内已经采取了一定的节能措施，如检修车间内采用了LED地沟灯，地沟灯与二层作业平台灯通过车辆探测器实现了车进灯亮的功能，办公区则采用了一定的LED灯板。这些技术有效改善了动车组检修厂房内的照明能耗，但是目前仍存在如下问题：

（1）采光满足生产需要的情况下仍然有灯具开启长时间照明，造成能源浪费。

（2）照明电路电气控制系统的照明回路控制模式单一，只能统开统关并且需要人工手动开关，无法依据厂内各工区的需求适时进行局部照明，也无法依据厂内具体情况进行明暗调节。

（3）在有车无人情景下依然保持全功率照明没有减少。

（4）顶棚采用金卤灯照明的工况灯具功耗较大（额定功率单灯约400 W），寿命较短（小于12 000 h）并伴随频繁的开关次数寿命缩减较快，灯具启动需要预热并伴随使用高温发热（超过300摄氏度），且目前已出现损坏、频闪的情况，更换较为频繁。

（5）全部四条检修线三层作业平台二、三层以及地沟灯仍采用T5管灯，能耗较高。

（6）地沟灯为PVC管道走线，灯型也不满足防水、防碰等日常工作环境需求。

（7）目前部分更换的LED侧墙灯及地沟灯，职工反映灯具近处灯光刺眼、远处照度及照明广度却明显不足。

（8）控制点分散，照明设备管理人员在管理照明设备的时候，关一遍灯，需要走完整个库区，照明控制的分散也是照明能耗浪费的原因之一。

4 动车运用所检修车间智能照明系统

4.1 各动车运用所检修车间的作业模式与照明特点

各检修股道进出车辆及检修情况根据调度指令确定，股道内存在时长不等的无车情况。

各检修股道进车存放后，检修作业并非立即开始。

一、二级检修作业总体流程开始后，因检修工作为分段进行，职工进入地沟、地面、二层、车顶作业平台的时间也是分散的。

早 5：30～7：30 期间、11：30～13：00 点，17：30～18：30 期间，为换班时间，工作人员休息，库区内基本没有工作人员。

通过对上述动车运用所检修车间的作业模式分析，我们提出了以区域划分为基础的照明系统设计思想，以实现科学、方便、合理、经济的照明控制和管理，提出了开发智能照明系统。

图1 智能照明系统结构图

4.2 智能照明系统功能特点

动车运用所检修车间智能照明系统的结构如图1所示，主要包括通信网络、传感器两个部分。

4.2.1 通信网络

灯具、控制设备与网关之间采用无线通信，简化施工，免去布线的困难。设备物联网可以与互联网相通，还可实现远程控制，能耗监控，通信网络具有以下特点：

（1）自组网、快速部署：通信协议是在少量人工干预下的自组网通信协议，其中人工干预部分为待组网节点声明，通过网络监理者维护节点列表。这部分在项目前期调研过程中，通过现场的灯位图、设备布局图等现有图纸，即可制成组网节点布局图，通过二维码扫描、Excel导入等可以快速建立节点列表（Node List）。余下的组网过程均为自组网。

（2）无线、大规模：在世界各地，工业无线网络正在迅速向工厂及装配厂扩展。无线技术具有很好的可靠性、稳定性和灵活性，易于安装和维护，此外，也不需要安装和维护电缆以及排除电缆故障，因此无线技术也具有很高的投资回报率。

（3）容错和自修复：特殊的双层网络架构和冗余连接，保证了网络的容错性，在设备掉线或者离开的时候，冗余的通信通路可以替代工作。

（4）灵活和低成本：作为一个低功耗低速率无线自组网协议，网络接入成本低，无需单独布线，模块也较现有的WiFi通信模块、运营商网络通信模块，成本有着巨大优势。

4.2.2 传感器

传感器是本系统的关键技术，根据实际现场勘查以及照明需求，系统中集成了各类传感器以实现照明的进一步优化，达到节能环保，合理调配的目的。其中，车辆传感器：对车辆进行感应，布设在铁轨附近，通过传感器对列车进出状态的感应，由控制器自动控制开启或关闭各照明灯；人体传感器：对作业人员进行感应，通过感应人体，实现人来灯亮，人走灯灭等多种情况；照度传感器：根据自然照度情况自动调节灯具光强，避免白天亮灯等情况。

4.2.3 系统工作流程（图2）

图2 基于人体传感器的照明控制系统工作流程图

运动传感器启动情况下，通过热释电红外传感器获取信号，进行照明控制。当没有人员经过传感器的感应范围内时，传感器发送信号至网关，进行关闭灯具的操作，结束本次控制流程。

若当有人员经过感应范围内时，传感器感知人体运动后，触发热释电红外传感器，将信号发送至网关，进行开启灯具的操作。

当判断灯具出于关闭状态时，首先启动灯具至预设值，并进行光强开关初始化，随后根据环境光强，进行照度检测，控制灯具亮度。若判断灯具出于开启状态时，将直接保持现有亮度在预设值，随后进行光强照度检测，判断是否进行亮度调整。同时结束本次控制流程。如此循环往复进行照明设备的实时控制。

4.2.4 智能照明系统对现有照明系统的改造

（1）将现有的部分能耗较高的荧光灯更换为节能环保的LED灯。

（2）为灯具增加可无线远程控制并能接收传感器无线信号的无线灯控；为部分区域增加车辆传感器及人体传感器。

（3）在采光较好的区域设置光强传感器，能灵活根据自然照度的不同，自动控制灯具的明暗。

（4）综合考虑时间、车辆是否入库进线、人员是否在工作区域、光强是否达到照度需求，整体设计节能策略。

4.2.5 智能照明系统功能

（1）无线照明控制采光：灯与灯之间无需控制线，将灯控制器串联于照明线路中；无线传感器及开关固定在厂房钢结构立柱或墙面格挡上，通过两节电池供电（电池使用寿命约为2年），可自动或手动进行调节照度。

（2）充分利用自然采光：以达到国家要求的厂房光照强度为标准，实现日间在满足生产需求的前提下，以灯光补充自然光为主的照明方式，通过光强探测和移动物体探测传感器实现需求响应，以满足车间内照明的照度均衡和稳定，实现人来灯亮、人走灯灭。

（3）精细区域化管理采光：将原一个墙面开关控制的整个回路拆分成按照工位划分的小区域，一个小区域对应2-3个顶棚工况灯，通过给每个小区域配置无线开关和传感器来实现区域化精细控制。

（4）分时段定时开关采光：可以根据各工段开关灯的时间定制化自动开关照明设备，节能降耗。如在休息时段定时降低照度或者关闭照明设备。

5 智能照明控制系统运用效果分析

5.1 照明系统评价体系

为了评估智能照明控制系统对现有厂房内照明系统的节能贡献，我们对采用和未采用智能照明控制系统的厂房能耗情况进行对比。对比的前提条件是两种模式下都能够提供相同的作业现场照度，对比的范围主要包括检修车间、办公区、仓库及更衣室、临修库、璇轮库及其他一些零碎的场景。

在计算费用时，我们综合考虑电费和智能照明控制系统的改造维护费用，对传统照明系统和智能照明系统的总拥有成本进行对比，我们假设智能照明系统是在原有照明系统基础上进行加装的，因此，两套系统的灯具采购、安装、维护费用相同，差异仅仅在智能照明控制系统的软硬件成本及维护成本上。我们假设智能照明控制系统的使用年限为N年，则每年的折旧费为X/N。另外，系统维护费用为Y。所以每年的费用节省为Z（节省的电费）-X/N-Y。

5.2 照明系统评价结果

表2 节能效率预计表

表3 节能量汇总

依据对实际现场不同区域的采光情况、灯具配置以及人员工作情况，预计采用改造后的智能照明控制系统的节能效率如表2、表3所示。

根据上表中的预计，现计算年照明用电量为672 144度电，项目改造后预计年照明用电量为161 623度电，年节电量约为51.05万度电，根据平均工业用电1.05元/度计算，年节电收益可达53.6万元。

尽管目前运用所内已经进行了如办公照明LED化、生产照明LED试点、定时开关灯等节能措施，但由于目前大功耗灯具均未LED化，且在生产场景下仍存在“车在人不在”状况下始终亮灯以及办公场景下忘记关灯等无意识不可控浪费，因此整体平均节能效率上仍可达到76%。

6 结束语

结合实际场景的照明情况和数据分析，充分考虑自然环境和人等因素，在策略上做进一步的节能优化是智能照明控制系统的一个重要节能方向。

节能环保是当前社会发展的主题，是“建设节约型社会”、“创建绿色铁路照明”的具体要求。铁路作为交通运输的大动脉，铁路维修厂房分布遍及全国各地，厂房内需要照明的场所较多，照明用电量大，在厂房照明中大力推广新型高效的智能照明控制技术，可以节约电能消耗，延长照明光源及灯具的使用寿命，降低照明设施维护成本，以达到绿色、健康、人文的铁路照明环境。