基于信息物理融合系统的铁路客站智能照明系统

程清波，沈海燕，刘家涛，姚 剑

(中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081)

引言

随着我国铁路的快速发展，对铁路客站智能照明提出了更高的要求[1-3]。铁路客站站房面积大，通过智能照明可以对客站照明进行按需管控，有效降低能耗、提高旅客候乘车体验、提高工作效率。信息物理融合系统(cyber physical systems，CPS)是一个综合感知、传输、计算、管控的多维复杂系统，实现物理与信息世界之间的虚实互连，使之具有自主决策、判断和管控能力[4]。本文提出基于CPS的铁路客站智能照明系统，将物理信息融合系统的感知能力、网络能力、计算能力和管控能力充分应用到照明设备的节能管控中。

1 基于CPS的铁路客站智能照明相关技术

1.1 CPS简介

1)CPS的工作原理。CPS的基本工作原理如图1所示，主要由感知、传输、计算和管控四部分组成，其中感知为传感器所采集到的物理数据，传输为信息在节点间的交互，计算为控制器对采集数据的分析，管控为执行器执行控制命令。

图1 CPS基本工作原理Fig.1 Basic operating principles of CPS

a)感知：是CPS的基础，系统通过传感器与物理世界建立联系，采集数据的准确性直接影响到后续进程。

b)传输：将传感器采集的数据进行融合处理，并发送到后台服务，为后续计算提供网络保障。

c)计算：利用后台数据信息进行逻辑运算，为管控提供智能决策。

d)管控：执行计算分析的结果，向执行器发送命令，对物理世界进行管控。

2)CPS的层级结构。CPS具有可靠感知、实时传输、普适计算、精准控制和可信服务，因此可以把它分为感知层、传输层、计算层、控制层和服务层[5,6]。其中，感知层是 5 层结构的最底层，主要负责与物理世界的交互，为系统提供外界的信息；网络层负责将多源异构传感器采集的数据进行融合处理，剔除冗余信息，并且将信息向上层传递；计算层是系统的核心层，该层主要利用和储存底层传递来的物理信息，建立数学模型，进行逻辑推理运算，然后制定执行规则；控制层主要是按照计算层的运算结果向执行器发送指令；服务层主要负责人机交互，通常以数据，报表等形式向用户提供服务。主要层次结构如图2所示。

图2 CPS层级结构图Fig.2 Hierarchy chart of CPS

1.2 铁路客站智能照明设备区域分布

铁路客站的照明设备分布在站房的各区域，如进站口、售票厅、信息服务台、安检区、候车厅、站台、地下通道、出站口等。其中，候车厅和站台是旅客候乘车的主要区域、照明能耗的重点区域、节能空间的关键区域，本文主要研究以上两区域的智能照明。

1.3 铁路客站智能照明系统功能

为满足旅客候乘车的舒适度体验和节能要求，站台和候车厅的智能照明功能设计充分体现智能化、科学化[7]。

1)候车厅智能照明功能。

a)根据候车厅照度传感器感知的照度信息，自动调节照明的亮度和开关。

b)预设多种场景，做到一键一场景，一场景一照明策略，场景涵盖白天模式、黑夜模式、作业模式、阴雨天模式、应急照明模式等。

c)预设时间，触发相应的场景，自动开关照明。候车厅无检票作业的时间区段，自动关闭照明；有检票作业的时间区段，自动打开照明。

d)根据客运作业需要，支持客站指挥中心监控人员对照明的集中控制。

e)当系统出现故障时，支持就地手动控制照明。

2)站台智能照明功能。

a)实现列车进站前打开对应站台的相适应回路的照明，列车离站后关闭相适应回路的照明。

b)预设多种场景，做到一键一场景，一场景一照明策略，场景涵盖白天模式、黑夜模式、作业模式、阴雨天模式、应急照明模式等。

c)根据站台照度传感器感知的照度信息，自动调节站台照明的亮度和开关。站台中间场所，根据设定的最低照度和最高照度进行自动开关和调节；站台两侧根据自然光的影响进行自动开关和调节。

d)预设时间，触发相应的场景，自动开关照明。一般情况下，根据当地的经纬度，自动推算出当天的日出日落时间进行自动开关和调节。

e)根据客运作业需要，支持客站指挥中心监控人员对照明的集中控制。

f)当系统出现故障时，支持就地手动控制照明。

2 基于CPS的铁路客站智能照明模型

构建基于CPS的铁路客站智能照明模型，通过感知融合列车到发、照度、场景模式(以白天/黑夜模式为例)异构传感器，再通过中间件向上提供统一的应用接口，使采集的信息适应不同的应用场景，向下对各类异构传感器提供多样化的感知接口，结合旅客在铁路客站候车厅、站台的舒适度标准值，自动生成照明管控策略。其模型如图3所示。

图3 基于CPS的智能照明模型图Fig.3 Smart lighting model based on CPS

2.1 列车到发感知

目前，列车到发信息感知是采用虚拟传感器方式，即通过应用程序接入调度信息，获取列车到发信息。该信息是旅客候乘车，工作人员站台接发车作业和候车厅检票作业的基础信息，是决策者自动执行照明开关和亮暗的依据。

感知列车到发信息后，通过列车车次与站台、候车厅的关联关系，结合车站接发车和检票作业的业务需求，智能分析各站台作业的时间区间，并通过历史经验预设候车厅的候乘时间。

假设A站台的接车时间为T接，发车时间为T发，接车前t前调亮照明，发车后t后调暗照明，灯亮时间区段为T，照明的时间区段计算公式为

T=[T接-t前，T发+t后]

(1)

2.2 照度感知

照度是指旅客感知的光通量，铁路客站照明照度标准值按0.5 lx、1 lx、2 lx、3 lx、5 lx、10 lx、15 lx、20 lx、30 lx、50 lx、75 lx、100 lx、150 lx、200 lx、300 lx、500 lx、750 lx、1000 lx分级[8]。目前，测量照度值的方法主要采用照度传感器，利用光电效应原理，将光信号转换成电信号。照度值为决策者提供制定策略的依据，通过执行照明的开关、亮度，用于调节照明照度。

为满足客运作业需要和旅客舒适度体验的要求，铁路客站站台、候车厅的维持平均照度值应不低于表1所示的照度标准值。

表1 铁路客站站台、候车厅照度标准表

设区域A当前照度值Φ，所需照度标准值Φ标，每N个照明回路的照度增量ΔΦN,执行的回路数N的计算公式为

(2)

2.3 场景模式感知

场景模式包含白天模式、黑夜模式、作业模式、阴雨天模式、应急照明模式等，各客站根据自身业务需要，亦可设置个性化的模式，现以白天/黑夜模式为例。我国铁路客站数量众多，分布在全国各地，且南北差异较大，在同一时间点各客站的天然光照度不尽相同，那么切换白天/黑夜模式的时间点也随之不同。

白天/黑夜感知的方式可采用历史经验，亦可采用照度传感器感知。当采用历史经验，预先配置每日的白天、黑夜的临界时间T，当时间为T时，自动切换白天/黑夜模式；当采用照度传感器时，设照度标准值Φ，时间在[T1,T2] 范围内，自动切换白天/黑夜模式。

3 基于CPS的铁路客站智能照明节能管控

通过CPS的感知能力获取列车到发、照度、白天/黑夜模式，将三者作为节能管控的参考指标，寻求智能照明的更优运行方案，同时结合各铁路客站的共性及个性化需求，使其满足旅客舒适度体验前提下最大限度地节能降耗。

假设列车到发、照度、白天/黑夜模式的优先级分别为P1、P2、P3、Pi∈[0,3](1≤i≤3)；Pi不全为0；Pi不为0时，Pi不相等。

Pi=0为不考虑该CPS的感知信息，Pi越大优先级越高。

PMAX=MAX(Pi)

(3)

当P1=PMAX时，执行2.1节智能照明管控策略。当P2=PMAX时，执行2.2节智能照明管控策略。当P3=PMAX时，执行2.3节智能照明管控策略。

4 铁路客站智能照明系统的应用

基于CPS的铁路客站智能照明系统已在长沙南、太原、昆明南、通辽等铁路客站得到了应用，取得了良好的运行效果。以长沙南站的智能照明系统为例，长沙南站全年用电能耗近8 000万千瓦时，其中照明能耗占重点用电设备能耗的31.0%，照明能耗占总能耗的15.4%，照明用电约1 200万千瓦时，公共区域(进站口、候车厅、站台、出站口等)照明用电约占总照明用电的40%，其用电量约为500千瓦时。长沙南站为连接京广高速铁路与沪昆高速铁路的重要枢纽车站，人均接发列车400多列，运营时间为7:00—23:48。在不考虑季节更替、异常天气等情况下，实施智能照明系统前，照明开启时间约为18:00—次日6:00，开启时长约为12 h；实施智能照明系统后，根据车站列车到发的客运作业业务，公共区域照明开启时间为18:00—次日1:00，开启时长约为7 h，节约用电200多万千瓦时，达到了节能降耗的效果。

5 结束语

本文提出了基于CPS的铁路客站智能照明节能管控方法，实现了信息物理融合系统在铁路客站的应用。结合铁路客站业务特点，充分考虑列车到发、照度、白天/黑夜模式三类参考指标，提出了基于CPS的铁路客站智能照明自感知、自调节的节能管控策略，并在多个车站得到了应用，取得了良好的运行效益。后续将结合照明设备使用寿命及三类参考指标的组合优化进一步研究。