基于人工智能的高铁站照明系统节能设计研究——以六安铁路工程为例

董 宇

中铁上海设计院集团有限公司，上海 200070

0 引言

高铁是一种现代、高效的交通运输方式，凭借其便捷、安全的优势在现代交通领域应用广泛。据统计，2019年初，我国高铁的运营里程已经超过2.9×105 km，占全球高速铁路总里程的70%。高铁站是高铁运行控制的基本单元，其在结构建设的基础上，配置了较多的照明单元。现阶段，高铁站的照明系统存在照明冗余的问题，这大大增加了高铁站的照明能耗，对我国碳排放控制造成了较大影响。新时期，利用人工智能技术开展高铁站照明系统的节能设计，能实现照明效果、高铁站舒适度与节能环保的有机统一。

1 高铁站照明系统现存问题

1.1 照明冗余问题突出

高铁站运行服务过程中存在能耗严重的问题，空调、照明及电梯的能耗较高，占比达总能耗的85%～95%，其中照明能耗占高铁站总能耗的10%～20%，这对我国的碳排量控制和经济、生态的可持续发展造成较大影响[1]。《建筑照明设计标准》（GB 50034—2013）对建筑物的照度提出了较高要求，要求在高铁站照明系统设计中，按照差异化的要求进行建筑物各区域的照度设计。例如，售票大厅、有棚站台的照度标准应分别为200 lx和75 lx。在高铁站照明系统设计中，满足照度标准要求是照明节能的前提。结合高铁站照明设计实际可知，在照明系统初期设计阶段就存在设计冗余的问题，在该设计模式下，即便没有外界光照影响，高铁站的照度也会超出基本的照度设计标准。

1.2 节能控制系统落后

为了满足高铁站照明系统运行需要和舒适度控制要求，高铁站的照明系统长期处于满负荷开启状态，全天候、满负荷开启照明设备会导致较大的能源损耗。事实上，在站台、检票口外，进站口、出站口等地，在白天会受到外界光源的影响，这些区域不开启照明设备也能满足照度控制要求。人工控制和独立系统控制是过去高铁站照明系统的重要控制方式，受列车始发信息、气候、人员密度等因素的影响，高铁站照明系统容易出现控制不及时的问题，这也会间接增加照明系统的能耗。有必要采用先进、适用的节能技术来降低照明系统的能耗，实现高铁站照明与节能控制的统一[2]。

2 高铁站照明系统节能设计方法

2.1 充分利用天然光源

在建筑物照度不足的情况下，可考虑使用照明电器补充照度。在此基础上，科学合理地进行高铁站照明系统的设计，并最大限度地使用自然光源，能大大减少高铁站对常规照明设备的依赖性，减少高铁站的照明能耗，达到照明节能的目的。现阶段，依托天然光源实施高铁站照明的办法有两种：一是基于现代技术手段，最大限度地扩大自然光源在高铁站的使用区域；二是注重特殊材料的使用，如使用导光以及光源反射类材料，这类材料能有效提高高铁站内部的自然光源效果，满足高铁站内部照度控制需要。

2.2 使用高效照明设备及附件

照明设备及附件的选择对于高铁站的照明效果和节能控制效果具有较大影响。新时期，基于高铁站照明系统节能控制需要，在照明设备及附件选择中应注重其节能降耗效果。目前，高铁站高效节能照明设备及附件的类型较多，除节能灯具、镇流器外，变压器也是高铁站高效照明设备的重要组成部分。LED灯具是高铁站最常用的节能灯具；镇流器能通过降低灯具使用功率来提升电能的使用效率，达到照明节能目的；在变压器选择中，应在考虑供电电压的基础上，选择较合适的电压控制参数，这样既能保证变压器的稳定运行，又能实现高铁站照明系统的节能控制，整体效益突出[3]。

2.3 使用人工智能节能技术

传统的照明系统采用人工控制的方式管理，照明控制不及时，容易引起电能损耗问题。在信息时代，照明系统已经朝着智能化控制的方向转变，使用智能技术，系统可根据时间自动控制照明系统的启停。应用人工智能技术可提升照明控制的智能化程度。结合人工智能节能技术的应用实际可知，在该技术的应用初期，设计人员需系统地定义照明启停的规则；然后在考虑列车发车信息、人流密度等因素的基础上，准确控制气候、照度值等参数；随后在人工智能技术的作用下，计算系统中的参数，以此完成照明启停、调光的系统控制，达到照明节能的目的[4]。

3 基于人工智能的高铁站照明系统节能设计实例

3.1 项目概况

六安铁路工程全长169.8 km，全线临时施工供电点达70处，临时施工用电负荷分布在车站、区间及隧道等区域。项目建设初期，设计人员调查了永久工程外电源引接点及线路路径、车站位置、临时工点位置，获取了各临时工点的用电量、电源引接容量、车站负荷等信息，并以此为基础进行供电设计。在项目供电建设中，全线新建3座10 kV车站配电所，要求提前建设外部电源线，通过外部电源线为车站及车站附近的临时施工点供电。施工结束后，外接电源线接入配电所，在车站附近新建电缆接头箱，便于后期接入配电所。在照明系统节能控制中，设计人员结合使用人工智能技术和节能控制技术，实现高铁站照明系统的自动、实时启停与调光控制，有效满足了高铁站照明系统的节能控制需要。

3.2 照明系统节能设计目标

在项目照明系统节能控制中，系统使用人工智能技术控制照明参数，由现场光照度传感器收集主要数据。在该控制模式下，需要通过选择、控制照明回路，在满足高铁站照度控制要求的基础上，减少照明冗余，降低照明系统运行能耗。该照明节能项目位于高铁站，基于人工智能技术进行照明系统节能设计时，项目建设者需要考虑照明系统的安全性、舒适性，要求实现安全性、舒适性与照明节能目标的有机统一[5]。

3.3 照明系统节能设计的具体内容

项目设计人员需要先建立照明系统节能控制模型，然后依托模型进行照明系统节能设计。

3.3.1 建立照明系统节能控制模型

设计人员要在分析照明管控区域的基础上，设计符合实际情况的电子地图，结合实际情况布置照明设备、照度传感器等，保证模型与实际场景的一致性。设计人员要在没有外界光照的环境条件下，测试并记录所有灯具开启方案对应的光照度，建立符合实际情况的数据库。该数据库不仅包含照度传感器信息、照度值情况，照度传感器与灯具的距离、灯具安装方式等信息，灯具的照射范围、照度和距离的衰减值等都是信息数据库的主要内容。在建立高铁站光照度模型后，设计人员应按照能耗等级对所有实验数据进行价值排序，在系统上线前，实测模拟数据，并结合实际场景所测信息修订模拟数据，实现价值排序的有效更新。

3.3.2 依托模型进行照明系统节能设计

依托模型进行照明系统节能设计时，设计人员应先结合高铁站各区域空间的特性，制定对应的节能控制目标。（1）单灯控制、回路控制等区域。若这些区域的灯光可调节，设计人员需根据区域照度要求，设计可以自动启动及调节照度的控制单元。当空间面积、列车信息、人流等工况发生变化时，控制系统可在保证照度、舒适度的情况下进行照明系统启停和调光控制，能在同等工况下实现照明能耗的最优控制。若这些区域的灯光不可调节，设计人员可以采用可以自主学习系统回路控制习惯的智慧化照明节能控制方式，这样能自动、灵活地完成照明回路的组合控制，达到照明节能的目的。（2）办公室、母婴室、会议室等区域。这些区域的人员流动效率较低，对于照明要求较高。因此，在照明系统节能控制中，应配合使用人员自控的方式进行照明设备的启停干预，以满足实际应用需要。（3）高铁站走廊、楼梯等公共区域。这些区域可以使用照明自控系统。在红外线感应技术的作用下，照明自控系统能按照“人来即开、人走即灭”的模式进行照明控制，实现高铁站照明控制与节能效果的统一。

对照度调节及自动执行控制过程进行控制时，应注重以下内容：在利用人工智能技术对高铁站照明系统实施控制管理时，要在光照度传感器的作用下，实测照度当前值与目标值之间的差异幅度，以此为依据进行照明设备开启和亮度的调节。在此过程中，所建设的智能化照明节能控制系统需要具有相应的学习功能，能在首次控制的基础上，记录当前照度条件下的灯具开启方案，后续遇到同样情况时，可自动化、智慧化地完成灯具开启控制，并确保该控制方式下高铁站照明系统的能耗最低。

在照度控制中，可以按照始发、到站的情境进行具体照度管理。在高铁始发过程中，要求在检票前15 min开启检票区至站台区的所有照明设备，这些设备照度应达到100%；列车出站15 min后，按照50%照度的标准调节相关区域的照明设备亮度；在列车到站时，从到站前15 min开始，按照100%的照度标准控制站台至出站厅、换乘区的照明设备，列车到站15 min后，将这些区域照明设备的照度控制在50%[6]。

3.4 照明系统节能设计效果评价

结合工程项目照明系统节能控制效果来看，基于人工智能技术设计的照明节能控制系统应用效果良好。

在使用人工智能技术后，可按建筑功能，结合照明回路部署进行照明分区。在人工智能仿真式自学习技术的支撑下，设计人员可系统化地构建高铁站照明系统的仿真模型，然后在该模型的支撑下，分析回路开关、照度值、能耗情况的数据，最终通过现场照度传感器采集的实际照度数据与目标照度数据的比较，完成高铁站照明系统的自动化控制管理[7]。人工智能技术的使用，有效提高了高铁站照明系统控制的自动化程度，提升了照明系统节能控制的整体效果[8]。

基于人工智能技术进行高铁站照明控制后，该项目的照明系统控制单元能在考虑列车发车信息、人流密度、气候、照度值等信息的基础上，自动化地完成启停与调光控制。并且考虑了人员流动效率较低的区域的照明控制情况，在人工智能控制的基础上，配合人工控制手段进行照明系统管理，有效提升了照明系统控制的效率性。根据照明日节能效益等于额定日耗电基数与实际日耗电量的差值的原理，分区域、分时段进行照明系统节能控制，能有效减少全天候、满负荷工作状态下不必要的能耗损失，提升照明系统节能控制效果。

4 结束语

开展高铁站照明系统节能设计是高铁运输行业可持续发展的内在需求。基于现代工程建设管理需要，在高铁站照明节能设计的基础上，系统化地使用人工智能技术，能充分保证照明系统控制的科学性、合理性和高效性。高铁站工程的建设人员只有深刻认识到人工智能技术与照明系统节能技术结合应用的重要性，在考虑项目建设实际情况的基础上，结合空间面积、列车信息、人流密度、气候、照度值等因素进行智慧照明节能系统的深层次设计，才能有效提升照明系统节能设计及应用水平，在满足高铁站照度控制需要的同时，减少高铁站照明能耗，进而实现高铁站照明控制与节能控制的有机统一，推动高铁站照明建设工程的有序发展。