程清波，沈海燕，劉家濤，姚 劍

(中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司電子計算技術(shù)研究所，北京 100081)

引言

隨著我國鐵路的快速發(fā)展，對鐵路客站智能照明提出了更高的要求[1-3]。鐵路客站站房面積大，通過智能照明可以對客站照明進(jìn)行按需管控，有效降低能耗、提高旅客候乘車體驗、提高工作效率。信息物理融合系統(tǒng)(cyber physical systems，CPS)是一個綜合感知、傳輸、計算、管控的多維復(fù)雜系統(tǒng)，實現(xiàn)物理與信息世界之間的虛實互連，使之具有自主決策、判斷和管控能力[4]。本文提出基于CPS的鐵路客站智能照明系統(tǒng)，將物理信息融合系統(tǒng)的感知能力、網(wǎng)絡(luò)能力、計算能力和管控能力充分應(yīng)用到照明設(shè)備的節(jié)能管控中。

1 基于CPS的鐵路客站智能照明相關(guān)技術(shù)

1.1 CPS簡介

1)CPS的工作原理。CPS的基本工作原理如圖1所示，主要由感知、傳輸、計算和管控四部分組成，其中感知為傳感器所采集到的物理數(shù)據(jù)，傳輸為信息在節(jié)點間的交互，計算為控制器對采集數(shù)據(jù)的分析，管控為執(zhí)行器執(zhí)行控制命令。

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

a)感知：是CPS的基礎(chǔ)，系統(tǒng)通過傳感器與物理世界建立聯(lián)系，采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響到后續(xù)進(jìn)程。

b)傳輸：將傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，并發(fā)送到后臺服務(wù)，為后續(xù)計算提供網(wǎng)絡(luò)保障。

c)計算：利用后臺數(shù)據(jù)信息進(jìn)行邏輯運算，為管控提供智能決策。

d)管控：執(zhí)行計算分析的結(jié)果，向執(zhí)行器發(fā)送命令，對物理世界進(jìn)行管控。

2)CPS的層級結(jié)構(gòu)。CPS具有可靠感知、實時傳輸、普適計算、精準(zhǔn)控制和可信服務(wù)，因此可以把它分為感知層、傳輸層、計算層、控制層和服務(wù)層[5,6]。其中，感知層是 5 層結(jié)構(gòu)的最底層，主要負(fù)責(zé)與物理世界的交互，為系統(tǒng)提供外界的信息；網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將多源異構(gòu)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，剔除冗余信息，并且將信息向上層傳遞；計算層是系統(tǒng)的核心層，該層主要利用和儲存底層傳遞來的物理信息，建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)行邏輯推理運算，然后制定執(zhí)行規(guī)則；控制層主要是按照計算層的運算結(jié)果向執(zhí)行器發(fā)送指令；服務(wù)層主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互，通常以數(shù)據(jù)，報表等形式向用戶提供服務(wù)。主要層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 CPS層級結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hierarchy chart of CPS

1.2 鐵路客站智能照明設(shè)備區(qū)域分布

鐵路客站的照明設(shè)備分布在站房的各區(qū)域，如進(jìn)站口、售票廳、信息服務(wù)臺、安檢區(qū)、候車廳、站臺、地下通道、出站口等。其中，候車廳和站臺是旅客候乘車的主要區(qū)域、照明能耗的重點區(qū)域、節(jié)能空間的關(guān)鍵區(qū)域，本文主要研究以上兩區(qū)域的智能照明。

1.3 鐵路客站智能照明系統(tǒng)功能

為滿足旅客候乘車的舒適度體驗和節(jié)能要求，站臺和候車廳的智能照明功能設(shè)計充分體現(xiàn)智能化、科學(xué)化[7]。

1)候車廳智能照明功能。

a)根據(jù)候車廳照度傳感器感知的照度信息，自動調(diào)節(jié)照明的亮度和開關(guān)。

b)預(yù)設(shè)多種場景，做到一鍵一場景，一場景一照明策略，場景涵蓋白天模式、黑夜模式、作業(yè)模式、陰雨天模式、應(yīng)急照明模式等。

c)預(yù)設(shè)時間，觸發(fā)相應(yīng)的場景，自動開關(guān)照明。候車廳無檢票作業(yè)的時間區(qū)段，自動關(guān)閉照明；有檢票作業(yè)的時間區(qū)段，自動打開照明。

d)根據(jù)客運作業(yè)需要，支持客站指揮中心監(jiān)控人員對照明的集中控制。

e)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，支持就地手動控制照明。

2)站臺智能照明功能。

a)實現(xiàn)列車進(jìn)站前打開對應(yīng)站臺的相適應(yīng)回路的照明，列車離站后關(guān)閉相適應(yīng)回路的照明。

b)預(yù)設(shè)多種場景，做到一鍵一場景，一場景一照明策略，場景涵蓋白天模式、黑夜模式、作業(yè)模式、陰雨天模式、應(yīng)急照明模式等。

c)根據(jù)站臺照度傳感器感知的照度信息，自動調(diào)節(jié)站臺照明的亮度和開關(guān)。站臺中間場所，根據(jù)設(shè)定的最低照度和最高照度進(jìn)行自動開關(guān)和調(diào)節(jié)；站臺兩側(cè)根據(jù)自然光的影響進(jìn)行自動開關(guān)和調(diào)節(jié)。

d)預(yù)設(shè)時間，觸發(fā)相應(yīng)的場景，自動開關(guān)照明。一般情況下，根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度，自動推算出當(dāng)天的日出日落時間進(jìn)行自動開關(guān)和調(diào)節(jié)。

e)根據(jù)客運作業(yè)需要，支持客站指揮中心監(jiān)控人員對照明的集中控制。

f)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，支持就地手動控制照明。

2 基于CPS的鐵路客站智能照明模型

構(gòu)建基于CPS的鐵路客站智能照明模型，通過感知融合列車到發(fā)、照度、場景模式(以白天/黑夜模式為例)異構(gòu)傳感器，再通過中間件向上提供統(tǒng)一的應(yīng)用接口，使采集的信息適應(yīng)不同的應(yīng)用場景，向下對各類異構(gòu)傳感器提供多樣化的感知接口，結(jié)合旅客在鐵路客站候車廳、站臺的舒適度標(biāo)準(zhǔn)值，自動生成照明管控策略。其模型如圖3所示。

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

2.1 列車到發(fā)感知

目前，列車到發(fā)信息感知是采用虛擬傳感器方式，即通過應(yīng)用程序接入調(diào)度信息，獲取列車到發(fā)信息。該信息是旅客候乘車，工作人員站臺接發(fā)車作業(yè)和候車廳檢票作業(yè)的基礎(chǔ)信息，是決策者自動執(zhí)行照明開關(guān)和亮暗的依據(jù)。

感知列車到發(fā)信息后，通過列車車次與站臺、候車廳的關(guān)聯(lián)關(guān)系，結(jié)合車站接發(fā)車和檢票作業(yè)的業(yè)務(wù)需求，智能分析各站臺作業(yè)的時間區(qū)間，并通過歷史經(jīng)驗預(yù)設(shè)候車廳的候乘時間。

假設(shè)A站臺的接車時間為T接，發(fā)車時間為T發(fā)，接車前t前調(diào)亮照明，發(fā)車后t后調(diào)暗照明，燈亮?xí)r間區(qū)段為T，照明的時間區(qū)段計算公式為

T=[T接-t前，T發(fā)+t后]

(1)

2.2 照度感知

照度是指旅客感知的光通量，鐵路客站照明照度標(biāo)準(zhǔn)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分級[8]。目前，測量照度值的方法主要采用照度傳感器，利用光電效應(yīng)原理，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。照度值為決策者提供制定策略的依據(jù)，通過執(zhí)行照明的開關(guān)、亮度，用于調(diào)節(jié)照明照度。

為滿足客運作業(yè)需要和旅客舒適度體驗的要求，鐵路客站站臺、候車廳的維持平均照度值應(yīng)不低于表1所示的照度標(biāo)準(zhǔn)值。

表1 鐵路客站站臺、候車廳照度標(biāo)準(zhǔn)表

設(shè)區(qū)域A當(dāng)前照度值Φ，所需照度標(biāo)準(zhǔn)值Φ標(biāo)，每N個照明回路的照度增量ΔΦN,執(zhí)行的回路數(shù)N的計算公式為

(2)

2.3 場景模式感知

場景模式包含白天模式、黑夜模式、作業(yè)模式、陰雨天模式、應(yīng)急照明模式等，各客站根據(jù)自身業(yè)務(wù)需要，亦可設(shè)置個性化的模式，現(xiàn)以白天/黑夜模式為例。我國鐵路客站數(shù)量眾多，分布在全國各地，且南北差異較大，在同一時間點各客站的天然光照度不盡相同，那么切換白天/黑夜模式的時間點也隨之不同。

白天/黑夜感知的方式可采用歷史經(jīng)驗，亦可采用照度傳感器感知。當(dāng)采用歷史經(jīng)驗，預(yù)先配置每日的白天、黑夜的臨界時間T，當(dāng)時間為T時，自動切換白天/黑夜模式；當(dāng)采用照度傳感器時，設(shè)照度標(biāo)準(zhǔn)值Φ，時間在[T1,T2] 范圍內(nèi)，自動切換白天/黑夜模式。

3 基于CPS的鐵路客站智能照明節(jié)能管控

通過CPS的感知能力獲取列車到發(fā)、照度、白天/黑夜模式，將三者作為節(jié)能管控的參考指標(biāo)，尋求智能照明的更優(yōu)運行方案，同時結(jié)合各鐵路客站的共性及個性化需求，使其滿足旅客舒適度體驗前提下最大限度地節(jié)能降耗。

假設(shè)列車到發(fā)、照度、白天/黑夜模式的優(yōu)先級分別為P1、P2、P3、Pi∈[0,3](1≤i≤3)；Pi不全為0；Pi不為0時，Pi不相等。

Pi=0為不考慮該CPS的感知信息，Pi越大優(yōu)先級越高。

PMAX=MAX(Pi)

(3)

當(dāng)P1=PMAX時，執(zhí)行2.1節(jié)智能照明管控策略。當(dāng)P2=PMAX時，執(zhí)行2.2節(jié)智能照明管控策略。當(dāng)P3=PMAX時，執(zhí)行2.3節(jié)智能照明管控策略。

4 鐵路客站智能照明系統(tǒng)的應(yīng)用

基于CPS的鐵路客站智能照明系統(tǒng)已在長沙南、太原、昆明南、通遼等鐵路客站得到了應(yīng)用，取得了良好的運行效果。以長沙南站的智能照明系統(tǒng)為例，長沙南站全年用電能耗近8 000萬千瓦時，其中照明能耗占重點用電設(shè)備能耗的31.0%，照明能耗占總能耗的15.4%，照明用電約1 200萬千瓦時，公共區(qū)域(進(jìn)站口、候車廳、站臺、出站口等)照明用電約占總照明用電的40%，其用電量約為500千瓦時。長沙南站為連接京廣高速鐵路與滬昆高速鐵路的重要樞紐車站，人均接發(fā)列車400多列，運營時間為7:00—23:48。在不考慮季節(jié)更替、異常天氣等情況下，實施智能照明系統(tǒng)前，照明開啟時間約為18:00—次日6:00，開啟時長約為12 h；實施智能照明系統(tǒng)后，根據(jù)車站列車到發(fā)的客運作業(yè)業(yè)務(wù)，公共區(qū)域照明開啟時間為18:00—次日1:00，開啟時長約為7 h，節(jié)約用電200多萬千瓦時，達(dá)到了節(jié)能降耗的效果。

5 結(jié)束語

本文提出了基于CPS的鐵路客站智能照明節(jié)能管控方法，實現(xiàn)了信息物理融合系統(tǒng)在鐵路客站的應(yīng)用。結(jié)合鐵路客站業(yè)務(wù)特點，充分考慮列車到發(fā)、照度、白天/黑夜模式三類參考指標(biāo)，提出了基于CPS的鐵路客站智能照明自感知、自調(diào)節(jié)的節(jié)能管控策略，并在多個車站得到了應(yīng)用，取得了良好的運行效益。后續(xù)將結(jié)合照明設(shè)備使用壽命及三類參考指標(biāo)的組合優(yōu)化進(jìn)一步研究。