地铁智能照明系统设计与控制

1.照明系统的设计原则

车站各个区域的照度主要根据《工业与民用配电手册》《照明设计手册》《建筑照明设计标准》等法律文件中规定的要求，首先制定各个区域在实现智能照明的要求下所对应的照度表；然后根据车站各个区域的面积，模拟计算出每个区域要达到要求的照度所需安装的某一规格的灯具数量，以及灯具的布置方式；最后根据相关的计算公式，模拟分析智能照明前后的用电量，以及乘客对车站的满意度。

地铁车站的配电原则为：

（1）车站的主体照明由位于地铁站两端的低压配电室提供，每个配电室负责半个车站的照明用电。车站的每一层都配有两个照明配电室，每个配电室均配备两个总配电箱，一个作为日常的正常使用，另一个作为紧急情况下的备用电箱。两个配电箱的电源由变电所经过升降电压后直接提供。两个配电箱得到电能后，再输送到车站各个区域的分支配电箱，来提供灯具的照明用电。

（2）车站各区域的照明模式主要分为工作照明模式、节电照明模式、应急照明模式、停运照明模式。节电照明和工作照明根据每个车站该区域的空间布局来合理安排。根据《建筑照明设计标准》的要求，公共建筑设施中，节电照明和工作照明按1：3来进行布置。

（3）车站配电室内的应急照明电源由配有大容量蓄电池的电源柜提供。在正常情况下，变电所两端0.8 kV的输电总线通过变压整流器对蓄电池进行日常充电，达到充满状态自动断电。当发生紧急情况时，日常的配电箱不能正常使用时，蓄电池通过逆变器及变压器进行整流放电，为车站提供380/220 V的交流电作为应急电源。

（4）与一般的民用建筑或其他的公共场所不同，地铁车站一方面建于地下，自然光无法进行照明，需要使用照明设备照亮，各个区域所需的照明亮度又不同；另一方面，地铁车站一天中人流量在不同时间是不同的，并且差距很大，所以必须实行分时段分区域的智能照明。我国交通部门根据北京、上海等一些轨道交通发展比较成熟的城市，制定了更为人性化、智能化的法律规范，如《地铁设计规范》（GB 50157—2006）、《民用建筑电气设计规范》（GJ 16—2010）、《照明设计手册》《建筑照明设计标准》《工业与民用配电手册》等，但是以上提及的规范手册是参考北京、上海这样的大型城市轨道交通来进行设计的，给出的设计方法及灯具的布局方式对于一般的二、三线城市可能契合度不高。所以，不能根据这些规范具体计算其他城市的地铁车站不同区域的照明亮度，必须进行科学的数据调查，建立在科学数据的基础上得出计算方法。这才是设计智能系统的完美依据。

2.智能照明控制方法

1）智能照明的背景

表10-5所示为某城市地铁车站各个设备耗能所占比例。

表10-5　某车站耗能比例

从表中可知，照明设备所占的比例相当巨大，在一、二级负荷中占据了25%，在三级负荷中，广告照明占据了60%。

最初的地铁照明是为乘客和员工提供一个安全的工作和乘车环境，但随着经济的发展，随着智能系统的不断引入，照明系统不仅仅需要实现安全照明，还要为工作人员和乘客提供一个舒适的工作和乘车环境。地铁照明负荷作为车站动力照明负荷的重要组成部分，约占总用电负荷的25%～30%，每座车站在400 kW左右。一年下来，一个城市因地铁照明而耗费的电量是极其巨大的。因此，地铁照明在节能及舒适方面的问题日益得到社会各界的重视。

在轨道交通发展初期，为了节约车站的运营成本，提升照明质量，地铁照明普遍采用BAS控制系统对照明灯具进行控制。但BAS控制系统单一的时间控制与区域控制模式只能实现最基本的照明，无法实现复杂的照明要求，更无法满足节能环保、维护改造方便、功能多样与控制灵活的要求。所以，智能系统必须达到这些要求，进而有效提高车站照明系统的控制和管理水平，这样不仅能使照明质量有一个质的飞跃，同时节能效果也将十分明显，最终将逐步取代传统的照明系统。

2）实现智能系统的方式

本设计采用基于西门子S7-200系列PLC的智能照明系统。西门子S7-200系列PLC因为其体积小、存储容量大、运算速度快等优点，被大量运用于工程实例中。S7-200系列PLC　CPU224XP的实物如图10-63所示。

图10-63　西门子S7-200 PLC实物图

西门子S7-200系列PLC编程软件为MicroWIN，可以使用梯形图语言进行编程，并能在线监控，它功能强大，非常直观。图10-64所示为编程软件的操作界面。

图10-64　MicroWIN编程软件的操作界面(www.xing528.com)

3.车站照明设备布局与控制模式

照明布局主要分为：车站出入口处、车站站台层、车站站厅层、广告照明和应急照明。控制模式分为：全开模式、节电模式、火灾模式、打扫模式、停运模式，以及备用模式。

1）全站照明设备布局分析

图10-65所示为车站内照明设备的布局区域。

图10-65　车站照明设备布局区域图

车站出入口处：以上海地铁站为例，在地铁站出入口处安装光线传感器，当白天阳光充足时，光线传感器受到感应将信号反馈至系统终端，终端根据接收到的信号结合车站区域照度分析表自动减弱照明设备的亮度。特别是在上午九点到下午两点之间，自然光的照射基本可以满足车站出入口处所需的照度，所以出入口的照明装置基本上只开启五分之一甚至全部关闭。而在下午两点之后，因为阳光减弱，光线传感器受到感应，将信号传送回终端，终端将自动增强灯具的亮度，特别是在下午五点以后，太阳光线基本消失，出入口处会自动开启全部照明设备，并且将照明强度调至较亮的状态。

车站站台层：站台层是乘客候车及换乘的聚集地，因此是整个地铁站中照明时间最长、照明亮度最复杂的公共区域，此区域对照明设备的使用寿命、发光效率要求极高。还是以上海地铁二号线为例，站台层中安装了智能照明系统，早晚高峰时间段内，站台层的照明设备会全部开启，系统将照度自动调节至150 Lx，该照度的光线符合人眼的最佳亮度。而在非高峰时间内，站台层中的智能照明装置将自动关闭三分之二的照明设备，并且会将灯具的亮度降低三分之一左右，这样可以有效节省地铁站的照明用电量。根据最近几年上海二号线的耗能分析显示，在使用智能照明系统之后，地铁车站的耗能量比往期减少了近30%。此外，智能照明还延伸到列车的隧道中，列车进站时列车前方的灯会自动逐渐开启，亮度会随着列车的驶入逐渐变亮，在列车停稳的那一刻达到最大值，大约在200 Lx左右。这样既能够方便乘客在足够明亮的状态下完成上下车，也能够产生一定的提示效果，提醒乘客列车到站。在列车驶出车站后，隧道内的照明设备将自动降低70%的亮度，实现真正的安全节能。

车站站厅层：站厅层主要实现一个过渡的作用，乘客在这购买车票，进行安检、换乘、中转休息或短暂停留。站厅层提供各种导向标识来引导乘客乘车，其对照明亮度的要求更高。以广州地铁站为例，在广州地铁的站厅层中，所有的照明设备一律为LED照明灯具，并且在安装后的10年内没有进行过任何维护，照明设备的使用周期很长。与上海地铁站台层相同，广州地铁站的站厅层也采用分时段的照明模式，在高峰时段，照明设备全部开启，照度自动调节至140 Lx，在非高峰期时段，站厅层的中的照明系统仅仅开启三分之一的照明设备。另外，站厅层作为一个指引乘客乘车的功能区，安装了许多智能指示灯，用于提醒乘客方位和导向。这些指示灯按照交接式布局，不仅有效延长了照明时间，还能够让车站中的乘客迅速找到指示方向牌，并根据提示完成列车换乘。

广告照明：在地铁行驶的隧道及站台站厅中，有很多广告牌需要提供灯光照明。这一方面可以让广告公示牌变得更为醒目，另一方面可以适当增加乘客旅途的趣味性。广告照明一般在车站开始运营时开启，在晚上列车停运时关闭。此外，广告照明只需要在开启初期调整到适当的亮度，不需要后续调整，所以不需要智能照明来进行控制。

应急照明：应急照明指在应急模式下需要开启的灯光已经在平时进行指引乘客的一些灯具，在应急模式下，一般不需要开启全部的灯具，这样可能在某种程度上增加事故带来的经济损失，平时的一些指引乘客的灯具只需要保证全天开启即可，同样不需要智能照明控制系统的控制。

4.车站照明系统的控制模式

车站的照明系统一般由以下几种模式组成：全开模式、节电模式、火灾模式、打扫模式、停运模式，如图10-66所示。

图10-66　照明系统运行模式

全开模式：在早晚高峰期间，人流量较多，车站较为拥挤，并且早晚高峰期间外界亮度也较低，所以此时车站需要加大照明亮度，提高乘客的可见度，增加乘坐舒适度。

节电模式：在早高峰前期、早晚高峰之间，以及晚高峰至停运期间，人流量较少，此时不需要较高的照明亮度，所以只需要开启部分灯具。

火灾模式：当发生火灾时，经系统终端的计算机室确认后，强制断开非消防电源，同时自动启动报警装置、火灾应急照明灯和疏散指示灯，全站进入火灾模式。火灾模式下，智能照明控制系统只能启动消防照明灯具，其他照明设施及其他用电设备均无法启动。火灾模式下，广告照明全部切断，车站工作照明延时切除。该模式在火灾及平时需要演习时开启。此外，平时都应每天打开检查，有任何问题应及时更换。

打扫模式：每天晚上十一点过后，车站停运，清洁工人进行卫生打扫，此时只需要提供部分灯光即可，避免造成浪费。

停运模式：在清洁工人打扫完成之后，进入停运模式，此时可以将大部分灯光关闭，仅留下少部分灯光供巡逻人员进行日常巡查。