鐵路隧道照明控制方案探討

王瑞云

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 北京 102600）

1 引言

當(dāng)今節(jié)約能源、節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境成為社會共識，國家及各部委均已出臺相應(yīng)法律法規(guī)和方針政策，要求節(jié)約能源，降低能耗［1－2］，提高能源利用率，促進(jìn)再生能源的應(yīng)用。鐵路隧道內(nèi)照明光源、照度標(biāo)準(zhǔn)及功率密度已有國家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)［3］，參與工程項(xiàng)目建設(shè)的有關(guān)各方均已按規(guī)定執(zhí)行，將節(jié)能落到實(shí)處。為進(jìn)一步降低能耗，現(xiàn)通過采用現(xiàn)代電子檢測技術(shù)對隧道內(nèi)照明系統(tǒng)的啟閉時(shí)間進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)鐵路的安全節(jié)能運(yùn)行。

2 鐵路隧道內(nèi)照明功能及設(shè)置依據(jù)

鐵路隧道內(nèi)設(shè)置照明裝置除去作為檢修照明外，還可以為隧道內(nèi)通行的火車提供必要的照明支持，保證鐵路安全運(yùn)營［4］。

依據(jù)國家相應(yīng)規(guī)范要求高速鐵路、城際鐵路、時(shí)速200 km客貨共線鐵路中長度在500 m以上的隧道內(nèi)應(yīng)設(shè)置正常照明；設(shè)計(jì)時(shí)速160 km及以下客貨共線鐵路、貨運(yùn)專線鐵路中隧道長度在3 000 m及以上的可設(shè)置正常照明［5］。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，客運(yùn)專線及高速鐵路隧道幾乎均需要設(shè)置正常照明燈具。隨著國家經(jīng)濟(jì)實(shí)力及相關(guān)技術(shù)水平的提高，鐵路工程建設(shè)已達(dá)到逢山穿越、遇溝架橋的階段，鐵路隧道建設(shè)越來越多，隧道里程越來越長，每年隧道照明耗能逐年增加，如何降低隧道照明能耗問題已經(jīng)凸顯。

3 鐵路隧道現(xiàn)有照明控制方式及能耗

目前國內(nèi)隧道照明系統(tǒng)控制方式主要有兩種：現(xiàn)場手動(dòng)控制和遠(yuǎn)動(dòng)控制方式?，F(xiàn)場手動(dòng)控制：人工現(xiàn)場通過設(shè)置在隧道口的電源開關(guān)箱及洞內(nèi)的照明控制箱進(jìn)行照明燈具的控制［6］。這種方式用于線路檢修人員檢修線路時(shí)使用，但鐵路正常運(yùn)行時(shí)，為保障列車的安全運(yùn)行，一般隧道照明被設(shè)置為長明燈方式。遠(yuǎn)動(dòng)控制：由遠(yuǎn)控中心人員根據(jù)各列車通過隧道時(shí)間或根據(jù)需要開啟或關(guān)閉隧道內(nèi)的照明燈具。一個(gè)遠(yuǎn)控中心需管理多條鐵路線路，每條線路又包含多條隧道，控制點(diǎn)位多、控制系統(tǒng)復(fù)雜，同時(shí)受列車時(shí)刻表調(diào)整影響，管理更加復(fù)雜繁瑣，造成許多遠(yuǎn)動(dòng)控制的隧道照明系統(tǒng)采用長明方式運(yùn)營［7］。

長明運(yùn)營方式的能耗很大，以一條長度為1 000 m的單線隧道為例，其正常軌面照度標(biāo)準(zhǔn)為3 lx，功率密度標(biāo)準(zhǔn)約為0.35 W／m2。

根據(jù)照明標(biāo)準(zhǔn)能耗計(jì)算公式：

式中：E為能耗，kW·h；P為照明功率密度標(biāo)準(zhǔn)值，W／m2；S 為照明面積，m2，T 為照明時(shí)間，h。

經(jīng)計(jì)算，上述隧道其全年照明消耗電能約為1.5萬kW·h?，F(xiàn)實(shí)中鐵路隧道照度設(shè)計(jì)值一般都高于規(guī)范要求，達(dá)到5～10 lx，其實(shí)際電能消耗遠(yuǎn)比計(jì)算值大的多?？紤]全國鐵路隧道的體量，其全年照明耗能巨大。

根據(jù)以上隧道照明系統(tǒng)控制方式的論述及能耗分析發(fā)現(xiàn)，在照度標(biāo)準(zhǔn)、照明功率密度值及照明面積固定的前提下，與隧道照明能耗關(guān)系最大的是運(yùn)行時(shí)間，因而選用一種能對隧道內(nèi)照明系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行調(diào)控的方案，對于降低鐵路隧道照明能耗非常關(guān)鍵［8］。

4 隧道照明控制方案研究

鐵路隧道內(nèi)照明燈具已有的啟閉控制方案較多，且比較成熟，但能做到列車通過隧道時(shí)隧道內(nèi)的照明燈具自動(dòng)開啟，提供運(yùn)營照明，而當(dāng)列車通過隧道后隧道內(nèi)的照明燈具自動(dòng)關(guān)閉［9］，這種能自動(dòng)減少不必要開燈時(shí)間的控制方案卻比較少，因此本文探討基于現(xiàn)代電子檢測技術(shù)現(xiàn)場自動(dòng)啟閉隧道內(nèi)照明燈具的控制方案。

4.1 紅外對射形式

紅外對射探測器的工作原理是從一端發(fā)射紅外線，另外一端接收紅外線，形成一個(gè)回路。如果有物體擋在紅外對射探測器之間，阻斷紅外回路，接收機(jī)信號發(fā)生變化，放大處理后發(fā)出動(dòng)作信號［10］。紅外對射探測器工作原理：隧道兩側(cè)設(shè)置紅外對射裝置，在檢測到有列車開進(jìn)隧道時(shí)開啟隧道內(nèi)的照明燈具；在檢測到列車通過隧道后關(guān)閉隧道內(nèi)的照明燈具。具體檢測設(shè)備布置方案如下：

現(xiàn)火車設(shè)計(jì)時(shí)速一般為120～350 km，即每秒在45～95 m之間，綜合考慮系統(tǒng)轉(zhuǎn)換、傳輸時(shí)間，在距隧道兩端約4～5 s火車行駛車程（400～450 m）處分別設(shè)置兩組紅外對射探測器。列車車底板距軌頂一般為0.9～1.0 m，紅外對射探測器安裝高度以距軌頂高度1.1～1.7 m為宜，保證對射信號能完全被遮斷；兼顧到系統(tǒng)穩(wěn)定、先后順序識別性及保證探測信號最終可以同時(shí)被遮斷，按長度約100～150 m（8節(jié)列車長度約200 m）來控制兩組探測器之間間距。探測器需在每條通過隧道的線路上布設(shè)，將距隧道端頭遠(yuǎn)端的探測器標(biāo)識為A組，近端標(biāo)識為B組探測器。牽涉單洞單線及單洞雙線模式，具體檢測設(shè)備布置方案見圖1。

圖1 紅外對射檢測設(shè)備布置方案

4.2 地感線圈模式

地感線圈模式是一個(gè)振蕩電路，線圈是振蕩電路的一部分，由線圈和電容組成振蕩電路。振蕩信號通過變換發(fā)送到單片機(jī)組成的頻率測量電路，便可以測量這個(gè)振蕩器的頻率［11］。當(dāng)有大的金屬物如火車經(jīng)過時(shí)，由于空間介質(zhì)發(fā)生變化引起振蕩頻率的變化（有金屬物體時(shí)振蕩頻率升高），這個(gè)變化就作為火車經(jīng)過“地感線圈”的證實(shí)信號，地感線圈的感應(yīng)系統(tǒng)信號經(jīng)過處理作為控制隧道內(nèi)照明燈具啟閉的信號。將4.1章節(jié)所述紅外對射探測器換成地感線圈，同樣在隧道的同側(cè)每條線路上設(shè)置A、B兩地感線圈，距隧道端頭遠(yuǎn)端的探測器標(biāo)識為A組，近端標(biāo)識為B組探測器。對于我國1.435 m軌距的線路，可采用1.2 m×1.0 m矩形線圈布置在軌道內(nèi)側(cè)，設(shè)置方案見圖2。

圖2 地感檢測器件布設(shè)方案

4.3 磁鋼檢測模式

磁鋼可以感應(yīng)磁場的變化，當(dāng)導(dǎo)磁物體接近磁鋼時(shí)，磁鋼會輸出一個(gè)正脈沖；當(dāng)導(dǎo)磁物體從接近位置遠(yuǎn)離磁鋼時(shí)，磁鋼會輸出一個(gè)0 V電壓。利用這個(gè)特性通過相關(guān)的設(shè)計(jì)電路輸出正脈沖信號提供一個(gè)觸發(fā)類的信號，鐵路中車號識別系統(tǒng)及檢測列車軸數(shù)均利用磁鋼檢測裝置來配合完成。對于磁鋼檢測裝置信號用在隧道照明控制信號只需將地感線圈模式中的地感線圈換成磁鋼（有對應(yīng)成套的檢測裝置），通過感應(yīng)的系統(tǒng)信號來控制隧道內(nèi)燈具的開啟和關(guān)閉。磁鋼安裝于軌道內(nèi)側(cè)，感應(yīng)火車輪軌經(jīng)過的信號，A、B兩點(diǎn)的安裝距離由地感線圈模式的100～150 m調(diào)整為24～26 m，同樣將距隧道端頭遠(yuǎn)端的探測器標(biāo)識為A組，近端標(biāo)識為B組探測器。做為隧道照明系統(tǒng)的控制信號需在每個(gè)檢測點(diǎn)取一次信號檢測后延遲30 s再取第二次檢測信號。

4.4 相應(yīng)控制方案

采集后的信號經(jīng)過處理做為隧道照明的控制信號，控制隧道內(nèi)照明燈具的啟閉。具體過程為當(dāng)檢測到的遮擋（感應(yīng)）信號由鐵路隧道同側(cè)A到B時(shí)則在設(shè)置的計(jì)數(shù)器內(nèi)加上1，同時(shí)開啟隧道內(nèi)的照明燈具。當(dāng)檢測到的遮擋（感應(yīng)）信號由隧道同側(cè)B到A則在設(shè)置的計(jì)數(shù)器內(nèi)減去1，考慮到發(fā)車及追車間距延時(shí)5 min（密集發(fā)車間距一般為3 min）后再根據(jù)計(jì)數(shù)器內(nèi)數(shù)值判斷是否有車進(jìn)入隧道或正在隧道內(nèi)行駛：若計(jì)數(shù)器數(shù)值為零，則表明隧道內(nèi)沒有列車存在，此時(shí)關(guān)閉隧道內(nèi)的照明燈具；若計(jì)數(shù)器數(shù)值不為零，表明隧道內(nèi)有列車存在，則燈具繼續(xù)保持開啟狀態(tài)直至檢測到計(jì)數(shù)器數(shù)值歸零為止。具體控制方案見圖3。

圖3 信號檢測流程

4.5 相應(yīng)配電系統(tǒng)形式

現(xiàn)場檢測信號經(jīng)處理后作為控制信號傳至隧道照明控制箱，與現(xiàn)場手動(dòng)控制、遠(yuǎn)動(dòng)控制信號共同控制隧道內(nèi)照明燈具的啟閉?？刂瓶蓜澐謨?yōu)先級，一級為現(xiàn)場手動(dòng)控制信號、二級遠(yuǎn)動(dòng)控制信號、三級現(xiàn)場檢測信號控制。隧道照明配電系統(tǒng)見圖4。

圖4 隧道照明配電系統(tǒng)

4.6 系統(tǒng)的檢測校核

為了解系統(tǒng)的運(yùn)行情況，及早發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)問題，在隧道內(nèi)最不利自然采光處設(shè)置光照度探測器，探測器安裝于距疏散平臺地面以上0.5 m高部位。當(dāng)配電系統(tǒng)接到啟動(dòng)信號后，光照度檢測的照度由低值（小于1 lx）升至3～5 lx并穩(wěn)定在此范圍內(nèi)，表明隧道內(nèi)的照明燈具正常開啟，檢測校驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)出正常信號。當(dāng)探測器探測到照度值由低值（小于1 lx）快速升至幾千勒克斯隨后降低，瞬間再次快速升至幾千勒克斯再到低值，表明有列車行駛在隧道內(nèi)而隧道內(nèi)的照明燈具沒有啟動(dòng)，系統(tǒng)則發(fā)出故障報(bào)警信號；當(dāng)有啟動(dòng)照明燈具信號但照度探測器未檢測到照度變化時(shí)，表明沒有列車駛?cè)胨淼?，隧道?nèi)的照明燈具也沒有開啟，這時(shí)系統(tǒng)也發(fā)出故障報(bào)警信號。維護(hù)人員收到故障信號后可到現(xiàn)場進(jìn)行處理，從照明燈具、配電線路及系統(tǒng)、檢測裝置、信號線路等幾方面進(jìn)行檢查。這樣就可以及早發(fā)現(xiàn)并解決系統(tǒng)問題，同時(shí)可以減少后期不必要的現(xiàn)場維護(hù)檢修次數(shù)。

5 適用范圍及方案實(shí)施時(shí)應(yīng)注意的問題

（1）隧道占比較多，特別是采用長大隧道較多的線路。

（2）采用對射方案時(shí)，應(yīng)避免對射裝置安裝位置侵入車輛限界，保證車輛運(yùn)行的安全性。

（3）為減少外界對系統(tǒng)的影響，紅外對射每組光束接收裝置需采用長桶細(xì)徑狀。

（4）為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定及準(zhǔn)確性，每組對射探測器建議采用3～4光束探測器。

（5）地感線圈需做好磁通量的確定調(diào)整，安裝時(shí)需與路基、軌道專業(yè)做好協(xié)調(diào)溝通，做好局部的基礎(chǔ)處理。

（6）磁鋼檢測系統(tǒng)需采用經(jīng)過國家鐵路局或原國家鐵道部技術(shù)評審備案的產(chǎn)品。

（7）隧道內(nèi)照明燈具需采用能及時(shí)點(diǎn)亮的光源［12］。

（8）對于隧道與隧道之間的距離小于1 000 m的連續(xù)隧道群可按一個(gè)整體隧道來考慮，在隧道群兩端設(shè)置檢測控制系統(tǒng)。

6 結(jié)論

在原有隧道照明控制方式的手動(dòng)、遠(yuǎn)控模式的基礎(chǔ)上增加能根據(jù)現(xiàn)場列車通行情況自動(dòng)啟閉隧道照明燈具的控制系統(tǒng)，對隧道內(nèi)的照明燈具啟閉進(jìn)行控制，做到有列車通過隧道時(shí)開啟隧道內(nèi)的照明燈具，列車通過隧道后關(guān)閉隧道內(nèi)的照明燈具，方便管理，同時(shí)能保證火車運(yùn)行安全又做到節(jié)能，減少鐵路運(yùn)營成本，符合國家及各部委對節(jié)能的總體要求。