地铁列车自适应照明系统的设计

地铁列车自适应照明系统的设计

摘要：地铁列车的自适应照明系统，能根据外界光照强度自动调节车厢内照明灯具的亮度，使车厢内的照度始终保持在一个恒定值，达到节能的目的。本文结合上海某地铁项目，介绍了该自适应照明系统的设计，分析了自适应照明系统的技术特点。

关键词：自适应照明系统节能

1.引言

节能减排是目前地铁列车设计过程中的一个原则，照明系统属于地铁列车中的一个用电量比较大的系统，地铁列车可能在隧道及地面运行，当地铁列车运行至地面时，外界有光照，此时地铁列车车厢内的照明灯具应降低亮度，自适应照明系统的能很好的实现此功能，自动的根据外界光照强度调整灯具的亮度，达到节能减排的目的。

2.系统结构及工作原理

上海某地铁项目自适应照明系统在每个车厢内设置的设备主要包含：亮度传感器、主控制器、LED照明电源以及LED照明灯具。表1为系统配置表。

表1照明系统配置表

名称

数量（辆）

1

主控制器

1

2

亮度传感器

2

3

LED照明电源

4

4

LED照明灯具

1套

工作原理：照明控制开关位于列车司机驾驶室内，正常情况下，司机由受控司机室对照明的工作状态进行控制。车辆在地面、隧道不同区间运行时，光强传感器实时采集客室照度，并将采集到的数据实时发送到照明控制器，照明控制器将数据进行比较运算处理后，发送指令给LED照明电源，LED照明电源根据收到的指令调节输出功率，进而调整灯具的亮度，使车厢内照度始终保持在一个恒定值。图1为系统构架图。

图1自适应照明系统构架图

3.系统设备

3.1主控制器

主控制器安装在每个车厢的电气控制柜内，负责控制整个车厢照明系统设备的工作。它的主要功能有以下几个：

（1）实时接收本车厢两个亮度传感器的数据信息。

（2）控制四路LED电源的输出，从而控制本车厢的照明亮度;

（3）根据控制策略，输出控制指令;

（4）显示系统状态信息;

（5）与列车控制系统有硬线接口，发送故障信息;

（6）可以利用SD卡修改系统参数和控制策略;

（7）能够将必要的信息记录在SD卡中，可供下载和分析;

（8）接收列车司机室控制指令，进入各种工作模式;

（9）具有故障运行模式。

3.2亮度传感器

亮度传感器安装在车厢两侧，负责采集车厢内的照度数据，检测车厢内部光强。亮度传感器由主控制器提供的12V电源进行工作，同时将测得的光强信息通过通信线传给主控制器;

3.3LED照明电源

LED照明电源安装在每个车厢两端的电气柜中，给整个车厢的LED灯具提供电源。LED照明电源与主控制器之间是数据电缆接口，主控制器提供有源的PWM控制信号给LED照明电源;

电平标准为12V;

带载能力为1A;

频率为1kHZ;

占空比为10%-90%为有效输出，线性控制LED电源的输出;

当占空比小于10%或者大于90%时，表示控制器已经出现故障，LED电源需要进行最大亮度输出;

4.系统控制策略

上海某项目地铁列车自适应照明系统有自动模式、手动模式、应急模式、故障模式4中工作模式。

4.1自动模式

主控制器接收到来自列车司机驾驶室的指令，进入自动模式，依据以下逻辑进行控制：

（1）同一车厢内，综合两个亮度传感器采集的光强数据作为主控制器的输入。正常工作时，以两个光强传感器的测量值的平均值作为最终的光强值。当一个传感器故障时，以另外一个传感器的光强值作为最终的光强值，同时报告故障;

（2）最终的光强值会经过一段时间的平均滤波之后输给主控器的内部调节器;

（3）控制算法分为两大类，一类为突变响应，另外一类为动态跟踪。

（4）其中动态跟踪算法模型符合一个闭环调节系统的特征。调节器的调节参数将根据现场的实际环境和控制要求给出。

4.2手动模式

主控制器接收到来自列车司机驾驶室的指令，进入手动模式，此时主控制器不对亮度采集器传输的数据进行处理，直接给LED照明电源输出预设的最大亮度信号，LED灯具输出最大亮度。

4.3应急模式

当地铁列车的辅助电源系统出现问题，辅助逆变器无法提供110V输出时，由地铁列车的蓄电池给列车的紧急辅助供电，此时，自适应照明系统进入应急模式，主控制器输出规定的应急照明亮度信号值，一般为车辆的照明亮度最大值的1/3;

4.4故障模式

当两个亮度传感器同时出现故障时，主控器进入故障模式，同时报告故障。在故障模式下，主控制器输出预定的亮度信号值，一般为最大照明亮度。

5.供电方式

上海某项目地铁列车110VDC照明供电方案采用集中供电方式：每辆车的电器柜内设置具4个调光功能的大功率电源模块，电源模块的配置为冗余方式配置。

灯具不用配置控制模块，整个照明系统灯具分为两路，每两个电源模块控制一侧的某一路照明，进行集中供电。其中一个电源模块故障后，另一个电源模块将负责此路电源供电，此时此路电源将降功率照明。

客室所有灯具采用集中驱动，客室每侧灯带分两路间隔布置，通过降低集中驱动电源的输出电流或PWM占空比来实现照度调节或紧急照明。

6.结论

该项目地铁列车已通过运营前的各项试验，即将载客运营。经过试验验证，该系统能够连续动态地感知环境光强并有效控制LED电源输出，实现了车厢内照度恒定及节能减排的目的，对后续地铁列车照明系统的设计具有一定借鉴意义。