上海轨道交通4号线列车客室照明节能改造研究

顾耀君

上海轨道交通4号线列车客室照明节能改造研究

顾耀君

（同济大学汽车学院，201804，上海//硕士研究生）

以上海轨道交通4号线列车客室照明作为节能改造的研究对象，介绍了4号线列车客室照明系统的技术特点与4号线沿线典型运营条件。提出了采用LED（发光二极管）灯具替代荧光灯具以及在照明控制电路中嵌入光敏节能控制器的改造方案，可实现4号线列车客室照明系统55%以上的节能率。

上海轨道交通4号线；客室照明；LED灯具；智能光敏节能控制器；节能改造

Author′s addressSchoolof Automotive Studiesof TongjiU－niversity，201804，Shanghai，China

城市轨道交通作为一种安全、快捷、舒适、环保的交通方式，逐渐成为有效解决各大城市交通拥堵问题的有效途径。随着上海轨道交通的快速发展，投运列车数量逐年增加，如何有效降低轨道交通列车车载用电设备的电能消耗成为运营企业的重大课题之一。

本文以上海轨道交通4号线列车客室照明作为节能改造的研究对象，介绍了4号线列车客室照明系统的技术特点与4号线沿线典型的运营条件，综合分析了不利于实现节能减排的有关问题，提出了采用LED（发光二极管）灯具替代荧光灯具和在照明控制电路中嵌入智能光敏控制器的节能改造方案，可实现4号线列车客室照明系统55%以上的节能率。

1 客室照明LED节能替代方案设计

1.1LED光源替代传统照明光源

目前，轨道交通列车的照明大部分仍采用传统的荧光灯作为照明灯具，虽然其成本低廉，但发光效率低、需要配合镇流器使用、维护成本高、能耗大,不符合节能减排的要求。近年来，LED作为新型的光源形式，以其寿命超长、抗衰减性、低能耗、抗震动冲击等优势，正逐渐取代传统荧光灯成为轨道交通列车客室的主要照明光源。

1.2客室照明LED灯管替代改造方案

上海轨道交通4号线列车是由Tc车（带司机室的拖车）、Mp车（带受电弓的动车）及M车（不带受电弓的动车）3种车型组成的6节编组列车，列车客室照明采用2路常用照明与1路紧急照明的布置型式，且以荧光灯作为照明光源。本文以Mp车作为研究对象（M车与M p车客室照明布置完全相同，而Tc车仅比Mp车在车厢端墙处少2根18W灯管）。Mp车客室照明布置图如图1所示，Mp车在车厢两侧各布置20根36W常用照明和10根36W紧急照明荧光灯管，另在车厢一侧的尽头位置安装2根18W常用照明短灯管。6节车厢的荧光灯管的总功率为7 kW。

GB/T 7928—2003《地铁车辆通用技术条件》规定：地铁车辆客室内离地板面0.8m以上的位置照度不得低于250 lx。因此，若要进行LED灯管替换改造，必须对所选LED灯管替代后客室照度进行核算。

4号线车辆客室照明LED替代改造方案选用国内某厂家生产的内置式双端进电T8灯管。其中，T8W 20型灯管功率为20W，其尺寸及安装方式与原有的36W的荧光灯管相同，光通量为2 000 lm；T8W 10型灯管功率为10W，其外形尺寸与安装接口方式与原有18W荧光灯管相同，光通量为1 000 lm。

图1 Mp车客室照明布置图

1.3客室照度计算

目前，计算地铁车辆室内照度最常用的方法为利用系数法，其计算公式如下：

式中：

RCR——客室空间比；

a——客室宽度，m；

b——客室长度，m；

h——灯具距离工作面的高度，m；

Eav——规定表面平均照度，lx；

K——维护系数；

U——列车的利用系数；

RC——灯具透光率；

Φ——总通光量，lm/w；

A——计算照度所在的工作面面积，m2。

根据M p车车体资料可以确定a为2.8 m，b为21.88m，h为1.3m。利用式（1）可求出RCR为2.62。据RCR和客室内顶板、墙面、地板的反射率，查利用系数表可知4号线Mp车的U为0.8，K为0.7；4号线车辆客室照明采用塑料半透明灯罩，RC可取0.6；M p车的Φ为62 000 lm/W；A为61.264m2。由公式（2）可知，Mp车客室内照度为340 lx，满足GB/T 7928—2003《地铁车辆通用技术条件》规定的地铁车辆客室内离地板面0.8 m以上位置的照度不低于250 lx的要求；同理，Tc车和M车采用LED灯管后客室照度同样满足该规范的要求。

1.4节能率计算

LED灯管全部替代荧光灯管后，全列车客室照明的额定功率为3.68 kW，与荧光灯管的全车额定功率7 kW相比，节能率达到47.4%。

2 客室照明光敏控制节能改造方案设计

2.1光敏节能控制方式

除了采用LED光源替代传统的荧光灯光源外，轨道交通列车客室照明的另一种主要改造方式为采用光敏控制，即根据外界照度的强弱对客室照明进行开关控制或亮度调节，从而起到节能减排的作用。上海轨道交通16号线列车客室照明采用LED作为光源，可以大幅降低照明用电的能耗；其次，通过光敏控制及集中驱动电源的方式，列车可以根据外界照度的强弱实现对LED灯具电流大小的自动调节，从而实现节能与客室照度需求的平衡。2013年，广州地铁4号线列车客室照明实现了节能改造，采用LED灯具并设置合理的控制阈值，且根据外界照度变化自动控制客室照明开关，实现了较好的节电效果。综上所述，通过采用合理的控制方式和控制策略，结合LED灯具替代改造，可以较好地实现节能效果。

2.24号线列车客室照明控制原理

4号线列车将客室照明设计为3路独立供电：1路为应急照明、另外2路为常用照明。图2为4号线客室照明控制原理图。如图2所示，列车采用西门子SIBAS 32系统控制，KLIP（执行采集外部信号功能的远程输入/输出可扩展模块）分站收到主控端Tc车司机室发出的客室照明控制信号，通过SIBAS 32总线传输至车辆控制单元（VCU），再通过SIBAS 32总线控制每节车的KLIP电源模块，输出电源接通常用照明控制接触器，实现了远程控制客室常用照明。应急照明则是由硬线控制，直接由照明控制旋钮开关给出的接通信号使接触器得电或失电。

图2 4号线客室照明控制原理图

2.3客室照明光敏节能控制改造电路设计

图3为4号线列车客室照明光敏节能控制改造电路图。由图3可知，模式转换开关52-S02、光敏节能控制器52-A101以及隔离二极管V01和V02为光敏节能控制改造增加的部件。光敏节能控制对象为KLIP分站41-A101采集的照明控制信号。光敏节能控制器52-A101内部由光敏三极管T检测外界光照强度，发出控制客室照明开关的控制指令，即导通或关断场效应管（MOSFET）K1或K2。光敏节能控制器需在激活司机室有效，故在其工作电源前串联司机室激活继电器22-K153常开触点。

在自动模式下，司机启动列车并激活司机室主控制器，22-K153继电器触点闭合。列车客室照明模式转换开关选择在“自动”档即13/14触点闭合，光敏节能控制器52-A101得电工作。司机通过自复位旋钮开关52-S01打开应急照明与常用照明后，常用照明由52-A101控制，即照度大于预设的节能控制阈值，K1关断、K2接通，关闭常用照明。反之，则K1接通、K2关断，打开常用照明。

为了保证列车客室照明安全需求，无论外界照度如何须始终保持应急照明常开。因此，在KLIP分站信号输入端加装隔离二极管V01与V02，光敏节能控制器信号不参与应急照明控制。另外，如果光敏节能控制器失效，可将模式转换开关52-S02转换至“手动”模式即13/14触点断开，恢复列车客室照明的原有控制方式。

2.4光敏节能控制策略

由于正线上列车运营的位置不同，环境照度随之频繁变化。因此，需要通过抓住各关键位置照度变化的特征，确定节能控制实时监测的参数及设定控制阈值，才能实现节能控制。从正线采集的照度数据分析中可发现，根据照度大小及持续时间可判断列车所处的运营位置或工况。且根据实测的正线照度的变化规律，可以制定有效的节能控制策略：

（1）4号线列车在照度条件较好的白天运行在地面线路上时，仅打开客室紧急照明即可保证最低的照度要求，即照度大于节能控制照度阈值时可进行节能控制；列车在驶入地面站台过程中，照度明显下降，且持续时间较短，为保证乘客的视觉舒适度，通过设置延时保持客室常用照明关闭。

（2）当列车驶入隧道后，照度短时内下降至较低照度，此时需要立即关闭节能信号，打开客室常用照明；当列车进入地下站台过程中，照度明显上升，但未达到可以进行节能控制的照度阈值。因此整个地下线路运营过程中无需进行节能控制。

（3）当列车驶出隧道时，由于车身完全驶出需要一定的时间，因此即使照度达到节能控制照度阈值，也需进行延时控制，从而保证列车完全驶出隧道后再关闭常用照明。

图3 4号线列车客室照明光敏节能控制改造电路图

（4）列车节能控制中需忽略列车短时通过沿线建筑或高架桥时照度降低的影响。同时，对极端天气造成的照度下降，需能够辨别并做出应对。

图4为照度-时间曲线与常用照明控制信号关系图。从图4可看出，“ON 1”时间段内，客室常用照明控制信号为“1”，即开启状态。列车从照度低于L1的隧道内驶出到地面区间后，此时光敏节能控制器检测到照度大于节能控制阈值L3并持续t1之后输出关闭客室常用照明信号，即控制信号为“0”。

“OFF 1”时间段内，由于地面区间的照度满足节能控制条件，故客室常用照明控制信号为“0”，即关闭状态。列车在经过高架桥等建筑时，照度出现短时间内低于L1的现象，通过设置延时t2，可保持客室常用照明控制信号为“0”。同时，列车驶入地面站台时出现照度的短时下降，亦通过L2和t3的设置保持客室常用照明控制信号输出为“0”。当光敏节能控制器检测到天气变化引起的照度明显下降至L2并持续t3之后，客室常用照明控制信号输出为“1”。

“ON 2”时间段内，外界照度恢复到大于节能控制阈值L3且持续t1之前客室常用照明控制信号保持为“1”。

“OFF 2”时间段内，列车从地面区间驶入隧道，即光敏节能控制器检测到照度低于L1并持续t2之前，客室常用照明保持关闭信号。

“ON 3”时间段内，列车驶入隧道后光敏节能控制器检测到照度低于L1并持续t2以上，客室常用照明控制信号为“1”。

因此，选择合适的光敏节能控制器，可实现上述节能控制策略，能更好地适应4号线复杂的照度变化环境、保证客室的照度要求、实现客室照明节能目标。

2.5节能率计算

上海轨道交通4号线是一条环状线路，总运营里程为33.8 km，其中地面线路长度为13.3 km，占总里程的39.3%。根据4号线运营图安排，4号线列车在地面线路上行驶的时间占全线总行驶时间的比例为40%。理论上，客室照明经过光敏节能控制改造后可实现40%的节能率。但是，由于夜间运营及天气变化等因素造成的外界照度低于节能控制阈值的时间段内，客室照明无法实现光敏节能。根据运营列车试验数据统计，4号线列车光敏节能的实际节能率为28%。

图4 照度-时间曲线与常用照明控制信号示意图

3 结语

本文根据上海轨道交通4号线列车及其线路运营的特点，通过采用LED光源、开发智能化光敏节能控制器、进行客室照明电路节能改造等方法，在保证客室照度要求的前提下实现了很好的节能效果。目前该方案已在4号线列车上实现并投入运营。根据实测数据计算，4号线客室照明系统通过采用LED光源以及光敏控制节能改造后的综合节能率达到56.4%，具有较好的应用前景。目前，上海轨道交通11号线列车亦采用该方案进行客室照明节能改造，结果表明节能效果良好。

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Energy-saving M odification of Vehicle Com partment Lighting on ShanghaiM etro Line 4

GU Yaojun

The vehicle compartment lighting and control method of Shanghaimetro Line 4 are studied.Technical characters of traditional fluorescent lighting and the typical operation conditions along metro Line 4 are introduced.Then，a modification plan is proposed，which replaces the traditional fluorescent lighting w ith LED lighting and installs photosensitive energy-saving controllers in compartment lighting control circuit.This plan can enhance the comprehensive energy-saving rate to about 55%for Shanghaimetro Line 4 vehicle compartment lighting.

Shanghai metro Line 4；compartment lighting；LED lighting；intelligent photosensitive energy-saving controller；energy-savingmodification

U270.38+1；U231.91

10.16037/j.1007-869x.2017.07.026

2016-07-18）