铁路智能车站设备节能集控系统研究

李 瑞

（中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081）

1 铁路车站设备能耗现状

当前，国内铁路客运站硬件设施配置逐渐丰富，特别是新建的高速铁路客运站中，硬件设施现代化程度较高，不仅满足了旅客的乘降候车需求，更为旅客提供了便捷舒适的服务。然而车站在为旅客输出高质量服务的背后，却承担着由于设备高耗能导致的高昂运营维护成本。根据对各铁路局集团公司车站设备的能耗情况进行调研，车站内主要能耗用于照明系统、空调系统、电梯和导向屏 4 类设备，以上 4 类设备的用电量占据了车站整体用电量的 80% 以上[1]。受地理位置、自然环境及气候差异的影响，各地车站的能耗差异主要体现在空调的能耗方面。总体来看，北方 (长江以北地区) 对空调的依赖主要集中在夏季月份的制冷工作，冬季的供暖大多采用另外的供暖系统；而南方 (长江以南地区)的车站对于空调依赖程度较高，空调主要用来制冷工作，另外由于南方多数车站缺少额外的供暖系统，车站的暖通也由空调机组来承担。由于车站的旅客服务、接发工作模式相同，对电梯、照明、显示屏的运维模式基本相同，因而对于这 3 类设备的能耗使用情况大致相同。车站设备能耗浪费主要是由于对设备的管理不够精细化造成的，主要体现在以下方面。

（1）空调能耗。一些车站的空调开关控制只根据冬夏 2 种模式进行粗放管理，没有考虑到室内实际温度，空调在开启后，很少有人根据实际温差进行调整，造成能耗损失。

（2）照明能耗。除一些特等站、一等站外，其他等级的车站旅客候车、接发作业规律频次、繁忙程度较低，但现阶段此类车站候车室及站台在无旅客的情况下仍存在照明长时间开启现象。

（3）电梯能耗。为方便旅客快速乘降，车站通常在进站候车层、出站层设有多部电梯。而旅客进站候车与出站随列车到发有很强的规律性，在无旅客乘用的时候，电梯长时间空转会形成大量的能耗损失。

（4）显示屏能耗。车站显示屏包括进站显示大屏、引导屏和站台屏。现阶段，如没有旅客长时间乘降时，候车室引导屏和站台屏默认都是开启状态，长时间开启造成能耗损失。

为减少车站设备能耗损失，研究构建铁路智能车站设备节能集控系统，完成对车站能耗较大设备的能耗数据采集，并结合不同环境需求下设备运行的节能优化策略，实现对设备的远程智能化控制，在保证旅客乘降候车服务质量的前提下，达到节能降耗的目的。

2 铁路智能车站设备节能集控系统总体方案研究

2.1 系统功能

铁路智能车站设备节能集控系统主要功能模块包括设备管理、数据采集、能耗分析、设备远程控制、历史数据查询与报表打印，以及数据的可视化。

（1）设备管理。负责对系统集控设备的管理工作，通过对空调、照明设备、电梯、显示屏等各类设备建立信息档案，构建出整个集控系统生产过程中的基础数据库，以电子履历的模式实现设备的全生命周期管理：通过准确掌握车站设备种类、数目、位置信息，实现对车站设备的精准化管理；通过对设备运行状态监测，采用大数据分析算法对设备状态数据进行分析，实现设备故障的预测与预警；通过设备维护信息，指导车站维护人员动态调整设备维护机制，实现设备的精准维护。

（2）数据采集。负责将传感器采集到的温度、照度、耗电量等设备信息进行展示，同时将车站的集控设备按照设备类别以树形结构排列，实现对单个设备数据采集情况进行查看。

（3）能耗分析。负责将底层智能电表对实际设备获取能耗的统计分析工作。按照不同查询条件给出相应的统计分析结果，包括各类设备月耗电量、季度耗电量及年耗电量的统计和其他设备同一时期的耗电量对比。

（4）设备远程控制。以远程自动控制和人工控制 2 种方式完成对站内空调、照明、电梯和显示屏的控制。远程自动控制是系统通过传感器在感知到设备的监控参数后，结合上层应用的各项节能控制业务逻辑，生成新的设备控制指令，自动通过终端控制器对设备的开关操作；人工控制是指在特殊情况下，系统用户以较高的优先权限，直接发送设备控制命令，通过终端控制器实现对设备的控制。

（5）历史数据查询与报表打印。系统可以根据时间、设备类型、设备运行状态等多种查询条件，给出查询统计结果，供用户直观分析对比。同时将不同查询条件下得到的数据信息，按照实际报表模板格式显示，调用打印组件模块直接打印。

（6）数据的可视化。负责对设备统计结果以多种图形的方式展示，根据数据内容用柱状图、折线图、饼图等形式使统计数据更加直观，具体展示包括各类设备使用情况统计、运行状态统计、设备的能耗统计等。

2.2 总体架构

车站设备的节能控制系统主要由底层硬件设备层、网络层和系统应用层构成。底层硬件设备层主要由智能电表和感知不同设备参数的传感器组成，智能电表负责记录单个 (或一组) 设备的用电量，光电传感器主要负责感知电梯口是否有人，光照传感器负责感知外界光照强度，温度传感器负责感知站内环境温度。底层传感设备在采集到环境参数后，会通过串口通信协议将数据传输到网络层。网络层通过协议解析后获取到传感器数据，进行数据解析、转化与封装，通过 TCP/IP协议将数据存储到远程数据库中，供系统应用的调用[2]；同时负责将系统应用层中对设备的控制命令，通过协议转换模块，将 TCP/IP 方式转换为串口通讯命令。系统应用层中在获取到底层数据后，根据业务需求可进行数据的分析及图形化显示，包括设备的管理、设备状态的在线监测、设备的能耗管理模块，也可以根据相关的业务逻辑分析，结合相应的节能策略，形成对底层硬件的控制命令[3]，控制命令再通过 TCP/IP 协议传输到底层控制网络，转为串口通讯命令，最终由设备的控制电路完成开启关闭指令，实现设备的远程关闭。系统网络架构如图1 所示。

2.3 系统逻辑

要实现对车站设备的节能控制，需要通过建立设备监控网络来实现。一是部署在设备端的各类传感器获取运行状态数据，以及通过在设备终端安装的智能电表准确的获取到设备的能耗数据，并且将数据上传到应用系统的数据库中。二是结合所监测到的数据，结合不同设备的节能策略，对各类设备的开关进行有效控制[4]。系统逻辑架构如图2 所示。

（1）基础设施层。包含由智能电表、温度、光敏、压力等传感器组成的感知层，由电梯、导向屏、空调、照明等控制模块组成的控制层。感知层主要负责将各传感器的数据通过串口协议的解析后存储到数据库中，供系统应用层的业务逻辑调用。控制层主要是负责将业务层逻辑层的控制指令，转化为控制信号，对不同设备的开关进行控制操作。

（2）中间件。包含负责解析底层数据串口协议，将设备层不同传感器监测到的电表数据、温度、光敏、光电传感器数据，进行解析后存到本地数据库；同时，为外部 TDCS、旅客服务系统等其他外部系统提供数据接口，将外部数据，如列车到发信息、FAS 系统信息等，接入本地数据库中。条件对站内的照明设备进行开关控制，并设置节能模式、夜间模式、全开模式和关闭模式，使照明系统根据实际情况自动切换。③电梯节能策略。主要从电梯开启数据和电梯开启模式 2 方面考虑，一是通过车站人流量、车站列车时刻表，对当前车站内的人流聚集人数进行判断，同时对最大人流密集程度进行预测，根据预测结果，按需求对车站不同进站方向的扶梯进行开启[3]。另一方面从设备角度节能，通过光电传感器和变频电机，感知当前的使用状态，改变电梯的输出功率，实现节能降耗。④显示屏节能策略。通过系统控制的方式，根据接入 TDCS 的数据源与车站的运行时刻表，对站内显示屏系统进行控制：当引导屏没有接发任务时，屏幕熄灭，转为待机状态；当有接发任务，需要显示信息时，屏幕通过系统指令，提前点亮屏幕，显示具体的引导信息，待本次列车的接发车作业完成时，屏幕自动熄灭转为待机状态，从而总体上降低了屏幕的使用能耗。

图1 系统网络架构图Fig.1 System network architecture

图2 系统逻辑架构图Fig.2 System logical architecture

（5）系统应用层。主要包括车站设备的管理功能、设备状态监测、系统参数的配置、设备场景配置、设备能耗分析等功能模块，主要用于车站管理人员对设备的精细化管理，同时通过设备的自动控制体现出车站设备的智能化[4]。

（3）数据层。负责将底层传感器采集到的数据通过串口协议解析后，在数据库中完成本地化和持久化，同时向上层服务提供可供调用的数据接口，上层应用通过接口访问，实现对空调、照明、电梯、显示屏信息的调用；同时数据差还将通过外部系统接口调用的方式，将外部数据存储到本地，供业务层使用。

（4）业务逻辑层。主要实现对底层设备控制的业务逻辑。结合不同的节能策略和监测数据分析，形成具体对底层设备的控制。主要为各类设备的节能策略的算法实现，以及一些系统应用的基础类库的实现。各类设备的节能控制策略如下。①空调节能策略。依据站内温度传感器实时感知的数据作为控制条件，采用变频控制和群组控制的方式对空调系统进行控制管理。②照明节能策略。站内照明设施分布较广，照明的开闭条件主要受外部光照强度影响，为避免灯组的长时间开启所造成的电能消耗，可以根据光照强度及列车接发作业等

3 关键技术

铁路智能车站设备节能集控系统的核心是通过对对底层硬件传感器和控制设备的数据采集和控制，实现对设备的节能控制。在设计过程中采用Lonworks 现场总线技术，完成对车站各类设备的数据采集与控制工作。Lonworks 是基于面向对象的 OSI 模型构建的协议框架，能够很好地兼容多类设备以及协议接口[5]。在 lonworks 网络内部，主要由远程终端模块 (RTU) 采用全双工的串口通信方式完成对底层硬件终端数据的采集和控制，每一个数据采集模块和控制模块成为一个 lon 节点，lon 节点在网络上通过 Lontalk 协议进行通信；lonworks 网络与上层应用系统的通信则通过接口路由器，由 TCP/IP 协议负责通讯[6]。底层数据采集与控制过程：①由传感器将采集到的信号量，经 RTU 的转换芯片将电信号转化为数字量，通过串口协议将数据封装后，传输到现场总线中；网络路由器通过TCP/IP 协议将数据传输到应用层，进行解析、存储。②系统的控制由应用层发起，系统根据对现场设备反馈数据的研判，选定封装好的设备控制策略，生成控制命令并通过广播的方式发送到现场总线网络中，由网络收发器接收到数据包后，进行识别判断，当控制芯片将解析后的数据确定为该模块的控制命令后，将控制命令通过串口通信的模式，直接作用于相应的硬件设备控制模块，完成对现场设备的控制 (开关、启停)。底层数据采集与控制过程如图3 所示。

图3 底层数据采集与控制过程Fig.3 Data gathering and controlling in hardware layer

4 结束语

铁路客运站中设备的节能控制是智能车站建设过程中的重要环节，在当前车站设备节能的建设中，选取车站能耗较大的空调、照明、电梯、显示屏 4 类设备进行集控，优化设备能耗管理[7]。铁路智能车站设备节能集控系统的应用，一方面有助于提高车站设备管理工作的效率，实现设备的精细化管理；另一方面，通过以智能化的方式为旅客提供舒适服务，实现设备节能效果，可以体现车站的智能化建设和管理水平[8]。目前车站仍然有大量的旅客服务设备在使用过程中存在电能浪费的情况，如闸机、自动售票机、自动取票机等设备。由于这些设备种类较多，受工作时间范围的影响大，该类设备的能耗状况比较模糊，尚缺乏有效的能耗管控措施，因而应对车站旅客服务设备的节能控制研究做进一步研究，将车站更多的设备加入到节能集控系统中，统一管理集中管控，进而改善车站的整体节能效果，提高车站的智能化程度。