机车照明现状分析及智能照明研究

2018-08-24程世军

科学与财富 2018年24期

程世军

摘要：随着铁路新技术的快速发展，机车安全运行的要求也不断在提高，机车司机室内、外部照明也显得尤为重要。本文对现有机车照明情况进行了调查分析，对比了各机车照明灯具的性能，提出了使用性能最佳的LED灯，应用ZigBee技术及最新的调光调色技术实现机车照明动静态智能调控，达到智慧照明、健康照明的目标，为司乘人员提供舒适、高效、节能的照明环境。

关键词：机车照明；智能调控；分析；研究

1.引言

目前铁路机车内外照明仍采用老式灯具，稳定性差，闪烁问题严重，发热量大、色温不可调节，灯具安装、配光未体现司乘人员及路况瞭望的照明需求，对司乘人员的视觉损伤较大，严重影响瞭望效果和行车安全。通过无线传输技术，应用智能调光调色、光学膜LED光谱剪裁技术实现适合人体节律的智慧照明，为乘务员提供更舒适实的工作环境，通过对环境的监控，应用弯道自适应照明技术现实机车外照明的智能控制，使乘务员更易瞭望和观察列车前方的路况，保证了机车运行安全。

2.现状调查

2.1笔者对广铁集团长沙机务段机车照明设备类型调查如下表1

2.2司机室内照明现状分析

2.2.1目前大部分机车司机室内仍采用白炽灯，仅HXD3C机车使用节能灯，此类灯具寿命短，稳定性差，闪烁问题严重。机车车内灯具如下图1。

2.2.2司机室内灯具的安装、配光未真正体现厢内结构与司乘人员的照明需求，局部照明过度导致眩光严重、某些区域照明过低存在照明“死角”。

2.2.3机车司机室采用二级照明：正常照明、减光照明或弱光照明，但灯具色温不可调节，且照明降级时需要通过手动调节来实现。2.2.4司机在长时间、跨时段工作的情况下单一灯光易造成视觉疲劳，影响行车安全的问题。

2.3司机室外照明现状

2.3.1目前大部分列车室外灯仍采用氙气或卤钨灯，寿命短，稳定性差，发热量极大，机车室外灯具如下图2。

2.3.2一般情况下的列车前照灯采用二级照明：远光照明和近照明，但实

际行车过程中往往出现过亮或过暗情况，影响司机瞭望

2.3.3列车室外照明灯具色温不可调节，雨天和雾天的瞭望效果较差。

2.3.4进出隧道过程中无法进行有效的光补偿，对司乘人员的视觉损伤较大，严重影响瞭望效果和行车安全。

3.现有机车灯具与LED灯照明性能对比分析

3.1现有机车照明灯与LED灯性能比较如下表2

3.2性能对比解析

3.2.1光色特性比较：一是光效度： LED光效最高，90%的电能转化为可见光，且光单色性好，光谱窄，无需过滤，荧光灯、金卤灯光效可达100 lm/W，氙气灯、白炽灯光效最差。二是显色性：LED显色指数也可达95，接近于白炽灯的100，显色性较好，荧光灯、氙气灯、金卤灯显色性较差。三是色温：一般地色温〈3000K定义为温暖色，色温在3000-5000K定义为中间色或爽快色，色温〉5000K定义为冷色或清凉色。由此可知LED色温范围广，荧光灯、金卤灯色温集中在中间色，白炽灯则为温暖色。

3.2.2电气特性：LED灯能耗较低，功率因数可达0.95，节能且对电系统干扰较小，白炽灯90%的能量转换为热能，能耗最好，其他灯具虽然能耗不高，但功率因数较低，对用电有一定干扰。

3.2.3安全性能对比：由上表可知LED灯发热温度最低，金卤灯、氙气灯、白炽灯均有较高的发热，灯具发热极易造成线路烧损、更有甚者引发机车火情，白炽灯10倍于额定电流的启动电流也常引发电器线路烧损。

3.2.4健康指数对比：由上表可知LED灯无频闪、眩光、紫外线，但其发出的白光带有较多的蓝光成分；而荧光灯、金卤灯、氙气灯则有严重的频闪、眩光问题，金卤灯还有34%的紫外线辐射问题，长时间使用都会对机车乘务员身体健康产生影响。

3.2.5寿命与成本：由上表可知LED灯使用寿命在30000小时，白炽灯最少小于1000小时，其他灯具平均在1000-15000小时。

4.问题提出及分析

4.1针对机车乘务员的工作场景，如何提供更加舒适的灯光，提升乘务员的舒适度。

4.1.1现有机车司机室、走廊、机车外部光环境较差，司机室照明频闪严重、照明分配不均，局部眩光严重，局部光线昏暗，同时存在红外线、紫外线、辐射性等问题，乘务员整体舒适度不高。分析认为较差的照明对人的生理和心理产生影响，易使乘务员产生不良情绪，影响到机车的安全运行。

4.1.2通过微电子调光、调色、广角度变换技术可实现光照的人性化智能控制，不同空间、场景通过改变光照的色溫、亮度、方向来科学地调节光照环境，例如色温调节，根据目前最新研究发现，不管是暖光色还是冷光色（色温不一样），在每天不同时段，人都各有所需。高色温的冷光色相当于晴朗的天空。在这种灯光环境下，人体器官会产生皮质醇和血清素，在这些激素的作用下可以帮助我们集中注意力，保持清醒。反之，低色温的暖光可使人放松。具体到机车上我们可以现实机车根据运行方向、速度自动判断调节室内灯光色温，机车操纵端为冷色光，且机车速度越高色温越高，让乘务员注意力集中、保持清醒，非操纵端为暖色光，且机车速度越低色温越低让休息的乘务员得到彻底放松。从光环境来提升乘务员的舒适度，达到改善乘务员情绪的目的。

4.2针对昼夜以及雨、雾天气、隧道等运行环境，如何匹配不同色温的灯光，营造舒适的瞭望环境。

4.2.1现有机车室外照明未能结合运行环境合理配置照明，光照、色温、角度不可调，雨天和雾天瞭望效果差，特殊环境无光照补偿，司乘人员的视觉损伤大且机车运行安全得不到保障。

4.2.2利用中央控制系统、各型传感器、环境监测模块、无线网络技术现实机车室外照明根据外界环境变化进行自适应调整，达到机车的智能化动态照明。

5.新技术应用与实现

5.1新技术阐述

5.1.1 新型LED照明灯具。LED照明灯具有光效高、能耗低、色温范围广、功率因素高，无频闪、眩光、不发热等传统灯无法比拟的优势，而且LED灯具是一个完全的电子产品，而传统的照明灯具仅是一个电器产品。LED灯可以很方便地与各种类型的传感器关联，从而实现光控、红外控制等多种自动、智能控制。

5.1.2 智能传感器。传感器作为信号采集和机电转换的器件技术向小型化、智能化、多功能化、低成本化迈进。机车照明控制系统所使用的传感去如下：一是人感红外传感器（PIR），它靠探测人体发射的红外线而工作，人体发射的红外线借菲涅尔滤光透镜增强到热释电元件PIR，再经过热电转换后控制灯具，通过人体温度与背景温度比较即可实现灯具实时控制。二是照度传感器。光敏电阻板对光线的明暗亮度十分敏感。可根据天气、时间段和地区自动控制灯具的开断或光照度大小。三是超声波传感器（ULT）。可探测由移动人员的反射产生多普勒效应引起的频率改变。通过频率比较即可实现对灯具实时控制。

5.1.3 ZigBee无线传输技术。应用在短距离范围内以及数据传输速率不高的各种电子设备之间的信息传输技术，数据类型有周期性数据（如传感器）和间歇性数据（如照明控制）。采用跳频技术，因此非常适用于照明等小型电子设备的无线控制指令传输。非常适用于照明等小型电子设备的无线控制指令传输。ZigBee数据传输速率低，协议简单，从睡眠状态转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需要30ms且价格低。

5.1.4 色温调控技术。采用多个LED器件和驱动控制模块，多个LED器件包括多种不同色温的白色LED器件，依据色温不同分为若干LED器件组，驱动模块用于分别控制所属LED器件的工作，达到实时控制所需色温。

5.1.5“弯曲、自适应照明”技术。此技术对机车前照灯组成的每一个照明单元进行电子控制，系统与车辆的转向位置、车身角度、轮对速度通讯，能预测前方的道路情况，系统的照明单元更可旋转20度，显示对路况环境的“自适应”。

5.1.6光学膜LED光谱剪裁技术。利用光学薄膜现实对LED灯光中蓝光的裁剪，现实LED低蓝光的健康照明。如下图3所示：

5.2新技术应用与现实

5.2.1机车照明智能控制系统由中央处理单元，白色LED照明，无线智能传感器，ZigBee无线数据采集传输网络，色温调控+弯曲、自适应照明+光学膜LED光谱剪裁技术组成的智慧照明单元组成。

5.2.2系统结构图如下图4：

6.结论

通过对机车照明系统的分析与研究，采用白色LED照明，无线智能传感器，ZigBee无线数据采集传输网络及新技术智慧照明单元组成的系统可现实机车内外照明动静态智能调控，为机车乘务员提供良好的瞭望场景，和舒适的值乘环境。

参考文献：

[1]周志敏纪爱华.LED、OLED照明技术与工程应用[M].北京：电子工业出版社， 2011.

[2]劉祖明.LED驱动器设计案例精解[M].北京：化学工业出版社， 2011.

[3]LED照明推进协会.LED照明设计与应用[M].北京：科学出版社， 2009.