铁路隧道照明控制方案探讨

王瑞云

（中铁第五勘察设计院集团有限公司 北京 102600）

1 引言

当今节约能源、节约资源、保护环境成为社会共识，国家及各部委均已出台相应法律法规和方针政策，要求节约能源，降低能耗［1－2］，提高能源利用率，促进再生能源的应用。铁路隧道内照明光源、照度标准及功率密度已有国家相应标准［3］，参与工程项目建设的有关各方均已按规定执行，将节能落到实处。为进一步降低能耗，现通过采用现代电子检测技术对隧道内照明系统的启闭时间进行调控，实现铁路的安全节能运行。

2 铁路隧道内照明功能及设置依据

铁路隧道内设置照明装置除去作为检修照明外，还可以为隧道内通行的火车提供必要的照明支持，保证铁路安全运营［4］。

依据国家相应规范要求高速铁路、城际铁路、时速200 km客货共线铁路中长度在500 m以上的隧道内应设置正常照明；设计时速160 km及以下客货共线铁路、货运专线铁路中隧道长度在3 000 m及以上的可设置正常照明［5］。

根据规范规定，客运专线及高速铁路隧道几乎均需要设置正常照明灯具。随着国家经济实力及相关技术水平的提高，铁路工程建设已达到逢山穿越、遇沟架桥的阶段，铁路隧道建设越来越多，隧道里程越来越长，每年隧道照明耗能逐年增加，如何降低隧道照明能耗问题已经凸显。

3 铁路隧道现有照明控制方式及能耗

目前国内隧道照明系统控制方式主要有两种：现场手动控制和远动控制方式。现场手动控制：人工现场通过设置在隧道口的电源开关箱及洞内的照明控制箱进行照明灯具的控制［6］。这种方式用于线路检修人员检修线路时使用，但铁路正常运行时，为保障列车的安全运行，一般隧道照明被设置为长明灯方式。远动控制：由远控中心人员根据各列车通过隧道时间或根据需要开启或关闭隧道内的照明灯具。一个远控中心需管理多条铁路线路，每条线路又包含多条隧道，控制点位多、控制系统复杂，同时受列车时刻表调整影响，管理更加复杂繁琐，造成许多远动控制的隧道照明系统采用长明方式运营［7］。

长明运营方式的能耗很大，以一条长度为1 000 m的单线隧道为例，其正常轨面照度标准为3 lx，功率密度标准约为0.35 W／m2。

根据照明标准能耗计算公式：

式中：E为能耗，kW·h；P为照明功率密度标准值，W／m2；S 为照明面积，m2，T 为照明时间，h。

经计算，上述隧道其全年照明消耗电能约为1.5万kW·h。现实中铁路隧道照度设计值一般都高于规范要求，达到5～10 lx，其实际电能消耗远比计算值大的多。考虑全国铁路隧道的体量，其全年照明耗能巨大。

根据以上隧道照明系统控制方式的论述及能耗分析发现，在照度标准、照明功率密度值及照明面积固定的前提下，与隧道照明能耗关系最大的是运行时间，因而选用一种能对隧道内照明系统时间进行调控的方案，对于降低铁路隧道照明能耗非常关键［8］。

4 隧道照明控制方案研究

铁路隧道内照明灯具已有的启闭控制方案较多，且比较成熟，但能做到列车通过隧道时隧道内的照明灯具自动开启，提供运营照明，而当列车通过隧道后隧道内的照明灯具自动关闭［9］，这种能自动减少不必要开灯时间的控制方案却比较少，因此本文探讨基于现代电子检测技术现场自动启闭隧道内照明灯具的控制方案。

4.1 红外对射形式

红外对射探测器的工作原理是从一端发射红外线，另外一端接收红外线，形成一个回路。如果有物体挡在红外对射探测器之间，阻断红外回路，接收机信号发生变化，放大处理后发出动作信号［10］。红外对射探测器工作原理：隧道两侧设置红外对射装置，在检测到有列车开进隧道时开启隧道内的照明灯具；在检测到列车通过隧道后关闭隧道内的照明灯具。具体检测设备布置方案如下：

现火车设计时速一般为120～350 km，即每秒在45～95 m之间，综合考虑系统转换、传输时间，在距隧道两端约4～5 s火车行驶车程（400～450 m）处分别设置两组红外对射探测器。列车车底板距轨顶一般为0.9～1.0 m，红外对射探测器安装高度以距轨顶高度1.1～1.7 m为宜，保证对射信号能完全被遮断；兼顾到系统稳定、先后顺序识别性及保证探测信号最终可以同时被遮断，按长度约100～150 m（8节列车长度约200 m）来控制两组探测器之间间距。探测器需在每条通过隧道的线路上布设，将距隧道端头远端的探测器标识为A组，近端标识为B组探测器。牵涉单洞单线及单洞双线模式，具体检测设备布置方案见图1。

图1 红外对射检测设备布置方案

4.2 地感线圈模式

地感线圈模式是一个振荡电路，线圈是振荡电路的一部分，由线圈和电容组成振荡电路。振荡信号通过变换发送到单片机组成的频率测量电路，便可以测量这个振荡器的频率［11］。当有大的金属物如火车经过时，由于空间介质发生变化引起振荡频率的变化（有金属物体时振荡频率升高），这个变化就作为火车经过“地感线圈”的证实信号，地感线圈的感应系统信号经过处理作为控制隧道内照明灯具启闭的信号。将4.1章节所述红外对射探测器换成地感线圈，同样在隧道的同侧每条线路上设置A、B两地感线圈，距隧道端头远端的探测器标识为A组，近端标识为B组探测器。对于我国1.435 m轨距的线路，可采用1.2 m×1.0 m矩形线圈布置在轨道内侧，设置方案见图2。

图2 地感检测器件布设方案

4.3 磁钢检测模式

磁钢可以感应磁场的变化，当导磁物体接近磁钢时，磁钢会输出一个正脉冲；当导磁物体从接近位置远离磁钢时，磁钢会输出一个0 V电压。利用这个特性通过相关的设计电路输出正脉冲信号提供一个触发类的信号，铁路中车号识别系统及检测列车轴数均利用磁钢检测装置来配合完成。对于磁钢检测装置信号用在隧道照明控制信号只需将地感线圈模式中的地感线圈换成磁钢（有对应成套的检测装置），通过感应的系统信号来控制隧道内灯具的开启和关闭。磁钢安装于轨道内侧，感应火车轮轨经过的信号，A、B两点的安装距离由地感线圈模式的100～150 m调整为24～26 m，同样将距隧道端头远端的探测器标识为A组，近端标识为B组探测器。做为隧道照明系统的控制信号需在每个检测点取一次信号检测后延迟30 s再取第二次检测信号。

4.4 相应控制方案

采集后的信号经过处理做为隧道照明的控制信号，控制隧道内照明灯具的启闭。具体过程为当检测到的遮挡（感应）信号由铁路隧道同侧A到B时则在设置的计数器内加上1，同时开启隧道内的照明灯具。当检测到的遮挡（感应）信号由隧道同侧B到A则在设置的计数器内减去1，考虑到发车及追车间距延时5 min（密集发车间距一般为3 min）后再根据计数器内数值判断是否有车进入隧道或正在隧道内行驶：若计数器数值为零，则表明隧道内没有列车存在，此时关闭隧道内的照明灯具；若计数器数值不为零，表明隧道内有列车存在，则灯具继续保持开启状态直至检测到计数器数值归零为止。具体控制方案见图3。

图3 信号检测流程

4.5 相应配电系统形式

现场检测信号经处理后作为控制信号传至隧道照明控制箱，与现场手动控制、远动控制信号共同控制隧道内照明灯具的启闭。控制可划分优先级，一级为现场手动控制信号、二级远动控制信号、三级现场检测信号控制。隧道照明配电系统见图4。

图4 隧道照明配电系统

4.6 系统的检测校核

为了解系统的运行情况，及早发现并解决系统问题，在隧道内最不利自然采光处设置光照度探测器，探测器安装于距疏散平台地面以上0.5 m高部位。当配电系统接到启动信号后，光照度检测的照度由低值（小于1 lx）升至3～5 lx并稳定在此范围内，表明隧道内的照明灯具正常开启，检测校验系统发出正常信号。当探测器探测到照度值由低值（小于1 lx）快速升至几千勒克斯随后降低，瞬间再次快速升至几千勒克斯再到低值，表明有列车行驶在隧道内而隧道内的照明灯具没有启动，系统则发出故障报警信号；当有启动照明灯具信号但照度探测器未检测到照度变化时，表明没有列车驶入隧道，隧道内的照明灯具也没有开启，这时系统也发出故障报警信号。维护人员收到故障信号后可到现场进行处理，从照明灯具、配电线路及系统、检测装置、信号线路等几方面进行检查。这样就可以及早发现并解决系统问题，同时可以减少后期不必要的现场维护检修次数。

5 适用范围及方案实施时应注意的问题

（1）隧道占比较多，特别是采用长大隧道较多的线路。

（2）采用对射方案时，应避免对射装置安装位置侵入车辆限界，保证车辆运行的安全性。

（3）为减少外界对系统的影响，红外对射每组光束接收装置需采用长桶细径状。

（4）为保证系统的稳定及准确性，每组对射探测器建议采用3～4光束探测器。

（5）地感线圈需做好磁通量的确定调整，安装时需与路基、轨道专业做好协调沟通，做好局部的基础处理。

（6）磁钢检测系统需采用经过国家铁路局或原国家铁道部技术评审备案的产品。

（7）隧道内照明灯具需采用能及时点亮的光源［12］。

（8）对于隧道与隧道之间的距离小于1 000 m的连续隧道群可按一个整体隧道来考虑，在隧道群两端设置检测控制系统。

6 结论

在原有隧道照明控制方式的手动、远控模式的基础上增加能根据现场列车通行情况自动启闭隧道照明灯具的控制系统，对隧道内的照明灯具启闭进行控制，做到有列车通过隧道时开启隧道内的照明灯具，列车通过隧道后关闭隧道内的照明灯具，方便管理，同时能保证火车运行安全又做到节能，减少铁路运营成本，符合国家及各部委对节能的总体要求。