基于电力线载波通信的铁路隧道照明控制系统

张 斌，邱立运

(中冶长天(长沙)智能科技有限公司，湖南 长沙 410205)

引言

铁路隧道照明关系隧道内安全行车与防灾救灾[1]，近年来越来越受到项目的重视。铁道部1992年发布的铁路隧道照明设施与供电技术条件[2]，对铁路隧道照明和供电有明确的要求，后续的设计规范又不断完善了隧道照明的标准，在防灾条款中对应急照明、疏散照明也作了一些要求[3]。然而，我们对隧道照明的工作状况、具体的运行方式以及如何实施有效的监控，还需要不断地探讨；另外，对隧道照明项目的照明配电、通信方式、防灾系统联动需求和自动控制也缺少深入的应用研究。

一般情况下，铁路隧道照明均处于关灯状态，目前对隧道照明控制技术关注还比较少，且方案较落后，大多在照明供电干线首末端采用人工手动控制，只让维修人员进行操作。另外，现有的铁路隧道照明项目对经过隧道的列车状态缺乏有效判断，主要应用红外对射和地感线圈技术进行探测[4]，一旦隧道地质轻微沉降就会导致红外对射异常、线圈传感器失效，可靠性差。再就是考虑异常情况下，人员能在最短的距离按下按钮控制照明回路开闭，隧道内需要配置大量应急照明按钮，难以有效管控。从通信方式看，隧道照明控制设备组网传输数据采用RS485有线方式，或ZigBee、NB-IoT等无线方式[5]，都需要专门架设通信管线或无线网关设备，增加成本、维护麻烦，尤其在5 km以上的长隧道项目问题更突出。

电力线载波通信具有无需重新布线、易于维护、技术成熟等特点，给设备供电的同时实现数据通信，目前已经在智能电网用电信息采集上广泛应用。根据铁路隧道照明的功能需求、使用环境和技术特点，有效结合电力线载波通信技术进行铁路隧道照明智能控制系统设计，可以解决以上主要问题，并使照明控制更加精细化、智能化、实用化。

1 照明控制系统设计

本文提出的这种基于电力线载波通信的铁路隧道照明控制系统[6]，整个系统方案主要由隧道照明控制主站系统、隧道照明集中控制箱、隧道列车探测箱以及隧道照明应急按钮箱组成。

1.1 照明系统构成

隧道照明控制系统采用现场控制与远程控制相结合的方式[7]。现场控制包括手动应急控制、列车探测自动控制两种方式。手动应急控制是用于列车故障(出轨或停车)导致人员下车，或者维修人员临时开关灯情况下，照明灯具能手动控制点亮，考虑列车形成的阻断，隧道内任意点距手动控制点的位置应不大于30 m；列车探测自动控制是当探测传感器检测到列车车速很慢或者列车停靠在隧道洞内，立即自动将该照明段回路打开，当列车以正常速度正常行驶或离开隧道洞内则自动关闭照明回路。远程控制是通过铁路专网或者公网进行通信互联，实现联动控制和相关告警处理、设备状态维护管理等，隧道照明回路可以根据远方监控中心的通信命令进行操作。隧道照明控制系统设计如图1所示。

图1 隧道照明控制系统设计图Fig.1 Design drawing of tunnel lighting system

铁路隧道照明控制是根据变压器的供电臂长度(如1 km)进行分段布置，因此图1所示的内容是对应某一段供电臂长度照明控制。集中控制箱负责该段隧道所有照明回路的控制，应急按钮箱沿隧道内一侧或者两侧安装，间隔距离如50 m；列车探测箱只需要在隧道内的一侧安装，间隔距离要少于最短的列车长度，一般可定为200 m。隧道照明控制设备之间全部基于电力线载波通信，除了供电线之外不再需要额外铺设其他通信线缆。

1.2 照明回路配电

由于铁路隧道照明引入了应急照明、疏散指示照明等，其用电负荷按电力负荷分级应为一级负荷[8]，正常情况下一级负荷配电应为2路10 kV独立电源同时供电、互为备用的方案，高压电源通常一路取自铁路10 kV配电所馈出线，一路取自铁路10 kV贯通线。但项目实际应用时，考虑到照明用电容量在100 kW以下，又难以从铁路沿线电网取得第二电源，可配置EPS作为备用电源。为方便项目供电实施，铁路隧道照明配电设计为一路高压输入并配置EPS电源的方式，每个箱变负责以隧道照明为主的1 km左右的供电，10 kV高压线输入后，经过变压器转换进行低压回路分配。其中K-1和K-2用于隧道内插座箱和洞室照明；K-4负责管理接入EPS备用电源后的所有隧道照明供电回路，包括正洞照明(K-5和K-6)、应急疏散照明(K-7和K-8)、照明控制设备(K-9)共5个子回路。

正洞照明K-5和K-6两个回路分别负责隧道线左右两侧的照明电源，应急疏散照明两个回路同理。照明控制设备K-9回路提供了本系统在该供电臂长度下所有隧道照明集中控制箱、隧道列车探测箱以及隧道照明应急按钮箱的供电。隧道照明回路配电设计如图2所示。

图2 隧道照明回路配电设计图Fig.2 Tunnel lighting circuit power distribution design drawing

1.3 主站功能接口

隧道照明控制主站部署在铁路数据中心或集控中心，当某一条铁路线所有集中控制箱都通过上行通信(公网或者铁路专网)接入到主站系统后，即可管理该铁路线上所有隧道照明控制设备。可利用大屏幕展示全站隧道照明概览、设备状态、GIS地图监测、设备故障报警、故障列车隧道定位等，实现多合一的管理，直观地了解全线隧道照明的细节。隧道照明控制主站系统典型的功能模块包括智能监测、远程控灯、能耗统计、事件跟踪、故障报警、自动巡检、运维管理、APP支持等。

同时隧道照明主站系统能够提供API功能接口，与其他铁路管理系统进行对接，包括防灾救援监控系统、设备运维管理系统等。譬如当防灾救援系统探测到有灾情发生时，能够第一时间通知隧道照明主站系统进行联动，通过远程命令下发对指定隧道的所有集中控制箱执行全隧道开灯操作。隧道照明主站功能设计如图3所示。

图3 隧道照明主站功能Fig.3 Functions of tunnel lighting master station

1.4 通信方案研究

隧道照明系统的通信方案分为上行通信和下行通信两个部分。其中上行通信为隧道照明集中控制箱跟主站系统之间的数据通信，可支持4G/5G、以太网/光纤网络等通信方式。根据现有铁路四电系统条件，以太网/光纤是上行通信的首选，由通信系统方负责统一管理和分配网络IP地址，也可根据实际情况或者具体要求采用移动运营商的4G/5G无线网络进行上行通信。另外，参考铁路电力及自动化系统的各种控制器设备通信，数据传输协议优先选用ModbusTCP通信协议，主站可配置为客户端TCP client，集中控制箱里的主控单元作为服务端TCPserver。以隧道照明的3个回路状态查询及控制为例，读离散输入状态(0x02功能码)用于查询某照明回路状态，写单个线圈(0x05功能码)用于执行某照明回路开关灯操作，并严格按照标准寄存器地址范围进行命令扩展，照明回路状态查询及控制命令如表1所示。

表1 照明回路状态查询及控制命令Table 1 Lighting circuit status inquiry and control command

下行通信是指隧道照明集中控制箱、列车探测箱以及应急按钮箱设备之间的本地通信，采用HPLC电力线宽带载波专用芯片和低压宽带载波组网通信技术，只要有供电线就可以同时供电和数据通信，方便施工和维护管理。项目中HPLC高速电力线载波通信模块采用了深圳力合微电子LME3460宽带物联网载波芯片，支持多点快速组网并实现事件上报和命令下发的全双工通信，具备响应速度快、可靠性好的优点，能够满足隧道照明供电情况下设备稳定通信要求，其特点如表2所示。

表2 高速电力线载波通信特点Table 2 Characteristics of high speed power line carrier communication

2 设备功能及实施

2.1 集中控制箱

集中控制箱是隧道照明回路的直接控制设备，安装于隧道配电室内(变压器洞室或箱变)，对应每一个变压器或者箱变负责的照明供电段，集中控制箱用于控制该段隧道照明回路打开或者关闭。为了更好地实现集中控制箱主控单元各种功能需求，软件基于嵌入式Linux操作系统进行功能开发，硬件设计上采用了ATMEL公司ARM9内核嵌入式微处理器芯片AT91SAM9G25，主频达到400 MHz，外围器件主要包括电源模块、光电转换模块、LCD液晶显示模块、能耗计量模块、输入输出控制模块、载波通信模块、4G/5G通信模块、Wi-Fi及维护模块等，功能接口包括6路串口、2路以太网口、3路USB口以及SPI、CAN、IIC等，完全满足了集中控制箱所有检测控制和通信功能开发要求。主控单元硬件设计如图4所示。

图4 主控单元硬件框图Fig.4 Hardware block diagram of main control unit

根据隧道现场的通信条件，集中控制箱由上行通信网络连接到照明控制主站系统，其主控单元安装的载波通信模块能跟应急按钮箱和列车探测箱中的载波节点模块进行组网通信，在设备供电回路上，所有照明控制设备，包括集中控制箱、应急按钮箱、列车探测箱都通过低压电力线进行正常供电和数据通信。集中控制箱安装实施如图5所示。

隧道照明集中控制箱功能包括：1)上行与照明控制主站系统通信交互，执行主站下发命令，下行通过载波通信，转发命令给某个应急按钮箱或列车探测箱执行；2)对集中控制箱下面管控的多个应急按钮箱和列车探测箱进行维护管理，实时接收事件上报，并根据事件判断后执行照明回路控制；3)除了通过上行通信连接到主站控制系统外，还具备多个集中控制箱之间的组网通信功能，譬如隧道内通过串联式单模光纤把多个集中控制箱连接到交换机进行UDP广播通信，能够实现隧道内所有集中控制箱均同步执行照明回路开闭操作，即实现隧道全开灯和隧道全关灯；4)检测隧道照明回路交流接触器线圈状态，判断是否正常打开或者关闭，如果发生异常则立即上报给主站系统，提示该段的隧道照明回路存在控制故障需要进行维修，避免电力能源浪费；5)对外提供其他通信接口，方便在隧道现场，其他上位机能直接对集中控制箱进行命令操作，譬如现场的火灾监控设备，当火灾发生时能够马上命令集中控制箱执行照明操作。

2.1 列车探测箱

隧道列车探测箱通过探测传感器(超声波、激光或其他)进行列车异常检测，探测传感器采用双探头方式，一个发射一个接收，最大有效探测距离应超过隧道壁到列车车厢外侧的最大距离，只需在隧道壁单侧安装。列车探测箱通过外接220 V供电，探测箱中控制单元基于电力线载波和集中控制箱进行通信。隧道内每间隔一定距离安装一个列车探测箱，并且该距离不超过铁路列车的最短长度。当无列车时，由于探测距离过远，传感器根据测距值判断隧道内无列车停靠；当有列车经过时，传感器探测到有列车，并根据测距值和时间信息计算出实时速度，结合列车运行速度阀值，当判定列车可能由于某些原因即将临时停靠于该段隧道里边，立即上报事件通知隧道集中控制箱打开隧道照明回路，实现开灯操作；当列车开走则立即上报事件使照明回路关灯恢复正常。列车探测箱判断流程如图6所示。

图6 隧道列车探测箱工作流程图Fig.6 Working flow chart of tunnel train detection box

探测传感器有效探测列车后，进行数据滤波操作后得到稳定的测距信号，并结合相邻两个探测传感器测距数据、安装距离和时间信息，通过软件算法计算出列车行驶的速度，根据速度阀值来判断列车是否正常行驶或者出现故障即将停靠。列车探测箱根据设定好的距离阀值和速度阀值进行列车异常判断，这些阀值参数可以根据实际情况，通过隧道照明主站系统或者集中控制箱的主控单元下发命令配置。隧道列车探测箱建议安装在隧道内大、小避车洞旁的侧壁上，参考安装高度距离轨面值为1.8 m，传感器探头垂直对准列车侧面车身进行检测。

2.2 应急按钮箱

根据铁路隧道照明要求，除了列车故障时能自动打开照明回路亮灯，同时还需要具备手动应急控制功能，因此配置了隧道照明应急按钮箱，主要用于维修人员或列车异常停车后下车的旅客及行人等，能够在最短的距离内按下开灯按钮执行隧道照明开灯操作，尤其在某些特殊情况下，譬如灾害发生时马上进行全隧道应急开灯操作，并且按钮箱具备相应的关灯按钮进行恢复。隧道手动控制箱按照每间隔50 m进行双侧安装，则能保证人员处于隧道内任何位置时到达最近的手动控制点距离不会大于25 m。应急按钮箱应安装在隧道内左右过道旁边侧壁上，为方便人员操作参考安装高度为距离过道地面1.2 m。应急按钮箱安装实施如图7所示。

图7 隧道照明应急按钮箱实施图Fig.7 Implementation drawing of tunnel lighting emergency button box

隧道照明应急按钮箱的功能主要包含：1)回路开灯、回路关灯、一键全开、一键全关四种控制方式，回路开/关灯按钮用于打开或关闭该供电段隧道照明回路，一键全开/关灯按钮则用于打开或者关闭整条隧道所有供电段的照明回路；2)通过电力线供电和载波组网通信，任何按钮按下，应能在最短的时间内上报给集中控制箱，由集中控制箱根据按钮事件判断和执行对应照明回路开关灯操作；3)采用发光按钮并通过不同颜色区分，保证在隧道里面黑暗的情况下也能够有效分辨和识别按钮功能。

3 应用效果

基于电力线载波通信的隧道照明控制系统完成了设计和开发，目前在某省已经进行了项目实际应用，取得了良好的效果。该系统运行稳定可靠，能够对列车故障进行有效探测并自动开关照明回路，可以通过主站显示故障列车处于铁路线某个隧道的具体位置；手动控制相比原来常用的首末两端操作方式更加灵活，应急按钮箱间隔布置后能够保证人员在最短的时间进行开灯和关灯恢复。隧道照明控制系统主站运行界面如图8所示。

图8 隧道照明控制系统主站界面图Fig.8 Interface diagram of main station of tunnel lighting control system

在应用过程中，可以根据项目情况灵活配置。长度比较短的隧道可以完全由集中控制箱自组网控制，可不通过上行通信接入到主站系统，各集中控制箱里面的主控单元能够下发命令互相通信，当有应急按钮按下，或者探测到列车运行故障时，主控单元进行逻辑判断，自动决策打开该段的照明回路还是实现全隧道的照明回路开闭操作。在隧道长度较长的情况下，一般通过以太网/光纤专网接入到照明控制主站系统，而且一条隧道只需要有一个集中控制箱接入网络即可，即铁路通信系统针对同一条隧道照明控制只需分配一个固定IP给某个集中控制箱使用，该集中控制箱再管理同一隧道的其他集中控制箱设备，该实施方式节省了更多网络IP资源。

4 结语

基于电力线载波通信的隧道照明控制系统方案简单可靠、方便实施应用，除了有效解决隧道照明工程领域控制方式落后、缺乏列车故障有效探测、照明设备通信困难等问题之外，还能够实现隧道照明回路智能管控，若结合LED照明灯具的应用，更加节省电力能源[9]。由于系统设计需要安装的设备少，相比其他方案能有效降低隧道照明工程的投资；应急按钮开关灯和列车自动探测开关灯即使在不具备上行通信对接到主站系统时也能够正常使用，更加利于隧道洞内的行车行人安全。通过实际的项目实施，该系统完全满足隧道照明智能控制要求，并可以全面地应用到包括铁路隧道的轨道交通隧道照明工程领域。