以LED为光源的高速动车组智能照明系统的研究与应用.pdf

2023 年 6 月（总第 440 期）51研究与交流STUDY AND COMMUNICATIONS第 51 卷Vol.51第 6 期No.6铁 道 技 术 监 督RAILWAY QUALITY CONTROL收稿日期：2022-11-09作者简介：张海雁，高级工程师；刘春永，高级工程师；任彦龙，高级工程师；庄绪明，工程师；陈晓辉，工程师1概述人们对照明系统的基本要求是人性化，即使人能够简单便捷地操控实现智能控制，有良好的用户体验。照明系统的研究内容包括照明学、美术学、环境学、生理学、心理学等学科及其交叉学科。以发光二极管（LED）为光源的智能照明系统（以下简称“智能照明系统”）能够实现遥控，智能调光、调色、调色温等功能，在高速动车组上得到广泛应用。智能照明系统的控制是指，采用计算机技术、网络通信技术、自动控制技术，以及其他手段、技术或控制策略，对照明实行控制，在提供合适照明光环境的同时，降低照明能耗和其他成本。智能照明系统利用 LED 的光输出和正向工作电流关系，通过提高 LED 正向工作电流 IF，提高 LED光输出。但是，用调节 LED 正向工作电流的方式调节 LED 光输出，同时也会改变 LED 光输出的光谱和色温。LED 光输出与 IF的关系曲线如图 1 所示。光输出/lm1 00050005001 000正向工作电流 IF/mA热功耗 Pd光输出与 IF的理想线性关系曲线光输出与 IF的特性曲线图 1LED 光输出与 IF的关系曲线为解决以上问题，目前高速动车组上的 LED调光技术采用脉宽调制（PWM）方式。通过PWM，改变输入 LED 的供电电流脉冲占空比，从以 LED 为光源的高速动车组智能照明系统的研究与应用张海雁，刘春永，任彦龙，庄绪明，陈晓辉（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111）摘要：在介绍 LED 调光方式的基础上，分析以 LED 为光源的高速动车组智能照明系统组成和拓扑图。从照明灯亮度和色温、照明灯色彩、照明灯到站提醒、卫生间照明等方面，详细阐述智能照明系统在高速动车组上的应用。智能照明系统具有节能，营造舒适、美观环境，人性化，灯具寿命长，管理方便，能与其他系统实现联动等特点。与手动调光比较，智能照明系统节能比例达到 44.6%。关键词：高速动车组；照明系统；发光二极管；调光；智能化中图分类号：U266.204.1文献标识码：A文章编号：1006-9178（2023）06-0051-06Abstract：It are analyzed that the composition and topology diagram of intelligent lighting system of high-speedEMUs with LED as light source on the basis of introducing LED dimming.Application of intelligent lighting system onhigh-speed EMUs are described in detail from lighting brightness and color temperature,color of lighting,lighting reminding of arrival,lighting of bathroom,etc.Intelligent lighting system has the characteristics of energy saving,creating comfortable and beautiful environmental,humanization,prolonging the life of lamps,convenient management,and can realize linkage with other systems.Compared with manual dimming,the energy saving of intelligent lightingsystem reaches 44.6%.Keywords：High-speed EMU;Lighting System;LED;Dimming;Intelligent52以 LED 为光源的高速动车组智能照明系统的研究与应用研究与交流而改变 LED 正向工作电流平均值，实现对 LED 灯的控制。PWM 调光开关控制频率应大于 200 Hz，以避免 LED 发光时出现的闪烁对视觉的影响。LED 灯的 PWM 调光工作电流平均值与调光脉冲占空比呈正比，计算公式如下。I调光D调光I峰值。（1）式（1）中：I调光为通过 LED 灯的平均电流；D调光为调光脉冲占空比；I峰值为 LED 灯的峰值工作电流。由式（1）可以看出，在 PWM 调光控制方式下，如果调光脉冲占空比 D调光的调节范围为 0.1%100%，则调光控制范围可达 100/0.1，即 1103倍。PWM 调光通过调节 PWM 波的占空比 D，即可调节 LED 平均电流，实现调节 LED 灯亮度的目的。2智能照明系统组成高速动车组智能照明系统一般由输入单元、输出单元以及系统单元组成。其中：输入单元包括乘客信息系统（PIS）信号、感光器；输出单元为照明灯具；处理单元包括司机室集中控制器、机械师室集中控制器和集中供电控制模块。高速动车组智能照明系统组成如图 2 中所示。1 车2 车7 车8 车照明灯具照明灯具照明灯具照明灯具PIS 信息PIS 信息PIS 信息PIS 信息集中供电控制模块集中供电控制模块集中供电控制模块集中供电控制模块感光器感光器感光器感光器司机室集中控制器机械师集中控制器司机室集中控制器网络总线图 2高速动车组智能照明系统组成由图 2 看出，高速动车组各车厢照明采用集中供电控制模块。集中供电控制模块将电源与控制器集成设计，接受网络指令、PIS 信号（进站、出站）及各车厢感光器信号，并经计算处理后，发出调光信号，调节照明灯具。3智能照明系统应用CR400AF 高速智能动车组首次采用智能照明系统。为提高车内照明的舒适性和节约能源，全列动车组采用以太网或者数字信号控制的智能照明系统，自动控制全列车辆照明、卫生间照明，以及到站灯光提醒，不仅提升了乘客的乘坐舒适性，还满足了节约能源的需求。3.1控制模式智能照明系统由网络信号控制。在司机室、机械师室设置网络控制屏。每辆车均设置照明控制器，独立控制智能照明系统。车内设置不同的照明模式，如日行模式、夜行模式、睡眠模式、到站提醒模式等。除司机室、机械师室外，在商务区服务台设置控制操作屏，可以调节照明模式。司机室操纵界面设置简洁。车辆运行时车内照明默认为自动模式，司机不需要操作。机械师室照明控制操作界面在司机室的照明全亮、半亮的控制功能基础上，还设置了氛围灯颜色选择功能、主照明及顶灯亮度及色温调节功能。智能照明系统控制拓扑图如图 3所示。3.2控制功能3.2.1照明灯亮度和色温自动调控照明灯采用双色 LED 光源排布，通过调节PWM 波占空比，调节 LED 平均电流，实现对 LED灯的亮度调节。照明灯、中顶灯可根据时间自动调节亮度及色温。为降低与车外光照环境的对比度，亮度分为日行强光（80%亮度）、夜行弱光（60%亮度）、深夜睡眠模式（40%亮度）。色温白天为冷色调，夜间统一为暖色调。照明灯色温如图 4 所示。在自动模式下，商务区和客室主照明灯、顶灯可随时间（白天、夜晚）和季节自动调节亮度及色温。为降低与车外光照环境对比度，在白天时将53铁道技术监督第 51 卷第 6 期确认取消预置留白预置蓝色预置纯白预置金黄亮度 30%100%色温 3 200 K5 000 K确认取消确认取消睡眠模式默认模式到站模式自定义模式夜行模式自动模式日行模式模式选择车厢选择照明选择氛围选择全开半开全关开关色彩图 3智能照明系统控制拓扑图亮度相对调高，在夜晚时将亮度相对调低；冬季设置暖色调，夏季设置冷色调。自动模式调光矩阵见表 1，自动模式调色矩阵见表 2。表 1自动模式调光矩阵环境情境白天晚上深夜亮度调节比例/%日行模式60夜行模式40睡眠模式30到站模式1006040表 2自动模式调色矩阵环境情境春天夏天秋天冬天运行主照明色温/K白天4 500（白）5 000（白）4 500（白）4 000（白）晚上3 200（暖）3 500（暖）3 200（暖）3 200（暖）氛围灯颜色白天暖白色纯白色金黄色暖白色晚上暖白色暖白色暖白色暖白色进出站主照明色温/K白天5 000（白）5 000（白）5 000（白）5 000（白）晚上4 000（白）4 500（白）4 000（白）4 000（白）图 4照明灯色温（a）冷色（b）暖色54以 LED 为光源的高速动车组智能照明系统的研究与应用研究与交流商务区的照明灯、中顶灯、氛围灯与普通客室区域的各项照明功能可同步调节。此外，为满足商务区的个性化要求，通过商务区服务台控制操作屏，可以单独对商务区灯光的亮度、色温等进行调节。商务区调光功能既可由司机室或机械师室显示屏控制，也可通过服务台控制操作屏控制，执行最后一次接收到的操作命令。商务区照明如图 5 所示。控制操作屏（a）服务台边柜氛围灯照明灯中顶灯窗口氛围灯（b）照明灯设置图 5商务区照明3.2.2照明灯色彩调控为营造车内照明环境氛围，车内辅助照明灯采用红绿蓝混合调光技术，根据需求，调出不同色彩的灯光效果。灯光颜色可根据使用环境以及喜好调节设定。以不同颜色为例，说明灯光效果。灯光颜色如图 6 所示。（a）暖白色（b）金黄色（c）纯白色（d）淡蓝色图 6灯光颜色暖白色属于常规灯光颜色，用于白天及四季夜间；金黄色属于太阳的颜色，代表着温暖与幸福，用于温度偏低的秋季、冬季，能给人带来温暖效果；纯白色为冷色，能让人保持头脑清醒和冷静，多用于图书馆、学校、医院等环境，在车内照明中可用于炎热的夏季，能带给人清爽的感觉；淡蓝色是科技感的代表色，具有灵动、神秘的色彩感，给人向上、向前之意，在车内照明中可用于车辆到站提醒，提示乘客下车。在高速动车组上，车内氛围灯色彩可随时间自动调节，也可手动选择。氛围灯打开时，灯光颜色可随时间（白天、夜晚）和季节自动变换颜色。春季、冬季以暖色为主，营造温暖温馨的氛围。夏季以冷色为主，营造凉爽的氛围。秋季以金黄色为主，营造丰收喜悦、暖意浓浓的氛围。夜晚以暖色为主，营造平静温馨的氛围。3.2.3照明灯到站提醒控制高速动车组增加了照明灯到站提醒控制功能。55铁道技术监督第 51 卷第 6 期车辆到站后，列车控制系统（TCMS）发出到站信号（也可手动发出进站信号）至调光控制器。调光控制器控制观光区及客室照明灯、中顶灯转为高亮白光照明，氛围灯转为蓝光模式，提醒乘客到站，并照亮车厢，方便拿取行李。到站提醒照明如图 7 所示。图 7到站提醒照明车辆出站后，TCMS 系统发出出站信号至调光控制器，客室照明恢复运行时的亮度及色温。如调光控制器未收到 TCMS 系统发出的出站信号，10 min 后自动进入运行照明模式，恢复运行时的亮度和色温设置。车辆到站后，客室及观光区照明灯渐变为白光及高光模式，氛围灯渐变为蓝光模式，车辆出站后恢复原来的运行照明模式。3.2.4卫生间照明控制在高速动车组卫生间增加自动控制照明功能。卫生间有人时，照明灯全亮，无人时灯光变暗。与以往动车组照明灯常亮状态相比，更节能环保。卫生间照明以门的锁闭作为信号输入：卫生间门锁闭时，卫生间灯光全亮；门开锁时，输出低电平，控制筒灯及镜前灯保持 30%左右亮度，实现节能目的。此外，针对卫生间照明也可以采用感应器或红外感应等方式，实现节能。4智能照明系统节能计算高速动车组在白天、晚上和深夜运营时，对光的照明需求不同。相比于以往动车组全亮状态，高速动车组可以根据环境情境的变化，预设时间控制表，根据光照需求控制亮度输出。以白天（6：0019：00）亮度值为 60%、晚上（19：0022：00）亮度值为 40%、深夜（22：006：00）亮度值为30%为例，定义运行时间及对应照明灯亮度输出比例，计算每节车厢的节能情况。假设单节车厢照明系统功耗为 800 W，白天运行时间 T1=10 h，夜间运行时间 T2=3 h。如果不对照明进行控制，高速动车组在白天和夜间运行时，控制器输出亮度比例均为 100%，功耗 P1=800 W；如果对照明实行智能控制，在白天运行时，控制器输出亮度调光比例为 60%左右，功耗 P2=480 W；在晚上运行时，控制器输出调光比例为 40%左右，功耗 P3=320 W。当采用常规手动调光时，车辆运行 1 天消耗电能 W1=P1（T1+T2）=800 W（10+3）h=10 400 Wh；当采用智能照明系统自动调光时，车辆运行 1 天消耗电能 W2=P2T1P3T2=480 W10 h+320 W3 h=5 760 Wh。节能程度 T=1-W2W1100%=44.6%。如果电价按 0.8 元/kWh 计算，常规照明 1 年的电费为 10.430120.8=2 995.2（元）；智能照明系统 1 年的电费为 5.7630120.8=1 658.88（元），每年节约电费 1 336.32 元。高速动车组采用智能照明系统，前期投入并不大，仅需要增加灯具网络接口、控制系统设施，以及车上网络信号控制系统设施。运营后的优势比较明显，不仅能大大提高车内照明环境的舒适度，还可以节约大量的电能，降低运行成本。5智能照明系统特点（1）节能。智能照明系统可以对不同的场景、不同的时间段及不同的光照需求坏境下的照明亮度、色温等进行最佳控制，在不影响乘客对照明需求的情况下，可达到最佳的节能效果。智能照明系统可以根据实际需求，选择时间表控制、天然采光控制、维持光通量等方式，实现节能效果。（2）营造舒适、美观的环境。智能照明系统可以利用灯光营造温馨的气氛、舒适的环境，创造一种动态的效果，机务人员的操作也较简便。（3）人性化。智能照明系统以人的行为、视觉功效、视觉生理、视觉心理为基础，通过调光和改变色温，实现动感照明，满足旅客在不同时间的照明需求，使旅客在车厢内也能感受到自然光的变化效果，实现高效、舒适、健康的照明。（4）延长灯具寿命。智能照明系统中的灯具，采用分等级输出方式，减少了（下转第 62 页）6220 t 轴重米轨集装箱平车车体设计研究与交流100 km/h、载重 62 t 集装箱运输装备的空白，大幅提高该国米轨铁路集装箱平车的运输效率，具有良好的社会效益和经济效益。米轨平车共计生产 308 辆，自 2016 年投入使用以来，运用情况良好。到目前为止，这批车没有出现制造商承担责任的质量故障和换件，车辆的设计、制造满足合同要求，产品性能优越性和运行稳定性得到该国国家铁路局的认可。参考文献1 机车车辆强度设计及试验鉴定规范车体第 2 部分：货车车体：TB/T 3550.22019S 2 孙晓云，张忠，戴安国出口泰国米轨集装箱平车的研制J 铁道车辆，2010，48（1）：18-203 米轨铁路限界：Dwg.No.1966-36S 4 旋转式锁：Dwg.No.1-7BCF19-001S 5 系列 1 集装箱分类、尺寸和额定质量：ISO 668：1995S（编辑牛建利）载荷工况额定载荷超过额定载荷 50%重车顶车装载情况1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱1 只 20 ft 集装箱1 只 40 ft 集装箱2 只 20 ft 集装箱纵向力/kN拉伸 1 764压缩 1 764拉伸 1 764压缩 1 764拉伸 1 764压缩 1 764最大应力/MPa168.2195.5135.7227.6107.8279.7120.371.3126.0103.449.177.2最大应力位置端锁座处的侧梁下翼面枕中处的侧梁下翼面端锁座处的侧梁下翼面枕中处的侧梁下翼面靠近冲击座处的端梁连接板枕中处的侧梁下翼面大横梁外侧侧梁上翼面中梁中心下翼面枕中处的侧梁下翼面大横梁外侧侧梁上翼面1 位旁承内侧枕梁下翼面中梁中心下翼面许用应力/MPa337337337337337337337259337337337259表 7各装载工况下试验最大应力及其位置全亮状态的使用时间，减少了对灯具的热冲击，延长灯具寿命，提高照明系统的寿命周期。（5）方便管理。智能照明系统通过网络技术实现远程监控与管理，能够及时、准确地发现问题，如某一车厢的灯具出现故障时，司机或机械师通过智能操作控制屏就可及时知晓，从而迅速、准确地处理故障，方便维护。6结语智能照明系统和产品众多，各有千秋，但是缺乏统一标准，还有许多需要研究和解决的问题。例如：LED 灯具具有广阔的发展前景，应考虑可调光和可寻址能力；在接口上与使用环境自动化系统的整合；LED 驱动电源的散热，以及LED 驱动电源的模组化、规格化和标准化；电磁兼容。未来随着科技的不断进步，相信会给照明系统所面临问题提供越来越大的发挥和创新空间，使其不论在公共建筑，还是轨道车辆上都会有令人满意的发展前景。参考文献1 马小军智能照明控制系统 M 长沙：东南大学出版社，20092 肖辉电气照明技术M 北京：机械工业出版社，2009.3 北京照明学会委员会照明设计手册M 北京：中国电力出版社，19984 彭妙颜智能照明与艺术照明系统工程M 北京：中国电气出版社，20105 文尚胜LED 照明技术应用 M 北京：电子工业出版社，2016（编辑牛建利）（上接第 55 页）