姚 剑，史天运，端嘉盈
（1.中国铁道科学研究院 研究生部，北京 100081；
2.中国铁道科学研究院集团有限公司 科技和信息化部，北京 100081；
3.中国铁道科学研究院集团有限公司 电子计算技术研究所，北京 100081)
发展绿色经济，建设绿色社会，逐步实现“碳中和”是我国未来发展的主要任务与目标。铁路作为建设绿色交通体系中的“火车头”，将充分发挥优势，持续围绕节能降耗，优化提升技术水平，为节能减排、提质增效赋能，助力实现“碳中和”。
铁路客站的照明、中央空调、电扶梯、LED屏等作为客站主要能耗设备，能耗量高达客站总能耗的85%～ 95%，其中照明能耗占比约30%[1-2]。针对照明节能问题，学者们先后提出合理布设照明灯具、更换低耗高效光源、采用LED 照明调光技术、优化建筑节能设计、提升智能控制方式等控制方法与建议[3-8]，并已在公路隧道、建筑等行业开展应用，有效地实现了节能降耗。目前，铁路多数客站部署有照明控制系统，围绕节能控制开展了初步探索研究[2,9-10]，但主要是依据业务经验执行简单粗放的定时控制，仍存在一定程度的能源浪费。
为此，重点围绕铁路客站列车到发信息、区域环境照度等影响因素，优化客站运营时间内站台照明的开关规则、控制模式与时间，提出一种照明节能控制策略，通过比对分析站台3 种不同分区工况下的能耗情况并择优选用，进而制定科学的节能控制计划，有效降低客站站台电能消耗。
1.1 站台照明控制影响因素
（1）客站运营时间。铁路客运车站一般分为高速铁路客运车站、普速铁路客运车站和混合客运车站，各类客站运营时间有所不同。高速铁路客站运营时间从不晚于首趟列车开车前30 min，至不早于最后一趟列车客运业务办理结束后20 min；
普速铁路客站一般为7×24 h 不间断运营；
混合客站通常分高速铁路区域与普速铁路区域分别执行。根据客站实际情况，在运营时间内，依据客站客运作业情况实现站台照明的开关控制；
在非运营时间，站台照明将全部关闭或根据特定需求进行控制。
（2）列车到发信息。客站列车到发信息主要包括列车车次、到发时间、实际到发时间、实际检票时间、停靠站台等基础信息，可通过客站旅客服务与生产管控平台获取。客站列车到发信息是工作人员客运作业的重要信息，也是站台区域照明节能控制的主要依据。同时，旅客到站人数、列车到发时间间隔以及站台相邻侧列车到发关联关系等信息对站台照明控制策略有一定影响。
（3）区域环境照度。按照《铁路照明设计规范》(TB 10089-2015)[11]要求，客站重点区域照度需满足一定的标准值。铁路客站重点区域照度标准值如表1 所示。
表1 铁路客站重点区域照度标准值 lxTab.1 Standard value of illuminance in key areas of railway passenger stations
在满足客站安全运营前提下，建议结合站台是否有列车到发情况，设定不同的站台区域环境照度，以期为旅客提供舒适的登乘环境。站台区域环境照度主要受自然光与人工照明的影响，通常采用照度传感器采集测量。其中，自然光来源于太阳光，是一种常见的可再生自然资源，光照强度因时刻、天气状况等不同而有所差异，从而影响客站站台自然照度值；
人工照明主要指站台灯具照明，通过开启不同的照明回路数量来控制区域照度。
（4）站台分区设计。按照客站站房结构及照明灯具回路布设情况，选择不同的照明回路数对站台进行区域划分，合理的分区设计对照明的节能控制有较大影响。站台分区设计既要避免各子区域过小造成能耗浪费，也需考虑子区域划分过大导致站台照明控制不精细。基于该原则，将通过不同分区划分设计，对站台照明节能降耗效果进行分析与比对，根据分析结果优选站台分区方式。
1.2 站台照明节能控制流程
（1）场景控制模式。为满足不同时段、区域、作业等情形下节能控制的快速执行，通过选择执行100%，50%，25%，0 回路等不同控制方式，可预先配置多种场景控制模式。常用的场景控制模式包括全开/全关模式、节能模式、作业模式、白天/夜间模式等自动控制模式，以及应急模式等非自动/手动控制模式。①全开/全关模式：开启/关闭区域100%回路照明。②节能模式：开启区域50%或25%回路照明。③作业模式：用于天窗点作业区域，开启100%回路照明。④白天/夜间模式：白天模式主要依据区域照度测量值，开启相应节能控制模式；
夜间模式将执行照明全开模式。⑤应急模式：在自动控制模式执行出现异常的情形下，进行报警提醒，并自动切换至手动模式。
（2）节能控制流程。站台照明节能控制主要考虑客站运营时间、列车到发信息、区域环境照度、控制方式等因素，根据不同情形选择对应的场景控制模式，自动开启/关闭相关区域照明灯具，在确保运营安全的基础上，实现站台区域的节能控制。站台区域照明节能控制流程如图1 所示，图中虚线内容为研究的节能控制策略。
图1 站台区域照明节能控制流程Fig.1 Lighting energy-saving control process of platform areas
根据客站列车实际检票与到发时间，以及列车停靠站台情况，分析制定基于列车到发信息的照明控制计划。
2.1 列车到发信息初始化
通过对站台列车到发信息进行整理，得到列车到发信息集合G。
式中：gi(i=1，2，…，n)为列车信息集合G中的元素，表示第i列列车信息，包括列车车次、实际检票时间、到站时间、离站时间等基本信息；
R为列车车次；
T1，T2，T3分别为列车实际检票时间、到站时间和离站时间；
c1为常数，表示检票或列车到站前的时长；
c2为变量，表示列车离站后的时长；
M为布尔量，0 表示终到列车，1 表示始发或途经列车。
c2与旅客到站人数及列车实际离站时间有关。采用空间-网格-疏散模型(SGEM)对到站旅客疏散速度进行估计[12]，疏散速度μi与旅客密度ρ关系表示如下。
假设旅客下车位置距离出站通道入口的平均距离为L，则旅客离开站台最大时长t=L/min (μi)，可预估变量c2=max (2，max (T2+t，T3) -T3)。
2.2 不同类型站台的照明控制计划
铁路客站站台一般分为基本站台和中间站台，基本站台指紧邻站房主体的单侧站台，中间站台指两侧均有股道的站台。
（1）基本站台。通过列车到发基本信息gi，可得单列列车照明控制时间段Ti。
式中：Mi为第i列车对应的布尔量；
T1i，T2i，T3i分别为第i列车实际检票时间、到站时间和离站时间；
c2i为第i列车离站后的时长；
i取a，b。
考虑同一站台相邻两列车的到发情况，根据公式 ⑷ 可得前、后两列车的照明控制时间段分别为Ta，Tb。
式中：Ta，Tb分别为第a和第b两列车照明的控制时间段；
Ma为第a列车对应的布尔量；
Mb为第b列车对应的布尔量；
T1a，T2a，T3a分别为第a列车实际检票时间、到站时间和离站时间；
T1b，T2b，T3b分别为第b列车实际检票时间、到站时间和离站时间；
c2a，c2b分别为第a和第b两列车离站后的时长。
计算得相邻两列车之间的控制时间间隔D为
设照明控制时间间隔阈值为Q，通过判断D与Q的大小关系更新站台照明控制时间段T"。
即当D≤Q，按公式 ⑺ 合并相邻两列车的照明控制时间段；
否则，按原有时间段执行照明控制。
通过将基本站台所有照明控制时间段的集合按时序排列，生成照明控制计划P。
（2）中间站台。由于中间站台两侧均有列车到发作业，需在单侧站台照明控制计划基础上，综合考虑两侧站台列车到发信息的关联关系，通过以下步骤计算得出中间站台基于列车到发信息的照明控制计划P。
首先按照基本站台的照明控制计划计算方法，分别生成中间站台两侧基于列车到发信息的照明控制计划P1={…，[Tl，i-2，Tl，i-1]，[Tl，i，Tl，i+1]，[Tl，i+2，Tl，i+3]，…}，P2={…，[Tr，i-2，Tr，i-1]，[Tr，i，Tr，i+1]，[Tr，i+2，Tr，i+3]，…}，其中，Tl，i，Tr，i分别表示左右两侧站台计划的某个时间点；
然后判断P1，P2是否有交集，若无交集，则站台两侧照明控制计划不变；
否则，按公式 ⑺ 和公式 ⑻ 更新P1，P2。
通过上述方法，自动生成客站站台基于列车到发信息的照明控制执行计划P。如遇到列车晚点、股道变更等情况，将通过消息主动提醒的方式实时更新列车到发信息，并及时对原定照明控制计划进行更新调整。
3.1 站台区域划分
客站站台区域面积较大，合理的分区设计可以进一步细化对站台的能耗管理。在此，结合站台区域照明灯具的部署情况，通过矩形网格方式，选取不同回路数量(双回路、4 回路、多回路)作为单个控制区域，分别将站台均匀划分为多个子区域。客站站台区域划分示意图如图2 所示。
图2 客站站台区域划分示意图Fig.2 Platform area division
3.2 区域照度测量
针对单个控制区域，通过合理安装部署照度传感器[2]，采用自适应加权融合算法[13-14]对区域内多个传感器照度测量值进行自适应加权融合平均，计算能够真实反映该子区域环境照度的照度值X。客站站台子区域传感器部署示意图如图3 所示。
图3 客站站台子区域传感器部署示意图Fig.3 Sensor deployment in platform sub-areas
自适应加权融合算法的思路是在满足均方误差最小条件下，根据多传感器测量值自适应地调整优化每个传感器对应的加权因子。具体算法如下。
式中：X*为加权融合后的照度值，lx；
Wi为各传感器加权因子；
Xi为各传感器的照度测量值，lx；
N为传感器数量，个；
为各传感器方差。
利用多元函数求解得到加权因子[13]如下。
3.3 节能控制策略研究
结合站台照度标准值要求[11]及客站现场需求调研分析，参照《铁路照明照度标准》(TB/T 494-1997)相关规定，针对站台有无列车到发2 种情形，提出站台环境参考照度值分别为150 lx 和75 lx。
由于客站站台的区域照度值应满足不低于站台参考照度值，综合考虑基于列车到发信息的照明控制计划、站台分区设计及区域环境照度值，设计了站台照明节能控制系统[15]。站台照明节能控制系统如图4 所示。
图4 站台照明节能控制系统Fig.4 Platform lighting energy-saving control system
根据站台列车到发情况，通过分析当前照度值X与参考照度值X"的偏差率e=(X"-X)/X"，设计了站台照明专家控制规则如表2 所示。通过合理调节照明回路开启方式，在满足站台区域照度标准基础上，实现客站站台照明的节能降耗。
表2 站台照明专家控制规则Tab.2 Platform lighting expert control rules
根据站台照明实际应用情况，结合提出的节能控制方式，对基于不同分区划分工况的站台照明能耗进行统计，选择节能效果较优异的站台分区设计方式，实现对站台照明的节能控制。客站站台照明的能耗如下。
式中：E为客站站台照明能耗统计值，kW·h；
ΔTj为有列车到发时第j个照明控制计划时长，h；
Rrj为第r个站台、第j个照明控制计划时间段的控制规则；
Δtk为无列车时第k个时间段时长，h；
Rrk为第r个站台、第k个照明控制计划时间段的控制规则；
M，n，N，K分别表示客站站台数量、单站台分区划分数量、有列车到发的照明控制计划时间段数量、无列车到发的时间段数量，个。
选取某高速铁路车站实际列车到发时间及区域环境模拟照度进行实验，对提出的站台照明节能控制策略进行实验验证与分析。
4.1 实验基础数据
（1）基于列车到发信息的照明控制计划。以高速铁路车站某站台为例，通过客站旅客服务与生产管控平台获取该站某时期内列车到发时刻表，结合客站运营时间、旅客到站人数等信息，按照公式 ⑵至公式 ⑻ 整理得出该站台照明控制计划如下。
（2）区域环境照度。结合照明控制计划，考虑晴天、阴天、雨天3 种天气状况，选定该时期内3种天气状况下的4 个时间点(8 :00，12 :00，16 :00，20 :00)进行照度模拟实验。设该站台有24 个照明回路(回路灯具隔灯交叉布设)，每个回路照明灯具总功率为1 kW，以双回路为单元子区域进行照度测量(仅自然光情形下)，得到照度矩阵如下。
①晴天照度值(单位：lx)。
②阴天照度值(单位：lx)。
③雨天照度值(单位：lx)。
4.2 节能控制策略分析
基于站台照明控制计划和自然光照度测量值，按照节能控制策略分别对3 种不同分区工况进行节能控制实验与分析。以阴天为例，按照公式(12)至公式(13)统计一天内3 种不同工况的站台照明能耗，阴天站台照明能耗统计如表3 所示。
表3 阴天站台照明能耗统计 kW·hTab.3 Energy consumption of platform lighting on cloudy days
同理，按照节能控制策略分别对不同天气情况下不同工况的站台照明进行能耗统计，不同天气情况下3 种工况的能耗统计如图5 所示。
图5 不同天气情况下3 种工况的能耗统计Fig.5 Energy consumption of three working conditions under different weather types
通过实验分析可得，在不同天气情况下，客站站台照明能耗有所差别，晴天天气的照明能耗低于阴天、雨天等天气情况；
在同种天气的不同工况下，客站站台照明能耗同样有所差别，4 回路工况的能耗略低于双回路、多回路工况。因此，优先选择基于4 回路工况的节能控制策略。
4.3 节能分析验证
基于4 回路工况节能控制策略与客站站台长亮模式和既有节能控制模式进行对比，得到不同天气状况下3 种控制模式能耗统计如表4 所示。
表4 不同天气状况下3 种控制模式能耗统计 kW·hTab.4 Energy consumption of three control modes under different weather types
该高速铁路车站共有8 个站台，分析各站台实际列车到发信息得知，第1、第2、第7、第8 站台的照明控制时长与时间段相近，第3、第4、第5、第6 站台的照明控制时长与时间段相近，且前后两者之间的照明能耗比例约为8∶9。计算求得该高速铁路车站在3 种不同天气状况下，提出的照明节能控制策略与长亮模式、既有节能控制模式相比，分别节约能耗为2 450 kW·h，2 000 kW·h，2 100 kW·h，以及990 kW·h，570 kW·h，620 kW·h。
参照中国天气网历史天气数据统计，该高速铁路车站所属区域一年中晴天、阴天、雨天占比约为7∶1∶2，计算可得所提出的照明节能控制策略与长亮模式、既有节能控制模式相比，每年可节约能耗分别为85 万kW·h 和32 万kW·h。
研究提出一种客站站台照明节能控制策略，通过对3 种不同分区划分的工况进行站台照明能耗统计，选择节能效果更佳的站台分区设计方式进行站台照明节能控制，并与客站照明长亮模式、既有控制模式进行实验对比分析，提出的节能控制策略在保证客站运营安全、旅客出行舒适的基础上，实现了站台各区域照度值满足标准要求，同时有效降低了客站站台照明能耗，为实现节能减排提供理论支撑与研究参考。后续将在此基础上，研究客站各区域照明，以及导向屏、中央空调等能耗设备的差异化节能策略，结合设备实际用能统计分析，实现客站能耗设备分区精细化智能控制，助力铁路客站的绿色智能化发展。
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