機(jī)車照明現(xiàn)狀分析及智能照明研究

程世軍

摘 要：隨著鐵路新技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)車安全運(yùn)行的要求也不斷在提高，機(jī)車司機(jī)室內(nèi)、外部照明也顯得尤為重要。本文對現(xiàn)有機(jī)車照明情況進(jìn)行了調(diào)查分析，對比了各機(jī)車照明燈具的性能，提出了使用性能最佳的LED燈，應(yīng)用ZigBee技術(shù)及最新的調(diào)光調(diào)色技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)車照明動靜態(tài)智能調(diào)控，達(dá)到智慧照明、健康照明的目標(biāo)，為司乘人員提供舒適、高效、節(jié)能的照明環(huán)境。

關(guān)鍵詞：機(jī)車照明；智能調(diào)控；分析；研究

1.引言

目前鐵路機(jī)車內(nèi)外照明仍采用老式燈具，穩(wěn)定性差，閃爍問題嚴(yán)重，發(fā)熱量大、色溫不可調(diào)節(jié)，燈具安裝、配光未體現(xiàn)司乘人員及路況瞭望的照明需求，對司乘人員的視覺損傷較大，嚴(yán)重影響瞭望效果和行車安全。通過無線傳輸技術(shù)，應(yīng)用智能調(diào)光調(diào)色、光學(xué)膜LED光譜剪裁技術(shù)實(shí)現(xiàn)適合人體節(jié)律的智慧照明，為乘務(wù)員提供更舒適實(shí)的工作環(huán)境，通過對環(huán)境的監(jiān)控，應(yīng)用彎道自適應(yīng)照明技術(shù)現(xiàn)實(shí)機(jī)車外照明的智能控制，使乘務(wù)員更易瞭望和觀察列車前方的路況，保證了機(jī)車運(yùn)行安全。

2.現(xiàn)狀調(diào)查

2.1筆者對廣鐵集團(tuán)長沙機(jī)務(wù)段機(jī)車照明設(shè)備類型調(diào)查如下表1

2.2司機(jī)室內(nèi)照明現(xiàn)狀分析

2.2.1目前大部分機(jī)車司機(jī)室內(nèi)仍采用白熾燈，僅HXD3C機(jī)車使用節(jié)能燈，此類燈具壽命短，穩(wěn)定性差，閃爍問題嚴(yán)重。機(jī)車車內(nèi)燈具如下圖1。

2.2.2司機(jī)室內(nèi)燈具的安裝、配光未真正體現(xiàn)廂內(nèi)結(jié)構(gòu)與司乘人員的照明需求，局部照明過度導(dǎo)致眩光嚴(yán)重、某些區(qū)域照明過低存在照明“死角”。

2.2.3機(jī)車司機(jī)室采用二級照明：正常照明、減光照明或弱光照明，但燈具色溫不可調(diào)節(jié)，且照明降級時需要通過手動調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。2.2.4司機(jī)在長時間、跨時段工作的情況下單一燈光易造成視覺疲勞，影響行車安全的問題。

2.3司機(jī)室外照明現(xiàn)狀

2.3.1目前大部分列車室外燈仍采用氙氣或鹵鎢燈，壽命短，穩(wěn)定性差，發(fā)熱量極大，機(jī)車室外燈具如下圖2。

2.3.2一般情況下的列車前照燈采用二級照明：遠(yuǎn)光照明和近照明，但實(shí)

際行車過程中往往出現(xiàn)過亮或過暗情況，影響司機(jī)瞭望

2.3.3列車室外照明燈具色溫不可調(diào)節(jié)，雨天和霧天的瞭望效果較差。

2.3.4進(jìn)出隧道過程中無法進(jìn)行有效的光補(bǔ)償，對司乘人員的視覺損傷較大，嚴(yán)重影響瞭望效果和行車安全。

3.現(xiàn)有機(jī)車燈具與LED燈照明性能對比分析

3.1現(xiàn)有機(jī)車照明燈與LED燈性能比較如下表2

3.2性能對比解析

3.2.1光色特性比較：一是光效度： LED光效最高，90%的電能轉(zhuǎn)化為可見光，且光單色性好，光譜窄，無需過濾，熒光燈、金鹵燈光效可達(dá)100 lm/W，氙氣燈、白熾燈光效最差。二是顯色性：LED顯色指數(shù)也可達(dá)95，接近于白熾燈的100，顯色性較好，熒光燈、氙氣燈、金鹵燈顯色性較差。三是色溫：一般地色溫〈3000K定義為溫暖色，色溫在3000-5000K定義為中間色或爽快色，色溫〉5000K定義為冷色或清涼色。由此可知LED色溫范圍廣，熒光燈、金鹵燈色溫集中在中間色，白熾燈則為溫暖色。

3.2.2電氣特性：LED燈能耗較低，功率因數(shù)可達(dá)0.95，節(jié)能且對電系統(tǒng)干擾較小，白熾燈90%的能量轉(zhuǎn)換為熱能，能耗最好，其他燈具雖然能耗不高，但功率因數(shù)較低，對用電有一定干擾。

3.2.3安全性能對比：由上表可知LED燈發(fā)熱溫度最低，金鹵燈、氙氣燈、白熾燈均有較高的發(fā)熱，燈具發(fā)熱極易造成線路燒損、更有甚者引發(fā)機(jī)車火情，白熾燈10倍于額定電流的啟動電流也常引發(fā)電器線路燒損。

3.2.4健康指數(shù)對比：由上表可知LED燈無頻閃、眩光、紫外線，但其發(fā)出的白光帶有較多的藍(lán)光成分；而熒光燈、金鹵燈、氙氣燈則有嚴(yán)重的頻閃、眩光問題，金鹵燈還有34%的紫外線輻射問題，長時間使用都會對機(jī)車乘務(wù)員身體健康產(chǎn)生影響。

3.2.5壽命與成本：由上表可知LED燈使用壽命在30000小時，白熾燈最少小于1000小時，其他燈具平均在1000-15000小時。

4.問題提出及分析

4.1針對機(jī)車乘務(wù)員的工作場景，如何提供更加舒適的燈光，提升乘務(wù)員的舒適度。

4.1.1現(xiàn)有機(jī)車司機(jī)室、走廊、機(jī)車外部光環(huán)境較差，司機(jī)室照明頻閃嚴(yán)重、照明分配不均，局部眩光嚴(yán)重，局部光線昏暗，同時存在紅外線、紫外線、輻射性等問題，乘務(wù)員整體舒適度不高。分析認(rèn)為較差的照明對人的生理和心理產(chǎn)生影響，易使乘務(wù)員產(chǎn)生不良情緒，影響到機(jī)車的安全運(yùn)行。

4.1.2通過微電子調(diào)光、調(diào)色、廣角度變換技術(shù)可實(shí)現(xiàn)光照的人性化智能控制，不同空間、場景通過改變光照的色溫、亮度、方向來科學(xué)地調(diào)節(jié)光照環(huán)境，例如色溫調(diào)節(jié)，根據(jù)目前最新研究發(fā)現(xiàn)，不管是暖光色還是冷光色（色溫不一樣），在每天不同時段，人都各有所需。 高色溫的冷光色相當(dāng)于晴朗的天空。在這種燈光環(huán)境下，人體器官會產(chǎn)生皮質(zhì)醇和血清素，在這些激素的作用下可以幫助我們集中注意力，保持清醒。反之，低色溫的暖光可使人放松。具體到機(jī)車上我們可以現(xiàn)實(shí)機(jī)車根據(jù)運(yùn)行方向、速度自動判斷調(diào)節(jié)室內(nèi)燈光色溫，機(jī)車操縱端為冷色光，且機(jī)車速度越高色溫越高，讓乘務(wù)員注意力集中、保持清醒，非操縱端為暖色光，且機(jī)車速度越低色溫越低讓休息的乘務(wù)員得到徹底放松。從光環(huán)境來提升乘務(wù)員的舒適度，達(dá)到改善乘務(wù)員情緒的目的。

4.2針對晝夜以及雨、霧天氣、隧道等運(yùn)行環(huán)境，如何匹配不同色溫的燈光，營造舒適的瞭望環(huán)境。

4.2.1現(xiàn)有機(jī)車室外照明未能結(jié)合運(yùn)行環(huán)境合理配置照明，光照、色溫、角度不可調(diào)，雨天和霧天瞭望效果差，特殊環(huán)境無光照補(bǔ)償，司乘人員的視覺損傷大且機(jī)車運(yùn)行安全得不到保障。

4.2.2利用中央控制系統(tǒng)、各型傳感器、環(huán)境監(jiān)測模塊、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)實(shí)機(jī)車室外照明根據(jù)外界環(huán)境變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，達(dá)到機(jī)車的智能化動態(tài)照明。

5.新技術(shù)應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)

5.1新技術(shù)闡述

5.1.1 新型LED照明燈具。LED照明燈具有光效高、能耗低、色溫范圍廣、功率因素高，無頻閃、眩光、不發(fā)熱等傳統(tǒng)燈無法比擬的優(yōu)勢，而且LED燈具是一個完全的電子產(chǎn)品，而傳統(tǒng)的照明燈具僅是一個電器產(chǎn)品。LED燈可以很方便地與各種類型的傳感器關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)光控、紅外控制等多種自動、智能控制。

5.1.2 智能傳感器。傳感器作為信號采集和機(jī)電轉(zhuǎn)換的器件技術(shù)向小型化、智能化、多功能化、低成本化邁進(jìn)。機(jī)車照明控制系統(tǒng)所使用的傳感去如下：一是人感紅外傳感器（PIR），它靠探測人體發(fā)射的紅外線而工作，人體發(fā)射的紅外線借菲涅爾濾光透鏡增強(qiáng)到熱釋電元件PIR，再經(jīng)過熱電轉(zhuǎn)換后控制燈具，通過人體溫度與背景溫度比較即可實(shí)現(xiàn)燈具實(shí)時控制。二是照度傳感器。光敏電阻板對光線的明暗亮度十分敏感。可根據(jù)天氣、時間段和地區(qū)自動控制燈具的開斷或光照度大小。三是超聲波傳感器（ULT）?？商綔y由移動人員的反射產(chǎn)生多普勒效應(yīng)引起的頻率改變。通過頻率比較即可實(shí)現(xiàn)對燈具實(shí)時控制。

5.1.3 ZigBee無線傳輸技術(shù)。應(yīng)用在短距離范圍內(nèi)以及數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的信息傳輸技術(shù)，數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)（如傳感器）和間歇性數(shù)據(jù)（如照明控制）。采用跳頻技術(shù)，因此非常適用于照明等小型電子設(shè)備的無線控制指令傳輸。非常適用于照明等小型電子設(shè)備的無線控制指令傳輸。ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需要30ms且價格低。

5.1.4 色溫調(diào)控技術(shù)。采用多個LED器件和驅(qū)動控制模塊，多個LED器件包括多種不同色溫的白色LED器件，依據(jù)色溫不同分為若干LED器件組，驅(qū)動模塊用于分別控制所屬LED器件的工作，達(dá)到實(shí)時控制所需色溫。

5.1.5“彎曲、自適應(yīng)照明”技術(shù)。此技術(shù)對機(jī)車前照燈組成的每一個照明單元進(jìn)行電子控制，系統(tǒng)與車輛的轉(zhuǎn)向位置、車身角度、輪對速度通訊，能預(yù)測前方的道路情況，系統(tǒng)的照明單元更可旋轉(zhuǎn)20度，顯示對路況環(huán)境的“自適應(yīng)”。

5.1.6光學(xué)膜LED光譜剪裁技術(shù)。利用光學(xué)薄膜現(xiàn)實(shí)對LED燈光中藍(lán)光的裁剪，現(xiàn)實(shí)LED低藍(lán)光的健康照明。如下圖3所示：

5.2新技術(shù)應(yīng)用與現(xiàn)實(shí)

5.2.1機(jī)車照明智能控制系統(tǒng)由中央處理單元，白色LED照明，無線智能傳感器，ZigBee無線數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)，色溫調(diào)控+彎曲、自適應(yīng)照明+光學(xué)膜LED光譜剪裁技術(shù)組成的智慧照明單元組成。

5.2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下圖4：

6.結(jié)論

通過對機(jī)車照明系統(tǒng)的分析與研究，采用白色LED照明，無線智能傳感器，ZigBee無線數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)絡(luò)及新技術(shù)智慧照明單元組成的系統(tǒng)可現(xiàn)實(shí)機(jī)車內(nèi)外照明動靜態(tài)智能調(diào)控，為機(jī)車乘務(wù)員提供良好的瞭望場景，和舒適的值乘環(huán)境。

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