基于電力線載波通信的鐵路隧道照明控制系統(tǒng)

張 斌，邱立運

(中冶長天(長沙)智能科技有限公司，湖南 長沙 410205)

引言

鐵路隧道照明關(guān)系隧道內(nèi)安全行車與防災(zāi)救災(zāi)[1]，近年來越來越受到項目的重視。鐵道部1992年發(fā)布的鐵路隧道照明設(shè)施與供電技術(shù)條件[2]，對鐵路隧道照明和供電有明確的要求，后續(xù)的設(shè)計規(guī)范又不斷完善了隧道照明的標準，在防災(zāi)條款中對應(yīng)急照明、疏散照明也作了一些要求[3]。然而，我們對隧道照明的工作狀況、具體的運行方式以及如何實施有效的監(jiān)控，還需要不斷地探討；另外，對隧道照明項目的照明配電、通信方式、防災(zāi)系統(tǒng)聯(lián)動需求和自動控制也缺少深入的應(yīng)用研究。

一般情況下，鐵路隧道照明均處于關(guān)燈狀態(tài)，目前對隧道照明控制技術(shù)關(guān)注還比較少，且方案較落后，大多在照明供電干線首末端采用人工手動控制，只讓維修人員進行操作。另外，現(xiàn)有的鐵路隧道照明項目對經(jīng)過隧道的列車狀態(tài)缺乏有效判斷，主要應(yīng)用紅外對射和地感線圈技術(shù)進行探測[4]，一旦隧道地質(zhì)輕微沉降就會導(dǎo)致紅外對射異常、線圈傳感器失效，可靠性差。再就是考慮異常情況下，人員能在最短的距離按下按鈕控制照明回路開閉，隧道內(nèi)需要配置大量應(yīng)急照明按鈕，難以有效管控。從通信方式看，隧道照明控制設(shè)備組網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)采用RS485有線方式，或ZigBee、NB-IoT等無線方式[5]，都需要專門架設(shè)通信管線或無線網(wǎng)關(guān)設(shè)備，增加成本、維護麻煩，尤其在5 km以上的長隧道項目問題更突出。

電力線載波通信具有無需重新布線、易于維護、技術(shù)成熟等特點，給設(shè)備供電的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，目前已經(jīng)在智能電網(wǎng)用電信息采集上廣泛應(yīng)用。根據(jù)鐵路隧道照明的功能需求、使用環(huán)境和技術(shù)特點，有效結(jié)合電力線載波通信技術(shù)進行鐵路隧道照明智能控制系統(tǒng)設(shè)計，可以解決以上主要問題，并使照明控制更加精細化、智能化、實用化。

1 照明控制系統(tǒng)設(shè)計

本文提出的這種基于電力線載波通信的鐵路隧道照明控制系統(tǒng)[6]，整個系統(tǒng)方案主要由隧道照明控制主站系統(tǒng)、隧道照明集中控制箱、隧道列車探測箱以及隧道照明應(yīng)急按鈕箱組成。

1.1 照明系統(tǒng)構(gòu)成

隧道照明控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場控制與遠程控制相結(jié)合的方式[7]?，F(xiàn)場控制包括手動應(yīng)急控制、列車探測自動控制兩種方式。手動應(yīng)急控制是用于列車故障(出軌或停車)導(dǎo)致人員下車，或者維修人員臨時開關(guān)燈情況下，照明燈具能手動控制點亮，考慮列車形成的阻斷，隧道內(nèi)任意點距手動控制點的位置應(yīng)不大于30 m；列車探測自動控制是當探測傳感器檢測到列車車速很慢或者列車?？吭谒淼蓝磧?nèi)，立即自動將該照明段回路打開，當列車以正常速度正常行駛或離開隧道洞內(nèi)則自動關(guān)閉照明回路。遠程控制是通過鐵路專網(wǎng)或者公網(wǎng)進行通信互聯(lián)，實現(xiàn)聯(lián)動控制和相關(guān)告警處理、設(shè)備狀態(tài)維護管理等，隧道照明回路可以根據(jù)遠方監(jiān)控中心的通信命令進行操作。隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計如圖1所示。

圖1 隧道照明控制系統(tǒng)設(shè)計圖Fig.1 Design drawing of tunnel lighting system

鐵路隧道照明控制是根據(jù)變壓器的供電臂長度(如1 km)進行分段布置，因此圖1所示的內(nèi)容是對應(yīng)某一段供電臂長度照明控制。集中控制箱負責該段隧道所有照明回路的控制，應(yīng)急按鈕箱沿隧道內(nèi)一側(cè)或者兩側(cè)安裝，間隔距離如50 m；列車探測箱只需要在隧道內(nèi)的一側(cè)安裝，間隔距離要少于最短的列車長度，一般可定為200 m。隧道照明控制設(shè)備之間全部基于電力線載波通信，除了供電線之外不再需要額外鋪設(shè)其他通信線纜。

1.2 照明回路配電

由于鐵路隧道照明引入了應(yīng)急照明、疏散指示照明等，其用電負荷按電力負荷分級應(yīng)為一級負荷[8]，正常情況下一級負荷配電應(yīng)為2路10 kV獨立電源同時供電、互為備用的方案，高壓電源通常一路取自鐵路10 kV配電所饋出線，一路取自鐵路10 kV貫通線。但項目實際應(yīng)用時，考慮到照明用電容量在100 kW以下，又難以從鐵路沿線電網(wǎng)取得第二電源，可配置EPS作為備用電源。為方便項目供電實施，鐵路隧道照明配電設(shè)計為一路高壓輸入并配置EPS電源的方式，每個箱變負責以隧道照明為主的1 km左右的供電，10 kV高壓線輸入后，經(jīng)過變壓器轉(zhuǎn)換進行低壓回路分配。其中K-1和K-2用于隧道內(nèi)插座箱和洞室照明；K-4負責管理接入EPS備用電源后的所有隧道照明供電回路，包括正洞照明(K-5和K-6)、應(yīng)急疏散照明(K-7和K-8)、照明控制設(shè)備(K-9)共5個子回路。

正洞照明K-5和K-6兩個回路分別負責隧道線左右兩側(cè)的照明電源，應(yīng)急疏散照明兩個回路同理。照明控制設(shè)備K-9回路提供了本系統(tǒng)在該供電臂長度下所有隧道照明集中控制箱、隧道列車探測箱以及隧道照明應(yīng)急按鈕箱的供電。隧道照明回路配電設(shè)計如圖2所示。

圖2 隧道照明回路配電設(shè)計圖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鐵路數(shù)據(jù)中心或集控中心，當某一條鐵路線所有集中控制箱都通過上行通信(公網(wǎng)或者鐵路專網(wǎng))接入到主站系統(tǒng)后，即可管理該鐵路線上所有隧道照明控制設(shè)備?？衫么笃聊徽故救舅淼勒彰鞲庞[、設(shè)備狀態(tài)、GIS地圖監(jiān)測、設(shè)備故障報警、故障列車隧道定位等，實現(xiàn)多合一的管理，直觀地了解全線隧道照明的細節(jié)。隧道照明控制主站系統(tǒng)典型的功能模塊包括智能監(jiān)測、遠程控燈、能耗統(tǒng)計、事件跟蹤、故障報警、自動巡檢、運維管理、APP支持等。

同時隧道照明主站系統(tǒng)能夠提供API功能接口，與其他鐵路管理系統(tǒng)進行對接，包括防災(zāi)救援監(jiān)控系統(tǒng)、設(shè)備運維管理系統(tǒng)等。譬如當防災(zāi)救援系統(tǒng)探測到有災(zāi)情發(fā)生時，能夠第一時間通知隧道照明主站系統(tǒng)進行聯(lián)動，通過遠程命令下發(fā)對指定隧道的所有集中控制箱執(zhí)行全隧道開燈操作。隧道照明主站功能設(shè)計如圖3所示。

圖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

隧道照明系統(tǒng)的通信方案分為上行通信和下行通信兩個部分。其中上行通信為隧道照明集中控制箱跟主站系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信，可支持4G/5G、以太網(wǎng)/光纖網(wǎng)絡(luò)等通信方式。根據(jù)現(xiàn)有鐵路四電系統(tǒng)條件，以太網(wǎng)/光纖是上行通信的首選，由通信系統(tǒng)方負責統(tǒng)一管理和分配網(wǎng)絡(luò)IP地址，也可根據(jù)實際情況或者具體要求采用移動運營商的4G/5G無線網(wǎng)絡(luò)進行上行通信。另外，參考鐵路電力及自動化系統(tǒng)的各種控制器設(shè)備通信，數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議優(yōu)先選用ModbusTCP通信協(xié)議，主站可配置為客戶端TCP client，集中控制箱里的主控單元作為服務(wù)端TCPserver。以隧道照明的3個回路狀態(tài)查詢及控制為例，讀離散輸入狀態(tài)(0x02功能碼)用于查詢某照明回路狀態(tài)，寫單個線圈(0x05功能碼)用于執(zhí)行某照明回路開關(guān)燈操作，并嚴格按照標準寄存器地址范圍進行命令擴展，照明回路狀態(tài)查詢及控制命令如表1所示。

表1 照明回路狀態(tài)查詢及控制命令Table 1 Lighting circuit status inquiry and control command

下行通信是指隧道照明集中控制箱、列車探測箱以及應(yīng)急按鈕箱設(shè)備之間的本地通信，采用HPLC電力線寬帶載波專用芯片和低壓寬帶載波組網(wǎng)通信技術(shù)，只要有供電線就可以同時供電和數(shù)據(jù)通信，方便施工和維護管理。項目中HPLC高速電力線載波通信模塊采用了深圳力合微電子LME3460寬帶物聯(lián)網(wǎng)載波芯片，支持多點快速組網(wǎng)并實現(xiàn)事件上報和命令下發(fā)的全雙工通信，具備響應(yīng)速度快、可靠性好的優(yōu)點，能夠滿足隧道照明供電情況下設(shè)備穩(wěn)定通信要求，其特點如表2所示。

表2 高速電力線載波通信特點Table 2 Characteristics of high speed power line carrier communication

2 設(shè)備功能及實施

2.1 集中控制箱

集中控制箱是隧道照明回路的直接控制設(shè)備，安裝于隧道配電室內(nèi)(變壓器洞室或箱變)，對應(yīng)每一個變壓器或者箱變負責的照明供電段，集中控制箱用于控制該段隧道照明回路打開或者關(guān)閉。為了更好地實現(xiàn)集中控制箱主控單元各種功能需求，軟件基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)進行功能開發(fā)，硬件設(shè)計上采用了ATMEL公司ARM9內(nèi)核嵌入式微處理器芯片AT91SAM9G25，主頻達到400 MHz，外圍器件主要包括電源模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、LCD液晶顯示模塊、能耗計量模塊、輸入輸出控制模塊、載波通信模塊、4G/5G通信模塊、Wi-Fi及維護模塊等，功能接口包括6路串口、2路以太網(wǎng)口、3路USB口以及SPI、CAN、IIC等，完全滿足了集中控制箱所有檢測控制和通信功能開發(fā)要求。主控單元硬件設(shè)計如圖4所示。

圖4 主控單元硬件框圖Fig.4 Hardware block diagram of main control unit

根據(jù)隧道現(xiàn)場的通信條件，集中控制箱由上行通信網(wǎng)絡(luò)連接到照明控制主站系統(tǒng)，其主控單元安裝的載波通信模塊能跟應(yīng)急按鈕箱和列車探測箱中的載波節(jié)點模塊進行組網(wǎng)通信，在設(shè)備供電回路上，所有照明控制設(shè)備，包括集中控制箱、應(yīng)急按鈕箱、列車探測箱都通過低壓電力線進行正常供電和數(shù)據(jù)通信。集中控制箱安裝實施如圖5所示。

隧道照明集中控制箱功能包括：1)上行與照明控制主站系統(tǒng)通信交互，執(zhí)行主站下發(fā)命令，下行通過載波通信，轉(zhuǎn)發(fā)命令給某個應(yīng)急按鈕箱或列車探測箱執(zhí)行；2)對集中控制箱下面管控的多個應(yīng)急按鈕箱和列車探測箱進行維護管理，實時接收事件上報，并根據(jù)事件判斷后執(zhí)行照明回路控制；3)除了通過上行通信連接到主站控制系統(tǒng)外，還具備多個集中控制箱之間的組網(wǎng)通信功能，譬如隧道內(nèi)通過串聯(lián)式單模光纖把多個集中控制箱連接到交換機進行UDP廣播通信，能夠?qū)崿F(xiàn)隧道內(nèi)所有集中控制箱均同步執(zhí)行照明回路開閉操作，即實現(xiàn)隧道全開燈和隧道全關(guān)燈；4)檢測隧道照明回路交流接觸器線圈狀態(tài)，判斷是否正常打開或者關(guān)閉，如果發(fā)生異常則立即上報給主站系統(tǒng)，提示該段的隧道照明回路存在控制故障需要進行維修，避免電力能源浪費；5)對外提供其他通信接口，方便在隧道現(xiàn)場，其他上位機能直接對集中控制箱進行命令操作，譬如現(xiàn)場的火災(zāi)監(jiān)控設(shè)備，當火災(zāi)發(fā)生時能夠馬上命令集中控制箱執(zhí)行照明操作。

2.1 列車探測箱

隧道列車探測箱通過探測傳感器(超聲波、激光或其他)進行列車異常檢測，探測傳感器采用雙探頭方式，一個發(fā)射一個接收，最大有效探測距離應(yīng)超過隧道壁到列車車廂外側(cè)的最大距離，只需在隧道壁單側(cè)安裝。列車探測箱通過外接220 V供電，探測箱中控制單元基于電力線載波和集中控制箱進行通信。隧道內(nèi)每間隔一定距離安裝一個列車探測箱，并且該距離不超過鐵路列車的最短長度。當無列車時，由于探測距離過遠，傳感器根據(jù)測距值判斷隧道內(nèi)無列車?？?；當有列車經(jīng)過時，傳感器探測到有列車，并根據(jù)測距值和時間信息計算出實時速度，結(jié)合列車運行速度閥值，當判定列車可能由于某些原因即將臨時?？坑谠摱嗡淼览镞叄⒓瓷蠄笫录ㄖ淼兰锌刂葡浯蜷_隧道照明回路，實現(xiàn)開燈操作；當列車開走則立即上報事件使照明回路關(guān)燈恢復(fù)正常。列車探測箱判斷流程如圖6所示。

圖6 隧道列車探測箱工作流程圖Fig.6 Working flow chart of tunnel train detection box

探測傳感器有效探測列車后，進行數(shù)據(jù)濾波操作后得到穩(wěn)定的測距信號，并結(jié)合相鄰兩個探測傳感器測距數(shù)據(jù)、安裝距離和時間信息，通過軟件算法計算出列車行駛的速度，根據(jù)速度閥值來判斷列車是否正常行駛或者出現(xiàn)故障即將?？?。列車探測箱根據(jù)設(shè)定好的距離閥值和速度閥值進行列車異常判斷，這些閥值參數(shù)可以根據(jù)實際情況，通過隧道照明主站系統(tǒng)或者集中控制箱的主控單元下發(fā)命令配置。隧道列車探測箱建議安裝在隧道內(nèi)大、小避車洞旁的側(cè)壁上，參考安裝高度距離軌面值為1.8 m，傳感器探頭垂直對準列車側(cè)面車身進行檢測。

2.2 應(yīng)急按鈕箱

根據(jù)鐵路隧道照明要求，除了列車故障時能自動打開照明回路亮燈，同時還需要具備手動應(yīng)急控制功能，因此配置了隧道照明應(yīng)急按鈕箱，主要用于維修人員或列車異常停車后下車的旅客及行人等，能夠在最短的距離內(nèi)按下開燈按鈕執(zhí)行隧道照明開燈操作，尤其在某些特殊情況下，譬如災(zāi)害發(fā)生時馬上進行全隧道應(yīng)急開燈操作，并且按鈕箱具備相應(yīng)的關(guān)燈按鈕進行恢復(fù)。隧道手動控制箱按照每間隔50 m進行雙側(cè)安裝，則能保證人員處于隧道內(nèi)任何位置時到達最近的手動控制點距離不會大于25 m。應(yīng)急按鈕箱應(yīng)安裝在隧道內(nèi)左右過道旁邊側(cè)壁上，為方便人員操作參考安裝高度為距離過道地面1.2 m。應(yīng)急按鈕箱安裝實施如圖7所示。

圖7 隧道照明應(yīng)急按鈕箱實施圖Fig.7 Implementation drawing of tunnel lighting emergency button box

隧道照明應(yīng)急按鈕箱的功能主要包含：1)回路開燈、回路關(guān)燈、一鍵全開、一鍵全關(guān)四種控制方式，回路開/關(guān)燈按鈕用于打開或關(guān)閉該供電段隧道照明回路，一鍵全開/關(guān)燈按鈕則用于打開或者關(guān)閉整條隧道所有供電段的照明回路；2)通過電力線供電和載波組網(wǎng)通信，任何按鈕按下，應(yīng)能在最短的時間內(nèi)上報給集中控制箱，由集中控制箱根據(jù)按鈕事件判斷和執(zhí)行對應(yīng)照明回路開關(guān)燈操作；3)采用發(fā)光按鈕并通過不同顏色區(qū)分，保證在隧道里面黑暗的情況下也能夠有效分辨和識別按鈕功能。

3 應(yīng)用效果

基于電力線載波通信的隧道照明控制系統(tǒng)完成了設(shè)計和開發(fā)，目前在某省已經(jīng)進行了項目實際應(yīng)用，取得了良好的效果。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)α熊嚬收线M行有效探測并自動開關(guān)照明回路，可以通過主站顯示故障列車處于鐵路線某個隧道的具體位置；手動控制相比原來常用的首末兩端操作方式更加靈活，應(yīng)急按鈕箱間隔布置后能夠保證人員在最短的時間進行開燈和關(guān)燈恢復(fù)。隧道照明控制系統(tǒng)主站運行界面如圖8所示。

圖8 隧道照明控制系統(tǒng)主站界面圖Fig.8 Interface diagram of main station of tunnel lighting control system

在應(yīng)用過程中，可以根據(jù)項目情況靈活配置。長度比較短的隧道可以完全由集中控制箱自組網(wǎng)控制，可不通過上行通信接入到主站系統(tǒng)，各集中控制箱里面的主控單元能夠下發(fā)命令互相通信，當有應(yīng)急按鈕按下，或者探測到列車運行故障時，主控單元進行邏輯判斷，自動決策打開該段的照明回路還是實現(xiàn)全隧道的照明回路開閉操作。在隧道長度較長的情況下，一般通過以太網(wǎng)/光纖專網(wǎng)接入到照明控制主站系統(tǒng)，而且一條隧道只需要有一個集中控制箱接入網(wǎng)絡(luò)即可，即鐵路通信系統(tǒng)針對同一條隧道照明控制只需分配一個固定IP給某個集中控制箱使用，該集中控制箱再管理同一隧道的其他集中控制箱設(shè)備，該實施方式節(jié)省了更多網(wǎng)絡(luò)IP資源。

4 結(jié)語

基于電力線載波通信的隧道照明控制系統(tǒng)方案簡單可靠、方便實施應(yīng)用，除了有效解決隧道照明工程領(lǐng)域控制方式落后、缺乏列車故障有效探測、照明設(shè)備通信困難等問題之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)隧道照明回路智能管控，若結(jié)合LED照明燈具的應(yīng)用，更加節(jié)省電力能源[9]。由于系統(tǒng)設(shè)計需要安裝的設(shè)備少，相比其他方案能有效降低隧道照明工程的投資；應(yīng)急按鈕開關(guān)燈和列車自動探測開關(guān)燈即使在不具備上行通信對接到主站系統(tǒng)時也能夠正常使用，更加利于隧道洞內(nèi)的行車行人安全。通過實際的項目實施，該系統(tǒng)完全滿足隧道照明智能控制要求，并可以全面地應(yīng)用到包括鐵路隧道的軌道交通隧道照明工程領(lǐng)域。