铁路隧道照明自动控制系统研究

铁路隧道照明自动控制系统研究

［摘 要］随着我国铁路事业的迅猛发展，特长隧道的长度新纪录被不断刷新，越来越多的隧道投入使用。隧道照明的功能着重在于隧道设施本身的正常运行、定期维护检修和事故状态的疏散和救援，针对铁路隧道照明技术存在的问题，提出了一种全新的照明控制系统，实现铁路隧道照明的自动化、智能化。

［关键词］铁路；隧道照明；自动控制

1 引言

目前，铁路隧道照明多采用钨灯或白炽灯，控制方式主要有以下几种：（1）无论是否有人进入隧道，隧道照明灯都一直处于打开状态，由于人员不经常进入隧道施工或通过隧道，因而造成资源的浪费；（2）在隧道两侧入口安装单刀双掷式开关，人员进入隧道时打开照明灯，离开时关闭，这种方式存在以下问题，一是人员通过时隧道的照明灯都是亮的，隧道越长浪费现象越严重；二是人员离开隧道时有时会忘记关灯；（3）在隧道内不同位置安装多个声控开关，这种方式的问题在于，列车通过隧道时照明灯也会亮，列车通过时间越长，照明时间就越长，自动闭塞区间车流密度很大时，照明设施会多数处于工作状态，并且声控开关的延时功能又不能保证人员在隧道内停留或施工时灯不会灭，需要人员间隔一段时间就发出一定的声响。双线隧道问题更加严重，常规设计无法考虑通过隧道人员的需求，只能按最大限度设计相应照明设施，造成设施设备有效利用效率很低，增加人工及设备成本。

上述现有的铁路隧道照明控制方式主要存在以下缺陷：（1）照明灯长时间工作，造成电能的浪费及照明灯的使用寿命缩短，线路及相应控制设施的老化；（2）开关及灯具安装

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过高则维护困难，需要每次携带梯子等工具，安装过低则容易损坏；（3）隧道往往处在偏远地区，维修人员不方便第一时间对照明灯具进行维修，影响正常使用，也很难进行有效时常养护。照明设备的配件更换很不方便，同时还会受到不同程度的人为破坏及盗窃；（4）由于照明不足，隧道行走人员难以发现诸如电缆沟盖板损坏、步行通道障碍等隐患而发生意外伤害。为此，相关部门每年需要投入大量的人力、物力和财力来对隧道照明设备设施进行维护保养。

2 隧道照明自动控制技术

隧道照明自动控制系统需要解决的是在人员进入隧道时照明灯亮，在人员行走时前方的照明灯依次点亮，后方的照明灯依次熄灭，同时还需要保证火车通过时照明灯不会点亮，还要考虑到工务、供电等维修人员在隧道内停留及作业时相应的照明灯不会熄灭。针对上述要求，隧道照明自动控制系统应该包括：控制单元、探测单元、照明单元以及电源。探测单元连接控制单元，并且探测单元包括多组红外探测器和声音传感器，每组红外探测器和声音传感器的探测信号传输至控制单元。控制单元连接照明单元，当红外探测器输出有效信号而声音传感器输出无效信号时，控制单元输出有效控制信号至照明单元，以控制照明单元开始照明。电源为控制单元供电。

控制单元包括微处理器以及两个光电隔离器，来自探测单元的探测信号经两个光电隔离器中的一个传输至微处理器，转而微处理器的控制信号经光电隔离器中的另一个传输至照明单元。

照明单元包括多个控制开关和对应数量的隧道照明灯，每个控制开关与对应的一个隧道照明灯相连，并按照控制单元的控制信号，执行导通与关断。控制开关为交流接触器，控制单元通过动力电缆连接该交流接触器。探测单元通过信号电缆连接控制单元，其红外

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探测器为双元红外移动探头，声音传感器为当感应到的声音大于50dB时输出有效信号的声音传感器。此声音信号强度的设置根据隧道结构及机车车辆情况可选择需要的设定值，主要目的为保证机车、列车及其它自轮运转设备通过隧道时照明灯不会工作。

铁路隧道照明自动控制系统的结构示意图如图1所示。

3 具体实施方式

图1 隧道照明自动控制系统的结构示意图

如图1所示，本技术中的铁路隧道照明自动控制系统包括：控制单元1、探测单元2、照明单元3和电源4。探测单元2设置在铁路隧道内用以探测隧道内情况，探测单元2连接控制单元1，控制单元1接收并分析来自探测单元2的探测信号，并输出控制信号至与其相连接的照明单元3以控制照明单元3的照明。电源4连接控制单元1并为其供电。

其中，探测单元2包括多个由红外探测器21和声音传感器22组成的设备组。探测

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单元2将这些由红外探测器21和声音传感器22组成的设备组相间隔地设置在隧道内，间隔距离按照实际需要设定。在一些较长的隧道中，需要设置备用件。主要用于采集隧道内的红外图像信号与声音信号并将信号传输至控制单元1，红外探测器21主要用于探测其监测区域内人员的进入，声音传感器22主要用于感应隧道内列车的声音信息。探测单元2将其探测到的光与声信号转换为电信号，作为控制单元1的输入信号通过信号电缆23传输至控制单元1。根据本技术的一个实例，红外探测器21选用双元红外移动探头，型号PA-476，如图2所示。

图2 双元红外探头

双元红外移动探头性能指标：（1）探测范围：11m× 11m；（2）自动脉冲数调节，二级调整；（3）自动温度补偿；（4）抗射频干扰金属护罩；（5）阻燃外壳。

双元红外移动探头经实际运用具有探测灵敏、经久耐用、省电环保等众多优点。

声音传感器22选用型号为BYG71-007的声音传感器，声音传感器选用能够感应到大于50dB声响、型号为

BYG71-007的声音传感器，如图3所示。

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图3 BYG71-007声音传感器

声音传感器性能指标：（1）测量声强范围：40dB-120dB；（2）测量频率范围：100Hz-4 000Hz；（3）分辨率：1Hz；（4）精度：±1%。

信号电缆23规格为PTYA23-10*1。

控制单元1包括微处理器11以及两个光电隔离器12，两个光电隔离器12分别连接在探测单元2与微处理器11之间、以及微处理器11与照明单元3之间，光电隔离器亦称光耦合器，以光为媒介传输电信号，具有信号单向传输、输入端与输出端电气隔离、抗干扰能力强、传输效率高等优点，根据本实例，光电隔离器12选用TOSHIBA（东芝公司）的TLP521光电隔离器。微处理器11用于分析并处理来自探测单元2的隧道内信息，再输出控制信号至照明单元3。

照明单元3包括多个交流接触器31和对应数量的隧道照明灯32。控制单元1连接所有的交流接触器31，每个交流接触器31与一个隧道照明灯32相连接。交流接触器广泛用于电力的开断和控制电路，利用接点的断开与吸合来开闭电路。根据本实例，来自控制单元1的控制信号可通过动力电缆33为交流接触器31供电，促使交流接触器31吸合，从而与其相连的隧道照明灯32随即开始照明。目前，交流接触器在铁路相关设备大量广泛的应用，可以远距离的控制照明灯的开合。根据本实例，交流接触器31型号为

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CJX2-1210，隧道照明灯32可选用LED隧道照明灯、高压钠灯或其它基本照明灯。隧道照明灯最好选用LED隧道照明灯。

表1为根据本实例的微处理器11的逻辑状态表。其中，红外探测器21和声音传感器22的输出信号（即探测信号）均分为有效信号和无效信号，当红外探测器21探测到人员时（包括列车、机车等作业车辆）输出有效信号，否则输出无效信号；当声音传感器22感应到的声音大于50dB时（例如当列车、机车等作业车辆通过时），输出有效信号，否则输出无效信号。微处理器11可设置为，仅当红外探测器21的输出信号为有效信号（通常可设置为高电平信号），而声音传感器22的输出信号不是有效信号（通常设置为低电平信号）时，输出有效的控制信号至照明单元。而在其它情况中，则输出无效的控制信号，不影响隧道照明灯的状态。该功能可利用微处理器中的逻辑运算模块实现。

表1 微处理器的逻辑状态表

红外探测器有效有效无效无效声音传感器无效有效无效有效控制信号有效无效无效无效隧道照明灯打开无动作无动作无动作

并且，微处理器还设置为，当输出有效信号时，开始供应电流至照明单元3，当达到预设的照明时间长度时，停止向照明单元3供电，照明时间长度可依据探测单元2在隧道内的安装间距以及隧道内具体环境而定。在隧道照明灯32照明期间，控制单元1可控制探测单元2暂停采集信号，或者也可以是控制单元1本身暂停接收探测单元2的输出

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信号。该功能可利用微处理器中的计时模块实现。根据本实例，微处理器11选用MICROCHIP（微芯公司）的PIC16F1516微处理器。通过对微处理器的编程，可以满足各种对隧道照明的控制动作。

为了确保人员在隧道内停留或施工时，隧道照明灯不会因有列车通过而处于非照明状态，可以根据隧道长度S、列车长度L、列车最低运行速度vmin设置一次照明时间长度最小值tmin，tmin=（S+L）/vmin，当隧道长度500m，列车编组最大为240辆（列车长度约为3 500m），最低时速为5km/h，则一次照明时间长度参考值为13min。国内开行2万t列车的区间很少，多数万吨列车编组102辆C80型货车长度只有1 400m，所以这个时间也只是一个参考值，实际使用过程中可按照使用维修人员的需求进行相应调整，按照人员正常步行速度5km/h计算，如果需要保证有两个照明灯工作，设计一次照明时间为30-40s就可以满足人员通过隧道的要求。

探测单元安装在隧道侧壁的上部，沿隧道长度每隔15m安装一个探测单元。因此，在正常情况下隧道内没有人员或列车时，红外探测器21输出无效信号，无论声音传感器22是否输出有效信号，控制单元1都不会向照明单元供电；当红外探测器21探测到有人员进入其所

监测的区域时，将输出有效信号，此时声音传感器22输出无效信号，则控制单元1为交流接触器31供电，使交流接触器31吸合，隧道照明灯32开始照明，隧道照明灯32维持照明一段时间，在其照明期间，探测单元2不采集光与声信号；当隧道照明灯32照明结束前2s内，探测单元2重新开始探测光与声信号，而此时如果人员已经走出该红外探测器21的监测区域，则红外探测器21输出无效信号，则控制单元1并不向交流接触器31供电，交流接触器31处于断开状态，隧道照明灯32处于关闭状态（即非照明状态）；当隧道内有列车通过时，虽然红外探测器21输出有效信号，但是此时声音传感器

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22也输出有效信号，控制单元1不提供电能至交流接触器31，以避免列车的通过造成灯光的误控制；但是，如果在列车通过隧道前，隧道照明灯32已经处于打开状态，则说明探测单元2已经暂停探测光与声信号，所以列车通过隧道时并不影响隧道照明灯32的状态。

另外，因列车提速，原电线路、电缆线路明敷的方式已不适应新的情况，应当尽量采取电缆沟敷设电力电缆。必须明敷时，应使用金属封闭线槽的方式敷设。文中所选用的红外探测器、声音传感器、LED隧道照明灯也都选用了耐腐蚀、阻燃性能好的外壳。

4 结论

本文所设计的铁路隧道照明自动控制系统，能够便利地控制隧道照明灯的开关，有效地避免了现有技术所带来的资源浪费问题，并能提高隧道照明灯的使用效率，延长其使用寿命。此外，该系统在正常人员可触及的地方未设置易被破坏的装置，可有效防止无关人员对照明系统的破坏。

照明灯多数只在工务人员巡道时工作，自动控制系统的使用使得隧道照明装置实际工作时间减少了75%以上，大面积使用可以节约的费用可达到千万能数量级。我国幅员辽阔，山地众多，随着铁路建设的高速发展，隧道数量将大量增加，尤其是长大隧道越来越多，节约用电势在必行，铁路隧道照明自动控制系统的应用前景较为广阔，有巨大的经济和社会效益。

［参考文献］

［1］TB10008-2006铁路电力设计规范［S］.

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［2］TB/T2275-91铁路隧道照明设施与供电技术条件［S］.

［3］TB/T2796-1997铁路隧道固定灯具技术条件［S］.

［4］TB10063-2007铁路工程设计防火规范［S］.

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