CN111148330A - 基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，步骤包括：采用便携式巡检照明控制器通过无线通信协议直接发出指令，对隧道内的灯具进行控制；采用无源自发电应急启动开关，通过无线通信协议直接发出指令，对隧道所有灯具进行同时开灯控制；远程监控中心和移动终端通过网关协调和转换协议后，对灯具进行控制。本发明取消照明支线，简化供电结构，实现铁路隧道照明技术和配电系统的更新换代；满足人员进隧道后灯随人亮的需求，实现铁路隧道照明的人工智能化和各种预设模式的场景控制，提高铁路隧道照明控制的方便灵活性，降低电能消耗。因此具有很高的技术、经济、社会价值。

Description

基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法

技术领域

本发明涉及铁路隧道照明技术领域，具体涉及一种基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法。

背景技术

根据《铁路照明设计规范》（TB10089-2015）规定：高速铁路、城际铁路、时速200km客货共线铁路长度500m及以上隧道应设置正常照明；时速160km及以下客货共线铁路、货运专线铁路长度3000m及以上隧道可设置正常照明；长度5000m及以上隧道或设有紧急出口的隧道内应设置应急照明。隧道照明灯具沿隧道一侧或两侧线型分布，灯间距一般小于等于30m，正常情况下铁路隧道内照明灯具一般处于关闭状态，在隧道内需进行巡视或检修作业时，由现场巡视或检修作业人员进行开关灯操作；设应急照明的隧道，事故情况下由远方或现场采用一键启动，点亮全部应急照明灯具。

现有铁路隧道照明系统还是一直沿用以支线电缆控制为基础的分段控制方式，隧道内除配电干线电缆外，还根据照明分段控制的需求设有照明支线电缆，通过对照明支线的控制实现隧道照明的分段控制，照明干线长度一般在1500米以内，照明支线长度在750米以内。这种控制方式导致了低压配电系统比较复杂；在进行巡视或检修作业时由现场人员只能在各个支线首末段的控制箱进行开关灯具操作，这种照明控制方式不够便利，控制不够精细，一次开灯数量较多，电能消耗较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，解决现有铁路隧道低压配电系统结构复杂、操作不便、控制不精、能耗较大等问题。

本发明所采用的技术方案为：

基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

所述方法由以下步骤实现：

I、采用便携式巡检照明控制器通过无线通信协议直接发出指令，对隧道内的灯具进行控制；

II、采用无源自发电应急启动开关，通过无线通信协议直接发出指令，对隧道所有灯具进行同时开灯控制；

III、远程监控中心和移动终端通过网关协调和转换协议后，对灯具进行控制。

灯具独立接入配电干线电缆，每段干线电缆均设置有配电箱，干线电缆末端与另一干线电缆末端通过越区配电箱相连。

所述灯具包括故障检测隔离模块、电磁滤波整流电路、功率因数校正电路、切换电路、隔离变压器、整流滤波电路、物联网模块、PWM调制电路、光电耦合隔离模块以及控制电路；

故障检测隔离模块输入端与隧道照明干线相连接，输出端与电磁滤波整流电路连接；

电磁滤波整流电路与功率因数校正电路连接，之后依次串接切换电路、隔离变压器和整流滤波电路，整流滤波电路连接灯体并供电；

控制电路通过光电耦合隔离模块连接PWM调制电路并接入切换电路；

故障检测隔离模块、功率因数校正电路、控制电路和PWM调制电路分别与物联网模块连接通信；

物联网模块上还设置有天线，发出无线射频信号。

便携式巡检照明控制器通过无线射频信号控制灯具，灯具也通过无线射频信号与网关通信，网关接入远程控制中心并通信。

便携式巡检照明控制器通过无线网络将控制命令发送至邻近的灯具；控制命令传递给隧道内需要点亮的灯具；被点亮灯具将状态上传至远程监控中心。

故障检测隔离模块选用基于微型断路器的自恢复保险丝或继电器。

铁路隧道照明控制系统还包括无源自发电应急启动开关，无源自发电应急启动开关设置在隧道侧壁，通过无线方式接入所有灯具。

无源自发电应急启动开关触发后，将紧急开灯命令发送至邻近的灯具；通过隧道内无线网状网络，将开灯命令传递给所有灯具，同时点亮隧道内所有灯具，灯具状态上传至远程监控中心。

远程监控中心将控制命令传输至网关，网关转化协议后将控制命令传输至担当中心节点的灯具；通过隧道内无线网状网络，控制命令传输至需要点亮的灯具，并点亮灯具，灯具状态回传至远程监控中心。

移动终端向远程监控中心申请控制授权，远程监控中心向移动终端授权，移动终端将控制命令传输至网关，网关转化协议后将控制命令传输至担当中心节点的灯具；通过隧道内无线网状网络，控制命令传输至需要点亮的灯具，并点亮灯具，灯具状态回传至网关，网关向远程监控中心和移动终端转发灯具状态。

本发明具有以下优点：

本发明的方法能实现检修或巡视人员进隧道后灯随人亮的功能，实现铁路隧道照明的智能化和各种预设模式的场景控制功能；提高铁路隧道照明管理的信息化水平，实现对隧道照明设备的状态化管理和灯具故障的精准定位，缩短故障排除时间；能够节省隧道照明支线电缆，从而简化铁路隧道低压配电系统结构，减少电缆消耗量、降低施工作业强度和更好地进行投资成本控制，而且能够提高隧道照明系统的信息化管理水平和控制的方便灵活性，降低电能消耗。因此具有很高技术、经济、社会价值。

附图说明

图1是无照明支线铁路隧道低压配电系统图；

图2是基于无线物联网技术的铁路隧道照明控制系统示意图；

图3是基于无线物联网技术的铁路隧道照明控制系统结构图；

图4是星型和网状网络拓扑结构图；

图5是基于无线物联网技术的铁路隧道照明控制功能分层结构图。

图6是无源自发电应急启动开关控制步骤；

图7是便携式巡检照明控制器控制步骤；

图8是远程监控中心控制步骤；

图9是移动终端控制步骤。

图10为灯具结构图。

图11为为调制电路及PWM切换电路原理图。

图12为为物联网模块接口原理图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，所述方法由以下步骤实现：

I、采用便携式巡检照明控制器通过无线通信协议直接发出指令，对隧道内的灯具进行控制；

II、采用无源自发电应急启动开关，通过无线通信协议直接发出指令，对隧道所有灯具进行同时开灯控制；

III、远程监控中心和移动终端通过网关协调和转换协议后，对灯具进行控制。

灯具独立接入配电干线电缆，每段干线电缆均设置有配电箱，干线电缆末端与另一干线电缆末端通过越区配电箱相连。

所述灯具具有单灯故障隔离、灯具供电、稳定性控制、无线通信等功能。灯具包括故障检测隔离模块、电磁滤波整流电路、功率因数校正电路（PFC）、切换电路、隔离变压器、整流滤波电路、物联网模块、PWM调制电路、光电耦合隔离模块以及控制电路。故障检测隔离模块输入端与隧道照明干线相连接，输出端与电磁滤波整流电路连接；电磁滤波整流电路与功率因数校正电路连接，之后依次串接切换电路、隔离变压器和整流滤波电路，整流滤波电路连接灯体并供电；控制电路通过光电耦合隔离模块连接PWM调制电路并接入切换电路；电源监测隔离模块、功率因数校正电路、控制电路和PWM调制电路分别与物联网模块连接通信。功率因数校正电路通过降压电路接入物联网模块。

所述灯具还包括电流、电压和温度检测元件，均接入控制电路；电流检测元件串联在灯体的直流电源电路中，电压检测元件并联在灯体的直流电源电路中，温度检测元件所在的电阻回路则安装在灯体附近。

物联网模块上还设置有天线通过无线射频信号与自组网内其它的物联网模块建立通信连接。物联网模块可以选用超低功耗射频可编程芯片PSoc。

与隧道照明干线相连接口处的故障检测隔离模块作用是当电源或整个灯具发生短路、过载等故障时，断开灯具回路，保护照明干线的安全。同时将故障信息通过物联网模块上传至远程监控中心。故障检测隔离模块可以选用基于微型断路器原理的自恢复保险丝或继电器，具有高分段能力。

电磁滤波整流电路的作用是获取铁路隧道照明干线中的单相220V交流电，经过桥式整流后变成规律的正半周期的半波电流，同时滤除谐波，输出至PFC电路。电磁滤波整流电路可以选用具有LC滤波器的单相IGBT桥式电路。

PFC电路的作用是根据其控制电路的指令，将半波电流变换成稳定可靠的380V直流电流，给切换电路供电。PFC电源可以选用L6562芯片。

切换电路的作用是根据PWM控制电路的调节和指令，通过调节电压后稳定电流，输出稳定规律的单相380V交流方波电流至隔离变压器的一次侧。切换电路可以选用单相IGBT桥式电路。

隔离变压器的作用是将一次侧单相380V交流电源降低至50V交流方波电流，为后续整流滤波电路做准备。同时实现与一次侧380V电源的隔离。隔离变压器可以选用PQ2620变压器。

整流滤波电路是将单相交流的方波电流变换成30~50V的恒定直流电流源，为灯具进行供电。同时电路中通过串联电感和并联电容，起到滤除谐波，减小系统波动的作用。整流滤波电路可以选用具有LC滤波器的单相IGBT桥式整流器。

控制电路是灯具维持平稳运行的核心组件，其作用是将实时收集到的电路数据与参考值进行比较，将指令传输至PWM控制电路。PWM控制电路根据指令值控制切换电路输出。因此构成了闭环反馈实时调节回路，维持系统稳定运行，平抑扰动和波动。控制电路可以选用LM2904芯片。

上述控制电路及PWM切换电路的具体控制步骤为：

本地或远程的用户控制设备给物联网模块发出开关灯指令，物联网模块收到命令后，通过PWM调制电路、切换电路控制灯具开、关；

该灯具中电流、电压、功率和温度检测电路实时采集电路和灯具的各项参数，同时将数据传输给控制电路。控制电路将实时数据与设置的参考值进行比较，经过控制电路得到高频状态下的方波调制波，输出给PWM调制电路。PWM调制电路可以选用SY5882芯片。

PWM调制电路经光电耦合隔离模块将控制电路传输来的调制波，与物联网模块提供的三角载波进行调制，输出高低平脉冲给切换电路，控制其开通和关断时间即占空比。

切换电路根据PWM电路的控制指令，通过控制周期开关时间，得到调控后规律的单相380V交流方波电流。由此，实现了对灯具恒流的闭环反馈实时调节功能。

电压、电流、温度检测电路等均是高精度的互感器和检测器，实时采集电路中的数据并传输至调制电路。

隔离变压器和光电耦合隔离模块均能在灯具发生故障时，起到强电与弱电之间的隔离功能，保护电路。光电耦合隔离模块可以选用EL817芯片。

物联网模块是整个灯具的核心组件，是整个灯具的控制器。它将收集的电路数据通过无线和有线的通讯方式，上传给本地和远程的用户控制终端。并根据用户操作指令，控制灯具的状态。同时，还具有电路系统的稳定性调节，以及故障和健康诊断的信息上传功能。物联网模块具体的管脚功能为：

5号管脚VCC接口与外部直流电源的正极相连，作用是为物联网模块提供电源。

6号管脚GL接口与灯具装置的电源进线侧的电源监测隔离模块相连，作用是在监控灯具故障，起到隔离和保护的功能。

4号管脚AVDD接口与控制电路相连，作用是实时接收控制电路采集到的各项电路数据，为后续数据实时上传给本地和远程的用户控制终端做准备。

3号管脚CX接口与PWM调制电路相连，输出开关灯命令。控制命令的来源包括：本地和远程用户控制终端的指令、物联网模块将采集的电路数据与参考阈值比较后的直接控制。

2号管脚P0接口与PWM调制电路相连，作用是给PWM调制电路提供参考波形，即提供一个指定的三角载波，与调制电路输出的调制波进行比较。三角载波由控制终端设定，若后期需要调光时，仅需改变三角载波的幅值即可。

1号管脚GND接口与接地线相连，使物联网模块形成闭合回路，保障电气通路。同时，可将一定范围内的冲击电流导入大地，起到保护和工作接地的功能。

此外，天线的作用是通过无线射频信号与自组网内其它的物联网模块建立通信连接，完成数据和指令的中介和传输。同时，通过无线通讯方式与网关建立可靠连接，进而实现与远程监控中心和移动终端的数据通信和控制指令传输，运行参数和故障信息上传，为检修人员进行日常操作，故障维护和健康状态诊断提供基础。

便携式巡检照明控制器通过无线射频信号控制灯具，灯具也通过无线射频信号与网关通信，网关接入远程控制中心并通信。网关接入远程控制中心并通信。便携式巡检照明控制器通过无线网络将控制命令发送至邻近的灯具；控制命令传递给隧道内需要点亮的灯具；被点亮灯具将状态上传至远程监控中心。便携式巡检照明控制器可采用PSoc芯片，发出无线射频信号。

铁路隧道照明控制系统还包括无源自发电应急启动开关，无源自发电应急启动开关设置在隧道侧壁，通过无线方式接入所有灯具。无源自发电应急启动开关触发后，将紧急开灯命令发送至邻近的灯具；通过隧道内无线网状网络，将开灯命令传递给所有灯具，同时点亮隧道内所有灯具，灯具状态上传至远程监控中心。

远程监控中心将控制命令传输至网关，网关转化协议后将控制命令传输至担当中心节点的灯具；通过隧道内无线网状网络，控制命令传输至需要点亮的灯具，并点亮灯具，灯具状态回传至远程监控中心。

移动终端向远程监控中心申请控制授权，远程监控中心向移动终端授权，移动终端将控制命令传输至网关，网关转化协议后将控制命令传输至担当中心节点的灯具；通过隧道内无线网状网络，控制命令传输至需要点亮的灯具，并点亮灯具，灯具状态回传至网关，网关向远程监控中心和移动终端转发灯具状态。

以下结合附图对本发明的方法进行进一步具体说明：

如图1所示，灯具均独立地直接接入照明配电干线电缆，不再设置照明支线电缆。

如图2所示，本发明构建了的照明系统包括灯具、无源自发电应急启动开关、便携式巡检照明控制器、网关、远程监控中心和移动终端。

灯具集成故障隔离、网状拓扑无线自组网、无线控制功能，并且具有短路、过流、过载、过压、温度等灯具本体及其控制电路故障隔离，和无线通信网络故障隔离功能，是整个控制系统的核心，它采用低功耗设计，作用是集采集、传输、控制功能于一体。能够采集和控制下层灯具及电路系统，上传和接收来自上层有线、无线通讯的数据和指令，完成遥测、遥信、遥控和遥调等功能，适用于铁路隧道环境。灯具之间采用去中心化网状无线通信网络，非点对多点的星型无线通信网络。

本发明通过故障检测隔离模块实现故障自动隔离。当灯具发生短路、过载、过压、过温等故障时，物联网模块检测和判断故障后，能自动隔离电路故障，也可通过网络检测功能，隔离网络故障，保护铁路隧道低压配电和照明控制系统；同时，功能单元能将故障信息和位置上传至远程监控中心。

对于网状拓扑无线自组网功能，可采用网状物联网技术实现。铁路隧道中任一灯具均可作为中心节点，通过设定可作为中心节点接收远程监控中心或移动终端的控制信号，也可作为网状通信网络的一个路由节点，接收和发送信号，形成传输稳定的无线网状结构。该结构具有灵活的信息路由规则，当一个路由通路出现了问题后，该结构可实现网络自愈和，信息将沿着其它路由路径进行传输。新增或更换灯具后，能够实现自动组网功能，现场无需进行网络设置。

无线控制功能通过控制电路和物联网模块实现，所有灯具均具备独立控制和预设场景控制模式，能够进行编程、分组控制。

对于灯具的控制方式，便携式巡检照明控制器通过无线通信协议直接发出指令，对隧道内一定范围的灯具通过功能单元处理后进行控制；应急一键启动功能采用无源自发电应急启动开关，通过无线通信协议直接发出指令，对隧道所有灯具通过功能单元处理后进行同时开灯控制；远程监控中心和移动终端则是通过网关协调和转换协议后，通过功能单元实现对灯具状态的控制。控制完成后，功能模块中微处理器通过监测灯具电路的电压、电流参数判定控制任务是否完成，如图3所示。

铁路隧道照明控制系统还具有灯具及系统状态监测、监测数据上传、控制参数调整、数据库自动更新、控制优先级设定等功能。控制系统具有完善的软件功能，隧道照明数据库具有灯具状态、故障显示功能和数据统计功能，能够统计灯具数量、故障灯具类型、备品备件库存数量；控制用户界面应友好，软件功能易于扩展，方便工作人员进行操作和维护。

无源自发电应急启动开关的功能是在紧急情况下，能不依靠外部电源，可靠地发出一键启动控制命令，控制所有灯具同时点亮。具体的控制步骤为：隧道内的无源自发电应急启动开关触发后，经步骤1，将紧急开灯命令发送至邻近的灯具。通过隧道内无线网状网络，经步骤2将开灯命令传递给所有灯具，同时点亮隧道内所有灯具，灯具状态经步骤3和步骤4上传至远程监控中心，控制流程详见图6。

便携式巡检照明控制器，由检修或巡视人员随身携带，发出一定范围的有效控制信号，控制灯具随着人员移动自动开关。具体的控制步骤为：隧道内检修人员的便携式巡检照明控制器经步骤1通过无线网络将控制命令发送至邻近的灯具。控制命令经步骤2传递给隧道内需要点亮的灯具。被点亮灯具将状态经步骤3和步骤4上传至远程监控中心。控制流程详见图7。

远程监控中心的作用是对隧道照明系统进行远程监控，并对隧道照明系统进行信息化的管理，实现对隧道照明灯具的状态、故障显示功能，并对隧道照明灯具进行数据统计，能够统计灯具数量、故障灯具类型、备品备件库存数量。用户界面应友好，软件功能易于扩展，方便工作人员进行操作和维护。具体的控制步骤为：远程监控中心经步骤1将控制命令传输至网关，网关经步骤2转化协议后将控制命令传输至担当中心节点的灯具。通过隧道内无线网状网络，控制命令经步骤3传输至需要点亮的灯具，并点亮灯具，灯具状态经步骤4和步骤5回传至远程监控中心。控制流程详见图8。

移动终端的作用是通过4G移动通信网络，实现部分或全部的监控中心的监控功能。具体的控制步骤为：通过步骤1和步骤2移动终端向远程监控中心申请控制授权，经步骤3和步骤4远程监控中心向移动终端授权，移动终端经步骤5将控制命令传输至网关，网关经步骤6转化协议后将控制命令传输至担当中心节点的灯具。通过隧道内无线网状网络，控制命令经步骤7传输至需要点亮的灯具，并点亮灯具，灯具状态经步骤8回传至网关，网关向分别经步骤9和步骤10远程监控中心和移动终端转发灯具状态。控制流程详见图9。

网关的作用是中转、调制解调不同的通信协议。网关中存在多种通信协议，通过隧道内网状无线局域网与隧道内基于无线物联网技术的铁路隧道照明故障隔离分布式控制灯具通信，通过铁路专用网与远程监控中心实现有线通信，通过4G移动通信网络与远程的移动终端实现无线通信，实现远程监控中心和移动终端对隧道照明灯具的监控。

根据实施方法，本发明专利是基于免费公用频段的无线物联网通信技术，采用比星型网络健壮性更好的网状拓扑网络结构。星型和网状网络拓扑结构图如图4所示。

基于上述铁路隧道中照明无线控制的方式，从功能上进行分层架构，在物理设备和地理位置上分布控制的方式实现检测与控制，系统按照功能具体分为感知层、网络层、应用层。基于无线物联网技术的铁路隧道照明控制功能分层结构图如图5所示。感知层包括灯具的电流、电压、温度等监测用传感器及相关功能单元。网络层包括隧道内网状无线网络和基于网关的远程监控中心的通讯网络。应用层主要承担隧道灯具的控制和数据库任务，包括本地的便携式巡检照明控制器，远程的监控中心和移动终端。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

所述方法由以下步骤实现：

I、采用便携式巡检照明控制器通过无线通信协议直接发出指令，对隧道内的灯具进行控制；

II、采用无源自发电应急启动开关，通过无线通信协议直接发出指令，对隧道所有灯具进行同时开灯控制；

III、远程监控中心和移动终端通过网关协调和转换协议后，对灯具进行控制。

2.根据权利要求1所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

灯具独立接入配电干线电缆，每段干线电缆均设置有配电箱，干线电缆末端与另一干线电缆末端通过越区配电箱相连。

3.根据权利要求2所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

所述灯具包括故障检测隔离模块、电磁滤波整流电路、功率因数校正电路、切换电路、隔离变压器、整流滤波电路、物联网模块、PWM调制电路、光电耦合隔离模块以及控制电路；

故障检测隔离模块输入端与隧道照明干线相连接，输出端与电磁滤波整流电路连接；

电磁滤波整流电路与功率因数校正电路连接，之后依次串接切换电路、隔离变压器和整流滤波电路，整流滤波电路连接灯体并供电；

控制电路通过光电耦合隔离模块连接PWM调制电路并接入切换电路；

故障检测隔离模块、功率因数校正电路、控制电路和PWM调制电路分别与物联网模块连接通信；

物联网模块上还设置有天线，发出无线射频信号。

4.根据权利要求3所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

便携式巡检照明控制器通过无线射频信号控制灯具，灯具也通过无线射频信号与网关通信，网关接入远程控制中心并通信。

5.根据权利要求4所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

便携式巡检照明控制器通过无线网络将控制命令发送至邻近的灯具；控制命令传递给隧道内需要点亮的灯具；被点亮灯具将状态上传至远程监控中心。

6.根据权利要求5所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

故障检测隔离模块选用基于微型断路器的自恢复保险丝或继电器。

7.根据权利要求6所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

铁路隧道照明控制系统还包括无源自发电应急启动开关，无源自发电应急启动开关设置在隧道侧壁，通过无线方式接入所有灯具。

8.根据权利要求7所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

无源自发电应急启动开关触发后，将紧急开灯命令发送至邻近的灯具；通过隧道内无线网状网络，将开灯命令传递给所有灯具，同时点亮隧道内所有灯具，灯具状态上传至远程监控中心。

9.根据权利要求8所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

远程监控中心将控制命令传输至网关，网关转化协议后将控制命令传输至担当中心节点的灯具；通过隧道内无线网状网络，控制命令传输至需要点亮的灯具，并点亮灯具，灯具状态回传至远程监控中心。

10.根据权利要求9所述的基于无线物联网技术的铁路隧道照明方法，其特征在于：

移动终端向远程监控中心申请控制授权，远程监控中心向移动终端授权，移动终端将控制命令传输至网关，网关转化协议后将控制命令传输至担当中心节点的灯具；通过隧道内无线网状网络，控制命令传输至需要点亮的灯具，并点亮灯具，灯具状态回传至网关，网关向远程监控中心和移动终端转发灯具状态。

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