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淺談基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文
一、引言
隨著地鐵建設(shè)的不斷發(fā)展，我國各大城市地鐵線路和地鐵站數(shù)量不斷增加，地鐵站規(guī)模的不斷擴(kuò)大及其內(nèi)部配套設(shè)施也日趨完善，這使得地鐵系統(tǒng)的能量消耗不斷增加。因此，實(shí)現(xiàn)地鐵站的節(jié)能對(duì)整個(gè)軌道交通系統(tǒng)的節(jié)能工作至關(guān)重要。目前，地鐵站能耗設(shè)備的節(jié)能管理方面仍存在許多的缺點(diǎn)與不足，如空調(diào)系統(tǒng)部分雖有了集中的控制與調(diào)節(jié)，但未能根據(jù)實(shí)際情況而做出更人性化的調(diào)節(jié)與控制;照明系統(tǒng)部分缺乏智能控制，未能根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況做出節(jié)能調(diào)節(jié);電梯、自動(dòng)扶梯雖然自身具有一定節(jié)能設(shè)計(jì)，但仍存在著較大的局限性等。針對(duì)存在的問題，本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地鐵站能耗的集中管理，從而達(dá)到有效節(jié)能的效果。
二、地鐵站能耗情況分析
(一)地鐵站能耗分布
地鐵系統(tǒng)運(yùn)營過程中最大的能量消耗包括車載的運(yùn)行能耗和地鐵車站的能耗。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，地鐵車站能耗是地鐵系統(tǒng)的主要能耗構(gòu)成，大約占地鐵系統(tǒng)總能耗50%。隨著科技的快速發(fā)展，人們的安全意識(shí)也在不斷增強(qiáng)，地鐵車站的能耗呈現(xiàn)著不斷增長的趨勢(shì)。如地鐵車站使用了一系列為人身安全而設(shè)計(jì)的設(shè)備和設(shè)施，例如安全門、屏蔽門、防火設(shè)備等。與此同時(shí)，為了旅客乘車的方便，地鐵站還設(shè)置了相應(yīng)的信息裝置等，這些設(shè)備以及設(shè)施都在各種程度上增加了地鐵站的能耗。
可以看出，地鐵站主要的能耗設(shè)備包括空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯及自動(dòng)扶梯等車站設(shè)備。
(二)地鐵站能量管理存在的不足
目前，我國在地鐵運(yùn)營中引進(jìn)了BAS(BuildingAutomationSystem)系統(tǒng)，該系統(tǒng)雖實(shí)現(xiàn)了對(duì)各設(shè)備的一般控制，保證了各耗能設(shè)備的正常運(yùn)行，并在節(jié)能方面也起到了一定的作用，但仍存在著明顯的不足。首先，該系統(tǒng)缺少一種立足于全局、針對(duì)地鐵站整體區(qū)域內(nèi)用電設(shè)備的綜合能耗統(tǒng)計(jì)分析以及調(diào)度控制的方法。其次，該系統(tǒng)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能控制方法是通過增加控制器數(shù)量來實(shí)現(xiàn)對(duì)某一部分的節(jié)能控制，這種方法從整個(gè)系統(tǒng)的角度看不夠全面而且不太合理。例如，地鐵站某一時(shí)段無人或人較少時(shí)，地鐵站的設(shè)備卻仍然是全力開著，這樣就算設(shè)備的運(yùn)行效率非常好，此時(shí)設(shè)備所輸出的能量也沒有被有效利用，甚至可以說完全浪費(fèi)。之所以會(huì)出現(xiàn)這樣的情況，是因?yàn)椴捎玫腂AS系統(tǒng)并沒有考慮到中央空調(diào)的各個(gè)系統(tǒng)之間是彼此關(guān)聯(lián)的，并非完全獨(dú)立。也就是說，其節(jié)能主要是限制在對(duì)局部的優(yōu)化，而未考慮到輸出的能量是否能被有效利用。從一個(gè)整體系統(tǒng)的角度看，我們想要達(dá)到的是系統(tǒng)整體能量效率的一個(gè)最優(yōu)化。因此，需要一個(gè)能夠基于全局以及系統(tǒng)觀念的節(jié)能系統(tǒng)。
此外，對(duì)于地鐵車站的用電設(shè)備，例如照明系統(tǒng)、電梯及自動(dòng)扶梯系統(tǒng)、自動(dòng)檢售票系統(tǒng)AFC等，目前所采用的均是統(tǒng)一時(shí)間打開、統(tǒng)一時(shí)間關(guān)斷的方式。例如，每天早上五點(diǎn)半時(shí)特定工作人員便將所有的設(shè)備打開，到了晚上十一點(diǎn)半時(shí)又統(tǒng)一關(guān)斷，而在這一整天中不管是人員活動(dòng)高峰時(shí)段還是無人之時(shí)，所有這些車站設(shè)備均處于時(shí)刻運(yùn)行的狀態(tài)，這又造成了另一嚴(yán)重的能源浪費(fèi)。目前我國雖然針對(duì)性地采取了一定的節(jié)能措施，但都局限在局部的節(jié)能，沒能夠從更大程度、更大范圍的角度考慮節(jié)能，因此，地鐵站的節(jié)能工作仍是一項(xiàng)長期任務(wù)。
三、能量管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理
(一)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
能量管理系統(tǒng)根據(jù)其功能的情況劃分為三個(gè)子系統(tǒng):能量的檢測(cè)與控制子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)以及能量管理與調(diào)度子系統(tǒng)。
1.能量的檢測(cè)與控制子系統(tǒng)。該部分由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，而這些分布的傳感器節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的末梢神經(jīng)與執(zhí)行部件，具有各異的檢測(cè)及控制功能，主要負(fù)責(zé)檢測(cè)地鐵站能量的實(shí)際使用情況，控制車站設(shè)備的能量供給。
2.通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)。由WSN(WirelessSensorNetwork，無線傳感器網(wǎng)絡(luò))組成。該部分傳感器節(jié)點(diǎn)具備無線通信功能，能夠自組織地形成帶有通信功能的無線網(wǎng)絡(luò)。這些擁有著檢測(cè)與控制作用的傳感器節(jié)點(diǎn)自行組織在一起而構(gòu)成了多個(gè)不同區(qū)域的監(jiān)測(cè)與控制網(wǎng)絡(luò)，通過以太網(wǎng)與遠(yuǎn)端的能量管理服務(wù)器相連，組合成為更大的多級(jí)通信網(wǎng)絡(luò)，從而把各個(gè)子系統(tǒng)連接起來變成一個(gè)整體的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
3.能量管理與調(diào)度子系統(tǒng)。在能量檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)能量進(jìn)行按需的動(dòng)態(tài)分配與優(yōu)化調(diào)度。
(二)系統(tǒng)工作原理
首先，通過能量的檢測(cè)與控制子系統(tǒng)檢測(cè)地鐵站相關(guān)能量參數(shù)，比如站廳或站臺(tái)的照度、溫度與濕度，燈具及風(fēng)機(jī)的開關(guān)狀態(tài)，人員的活動(dòng)情況，其他車站設(shè)備應(yīng)用情況等。采集的數(shù)據(jù)經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)傳送到系統(tǒng)的遠(yuǎn)端能量管理服務(wù)器。該服務(wù)器具備數(shù)據(jù)庫功能，有著強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力以及數(shù)據(jù)處理能力，其接收到數(shù)據(jù)后先存入數(shù)據(jù)庫，通過數(shù)據(jù)分析與處理獲得能量的傳輸效率、利用效率及能量需求。然后，根據(jù)能量效率及能量需求，利用相關(guān)能量管理策略從而制定能量調(diào)度任務(wù)。最后，通過通信網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)將相應(yīng)的能量分配與調(diào)度信息傳達(dá)到各傳感器節(jié)點(diǎn)，從而對(duì)有關(guān)設(shè)備的用能進(jìn)行控制。例如車站照明系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)部分，感知傳感器如果感測(cè)到有人，這時(shí)候節(jié)點(diǎn)將進(jìn)行能量各參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，包括采集地鐵站(站廳或站臺(tái)等)的光照度、溫度、人的活動(dòng)情況、風(fēng)機(jī)或者照明設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)等，隨后這些數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)傳送給服務(wù)器。服務(wù)器對(duì)地鐵站(站廳或站臺(tái)等)光照度與設(shè)定照度的差值、溫度與設(shè)定溫度的差值、人員活動(dòng)頻度等進(jìn)行分析:若當(dāng)前光照度較設(shè)定值低，說明需要加大照明;若當(dāng)前溫度較設(shè)定值高，說明需要加大冷氣。服務(wù)器將根據(jù)有關(guān)算法獲取該區(qū)域?qū)嶋H所需要的能量值(如多少冷量)，而后根據(jù)實(shí)際需求將能量控制命令發(fā)布給地鐵站(站廳或站臺(tái)等)的傳感器節(jié)點(diǎn)，控制打開風(fēng)機(jī)或者照明設(shè)備，如需加大冷氣，則給冷凍泵下達(dá)能量調(diào)度信息，增加冷凍泵的冷量輸出，實(shí)現(xiàn)在能量合理利用并且環(huán)境溫度適中、舒服的基礎(chǔ)上達(dá)到一個(gè)能量供需的平衡。又如自然光能夠滿足實(shí)際需要時(shí)，節(jié)點(diǎn)能夠調(diào)節(jié)燈管亮度變低或者是直接關(guān)閉照明設(shè)備。假如感知傳感器感測(cè)到無人時(shí)，能夠自動(dòng)將風(fēng)機(jī)與照明設(shè)備關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。
四、系統(tǒng)的硬件組成及軟件功能
(一)系統(tǒng)的組成
構(gòu)建基于無線傳感器的地鐵站能量管理系統(tǒng)，將地鐵站的各個(gè)主要用電設(shè)備進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接，采集及分析用電設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)出車站設(shè)備用電狀態(tài)及能耗，并給出最優(yōu)節(jié)電方案及實(shí)現(xiàn)措施。
ARM(S3C2410A)模塊處理人機(jī)界面和記錄工作。用戶可以通過人機(jī)界面設(shè)定系統(tǒng)所需要的各種參數(shù)，將各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、分析、顯示、存儲(chǔ)、處理，向上可實(shí)現(xiàn)對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)的連接，為遠(yuǎn)程控制的實(shí)現(xiàn)提供便利，而向下可與各子系統(tǒng)間進(jìn)行通信。
CC2538(基于ARMCortexM3的MCU)組建各子系統(tǒng)協(xié)調(diào)器及控制器節(jié)點(diǎn)，是系統(tǒng)的主要組成部分。CC2538實(shí)現(xiàn)兩部分功能，一是實(shí)現(xiàn)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)功能，將各種類型傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)終端設(shè)備的控制;二是實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器功能，采集各終端的設(shè)備數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)建立基于Zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)連接。
(二)系統(tǒng)的軟件功能
1.上位機(jī)主要是將子節(jié)點(diǎn)采集到的各種信息進(jìn)行翻譯、存儲(chǔ)、顯示，將控制信息經(jīng)過處理后，發(fā)送到子節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和監(jiān)測(cè)。
2.協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵部分，它的主要任務(wù)是負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)、發(fā)現(xiàn)在它所及范圍里面的終端節(jié)點(diǎn)，組織節(jié)點(diǎn)，然后逐個(gè)為節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。協(xié)調(diào)器按照命令要求，完成各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)母黝悢?shù)據(jù)的接收工作，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，同時(shí)向上位機(jī)傳輸數(shù)據(jù)。
3.ZigBee終端節(jié)點(diǎn)將各種傳感器所采集到的各種不同類型的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)一啟動(dòng)便開始進(jìn)行硬件以及協(xié)議棧的初始化，而在協(xié)議棧初始化的過程中依照任務(wù)的優(yōu)先等級(jí)給所有的任務(wù)進(jìn)行空間的分配。終端節(jié)點(diǎn)能夠完成網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)的搜索以及加入網(wǎng)絡(luò)的功能，在終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)出請(qǐng)求綁定的信息，然后等待協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的綁定響應(yīng)。如果成功，則綁定完成，進(jìn)而構(gòu)建起了與協(xié)調(diào)器之間的通信，并且在綁定成功后，終端節(jié)點(diǎn)會(huì)定時(shí)地將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。
五、結(jié)論
基于WSN低碳型智能地鐵站能量管理系統(tǒng)，采用了基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建的能量管理系統(tǒng)對(duì)地鐵站車站設(shè)備能耗情況實(shí)行統(tǒng)一檢測(cè)、分析、管理與調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵車站的真正節(jié)能，可見該系統(tǒng)具有顯著的節(jié)能效果。隨著軌道交通行業(yè)的不斷發(fā)展，將系統(tǒng)節(jié)能思路擴(kuò)展到地鐵線路、車輛站段等軌道交通行業(yè)，將有著巨大的發(fā)展空間。
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