城市道路智能照明控制系統(tǒng)研究

董培賢 胡 舟 施海峰 江明強

(國網(wǎng)浙江海寧市供電公司，浙江海寧 314400)

1 引言

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和汽車的逐漸普及，城市道路照明的重要性日益增大。研究表明，良好的道路照明可減少約20%的夜間交通事故。此外，城市亮化工程也是城市現(xiàn)代化建設(shè)的重要內(nèi)容，為營造優(yōu)美舒適的投資環(huán)境，提升城市形象，我國城市照明工程發(fā)展迅猛，大大增加了城市的用電量，導(dǎo)致政府承擔(dān)巨額的財政支出，加劇了我國日趨緊張的能源供需矛盾。

1.1 道路照明與控制系統(tǒng)現(xiàn)狀

近年來各地政府都十分重視城市的照明工程，把城市照明設(shè)施建設(shè)作為改善和美化城市環(huán)境的一個重要措施，但實施過程中也存在著很多不足之處:

(1)光源類型單一，新光源使用比例少。目前道路照明使用最多的是高壓鈉燈，壽命短、顯色性差、耗電量高，急需節(jié)能、環(huán)保、長壽命的半導(dǎo)體照明技術(shù)來替代。

(2)路面過亮，視覺功效差，造成能源浪費和光污染。

(3)控制方法和管理手段落后。人工夜間巡查、居民舉報及定期的檢修仍是主要方式。

(4)養(yǎng)護資金緊張，財政部每年都要拿出巨大的養(yǎng)護費用用于路燈維護。

1.2 智能照明控制系統(tǒng)的意義

城市道路智能照明控制系統(tǒng)實現(xiàn)了集控化和智能化，順應(yīng)了“科學(xué)發(fā)展觀”精神，有利于可持續(xù)發(fā)展和構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會，可帶來強大的經(jīng)濟和社會效益:

(1)節(jié)省人力物力，減少經(jīng)濟開支;

(2)通過實時采集照明環(huán)境信息，實現(xiàn)路燈照明的“按需照明”，避免不必要的照明浪費，節(jié)約照明能源，節(jié)省照明開支;

(3)實現(xiàn)道路照明系統(tǒng)設(shè)備的可視化動態(tài)管理，提高道路照明系統(tǒng)的管理水平，降低管理成本和維護費用。

2 智能道路照明控制系統(tǒng)功能的實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

整個系統(tǒng)采用分層分布式“3+2”的結(jié)構(gòu):路燈管理軟件、集中控制器、單燈控制器3層設(shè)備和遠程網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)2層網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能化管理控制道路照明系統(tǒng)架構(gòu)示意圖Fig.1 Intelligent lighting management control system architecture diagram

2.2 系統(tǒng)主要功能

2.2.1 單燈控制器

單燈控制器以單片機為核心，直接安裝在燈頭內(nèi)或燈桿中，其主要功能包括:

(1)接收并分析集中控制器發(fā)來的命令，執(zhí)行開關(guān)燈、調(diào)光和狀態(tài)查詢命令。

(2)記錄路燈工作時間和工作狀態(tài) (電流、電壓)，并存儲到外部存儲器中，當接收到查詢命令時上傳數(shù)據(jù)給集中控制器。

(3)檢測路燈的工作狀態(tài)，路燈出現(xiàn)故障時立即向集中控制器發(fā)送異常報警信息。

2.2.2 集中控制器

集中控制器是整個系統(tǒng)的核心，它既是構(gòu)成整個控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)管，也是相對獨立的決策執(zhí)行者，其主要功能包括:

(1)獨立運行:內(nèi)置一套完整的應(yīng)用程序，可以脫離監(jiān)控中心獨立工作，包括開關(guān)燈、亮度調(diào)節(jié)和異常報警等。

(2)數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā):收集單獨控制器的節(jié)點信息，并將這些信息上傳給管理中心，同時可以將管理中心的控制命令下傳給單燈控制器，實現(xiàn)燈光調(diào)控。

(3)網(wǎng)絡(luò)配置:當路燈系統(tǒng)發(fā)生數(shù)量變化時，可以實現(xiàn)自動組網(wǎng)和自動優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(4)掉電保護:系統(tǒng)非正常斷電時，外部存儲器中的數(shù)據(jù)信息不會丟失，重新上電復(fù)位后，系統(tǒng)仍然可以按照預(yù)定狀態(tài)正常工作。

2.2.3 監(jiān)控中心

路燈智能監(jiān)控系統(tǒng)運行于管理中心，其通用性和操作方便性是設(shè)計的關(guān)鍵，其主要功能包括:

(1)遠程控制功能:管理計算機可以遠程控制區(qū)域內(nèi)的道路照明設(shè)備，包括開關(guān)燈、調(diào)光等。時段燈，半夜燈等照明策略可以有效減少能源消耗。

(2)遠程采集功能:管理人員可以在管理計算機上實時查詢路燈當前的工作狀態(tài) (電流、電壓)，將其存入硬盤。

(3)數(shù)據(jù)統(tǒng)計功能:建立數(shù)據(jù)庫，來存儲系統(tǒng)的工作情況，如線路狀態(tài)、報警信息、通信成功率等。

(4)報表功能:統(tǒng)計數(shù)據(jù)經(jīng)計算處理后，按照指定格式、時間進行系統(tǒng)報表輸出。

2.2.4 通訊系統(tǒng)

監(jiān)控中心和集中控制器控制之間通過GPRS實現(xiàn)通訊。因為電力線載波通訊不需要重新架設(shè)網(wǎng)絡(luò)，只要有電線，就能進行數(shù)據(jù)傳遞的特點恰好滿足道路照明施工和改造工程的要求，所以集中控制器和單燈控制器之間采用電力線載波實現(xiàn)通訊。

通過四個部分功能來實現(xiàn)道路智能照明的“五遙”，即遙測、遙控、遙信、遙調(diào)、遙視。

2.3 系統(tǒng)控制策略的分析

智能道路照明控制系統(tǒng)本質(zhì)上是照明策略控制，合理的、多樣化的、智能的控制策略是控制系統(tǒng)更好的服務(wù)于現(xiàn)代交通的照明的同時，又達到節(jié)能目的的根本。

2.3.1 開關(guān)燈時間的確定

為了精確地控制城市路燈的開關(guān)時間，需要根據(jù)城市所處的經(jīng)緯度計算出當?shù)氐娜粘鋈章鋾r間，并以此為依據(jù)確定城市路燈的開關(guān)時間。通過在上位計算機中編寫程序，能夠快速得到每天的日出日落時間。

2.3.2 半夜路燈控制策略

在夜間，到了一定的時段，道路上的行人和車輛將會變得稀少，這時如果維持恒定的道路照明亮度，必將導(dǎo)致大量電能的浪費。所以制定夜間路燈的控制策略也有利于節(jié)能減耗。在一天的開燈時間和第二天的關(guān)燈時間之間，交通流量將會發(fā)生很大的變化，可以分成幾個時間段，在每個時間段根據(jù)當時的車流量大小來確定光照。

2.3.3 特殊天氣

雷電、濃云蔽日、日全食以及突降暴雨等這些天氣都有可能對路面的照度產(chǎn)生影響，甚至有可能出現(xiàn)白天變黑夜的情況，如果路燈沒有及時的點亮，可能會對交通產(chǎn)生意想不到的影響。所以在這種情況下，必須考慮自然環(huán)境照度，從而執(zhí)行相應(yīng)的開燈或者關(guān)燈的操作。

為了應(yīng)對特殊天氣，應(yīng)采用光控的方法，即根據(jù)當時的環(huán)境照度是否滿足最低的照度要求來操作開關(guān)燈。將反饋回來的環(huán)境照度通過上位機的分析，并控制路燈的亮滅。

2.3.4 節(jié)假日

在比較重要的節(jié)假日，人們的作息時間會和平時不同。在這種情況下，若還是采取分時段控制，就會出現(xiàn)偏差，因為交通流量曲線與平時會出現(xiàn)較大的波動。這時可以通過其他的方式來控制路燈的亮暗。就一定年份來說，每年的同一個節(jié)假日的車流量的數(shù)值不會波動很大。根據(jù)上述情況，可以向各地的交通部門查閱某個路段在每個節(jié)假日的車流量，從而把這些歷史數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。當?shù)搅四硞€假日的時候，通過調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)和當前數(shù)據(jù)來進行路燈照明的預(yù)測控制。

3 海寧市智能照明示例

2012年9月在浙江省海寧市梅園路對9盞路燈進行了LED路燈道路照明及控制系統(tǒng)改造。原有的150W高壓鈉燈均替換成80W的LED路燈，同時每個LED路燈配套安裝單燈控制器，在該段路燈的配電箱位置加裝集中控制器。

3.1 系統(tǒng)功能測試

(1)手動測試單燈開關(guān)，多次于監(jiān)控中心遙控操作單燈開關(guān)，路燈現(xiàn)場相對應(yīng)的路燈均能響應(yīng)。

(2)手動測試單燈調(diào)光，對應(yīng)路燈也相應(yīng)出現(xiàn)亮暗反應(yīng)，同時功率讀數(shù)相應(yīng)產(chǎn)生變化。

(3)招測路燈狀態(tài)成功，如圖2所示。

(4)根據(jù)預(yù)設(shè)的亮燈策略控制LED路燈照明，在監(jiān)控中心預(yù)設(shè)控制策略，如圖3所示。

測試結(jié)果顯示在三個時段中，路燈亮度和功率均符合控制策略上設(shè)置的數(shù)值。

(5)統(tǒng)計、導(dǎo)出功能:監(jiān)控中心能夠?qū)缶?、派工、亮燈率、?jié)能率、歷史操作數(shù)據(jù)等作記錄，并形成報表形式供導(dǎo)出和打印.

3.2 可靠性驗證

經(jīng)過一年的系統(tǒng)運行試驗，LED路燈及智能道路照明控制系統(tǒng)均正常工作，歷史記錄表明無一次故障發(fā)生，硬件、軟件和通信系統(tǒng)全部經(jīng)受住了考驗。

圖2 招測所有路燈狀態(tài)Fig.2 Receiving the status data of the lights

圖3 控制策略設(shè)置Fig.3 Set the control strategy

4 結(jié)論和展望

通過分析路燈監(jiān)控系統(tǒng)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀，給出了電力線載波技術(shù)和GPRS無線技術(shù)相結(jié)合的道路照明智能控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以在不破壞原有供電線路的情況下對原有的路燈系統(tǒng)進行改造和完善，有效地實現(xiàn)了路燈控制的遙測、遙控、遙信、遙調(diào)、遙視。

相信在不久的將來，隨著數(shù)據(jù)存儲瓶頸的突破，通訊速率的提高和通訊成本的降低，城市道路智能照明控制系統(tǒng)作為智能城市物聯(lián)網(wǎng)的一員，定能大放異彩。

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