智慧路燈智能調(diào)控系統(tǒng)

張 偉，吳 剛，張 培

（重慶光電信息研究院有限公司，重慶401120）

1 研究背景

路燈是城市道路照明的重要組成部分，隨著智慧城市的發(fā)展、城市道路的擴(kuò)建，各地區(qū)城市道路路燈的數(shù)量直線遞增。從2004年至2017年，中國(guó)城市照明路燈的數(shù)量由原來(lái)的1 000多萬(wàn)盞增長(zhǎng)到4 000多萬(wàn)盞，年均復(fù)合增長(zhǎng)率10%左右。與此同時(shí)，城市道路路燈消耗的電量在整體照明用電中占比31%，約占全社會(huì)用電量的10%。據(jù)工信部統(tǒng)計(jì)，中國(guó)總體能源利用率大約37%，與世界平均能源利用率相比差距很大。由此可見(jiàn)，路燈的節(jié)能升級(jí)具有較大的經(jīng)濟(jì)效益。目前，在露天公共道路照明領(lǐng)域，燈的開(kāi)關(guān)控制方式通常為在固定時(shí)間開(kāi)燈或關(guān)燈，但由于天氣的不規(guī)律變化，這種傳統(tǒng)模式控制方式過(guò)于簡(jiǎn)單，調(diào)光等級(jí)單一，電能還存在大量浪費(fèi)，不能滿足實(shí)際需求。因此，需要燈光照度的智慧控制，根據(jù)實(shí)時(shí)天氣狀況、自然環(huán)境照度、車流量、人流量等因素進(jìn)行匹配控制。

1.1 研究現(xiàn)狀

1.1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

2016年，飛利浦在開(kāi)放的軟件生態(tài)圈內(nèi)與全球各地的開(kāi)發(fā)者積極合作，如ABB、荷蘭電信公司KPN、思科等企業(yè)，針對(duì)各種應(yīng)用領(lǐng)域推出不同的智能互聯(lián)照明系統(tǒng)，預(yù)示其開(kāi)始從單一的產(chǎn)品銷售公司向系統(tǒng)服務(wù)整體提供商過(guò)渡；GE旗下創(chuàng)新型能源公司Current，與英特爾達(dá)成商業(yè)協(xié)議，在智能路燈中應(yīng)用英特爾物聯(lián)網(wǎng) （LOT）平臺(tái)；歐司朗通過(guò)第三方物聯(lián)平臺(tái)Arrayent，解決物聯(lián)網(wǎng)兼容性問(wèn)題，讓消費(fèi)者能使用智能手機(jī)或平板電腦遠(yuǎn)程個(gè)性化操作和編寫Lightify智能照明控制系統(tǒng)，發(fā)布全球首款Thread網(wǎng)絡(luò)協(xié)議控制的智能LED燈，打破地域界限，開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)原則。

1.1.2 中國(guó)研究現(xiàn)狀

2016年3月，華為在CeBIT 2016（德國(guó)漢諾威消費(fèi)電子、信息及通信博覽會(huì)）上發(fā)布了多級(jí)智能控制照明物聯(lián)網(wǎng)解決方案。2016年11月，成都雙流區(qū)路燈管理所在棠湖西路一段試點(diǎn)安裝了19盞智慧路燈，實(shí)時(shí)通報(bào)維護(hù)人員進(jìn)行路燈維護(hù)。2017年初，成都高新區(qū)錦尚西二路試點(diǎn)了一批智慧路燈，利用電力載波通信技術(shù)對(duì)城市路燈進(jìn)行回路或單燈管理，實(shí)現(xiàn)按需照明及數(shù)據(jù)收集、傳輸、利用及管理，使其成為遍布城市的信息采集和發(fā)布終端。2017年5月，廣州籌劃在燈都古鎮(zhèn)建設(shè)一公里智慧路燈示范布點(diǎn)，采用電力載波通信技術(shù)及無(wú)線通信對(duì)路燈進(jìn)行控制管理，包括自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、遠(yuǎn)程照明控制、故障自動(dòng)報(bào)警、燈具線纜防盜和遠(yuǎn)程抄表。

1.2 發(fā)展趨勢(shì)

智慧照明作為智慧城市重要的組成部分，是現(xiàn)代照明的發(fā)展方向。隨著物聯(lián)網(wǎng)、通信、電子等技術(shù)的發(fā)展，智慧照明系統(tǒng)可感知環(huán)境變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)光線強(qiáng)度，提高照明質(zhì)量。智慧照明集成節(jié)能照明、智慧交通、智慧安防、智慧家居、移動(dòng)通信、文化傳媒等功能，是智慧城市建設(shè)的最佳載體，其發(fā)展趨勢(shì)主要為：

1）依托物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新技術(shù)，發(fā)展集照明控制方式、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字控制技術(shù)于一身的控制系統(tǒng)，感知周圍環(huán)境，智能控制燈光強(qiáng)度和顏色，其智能體現(xiàn)為全自動(dòng)調(diào)光、光環(huán)境場(chǎng)景智能轉(zhuǎn)換等人性化功能。

2）智慧照明將首先進(jìn)駐公共場(chǎng)所，再逐步滲透民用市場(chǎng)，創(chuàng)新是LED產(chǎn)業(yè)的核心關(guān)鍵，也為產(chǎn)業(yè)的增長(zhǎng)和提升提供支撐和驅(qū)動(dòng)力。

3）國(guó)外照明企業(yè)的優(yōu)先方向是智能路燈，飛利浦、歐司朗、GE等傳統(tǒng)照明企業(yè)均布局智慧照明，迎合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，維持企業(yè)定位和市場(chǎng)占有率。

2 需求分析

2.1 功能需求

根據(jù)實(shí)際情況對(duì)城市路燈智慧照明控制系統(tǒng)進(jìn)行需求分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的智能控制，需要控制路燈節(jié)點(diǎn)的硬件系統(tǒng)、分析處理路燈數(shù)據(jù)的軟件平臺(tái)和路燈調(diào)光算法。依據(jù)該思路設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需具備以下基本功能：

（1）遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)

結(jié)合GIS電子地圖，在地圖上顯示每盞路燈的位置及當(dāng)前狀態(tài)信息，通過(guò)軟件系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制每盞路燈的狀態(tài)，包括路燈的開(kāi)關(guān)、亮度和色溫調(diào)節(jié)。

（2）數(shù)據(jù)采集

通過(guò)集中控制器采集同一回路內(nèi)電壓、電流、功率、能耗的數(shù)據(jù)，并可查詢每盞路燈的實(shí)時(shí)狀態(tài)，定期上報(bào)。

（3）智能策略調(diào)控

根據(jù)車流量，光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)分析，自定義策略模型實(shí)現(xiàn)路燈狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。調(diào)控方式可分以下4種：

根據(jù)分時(shí)段控制策略實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控?zé)艄δ?。通過(guò)服務(wù)端定時(shí)輪，判斷當(dāng)前時(shí)間點(diǎn)所屬控?zé)魰r(shí)段，根據(jù)策略制定的控?zé)魞?nèi)容對(duì)路燈進(jìn)行狀態(tài)控制。

根據(jù)車流量自動(dòng)控制。若系統(tǒng)中啟用車流量控?zé)舨呗?，則當(dāng)車流量值達(dá)到指定范圍區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行設(shè)定的控?zé)舨呗浴?/p>

根據(jù)光線強(qiáng)度自動(dòng)控制。若系統(tǒng)中啟用光線強(qiáng)度控?zé)舨呗?，則當(dāng)光線強(qiáng)度值達(dá)到指定范圍區(qū)間時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行設(shè)定的控?zé)舨呗浴?/p>

按照經(jīng)緯度自動(dòng)開(kāi)關(guān)燈。若系統(tǒng)中啟用了經(jīng)緯度控制策略，則根據(jù)集中控制器部署的經(jīng)緯度信息，自動(dòng)執(zhí)行設(shè)定的控?zé)舨呗浴?/p>

（4）數(shù)據(jù)可視化展示

將采集的路燈數(shù)據(jù)進(jìn)行分析再通過(guò)曲線或其他圖形實(shí)時(shí)展示。

2.2 性能需求

對(duì)單燈的操作響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)20 ms，對(duì)后臺(tái)一般查詢操作響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)1 s，對(duì)后臺(tái)批量查詢操作響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)3 s。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

城市路燈智慧照明控制系統(tǒng)主要由單燈控制器、集中控制器、云服務(wù)器、平臺(tái)管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫(kù)5部分組成。其中多個(gè)單燈控制器與集中控制器通過(guò)PLC（電力載波）組建局域網(wǎng)，集中控制器采用GPRS與云服務(wù)器遠(yuǎn)程無(wú)線通信。系統(tǒng)在路燈燈桿安裝路燈節(jié)點(diǎn)控制器，控制路燈亮度和色溫，采集能耗等信息，然后將采集的信息發(fā)送到集中控制器，再通過(guò)GPRS傳給云服務(wù)器，云服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺(tái)管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后，自動(dòng)將處理結(jié)果反饋給路燈節(jié)點(diǎn)控制器，如果是故障信息，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出告警。系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)邏輯架構(gòu)圖

3.2 照明智能調(diào)控設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的照明調(diào)控是通過(guò)控?zé)舨呗詠?lái)完成的，按照應(yīng)用場(chǎng)景又可將控?zé)舨呗苑譃闀r(shí)間控制策略和經(jīng)緯度控制策略。

3.2.1 分時(shí)段控?zé)舨呗?/p>

根據(jù)需求，將一天24 h劃分為若干個(gè)時(shí)段 （最多不超過(guò)6個(gè)），設(shè)置每個(gè)時(shí)段需要實(shí)現(xiàn)的控?zé)艄δ堋？刂祁l率為每天、工作日、自定義周期。基于控制頻率的策略執(zhí)行優(yōu)先級(jí)為：自定義周期的分時(shí)段控?zé)舨呗裕竟ぷ魅盏姆謺r(shí)段控?zé)舨呗裕久刻斓姆謺r(shí)段控?zé)舨呗浴?/p>

控?zé)袅鞒倘鐖D2所示。

圖2 分時(shí)段控?zé)袅鞒?/p>

3.2.2 車流量控?zé)舨呗?/p>

只有系統(tǒng)中啟用了分時(shí)段控制策略，才能啟用車流量控?zé)舨呗裕⒃诼窡魻顟B(tài)為開(kāi)時(shí)，才允許執(zhí)行車流量控?zé)舨呗?，根?jù)車流量大小控制燈光照明的亮度等級(jí)，調(diào)節(jié)周期以分為單位，控制的范圍則是相關(guān)聯(lián)的集中控制器及集中控制器下的分組。

控?zé)袅鞒倘鐖D3所示。

圖3 車流量控?zé)袅鞒?/p>

3.2.3 光線強(qiáng)度策略

系統(tǒng)通過(guò)當(dāng)前照度等環(huán)境參數(shù)自動(dòng)執(zhí)行路燈的調(diào)節(jié)，允許用戶根據(jù)光線強(qiáng)度控制燈光照明 （見(jiàn)圖4）。

圖4 光照度控?zé)袅鞒?/p>

4 界面實(shí)現(xiàn)

4.1 GIS遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

結(jié)合GIS地圖，可直接查看當(dāng)前路燈的狀態(tài)、實(shí)時(shí)能耗和設(shè)備統(tǒng)計(jì) （見(jiàn)圖5）。

圖5 GIS遠(yuǎn)程監(jiān)控界面

4.2 能耗分析可視化界面

可通過(guò)多種方式查詢，并通過(guò)圖形的方式來(lái)展現(xiàn)查詢結(jié)果 （見(jiàn)圖6）。

圖6 能耗分析可視化界面

5 結(jié)論

智慧路燈是智慧城市不可或缺的組成部分，從技術(shù)上看，智慧路燈是多學(xué)科多領(lǐng)域交叉融合的產(chǎn)品；從管理上看，涵蓋了市政、交通、公共安全、環(huán)境和照明多個(gè)方面；從服務(wù)上看，既可以成為采集數(shù)據(jù)的物理載體，也可提供大數(shù)據(jù)分析處理平臺(tái)。借助智慧燈桿物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用示范項(xiàng)目，描述該項(xiàng)目中智慧路燈本身具備的功能，結(jié)合其他領(lǐng)域的數(shù)據(jù)分析，進(jìn)一步優(yōu)化路燈的照明功能，為智慧路燈普及奠定基礎(chǔ)。