基于視頻圖像處理技術的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)

康 強

（山東科技大學，山東 青島 266510）

1 研究背景

改革開放以來，我國經濟迅速發(fā)展，電力資源消耗巨大，使得電力能源十分緊張。

在我國的整體用電中，城市照明用電占有很大的比例。城市路燈是城市現(xiàn)代化建設中重要的組成部分，它為人們創(chuàng)造著良好的生產生活環(huán)境。然而，隨著我國經濟的快速發(fā)展，街道照明的數(shù)量逐年增加，其用電量在城市總消費量中所占的比例也在不斷增加。要想減少每年城市電力能源的消耗，對于現(xiàn)有的道路照明設備及控制方式進行改造意義重大。

目前，我國很多城市路燈系統(tǒng)仍采用“全夜燈”的方式進行照明，但后半夜行人稀少，采用“全夜燈”的方式浪費巨大。

另外，即使在繁華的大城市，午夜過后，馬路上也很少有行人、車輛，所以在低交通流量環(huán)境下，路燈仍然亮著顯然是不必要的。因此，國家發(fā)布了《關于進一步加強城市照明節(jié)電工作的通知》支持推動在城市照明建設與改造中，要大力推廣節(jié)電新技術新產品，努力降低城市照明電耗。

2 系統(tǒng)提出

基于以上背景，如若在深夜時段23：00至5：00這段時間內合理地控制路燈的亮度，不僅可以節(jié)約大量的電能和功率消耗，同時也能提高燈具的利用率，以達到更高效率的節(jié)能。

基于道路光環(huán)境與夜間行車安全要求，本文提出一種基于視頻圖像處理技術和5G無線通信技術的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將道路照明模式分為兩種，一種為《城市道路照明設計標準》規(guī)定的機動車道照明亮度，即正常模式，另一種為《城市道路照明設計標準》規(guī)定的人行道照明亮度，為機動車道照明亮度的1/2，即節(jié)能模式。當?shù)缆飞嫌熊囕v行駛時便開啟正常模式；當?shù)缆飞蠜]有行駛車輛時，道路照明系統(tǒng)便開啟節(jié)能模式，保證行人安全通行需要即可。

本系統(tǒng)以十字路口為劃分依據，以相鄰兩個十字路口間的路段為單位，每條道路兩側車道的入口處和出口處的攝像機數(shù)量根據車道數(shù)量而定。本系統(tǒng)隨城市照明系統(tǒng)一同開啟，系統(tǒng)工作過程共分為兩個階段，第一個階段是從黃昏開啟路燈到夜晚23：00之前，由于在這個時間段內處于人們活動的高峰期，道路上行人和車輛較多，因此路燈以額定亮度進行照明，路燈的輸出亮度為100%，即照明正常模式；第二個階段是從夜晚23：00到第二天5：00之前，在這個時間段內已經過了人們活動的高峰期，道路上行駛的車輛和路過的行人非常少，為了避免電能的浪費，路燈不需要一直以額定亮度照明，在沒有車輛的時候路燈工作在額定亮度的50%，即節(jié)能模式。當檢測到車輛時，系統(tǒng)可及時將車輛行駛路段的路燈亮度調高至正常模式。

3 系統(tǒng)設計

本章根據道路光環(huán)境與夜間行車安全要求，提出一種基于視頻圖像處理技術和5G通信網絡的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)。本章詳細闡述了智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)設計的安全要求、運行方式。

3.1 設計依據

3.1.1 駕駛員對背景照明環(huán)境要求

夜晚城市道路的光環(huán)境包括道路照明和景觀照明。對于夜間駕駛，主要的視覺光環(huán)境集中在道路照明。道路照明為夜間駕駛提供背景燈光。夜間駕車過程中，駕駛員主要是依賴于道路兩側的照明來獲取信息和做出決策，因此背景照明對夜間行車安全起著重要作用。

根據國際照明委員會標準和我國道路照明標準，城市道路照明水平不是一個統(tǒng)一的標準值，而是根據不同的道路水平有不同的照明標準。在夜間行駛時，駕駛員駛入不同照明等級的道路就要適應不同的背景照明，這對駕駛員的視覺適應能力是一個考驗。同時，背景照明的穩(wěn)定性與均勻性也會影響駕駛員的視覺判斷。良好的背景照明環(huán)境使駕駛員能在第一時間發(fā)現(xiàn)障礙物，從而盡快作出反應。高質量的背景照明為駕駛員提供舒適的視覺環(huán)境，減少駕駛員的視覺作業(yè)負荷，有利于提高夜間駕車的安全性。

因此，要保證夜間道路駕駛員行駛的安全，必須要保證道路照明系統(tǒng)的科學性與合理性。

3.1.2 路燈照明強度要求

據《城市道路照明設計標準》規(guī)定，根據道路使用功能，城市道路照明方式可分為機動車交通道路照明和非機動車行人道路照明兩類。標準明確指出，與機動車交通道路分隔的非機動車道路的平均照度值應為相鄰機動車交通道路的平均照度的1/2。當人行道與非機動車道混用時，人行道路的平均照度值與非機動車道路相同。當人行道路與非機動車道路分設時，人行道路的平均照度值宜為相鄰非機動車道路的照度值的1/2，但不得小于5lx。

根據上述文件要求，若在夜間無車輛行駛時，將路燈亮度降低為人行道所需的照明亮度，待有車輛駛入，便通過智能控制裝置將路燈亮度提高，待車輛駛出之后，再將路燈亮度恢復至人行道所需照明亮度。如此一來，既保證了車輛行駛時道路照明的均勻度和明亮度，而且也在無車行駛時節(jié)省了近一半的電力。與此同時，在道路上有車輛行駛時，充分的道路照明也保證了行人和車輛的行駛安全，避免了道路交通事故的發(fā)生。

3.2 系統(tǒng)運行過程

本文提出的節(jié)能控制系統(tǒng)主要應用于城市次干道以及其他夜間車流量較少道路，系統(tǒng)構成主要包括視頻檢測器、數(shù)據傳輸設備、中央處理器、智能控制器、功率變換單元組成。

本文提出的節(jié)能控制系統(tǒng)應選擇適當城市進行試點，總結經驗后方可進行較大范圍的推廣。具體實施方案如下：

在所有路口上方設置攝像機，使其能夠在各自正對的路段投放一個照射所有車道的識別區(qū)域，用于識別駛出和駛入其正對路段車輛，所拍攝的圖像作為判斷車輛行駛方向和核對車輛是否違法變道的依據，每個攝像機都通過數(shù)據傳輸設備與視頻檢測器相連。視頻檢測器通過其軟件結構將與其相連的攝像機拍攝的圖片進行處理，然后將信息通過5G通信模塊發(fā)送至中央處理器，中央處理器根據其所得信息通過5G通信網絡控制智能控制器進一步控制路燈模式調節(jié)。

攝像機將在其識別區(qū)域放置虛擬線圈，通過編碼不同的虛擬線圈來代表不同的車道，攝像機拍攝其所在路段的正對路段的車道信息，攝像機捕捉到的圖像經過視頻檢測器處理后，獲取車輛的車牌號和轉彎信息，然后將信息傳遞至中央處理器，中央處理器根據發(fā)送的信息便可判斷車輛的行駛方向。（見圖1）

圖1 虛擬線圈的設置

為節(jié)約成本，減少維護維修費用，只在市內設置一處中央控制中心，放置中央處理器，用于處理各視頻檢測器處理后圖像所發(fā)送的車輛信息。

中央處理器控制所有道路路燈的照明模式，另外安裝相應控制程序，在接收視頻檢測器發(fā)送的信號后對信號進行處理，通過5G通信網絡發(fā)出相應道路照明模式轉換命令。

另外，對城市里所有的路燈線路進行統(tǒng)一改造，加裝智能控制器及功率轉換裝置。智能控制器接收中央處理器發(fā)送的模式轉換命令，進而控制功率轉換器改變路燈亮度，以根據道路情況實時轉換道路照明模式。

根據《道路交通安全法》相關規(guī)定及汽車行駛規(guī)則，車輛于十字路口行駛方式可歸納為七種基本情況，其他行駛方式皆可根據這七種情況通過組合演變形成。七種基本行駛方式分別是：單車行駛（直行、右轉）、單車行駛（左轉、掉頭）、單車行駛（駛出道路）、雙車同道同向行駛、雙車同道異向行駛、雙車異道同向行駛以及違法變道。

下面以六車道十字路口為例，對上述七種車輛行駛方式中的雙車同道異向行駛進行本系統(tǒng)的運行演示。

當兩輛車并行行駛，但在駛入十字路口后分道而行時，智能控制系統(tǒng)在其通過十字路口時運行方式如圖2所示。

圖2 雙車同道異向行駛系統(tǒng)運行方式

4 結束語

此系統(tǒng)在為城市道路照明提供節(jié)能控制方案的同時，能有效兼顧道路照明的合理性和安全性，并保證道路照明，減少道路交通安全事故和社會治安事件的發(fā)生，在倡導節(jié)約能源、電力資源合理利用的今天，該裝置有著十分廣闊的社會和商業(yè)前景。