城市道路智能照明控制系统研究

2013-12-04董培贤施海峰江明强

照明工程学报 2013年6期

董培贤胡舟施海峰江明强

(国网浙江海宁市供电公司，浙江海宁 314400)

1 引言

随着经济的发展和汽车的逐渐普及，城市道路照明的重要性日益增大。研究表明，良好的道路照明可减少约20%的夜间交通事故。此外，城市亮化工程也是城市现代化建设的重要内容，为营造优美舒适的投资环境，提升城市形象，我国城市照明工程发展迅猛，大大增加了城市的用电量，导致政府承担巨额的财政支出，加剧了我国日趋紧张的能源供需矛盾。

1.1 道路照明与控制系统现状

近年来各地政府都十分重视城市的照明工程，把城市照明设施建设作为改善和美化城市环境的一个重要措施，但实施过程中也存在着很多不足之处:

(1)光源类型单一，新光源使用比例少。目前道路照明使用最多的是高压钠灯，寿命短、显色性差、耗电量高，急需节能、环保、长寿命的半导体照明技术来替代。

(2)路面过亮，视觉功效差，造成能源浪费和光污染。

(3)控制方法和管理手段落后。人工夜间巡查、居民举报及定期的检修仍是主要方式。

(4)养护资金紧张，财政部每年都要拿出巨大的养护费用用于路灯维护。

1.2 智能照明控制系统的意义

城市道路智能照明控制系统实现了集控化和智能化，顺应了“科学发展观”精神，有利于可持续发展和构建资源节约型、环境友好型社会，可带来强大的经济和社会效益:

(1)节省人力物力，减少经济开支;

(2)通过实时采集照明环境信息，实现路灯照明的“按需照明”，避免不必要的照明浪费，节约照明能源，节省照明开支;

(3)实现道路照明系统设备的可视化动态管理，提高道路照明系统的管理水平，降低管理成本和维护费用。

2 智能道路照明控制系统功能的实现

2.1 系统总体架构

整个系统采用分层分布式“3+2”的结构:路灯管理软件、集中控制器、单灯控制器3层设备和远程网、区域网2层网络。其结构如图1所示。

图1 智能化管理控制道路照明系统架构示意图Fig.1 Intelligent lighting management control system architecture diagram

2.2 系统主要功能

2.2.1 单灯控制器

单灯控制器以单片机为核心，直接安装在灯头内或灯杆中，其主要功能包括:

(1)接收并分析集中控制器发来的命令，执行开关灯、调光和状态查询命令。

(2)记录路灯工作时间和工作状态 (电流、电压)，并存储到外部存储器中，当接收到查询命令时上传数据给集中控制器。

(3)检测路灯的工作状态，路灯出现故障时立即向集中控制器发送异常报警信息。

2.2.2 集中控制器

集中控制器是整个系统的核心，它既是构成整个控制网络的网管，也是相对独立的决策执行者，其主要功能包括:

(1)独立运行:内置一套完整的应用程序，可以脱离监控中心独立工作，包括开关灯、亮度调节和异常报警等。

(2)数据存储和转发:收集单独控制器的节点信息，并将这些信息上传给管理中心，同时可以将管理中心的控制命令下传给单灯控制器，实现灯光调控。

(3)网络配置:当路灯系统发生数量变化时，可以实现自动组网和自动优化网络结构。

(4)掉电保护:系统非正常断电时，外部存储器中的数据信息不会丢失，重新上电复位后，系统仍然可以按照预定状态正常工作。

2.2.3 监控中心

路灯智能监控系统运行于管理中心，其通用性和操作方便性是设计的关键，其主要功能包括:

(1)远程控制功能:管理计算机可以远程控制区域内的道路照明设备，包括开关灯、调光等。时段灯，半夜灯等照明策略可以有效减少能源消耗。

(2)远程采集功能:管理人员可以在管理计算机上实时查询路灯当前的工作状态 (电流、电压)，将其存入硬盘。

(3)数据统计功能:建立数据库，来存储系统的工作情况，如线路状态、报警信息、通信成功率等。

(4)报表功能:统计数据经计算处理后，按照指定格式、时间进行系统报表输出。

2.2.4 通讯系统

监控中心和集中控制器控制之间通过GPRS实现通讯。因为电力线载波通讯不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递的特点恰好满足道路照明施工和改造工程的要求，所以集中控制器和单灯控制器之间采用电力线载波实现通讯。

通过四个部分功能来实现道路智能照明的“五遥”，即遥测、遥控、遥信、遥调、遥视。

2.3 系统控制策略的分析

智能道路照明控制系统本质上是照明策略控制，合理的、多样化的、智能的控制策略是控制系统更好的服务于现代交通的照明的同时，又达到节能目的的根本。

2.3.1 开关灯时间的确定

为了精确地控制城市路灯的开关时间，需要根据城市所处的经纬度计算出当地的日出日落时间，并以此为依据确定城市路灯的开关时间。通过在上位计算机中编写程序，能够快速得到每天的日出日落时间。

2.3.2 半夜路灯控制策略

在夜间，到了一定的时段，道路上的行人和车辆将会变得稀少，这时如果维持恒定的道路照明亮度，必将导致大量电能的浪费。所以制定夜间路灯的控制策略也有利于节能减耗。在一天的开灯时间和第二天的关灯时间之间，交通流量将会发生很大的变化，可以分成几个时间段，在每个时间段根据当时的车流量大小来确定光照。

2.3.3 特殊天气

雷电、浓云蔽日、日全食以及突降暴雨等这些天气都有可能对路面的照度产生影响，甚至有可能出现白天变黑夜的情况，如果路灯没有及时的点亮，可能会对交通产生意想不到的影响。所以在这种情况下，必须考虑自然环境照度，从而执行相应的开灯或者关灯的操作。

为了应对特殊天气，应采用光控的方法，即根据当时的环境照度是否满足最低的照度要求来操作开关灯。将反馈回来的环境照度通过上位机的分析，并控制路灯的亮灭。

2.3.4 节假日

在比较重要的节假日，人们的作息时间会和平时不同。在这种情况下，若还是采取分时段控制，就会出现偏差，因为交通流量曲线与平时会出现较大的波动。这时可以通过其他的方式来控制路灯的亮暗。就一定年份来说，每年的同一个节假日的车流量的数值不会波动很大。根据上述情况，可以向各地的交通部门查阅某个路段在每个节假日的车流量，从而把这些历史数据存入数据库。当到了某个假日的时候，通过调用数据库中的历史数据和当前数据来进行路灯照明的预测控制。