李付偉，馬榮兵，王 強(qiáng)

(上海五零盛同信息科技有限公司，上海 200063)

引言

路燈保障了行人們的出行安全，但是路燈同樣也消耗了大量的電能，尤其是傳統(tǒng)常規(guī)路燈的控制方式不夠靈活，控制不夠精確，導(dǎo)致在光照較暗需要開(kāi)燈時(shí)燈沒(méi)開(kāi)起來(lái)，早晨環(huán)境光照較強(qiáng)不需光照時(shí)反而開(kāi)燈[1]，甚至在深夜車輛和行人較少的時(shí)段整夜長(zhǎng)亮，而車輛和行人較多的時(shí)段燈光昏暗，即傳統(tǒng)的路燈節(jié)能控制方式方法會(huì)造成電力資源浪費(fèi)，也可能因?yàn)榭刂品绞降牟坏卯?dāng)威脅到人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全[2]。

本文利用車流量監(jiān)測(cè)技術(shù)、單燈控制技術(shù)針對(duì)道路照明特點(diǎn)，研究利用車流量來(lái)控制后半夜道路照度值，保證道路照明安全的前提下完成路燈的節(jié)能控制，實(shí)現(xiàn)需要照明時(shí)能夠及時(shí)提供安全的照度，沒(méi)有照度需要時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉照明或?qū)⒄斩戎到档阶畹?，?shí)現(xiàn)按需照明，達(dá)到高效節(jié)能的目的。

1 道路照明節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如圖1所示，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種智能感知城市照明節(jié)能管理系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)由智能感知探頭、聯(lián)網(wǎng)LED路燈、單燈集中器以及數(shù)據(jù)控制中心4個(gè)部分組成。

1.1 系統(tǒng)各功能的實(shí)現(xiàn)

1)車流量檢測(cè)。通過(guò)對(duì)比車輛檢測(cè)技術(shù)的研究可知，目前常用的檢測(cè)技術(shù)均有一定缺點(diǎn)和局限性，比如感應(yīng)線圈檢測(cè)器有需破路，安裝不便、容易壞壽命短的缺點(diǎn)，微波雷達(dá)車輛檢測(cè)器有側(cè)向安裝時(shí)無(wú)法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)車速度信息的缺點(diǎn)，紅外線檢測(cè)器有無(wú)法側(cè)向檢測(cè)、容易受天氣環(huán)境影響的缺點(diǎn)，超聲波檢測(cè)器無(wú)法同時(shí)檢測(cè)多個(gè)車道車輛占用情況，視頻檢測(cè)技術(shù)有成本高、體積大、檢測(cè)速度慢的缺點(diǎn)[3]。由于我們不需要準(zhǔn)確檢測(cè)每一輛車的車速信息，結(jié)合功能、成本、安裝便利性等方面考慮，選用微波雷達(dá)車輛檢測(cè)技術(shù)完成車輛經(jīng)過(guò)檢測(cè)功能。

2)開(kāi)關(guān)和調(diào)光。能夠快速開(kāi)關(guān)和調(diào)光的光源及相應(yīng)的控制電路是該系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素，因此我們選用高效、且能夠迅速開(kāi)啟和關(guān)閉的LED光源作為照明燈具[4]，要實(shí)現(xiàn)清晨關(guān)燈、傍晚開(kāi)燈并根據(jù)車流量調(diào)節(jié)燈具亮度，燈具還必須具有遠(yuǎn)程調(diào)光、開(kāi)啟和關(guān)閉功能，這些功能可以通過(guò)單燈控制器配合可調(diào)光的LED開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)[5]，如圖2所示。

圖1 智能感知城市照明節(jié)能管理系統(tǒng)框架Fig.1 Intelligent perception of city lighting energy saving management system framework

3)組網(wǎng)通信。底層通信網(wǎng)絡(luò)是該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中最重要的一層，底層網(wǎng)絡(luò)能否快速、高效、可靠的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸關(guān)系到整體系統(tǒng)節(jié)能效果，結(jié)合道路環(huán)境和使用要求，底層通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：每桿路燈都能夠進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，其中一桿或多桿路燈故障不影響其他路燈通信功能，路由級(jí)數(shù)不應(yīng)太多，通信及時(shí)可靠。為降低路由級(jí)數(shù)，減小通信延時(shí)，底層網(wǎng)絡(luò)通信我們選用CC2530+CC2591射頻前端作為功率放大芯片[6]，通過(guò)CC2591放大后射頻輸出功率最大可至+20 dBm，實(shí)際可靠傳輸距離在800～1 000 m左右，路由級(jí)數(shù)在2～3級(jí)之間，即使路段中間部分控制器故障，不影響系統(tǒng)其他設(shè)備網(wǎng)絡(luò)通信正常。

1.2 節(jié)能模型設(shè)計(jì)

1)節(jié)能模型的運(yùn)行模式。將一天的24小時(shí)作為一個(gè)光照周期，系統(tǒng)運(yùn)行可分為3個(gè)運(yùn)行模式，分別為正常照明模式、智能節(jié)能模式、關(guān)閉照明模式，如圖3所示。

2)感知探頭布局。圖4為常見(jiàn)路段感知探頭布局，實(shí)心圓為安裝感知探頭的位置，布局在車輛經(jīng)過(guò)路段起始位置，其車輛感知區(qū)域?yàn)閳D示陰影橢圓區(qū)域，空心圓為常規(guī)路燈，路面箭頭為控制路燈依次點(diǎn)亮方向，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)車輛感知區(qū)域時(shí)，安裝了感知探頭的路燈單燈控制器發(fā)送控制命令給箭頭所示方向的路燈單燈控制器，控制路燈依次亮起。

該節(jié)能模型的軟件處理流程圖如圖5所示。

圖2 單燈控制器開(kāi)關(guān)和調(diào)光Fig.2 Single light controller switch and dimming

圖3 24小時(shí)內(nèi)節(jié)能模型的運(yùn)行模式Fig.3 Operation mode of energy saving model within 24 hours

圖4 感知探頭布局示意Fig.4 Sensing probe layout sketch

圖5 軟件處理流程圖Fig.5 Software process flow chart

2 系統(tǒng)應(yīng)用的節(jié)能效果分析

選上海市大沽路為例進(jìn)行節(jié)能效果分析，為了便于數(shù)據(jù)分析，我們選用一個(gè)感知探頭控制的多個(gè)燈具的簡(jiǎn)單模型，道路及感知探頭示意圖如圖6所示。感知探頭安裝在路口0號(hào)燈桿位置，感應(yīng)到車輛經(jīng)過(guò)感知區(qū)域后，1～15號(hào)燈桿依次點(diǎn)亮。選擇2016年3月1日12時(shí)至3月2日12時(shí)作為一個(gè)時(shí)間周期，道路的已知參數(shù)如表1所示。

圖6 分析模型感知探頭及燈桿分布示意圖Fig.6 Analysis model sensing probe and the schematic diagram of lamp pole distribution

根據(jù)圖6和表1，計(jì)算及實(shí)測(cè)相關(guān)節(jié)能參數(shù)如表2所示。

表1 道路已知參數(shù)Table 1 Road determination parameters

表2 道路計(jì)算及實(shí)測(cè)相關(guān)節(jié)能參數(shù)

由表2可知，3月1日17：53分日落，但照度在18時(shí)05分低于30 lx，因此18:05時(shí)刻進(jìn)入正常照明模式打開(kāi)路燈并調(diào)節(jié)路燈輸出功率至50%，18:10時(shí)刻光照度低于15 lx，調(diào)節(jié)路燈功率100%輸出。隨著時(shí)間的推移，在21:16時(shí)刻統(tǒng)計(jì)前1小時(shí)車流量小于Ks(429輛/h)，進(jìn)入智能節(jié)能模式，3月2日6:01時(shí)刻照度大于20 lx，關(guān)閉所有路燈，進(jìn)入關(guān)閉照明模式。

2.1 智能節(jié)能模式的節(jié)能效果分析

進(jìn)入智能節(jié)能模式后，路燈的開(kāi)啟和關(guān)閉將根據(jù)感知探頭感知到的車輛經(jīng)過(guò)信息進(jìn)行精確控制，在圖6的0號(hào)桿位置檢測(cè)到車輛經(jīng)過(guò)后1～15桿路燈間隔2.1 s依次點(diǎn)亮，由于1～15桿路燈不知道車輛是否經(jīng)過(guò)，因此1～15桿需要按照車輛最低速度計(jì)算車輛經(jīng)過(guò)時(shí)間來(lái)延遲關(guān)閉路燈，從第1桿延時(shí)Td1(8.4 s)關(guān)閉，后續(xù)依次增加一個(gè)Td的延時(shí)時(shí)間，第15桿路燈延時(shí)時(shí)間Td15為126 s。

1)每桿燈應(yīng)用的Ks不同。當(dāng)平均車流量大于某個(gè)值時(shí)燈具將進(jìn)入常亮狀態(tài)，由于每個(gè)燈桿亮燈延時(shí)Tdj各不相同，因此每桿燈進(jìn)入常亮?xí)r對(duì)應(yīng)的車流量也不相同。圖7為每盞燈進(jìn)入常亮模式對(duì)應(yīng)的車流量曲線。表3為每桿燈對(duì)應(yīng)車流量門限詳細(xì)數(shù)據(jù)。

圖7 路燈桿對(duì)應(yīng)車流量門限曲線Fig.7 Traffic threshold curve corresponding to light poles

表3 每桿燈對(duì)應(yīng)的車流量門限KsTable 3 Traffic threshold corresponding Ks per pole

2)車流量越少節(jié)能效率越高。為了便于分析，假設(shè)一小時(shí)內(nèi)車輛是平均等間隔通過(guò)測(cè)試路段，每桿路燈的亮燈延時(shí)時(shí)間的累加作為一次車輛通過(guò)時(shí)總耗電時(shí)間，當(dāng)車流量大于燈桿的車流量門限Ks時(shí)，按常亮處理，則得出耗電曲線如圖8所示，節(jié)能比率曲線如圖9所示。當(dāng)車流量小于29輛/h時(shí)耗電量按照0.056的斜率線性增加，節(jié)電效率也線性下降，隨著車流量逐步增加，由于部分燈桿常亮，耗電量增加趨于緩慢，同時(shí)節(jié)電效率逐步下降。車流量為27輛/h時(shí)，節(jié)電效率為50%，僅僅從節(jié)能比率分析，當(dāng)車流量小于27輛/h時(shí)，該節(jié)能模式優(yōu)于定時(shí)節(jié)能50%的節(jié)能模式。當(dāng)車流量大于27輛/h時(shí)節(jié)能效果逐漸降低，直到大于429輛/h時(shí)所有路燈進(jìn)入常亮模式。

圖8 車流量與耗電曲線Fig.8 Vehicle flow and power consumption curve

圖9 車流量與節(jié)能比率曲線Fig.9 Curve of vehicle flow and energy saving ratio

3)感知探頭控制燈桿數(shù)量越少節(jié)能效率越高。通過(guò)以上分析可知，隨著燈桿離感知探頭距離的增加，其亮燈延時(shí)時(shí)間也要相應(yīng)增加，亮燈延時(shí)的增加會(huì)降低節(jié)能效率。圖10為感知探頭控制不同數(shù)量燈桿時(shí)的節(jié)能效率與車流量關(guān)系曲線?？梢钥闯鱿嗤嚵髁肯赂兄筋^控制的燈桿數(shù)量越少，節(jié)能效率越高；相同節(jié)能效率下感知探頭控制燈桿數(shù)量越少，車流量門限越大。當(dāng)每個(gè)燈桿全部安裝感知探頭時(shí)車流量與節(jié)能比率成線性遞減關(guān)系，這種布局在同等車流量下節(jié)能比率最大，節(jié)能效果最佳。

圖10 感知探頭控制不同數(shù)量燈桿節(jié)能比率與車流量對(duì)比Fig.10 Comparison of energy saving ratio of different number of lamp poles and vehicle flow by sensing probe

2.2 與幾種常見(jiàn)的節(jié)能模式的對(duì)比分析

為了更直觀的分析本文所述基于實(shí)時(shí)車流量的節(jié)能模型效果，選用目前幾種常見(jiàn)的道路照明節(jié)能模式節(jié)能效果進(jìn)行對(duì)比分析，按照表1和表2的路況參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，若按日出日落進(jìn)行開(kāi)關(guān)不進(jìn)行節(jié)能控制，則2016年3月1日12時(shí)至2016年3月2日12時(shí)時(shí)段的耗電量為37.2 kW·h，定義從當(dāng)日22時(shí)至次日5時(shí)為節(jié)能時(shí)段；各節(jié)能模式下節(jié)能率如表4所示。

通過(guò)以上幾種節(jié)能模式的從節(jié)能效率上的對(duì)比來(lái)看，在相同路段相同時(shí)間，相同節(jié)能時(shí)間段的情況下，半夜燈控制節(jié)能模式、單燈調(diào)光節(jié)能模式、基于實(shí)時(shí)車流量的節(jié)能模式三種節(jié)能模式相對(duì)較好，均可達(dá)到30%以上的節(jié)能比率，其中基于實(shí)時(shí)車流量的節(jié)能模式，在車流量較少的環(huán)境下，效果最佳。

表4 不同節(jié)能模式下節(jié)能率對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于現(xiàn)有道路照明控制及照明節(jié)能技術(shù)的各種缺陷，本文給出了一種基于車流量的照明節(jié)能控制技術(shù)，并給出了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證以及與現(xiàn)有節(jié)能模式對(duì)比。相比現(xiàn)有節(jié)能方式，該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在不影響道路照明安全的同時(shí)還能夠高效的節(jié)能。尤其在市郊等深夜車流量較少的道路應(yīng)用此路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，道路照明節(jié)能效率更高。

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