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，中國城市照明路燈的數(shù)量由原來的1 000多萬盞增長到4 000多萬盞，年均復(fù)合增長率10%左右。與此同時，城市道路路燈消耗的電量在整體照明用電中占比31%，約占全社會用電量的10%。據(jù)工信部統(tǒng)計，中國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，路燈的節(jié)能升級具有較大的經(jīng)濟效益。目前，在露天公共道路照明領(lǐng)域，燈的開關(guān)控制方式通常為在固定時間開燈或關(guān)燈，但由于天氣的不規(guī)律變化，這種傳統(tǒng)模式控制方式過于簡單，調(diào)光等級單一，電能還存在大量浪費，不能滿足實際需求。因此，需要燈光照度的智慧控制，根據(jù)實時天氣狀況、自然環(huán)境照度、車流量、人流量等因素進行匹配控制。

1.1 研究現(xiàn)狀

1.1.1 國外研究現(xiàn)狀

2016年，飛利浦在開放的軟件生態(tài)圈內(nèi)與全球各地的開發(fā)者積極合作，如ABB、荷蘭電信公司KPN、思科等企業(yè)，針對各種應(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)整體提供商過渡；GE旗下創(chuàng)新型能源公司Current，與英特爾達成商業(yè)協(xié)議，在智能路燈中應(yīng)用英特爾物聯(lián)網(wǎng) （LOT）平臺；歐司朗通過第三方物聯(lián)平臺Arrayent，解決物聯(lián)網(wǎng)兼容性問題，讓消費者能使用智能手機或平板電腦遠程個性化操作和編寫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，開放標準原則。

1.1.2 中國研究現(xiàn)狀

2016年3月，華為在CeBIT 2016（德國漢諾威消費電子、信息及通信博覽會）上發(fā)布了多級智能控制照明物聯(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安裝了19盞智慧路燈，實時通報維護人員進行路燈維護。2017年初，成都高新區(qū)錦尚西二路試點了一批智慧路燈，利用電力載波通信技術(shù)對城市路燈進行回路或單燈管理，實現(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，采用電力載波通信技術(shù)及無線通信對路燈進行控制管理，包括自動調(diào)節(jié)亮度、遠程照明控制、故障自動報警、燈具線纜防盜和遠程抄表。

1.2 發(fā)展趨勢

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，自動調(diào)節(jié)光線強度，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)展趨勢主要為：

1）依托物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術(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，智能控制燈光強度和顏色，其智能體現(xiàn)為全自動調(diào)光、光環(huán)境場景智能轉(zhuǎn)換等人性化功能。

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

3）國外照明企業(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，維持企業(yè)定位和市場占有率。

2 需求分析

2.1 功能需求

根據(jù)實際情況對城市路燈智慧照明控制系統(tǒng)進行需求分析，實現(xiàn)對路燈的智能控制，需要控制路燈節(jié)點的硬件系統(tǒng)、分析處理路燈數(shù)據(jù)的軟件平臺和路燈調(diào)光算法。依據(jù)該思路設(shè)計的系統(tǒng)需具備以下基本功能：

（1）遠程監(jiān)測

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，通過軟件系統(tǒng)遠程控制每盞路燈的狀態(tài)，包括路燈的開關(guān)、亮度和色溫調(diào)節(jié)。

（2）數(shù)據(jù)采集

通過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時狀態(tài)，定期上報。

（3）智能策略調(diào)控

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

根據(jù)分時段控制策略實現(xiàn)自動控?zé)艄δ?。通過服務(wù)端定時輪，判斷當(dāng)前時間點所屬控?zé)魰r段，根據(jù)策略制定的控?zé)魞?nèi)容對路燈進行狀態(tài)控制。

根據(jù)車流量自動控制。若系統(tǒng)中啟用車流量控?zé)舨呗裕瑒t當(dāng)車流量值達到指定范圍區(qū)間時，系統(tǒng)自動執(zhí)行設(shè)定的控?zé)舨呗浴?/p>

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

按照經(jīng)緯度自動開關(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)進行分析再通過曲線或其他圖形實時展示。

2.2 性能需求

對單燈的操作響應(yīng)時間不超過20 ms，對后臺一般查詢操作響應(yīng)時間不超過1 s，對后臺批量查詢操作響應(yīng)時間不超過3 s。

3 設(shè)計方案

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、平臺管理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫5部分組成。其中多個單燈控制器與集中控制器通過PLC（電力載波）組建局域網(wǎng)，集中控制器采用GPRS與云服務(wù)器遠程無線通信。系統(tǒng)在路燈燈桿安裝路燈節(jié)點控制器，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GPRS傳給云服務(wù)器，云服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后，自動將處理結(jié)果反饋給路燈節(jié)點控制器，如果是故障信息，則系統(tǒng)會發(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

系統(tǒng)的照明調(diào)控是通過控?zé)舨呗詠硗瓿傻模凑諔?yīng)用場景又可將控?zé)舨呗苑譃闀r間控制策略和經(jīng)緯度控制策略。

3.2.1 分時段控?zé)舨呗?/p>

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

控?zé)袅鞒倘鐖D2所示。

圖2 分時段控?zé)袅鞒?/p>

3.2.2 車流量控?zé)舨呗?/p>

只有系統(tǒng)中啟用了分時段控制策略，才能啟用車流量控?zé)舨呗?，并在路燈狀態(tài)為開時，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，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 光線強度策略

系統(tǒng)通過當(dāng)前照度等環(huán)境參數(shù)自動執(zhí)行路燈的調(diào)節(jié)，允許用戶根據(jù)光線強度控制燈光照明 （見圖4）。

圖4 光照度控?zé)袅鞒?/p>

4 界面實現(xiàn)

4.1 GIS遠程監(jiān)控界面

結(jié)合GIS地圖，可直接查看當(dāng)前路燈的狀態(tài)、實時能耗和設(shè)備統(tǒng)計 （見圖5）。

圖5 GIS遠程監(jiān)控界面

4.2 能耗分析可視化界面

可通過多種方式查詢，并通過圖形的方式來展現(xiàn)查詢結(jié)果 （見圖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。借助智慧燈桿物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用示范項目，描述該項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，進一步優(yōu)化路燈的照明功能，為智慧路燈普及奠定基礎(chǔ)。