蒲思懿，干 靜，張 未，李穎異，文心雨

(四川大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610065)

引言

城市照明作為城市生活的一部分，受到了人們的廣泛關(guān)注。然而，目前國內(nèi)大多數(shù)城市對(duì)路燈的控制仍采用傳統(tǒng)時(shí)控、光控的方式，靈活性較差，并且照明系統(tǒng)的信息化程度不夠，使得市政部門在管理和維護(hù)方面面臨著巨大的挑戰(zhàn)[1]。另外，在面對(duì)白天的霧霾、暴雨等特殊天氣時(shí)，路燈無法進(jìn)行補(bǔ)充照明。本文通過道路環(huán)境評(píng)估，制定了路燈的照明管理方案，使照明系統(tǒng)能夠根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境實(shí)現(xiàn)一定程度的自適應(yīng)調(diào)節(jié)[2]。該方案將路燈照明及環(huán)境相關(guān)信息在智能路燈管理平臺(tái)上進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，以提高市政人員的管理效率，提高道路照明的保障水平[3]。

1 智能路燈控制系統(tǒng)

本文的智能路燈控制系統(tǒng)總體架構(gòu)由下層至上層依次為設(shè)施層、感知層、控制層、傳輸層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層[4]，如圖1所示。

設(shè)施層指全部路燈，是實(shí)現(xiàn)城市路燈照明的基礎(chǔ)；感知層包含電流電壓檢測(cè)模塊、光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊、氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊和交通系統(tǒng)攝像頭模塊，用于采集路燈電流電壓、光照強(qiáng)度、氣象環(huán)境、視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)，是智能路燈控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化控制的依據(jù)；控制層的集中控制器一方面對(duì)感知層采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理，并將信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，另一方面接收監(jiān)控中心傳來的照明控制命令，實(shí)現(xiàn)路燈的開關(guān)和亮度的控制；傳輸層由GPRS和ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)成[5]，形成整個(gè)通信系統(tǒng)；數(shù)據(jù)層主要是收集控制層的集中控制器傳來的路燈工作狀態(tài)信息、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)和氣象環(huán)境信息，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器里，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器經(jīng)過云計(jì)算技術(shù)將收集到的信息進(jìn)行更具體的分析，并將分析結(jié)果傳輸?shù)綉?yīng)用層；應(yīng)用層將接收到的數(shù)據(jù)和信息通過GIS地理信息技術(shù)進(jìn)行處理[6]，以地圖和圖表的形式呈現(xiàn)在監(jiān)控中心的管理平臺(tái)。

圖1 智能路燈控制系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of intelligent street lamp control system

圖2 智能路燈控制系統(tǒng)的通信架構(gòu)Fig.2 Communication architecture of intelligent street lamp control system

2 智能路燈控制系統(tǒng)的控制策略

2.1 城市照明系統(tǒng)的現(xiàn)有問題分析

2.1.1 管理系統(tǒng)信息化程度不夠

市政管理人員缺乏實(shí)時(shí)而完整的路燈信息，無法進(jìn)行及時(shí)操作。目前大部分路燈缺乏相應(yīng)的傳感器來進(jìn)行數(shù)據(jù)收集與反饋，也缺乏環(huán)境氣象和交通流量等基礎(chǔ)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)[7]，導(dǎo)致路燈無法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)照明。另外，路燈的監(jiān)控和維護(hù)也主要依賴人工，工作量大、維護(hù)成本高，故障的發(fā)現(xiàn)和處理不及時(shí)[8]。因此需要增加軟硬件，以提升路燈系統(tǒng)的工作效率，減輕市政管理人員的工作強(qiáng)度。

2.1.2 路燈的控制方式落后

現(xiàn)有路燈控制策略大多數(shù)是根據(jù)單一變量對(duì)路燈進(jìn)行統(tǒng)一開關(guān)，對(duì)復(fù)雜環(huán)境變化的應(yīng)對(duì)能力不足[9]。大霧和降雨等特殊天氣會(huì)導(dǎo)致白天照明不足，需開啟路燈，保障人們的交通出行安全；季節(jié)更替會(huì)使得夏季晝長夜短、冬季反之，直接影響到路燈傍晚開啟和清晨關(guān)閉的時(shí)間；晚上不同時(shí)段交通流量情況不同，路燈照明應(yīng)該適時(shí)調(diào)整。因此，天氣變化、季節(jié)更替和交通流量三大因素作為智能路燈控制策略中路燈開關(guān)和調(diào)光的自變量，實(shí)現(xiàn)城市路燈人性化、節(jié)能化和自適應(yīng)照明。

2.2 智能路燈控制系統(tǒng)的功能需求分析

根據(jù)對(duì)智能路燈控制系統(tǒng)和城市路燈現(xiàn)有問題的研究，提取出市政人員對(duì)城市照明系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、控制和管理的功能需求，從而更好地實(shí)現(xiàn)城市照明的遠(yuǎn)程化、可視化管理。

2.2.1 監(jiān)測(cè)功能

監(jiān)測(cè)功能包括路燈的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、路燈故障檢測(cè)和環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)。路燈實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路燈開關(guān)狀態(tài)和用電參數(shù)，可通過單燈控制器來實(shí)現(xiàn)；路燈故障監(jiān)測(cè)確定異常狀態(tài)路燈的故障類型和位置；環(huán)境狀況監(jiān)測(cè)包含區(qū)域內(nèi)光照強(qiáng)度、天氣狀況和交通流量情況。

第三步：運(yùn)用數(shù)形結(jié)合的思想方法．首先“以形助數(shù)”,分別畫出兩個(gè)函數(shù)的圖象,如圖3.然后“以數(shù)解形”,函數(shù)y=ax的圖象是過原點(diǎn)、斜率為a的直線系,在這組相交直線系中,出現(xiàn)了兩個(gè)“特殊”的位置,一是與直線平行,此時(shí)一是與函數(shù)y=lnx相切,此時(shí)

2.2.2 控制功能

系統(tǒng)對(duì)路燈的控制分為自動(dòng)和人工兩種模式。自動(dòng)控制模式是系統(tǒng)綜合光照強(qiáng)度、天氣狀況和交通流量多變量因素來實(shí)現(xiàn)路燈照明的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。如果對(duì)照明區(qū)域有特殊的照明需求，管理者可選擇人工控制，可以對(duì)路燈進(jìn)行單燈級(jí)別的控制，從而實(shí)現(xiàn)從街道到單燈多層次的精確控制。

2.2.3 管理功能

管理功能指通過路燈實(shí)時(shí)狀態(tài)和環(huán)境信息的可視化，便于管理者對(duì)城市區(qū)域照明情況進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。在路燈的維護(hù)方面，監(jiān)控中心可通過評(píng)估路燈故障情況制定維修方案。

2.3 智能路燈控制系統(tǒng)的總體控制策略

本文智能路燈控制系統(tǒng)總體控制策略首先解決照明足夠亮化與節(jié)能的沖突，保證基本照明亮度情況下，根據(jù)交通流量調(diào)整路燈照明亮度；其次，通過氣象監(jiān)測(cè)獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，在極端天氣光線不足時(shí)，補(bǔ)充道路照明以確保道路和行人安全；第三，人工控制模式能夠保障如節(jié)假日的特殊需求。

智能路燈控制系統(tǒng)將路燈控制模式分為自動(dòng)模式和人工模式。在自動(dòng)模式中，以時(shí)間為主變量，采用經(jīng)緯度控制策略將照明控制分為白天和夜晚兩個(gè)階段。處于白天路燈控制策略時(shí)，以氣象監(jiān)測(cè)和環(huán)境光照強(qiáng)度為變量，對(duì)異常天氣進(jìn)行不同等級(jí)的補(bǔ)充照明，如圖3(a)所示；處于夜晚路燈調(diào)光策略時(shí)，以環(huán)境光照強(qiáng)度和交通流量信息為變量，調(diào)整路燈的照明等級(jí)，如圖3(b)所示。人工模式作為在自動(dòng)控制無法滿足實(shí)際照明需求時(shí)的輔助控制。根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJJ 45—2015)[10]中機(jī)動(dòng)車道路面照度標(biāo)準(zhǔn)，將路燈照明等級(jí)分為Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)，通過改變光源亮度來實(shí)現(xiàn)。其中，Ⅰ級(jí)照明提高路面平均照度至10 lx，Ⅱ級(jí)照明提高路面平均照度至20 lx，Ⅲ級(jí)照明提高路面平均照度至30 lx。

圖3 自動(dòng)模式下白天和夜晚的路燈控制流程圖Fig.3 Flow chart of street lamp control during day and night in automatic mode

在采集環(huán)境光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)時(shí)，由于實(shí)際路面平均照度需要依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)中的照明測(cè)量方法在實(shí)際道路布點(diǎn)，僅憑路燈上設(shè)置的光照強(qiáng)度傳感器無法獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。因此，為保證環(huán)境光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，應(yīng)在使用該系統(tǒng)之前，分別采用國家標(biāo)準(zhǔn)中的照明測(cè)量方法和路燈環(huán)境光照傳感器測(cè)量出同一情況下的道路環(huán)境光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并將二者數(shù)據(jù)對(duì)比得出差值，以預(yù)補(bǔ)償?shù)男问綄⒉钪翟O(shè)定到系統(tǒng)中，從而提高環(huán)境光照強(qiáng)度采集的可靠性。

(1)白天出現(xiàn)異常天氣時(shí)的路燈控制策略。在白天，當(dāng)智能路燈的氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊監(jiān)測(cè)到氣象數(shù)據(jù)異常，即道路出現(xiàn)霧霾、降雨等異常天氣情況時(shí)，結(jié)合光照強(qiáng)度情況，分析此時(shí)的照明情況是否影響人們的正常視覺。若此時(shí)自然環(huán)境光照強(qiáng)度低于30 lx，該區(qū)域的路燈將進(jìn)行補(bǔ)充照明。當(dāng)此時(shí)的自然光照強(qiáng)度E在20～30 lx時(shí)，該區(qū)域路燈將開啟Ⅰ級(jí)照明；當(dāng)此時(shí)的自然光照強(qiáng)度E在10～20 lx時(shí)，該區(qū)域路燈將開啟Ⅱ級(jí)照明；當(dāng)此時(shí)的自然光照強(qiáng)度E低于10 lx時(shí)，該區(qū)域路燈將開啟Ⅲ級(jí)照明。當(dāng)監(jiān)測(cè)到天氣狀況恢復(fù)正常且光照強(qiáng)度高于30 lx時(shí)，路燈關(guān)閉，結(jié)束白天的補(bǔ)充照明。白天正常狀態(tài)時(shí)，路燈關(guān)閉。

(2)夜晚隨交通流量變化的路燈調(diào)光策略。路燈開關(guān)燈時(shí)間應(yīng)綜合當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤图竟?jié)變化情況來確定，采用經(jīng)緯度和光照控制策略相結(jié)合的方式。管理人員根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況將交通流量分為低、中、高三種情況，在智能路燈管理平臺(tái)中設(shè)置低與中、中與高的交通流量臨界值分別為P1、P2。在交通晚高峰階段，當(dāng)監(jiān)測(cè)到自然光照強(qiáng)度低于 30 lx 時(shí)，路燈開啟，且此時(shí)道路交通流量較大，采用Ⅲ級(jí)照明；從傍晚到凌晨，道路交通流量逐漸減小，當(dāng)?shù)缆方煌髁拷档椭罰1與P2之間時(shí)，照明程度調(diào)整為Ⅱ級(jí)；當(dāng)?shù)缆方煌髁拷档椭罰1以下時(shí)，照明程度調(diào)整為Ⅰ級(jí)。從凌晨到清晨，道路交通流量逐漸增大，與晚上過程逆向進(jìn)行。

3 智能路燈管理平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)及案例

3.1 智能路燈管理平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)

基于上述智能路燈控制系統(tǒng)功能需求分析和控制策略，將智能路燈管理平臺(tái)分為信息顯示、環(huán)境監(jiān)測(cè)、控制模式、故障分析、視頻監(jiān)控、路燈數(shù)據(jù)六個(gè)主界面，信息架構(gòu)如圖4所示。平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)以功能和需求為導(dǎo)向，將路燈與環(huán)境實(shí)時(shí)信息和多種數(shù)據(jù)分析進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，具備良好的層級(jí)結(jié)構(gòu)，保證操作邏輯和視覺設(shè)計(jì)符合管控人員的認(rèn)知，界面整體達(dá)到直觀、準(zhǔn)確、簡(jiǎn)潔的視覺效果，使市政人員在監(jiān)控中心能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)城市市區(qū)智能路燈遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、控制和管理。

圖4 智能路燈管理平臺(tái)的信息架構(gòu)Fig.4 Information architecture of intelligent street lamp management platform

(1)信息顯示界面。信息顯示界面是其他五個(gè)界面關(guān)鍵信息的匯總和集成，包括路燈工作情況、環(huán)境監(jiān)測(cè)情況和故障報(bào)警情況三類信息，具有實(shí)時(shí)性和綜合性[11]，如圖5所示。各類信息根據(jù)其重要性、關(guān)聯(lián)性和內(nèi)容量進(jìn)行布局。路燈實(shí)時(shí)工作狀態(tài)分布圖基于GIS地理信息系統(tǒng)，采用二維平面可視化地圖的形式，以圓環(huán)符號(hào)表示每條道路路燈總體照明等級(jí)，優(yōu)化信息傳達(dá)的方式[12]。點(diǎn)擊圓環(huán)，以彈框形式顯示某一條道路路燈照明具體情況，多層級(jí)的設(shè)計(jì)以適應(yīng)不同的管理需求。電能能耗統(tǒng)計(jì)、交通流量監(jiān)測(cè)情況和路燈工作情況采用柱狀圖的多種表達(dá)方式對(duì)該區(qū)域能耗、交通流量和工作情況的統(tǒng)計(jì)。當(dāng)前控制模式以餅狀圖展示處于自動(dòng)或人工模式道路數(shù)量占比，直觀反映目前控制情況。天氣狀況監(jiān)測(cè)模塊顯示該區(qū)域環(huán)境溫度、光照強(qiáng)度、空氣質(zhì)量和降雨實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，作為管理人員總體決策的參考依據(jù)。故障報(bào)警情況以表格的形式列出路燈位置、編號(hào)、故障類型和時(shí)間，清晰地為工作人員呈現(xiàn)故障情況[13]。

(2)環(huán)境監(jiān)測(cè)界面。環(huán)境監(jiān)測(cè)界面左側(cè)地圖呈現(xiàn)該區(qū)域的實(shí)時(shí)環(huán)境情況，根據(jù)實(shí)際天氣景象進(jìn)行圖形符號(hào)設(shè)計(jì)，用形象的符號(hào)表達(dá)天氣狀況及程度。其中，光照用不同透明度漸變光圈表示強(qiáng)度；交通流量與常見地圖App一樣，用不同色相區(qū)分路段的擁堵程度；霧霾情況采用動(dòng)態(tài)圖示進(jìn)行預(yù)警；降雨量用明度表現(xiàn)，顏色與天氣狀況一致。通過左下方圖標(biāo)可對(duì)四種環(huán)境情況進(jìn)行切換和查看，右側(cè)反映24 h內(nèi)信息的統(tǒng)計(jì)情況，如圖6所示。

圖5 信息顯示界面Fig.5 Information display interface

圖6 環(huán)境監(jiān)測(cè)界面Fig.6 Environmental monitoring interface

(3)控制模式界面。路燈控制模式包含自動(dòng)控制和人工控制，采用地理信息圖形式呈現(xiàn)各個(gè)路段路燈當(dāng)前控制模式，以藍(lán)色和黃色分別表示自動(dòng)和人工控制模式。點(diǎn)擊地圖或者搜索相應(yīng)道路，將呈現(xiàn)該道路路燈工作情況具體信息。自動(dòng)模式下的工作曲線圖上方標(biāo)注降雨、交通流量等圖案，需要時(shí)可及時(shí)進(jìn)行人工調(diào)整。

(4)故障分析界面。故障分析界面是對(duì)故障實(shí)時(shí)報(bào)警情況的反映和故障情況的分析統(tǒng)計(jì)。路燈故障報(bào)警情況采用地圖式位置顯示和表格式詳細(xì)情況描述，圖和表中的序號(hào)一致，并用紅色和黃色區(qū)分其緊急程度，管理人員根據(jù)故障分布和緊急程度指定維修路線及計(jì)劃，避免傳統(tǒng)巡檢造成時(shí)間和人力資源的浪費(fèi)。故障統(tǒng)計(jì)與分析包含一年內(nèi)故障種類和位置的餅狀圖統(tǒng)計(jì)和每月故障的柱狀圖統(tǒng)計(jì)，是對(duì)路燈硬件設(shè)施質(zhì)量和壽命的評(píng)估，為后期路燈硬件設(shè)施維護(hù)提供優(yōu)化方向。

(5)視頻監(jiān)控界面。智能路燈控制系統(tǒng)與交通部門結(jié)合，融合智能監(jiān)控技術(shù)，管理人員通過視頻監(jiān)控自動(dòng)識(shí)別運(yùn)動(dòng)目標(biāo)、交通路況和客流量。為保證監(jiān)控畫面的完整性，界面以一個(gè)大畫面和四個(gè)小畫面呈現(xiàn)路況和照明的實(shí)時(shí)視頻，市政人員可以點(diǎn)選查看不同位置的視頻監(jiān)控畫面。

(6)路燈數(shù)據(jù)界面。準(zhǔn)確記錄路燈信息是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)。路燈數(shù)據(jù)界面采用列表形式羅列出設(shè)備名稱、設(shè)備編號(hào)、路燈所在道路類型和設(shè)備位置等基本信息，以及路燈工作狀態(tài)、照明等級(jí)、功率和采集時(shí)間等實(shí)時(shí)信息。

智能管理平臺(tái)界面整體采用扁平化設(shè)計(jì)風(fēng)格，增強(qiáng)界面的功能性和可用性。將圖標(biāo)抽象化和平面化，使圖標(biāo)的標(biāo)志性更強(qiáng)，并運(yùn)用非襯線字體突出關(guān)鍵信息，從而提高信息傳達(dá)的準(zhǔn)確性和快捷性[14]。

3.2 案例

樂山是四川省重要樞紐城市、國家歷史文化名城，工作日與節(jié)假日交通流量差異大；氣候四季分明，雨量豐沛，植被茂密，路燈照明易受自然環(huán)境影響?，F(xiàn)以樂山市市中區(qū)嘉定中路為例，運(yùn)用此智能路燈管理平臺(tái)時(shí)路燈照明情況如下。

(1)自動(dòng)模式下的路燈工作狀態(tài)和實(shí)時(shí)監(jiān)控狀態(tài)。當(dāng)嘉定中路路燈處于自動(dòng)控制模式時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)分析出異常天氣情況時(shí)的照明是否滿足人們的視野需求，從而對(duì)該區(qū)域采取補(bǔ)充照明。以白天出現(xiàn)陰雨天氣為例，智能路燈的照明狀態(tài)將根據(jù)該區(qū)域?qū)嶋H光照強(qiáng)度進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，圖7呈現(xiàn)了實(shí)際路面照明情況和智能路燈管理平臺(tái)的環(huán)境監(jiān)測(cè)界面，通過系統(tǒng)自適應(yīng)調(diào)光，路燈自動(dòng)開啟相應(yīng)照明等級(jí)，保證路面照明情況達(dá)到照明標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 白天異常天氣情況下路燈照明狀態(tài)的自動(dòng)調(diào)整Fig.7 Automatic adjustment of street lamp lighting state under abnormalweather in daytime

(2)人工模式界面及單燈控制界面。當(dāng)處于節(jié)假日或設(shè)置的旅游旺季期間，為了給游客展示節(jié)日的特殊燈效，烘托節(jié)日氛圍，此時(shí)工作人員可在監(jiān)控中心的智能路燈管理平臺(tái)上將嘉定中路控制模式設(shè)置為人工模式，如圖8(a)所示。圖8(b)示意在單燈控制界面內(nèi)顯示和調(diào)控每一盞路燈。

圖8 智能路燈管理平臺(tái)-嘉定中路在人工模式的控制Fig.8 Intelligent street lampmanagement platform-Jiading middle road control in manual mode

4 結(jié)論

本文基于智能路燈控制系統(tǒng)搭建了智能路燈管理平臺(tái)，介紹了系統(tǒng)的功能需求和控制策略，對(duì)平臺(tái)界面的功能板塊進(jìn)行了詳細(xì)闡述。智能路燈管理平臺(tái)具有遠(yuǎn)程化、可視化的優(yōu)點(diǎn)，能夠解決在惡劣天氣情況下照明不足、路燈維護(hù)不及時(shí)等問題，保證城市照明環(huán)境舒適度。智能路燈管理平臺(tái)的界面設(shè)計(jì)通過合理的功能分區(qū)和信息可視化，優(yōu)化了智能路燈控制系統(tǒng)的操作方式，提高了市政人員管理效率，為城市照明管理提供了一種可行方案。