基于車流量控制的道路照明節能控制系統

李付偉，馬榮兵，王 強

(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，尤其是傳統常規路燈的控制方式不夠靈活，控制不夠精確，導致在光照較暗需要開燈時燈沒開起來，早晨環境光照較強不需光照時反而開燈[1]，甚至在深夜車輛和行人較少的時段整夜長亮，而車輛和行人較多的時段燈光昏暗，即傳統的路燈節能控制方式方法會造成電力資源浪費，也可能因為控制方式的不得當威脅到人們的生命和財產安全[2]。

本文利用車流量監測技術、單燈控制技術針對道路照明特點，研究利用車流量來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能控制，實現需要照明時能夠及時提供安全的照度，沒有照度需要時，自動關閉照明或將照度值降到最低，實現按需照明，達到高效節能的目的。

1 道路照明節能控制系統設計

如圖1所示，我們設計了一種智能感知城市照明節能管理系統，整個系統由智能感知探頭、聯網LED路燈、單燈集中器以及數據控制中心4個部分組成。

1.1 系統各功能的實現

1)車流量檢測。通過對比車輛檢測技術的研究可知，目前常用的檢測技術均有一定缺點和局限性，比如感應線圈檢測器有需破路，安裝不便、容易壞壽命短的缺點，微波雷達車輛檢測器有側向安裝時無法準確統計車速度信息的缺點，紅外線檢測器有無法側向檢測、容易受天氣環境影響的缺點，超聲波檢測器無法同時檢測多個車道車輛占用情況，視頻檢測技術有成本高、體積大、檢測速度慢的缺點[3]。由于我們不需要準確檢測每一輛車的車速信息，結合功能、成本、安裝便利性等方面考慮，選用微波雷達車輛檢測技術完成車輛經過檢測功能。

2)開關和調光。能夠快速開關和調光的光源及相應的控制電路是該系統能否實現的關鍵因素，因此我們選用高效、且能夠迅速開啟和關閉的LED光源作為照明燈具[4]，要實現清晨關燈、傍晚開燈并根據車流量調節燈具亮度，燈具還必須具有遠程調光、開啟和關閉功能，這些功能可以通過單燈控制器配合可調光的LED開關電源實現[5]，如圖2所示。

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

3)組網通信。底層通信網絡是該系統網絡結構中最重要的一層，底層網絡能否快速、高效、可靠的進行數據傳輸關系到整體系統節能效果，結合道路環境和使用要求，底層通信網絡設計應滿足：每桿路燈都能夠進行點對點通信，其中一桿或多桿路燈故障不影響其他路燈通信功能，路由級數不應太多，通信及時可靠。為降低路由級數，減小通信延時，底層網絡通信我們選用CC2530+CC2591射頻前端作為功率放大芯片[6]，通過CC2591放大后射頻輸出功率最大可至+20 dBm，實際可靠傳輸距離在800～1 000 m左右，路由級數在2～3級之間，即使路段中間部分控制器故障，不影響系統其他設備網絡通信正常。

1.2 節能模型設計

1)節能模型的運行模式。將一天的24小時作為一個光照周期，系統運行可分為3個運行模式，分別為正常照明模式、智能節能模式、關閉照明模式，如圖3所示。

2)感知探頭布局。圖4為常見路段感知探頭布局，實心圓為安裝感知探頭的位置，布局在車輛經過路段起始位置，其車輛感知區域為圖示陰影橢圓區域，空心圓為常規路燈，路面箭頭為控制路燈依次點亮方向，當車輛經過車輛感知區域時，安裝了感知探頭的路燈單燈控制器發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。

該節能模型的軟件處理流程圖如圖5所示。

圖2 單燈控制器開關和調光Fig.2 Single light controller switch and dimming

圖3 24小時內節能模型的運行模式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 系統應用的節能效果分析

選上海市大沽路為例進行節能效果分析，為了便于數據分析，我們選用一個感知探頭控制的多個燈具的簡單模型，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號燈桿位置，感應到車輛經過感知區域后，1～15號燈桿依次點亮。選擇2016年3月1日12時至3月2日12時作為一個時間周期，道路的已知參數如表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

根據圖6和表1，計算及實測相關節能參數如表2所示。

表1 道路已知參數Table 1 Road determination parameters

表2 道路計算及實測相關節能參數

由表2可知，3月1日17：53分日落，但照度在18時05分低于30 lx，因此18:05時刻進入正常照明模式打開路燈并調節路燈輸出功率至50%，18:10時刻光照度低于15 lx，調節路燈功率100%輸出。隨著時間的推移，在21:16時刻統計前1小時車流量小于Ks(429輛/h)，進入智能節能模式，3月2日6:01時刻照度大于20 lx，關閉所有路燈，進入關閉照明模式。

2.1 智能節能模式的節能效果分析

進入智能節能模式后，路燈的開啟和關閉將根據感知探頭感知到的車輛經過信息進行精確控制，在圖6的0號桿位置檢測到車輛經過后1～15桿路燈間隔2.1 s依次點亮，由于1～15桿路燈不知道車輛是否經過，因此1～15桿需要按照車輛最低速度計算車輛經過時間來延遲關閉路燈，從第1桿延時Td1(8.4 s)關閉，后續依次增加一個Td的延時時間，第15桿路燈延時時間Td15為126 s。

1)每桿燈應用的Ks不同。當平均車流量大于某個值時燈具將進入常亮狀態，由于每個燈桿亮燈延時Tdj各不相同，因此每桿燈進入常亮時對應的車流量也不相同。圖7為每盞燈進入常亮模式對應的車流量曲線。表3為每桿燈對應車流量門限詳細數據。

圖7 路燈桿對應車流量門限曲線Fig.7 Traffic threshold curve corresponding to light poles

表3 每桿燈對應的車流量門限KsTable 3 Traffic threshold corresponding Ks per pole

2)車流量越少節能效率越高。為了便于分析，假設一小時內車輛是平均等間隔通過測試路段，每桿路燈的亮燈延時時間的累加作為一次車輛通過時總耗電時間，當車流量大于燈桿的車流量門限Ks時，按常亮處理，則得出耗電曲線如圖8所示，節能比率曲線如圖9所示。當車流量小于29輛/h時耗電量按照0.056的斜率線性增加，節電效率也線性下降，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，同時節電效率逐步下降。車流量為27輛/h時，節電效率為50%，僅僅從節能比率分析，當車流量小于27輛/h時，該節能模式優于定時節能50%的節能模式。當車流量大于27輛/h時節能效果逐漸降低，直到大于429輛/h時所有路燈進入常亮模式。

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量越少節能效率越高。通過以上分析可知，隨著燈桿離感知探頭距離的增加，其亮燈延時時間也要相應增加，亮燈延時的增加會降低節能效率。圖10為感知探頭控制不同數量燈桿時的節能效率與車流量關系曲線。可以看出相同車流量下感知探頭控制的燈桿數量越少，節能效率越高；相同節能效率下感知探頭控制燈桿數量越少，車流量門限越大。當每個燈桿全部安裝感知探頭時車流量與節能比率成線性遞減關系，這種布局在同等車流量下節能比率最大，節能效果最佳。

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

2.2 與幾種常見的節能模式的對比分析

為了更直觀的分析本文所述基于實時車流量的節能模型效果，選用目前幾種常見的道路照明節能模式節能效果進行對比分析，按照表1和表2的路況參數進行計算，若按日出日落進行開關不進行節能控制，則2016年3月1日12時至2016年3月2日12時時段的耗電量為37.2 kW·h，定義從當日22時至次日5時為節能時段；各節能模式下節能率如表4所示。

通過以上幾種節能模式的從節能效率上的對比來看，在相同路段相同時間，相同節能時間段的情況下，半夜燈控制節能模式、單燈調光節能模式、基于實時車流量的節能模式三種節能模式相對較好，均可達到30%以上的節能比率，其中基于實時車流量的節能模式，在車流量較少的環境下，效果最佳。

表4 不同節能模式下節能率對比

3 結束語

對于現有道路照明控制及照明節能技術的各種缺陷，本文給出了一種基于車流量的照明節能控制技術，并給出了實驗模型驗證以及與現有節能模式對比。相比現有節能方式，該控制系統實現在不影響道路照明安全的同時還能夠高效的節能。尤其在市郊等深夜車流量較少的道路應用此路燈節能控制系統，道路照明節能效率更高。

[1] 丁曉．基于模糊技術LED路燈節能控制方法研究[D]．浙江：浙江大學，2013.

[2] 謝天道．基于ZigBee的LED路燈控制系統的設計與實現[D]．杭州：杭州電子科技大學，2010.

[3] 韓延全．基于小區逗留時間法的交通參數估計方法研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工業大學，2009.

[4] 楊喜云. 單燈控制系統在EMC模式LED道路照明節能改造的應用[J].照明工程學報，2016，27(3)：40.

[5] 趙鵬，郭敏. 太陽能路燈節能控制系統的設計與實現[J].照明工程學報，2016，27(3)：31.

[6] 許夢羊,羅素芹,陳國棟,等. 基于ZigBee和GPRS感知天氣的太陽能LED路燈控制系統[J].照明工程學報，2017，28(5)：54.

[7] 于興艷，田娟. 基于傳感器的智能道口交通流量監測研究[J].自動化與儀器儀表，2016(5)：26.