基于視頻圖像處理技術(shù)的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)

康 強(qiáng)

（山東科技大學(xué)，山東 青島 266510）

1 研究背景

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，電力資源消耗巨大，使得電力能源十分緊張。

在我國(guó)的整體用電中，城市照明用電占有很大的比例。城市路燈是城市現(xiàn)代化建設(shè)中重要的組成部分，它為人們創(chuàng)造著良好的生產(chǎn)生活環(huán)境。然而，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，街道照明的數(shù)量逐年增加，其用電量在城市總消費(fèi)量中所占的比例也在不斷增加。要想減少每年城市電力能源的消耗，對(duì)于現(xiàn)有的道路照明設(shè)備及控制方式進(jìn)行改造意義重大。

目前，我國(guó)很多城市路燈系統(tǒng)仍采用“全夜燈”的方式進(jìn)行照明，但后半夜行人稀少，采用“全夜燈”的方式浪費(fèi)巨大。

另外，即使在繁華的大城市，午夜過(guò)后，馬路上也很少有行人、車(chē)輛，所以在低交通流量環(huán)境下，路燈仍然亮著顯然是不必要的。因此，國(guó)家發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)城市照明節(jié)電工作的通知》支持推動(dòng)在城市照明建設(shè)與改造中，要大力推廣節(jié)電新技術(shù)新產(chǎn)品，努力降低城市照明電耗。

2 系統(tǒng)提出

基于以上背景，如若在深夜時(shí)段23：00至5：00這段時(shí)間內(nèi)合理地控制路燈的亮度，不僅可以節(jié)約大量的電能和功率消耗，同時(shí)也能提高燈具的利用率，以達(dá)到更高效率的節(jié)能。

基于道路光環(huán)境與夜間行車(chē)安全要求，本文提出一種基于視頻圖像處理技術(shù)和5G無(wú)線通信技術(shù)的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)將道路照明模式分為兩種，一種為《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的機(jī)動(dòng)車(chē)道照明亮度，即正常模式，另一種為《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的人行道照明亮度，為機(jī)動(dòng)車(chē)道照明亮度的1/2，即節(jié)能模式。當(dāng)?shù)缆飞嫌熊?chē)輛行駛時(shí)便開(kāi)啟正常模式；當(dāng)?shù)缆飞蠜](méi)有行駛車(chē)輛時(shí)，道路照明系統(tǒng)便開(kāi)啟節(jié)能模式，保證行人安全通行需要即可。

本系統(tǒng)以十字路口為劃分依據(jù)，以相鄰兩個(gè)十字路口間的路段為單位，每條道路兩側(cè)車(chē)道的入口處和出口處的攝像機(jī)數(shù)量根據(jù)車(chē)道數(shù)量而定。本系統(tǒng)隨城市照明系統(tǒng)一同開(kāi)啟，系統(tǒng)工作過(guò)程共分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段是從黃昏開(kāi)啟路燈到夜晚23：00之前，由于在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)處于人們活動(dòng)的高峰期，道路上行人和車(chē)輛較多，因此路燈以額定亮度進(jìn)行照明，路燈的輸出亮度為100%，即照明正常模式；第二個(gè)階段是從夜晚23：00到第二天5：00之前，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)已經(jīng)過(guò)了人們活動(dòng)的高峰期，道路上行駛的車(chē)輛和路過(guò)的行人非常少，為了避免電能的浪費(fèi)，路燈不需要一直以額定亮度照明，在沒(méi)有車(chē)輛的時(shí)候路燈工作在額定亮度的50%，即節(jié)能模式。當(dāng)檢測(cè)到車(chē)輛時(shí)，系統(tǒng)可及時(shí)將車(chē)輛行駛路段的路燈亮度調(diào)高至正常模式。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本章根據(jù)道路光環(huán)境與夜間行車(chē)安全要求，提出一種基于視頻圖像處理技術(shù)和5G通信網(wǎng)絡(luò)的智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)。本章詳細(xì)闡述了智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全要求、運(yùn)行方式。

3.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

3.1.1 駕駛員對(duì)背景照明環(huán)境要求

夜晚城市道路的光環(huán)境包括道路照明和景觀照明。對(duì)于夜間駕駛，主要的視覺(jué)光環(huán)境集中在道路照明。道路照明為夜間駕駛提供背景燈光。夜間駕車(chē)過(guò)程中，駕駛員主要是依賴于道路兩側(cè)的照明來(lái)獲取信息和做出決策，因此背景照明對(duì)夜間行車(chē)安全起著重要作用。

根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)道路照明標(biāo)準(zhǔn)，城市道路照明水平不是一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)值，而是根據(jù)不同的道路水平有不同的照明標(biāo)準(zhǔn)。在夜間行駛時(shí)，駕駛員駛?cè)氩煌彰鞯燃?jí)的道路就要適應(yīng)不同的背景照明，這對(duì)駕駛員的視覺(jué)適應(yīng)能力是一個(gè)考驗(yàn)。同時(shí)，背景照明的穩(wěn)定性與均勻性也會(huì)影響駕駛員的視覺(jué)判斷。良好的背景照明環(huán)境使駕駛員能在第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)障礙物，從而盡快作出反應(yīng)。高質(zhì)量的背景照明為駕駛員提供舒適的視覺(jué)環(huán)境，減少駕駛員的視覺(jué)作業(yè)負(fù)荷，有利于提高夜間駕車(chē)的安全性。

因此，要保證夜間道路駕駛員行駛的安全，必須要保證道路照明系統(tǒng)的科學(xué)性與合理性。

3.1.2 路燈照明強(qiáng)度要求

據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，根據(jù)道路使用功能，城市道路照明方式可分為機(jī)動(dòng)車(chē)交通道路照明和非機(jī)動(dòng)車(chē)行人道路照明兩類(lèi)。標(biāo)準(zhǔn)明確指出，與機(jī)動(dòng)車(chē)交通道路分隔的非機(jī)動(dòng)車(chē)道路的平均照度值應(yīng)為相鄰機(jī)動(dòng)車(chē)交通道路的平均照度的1/2。當(dāng)人行道與非機(jī)動(dòng)車(chē)道混用時(shí)，人行道路的平均照度值與非機(jī)動(dòng)車(chē)道路相同。當(dāng)人行道路與非機(jī)動(dòng)車(chē)道路分設(shè)時(shí)，人行道路的平均照度值宜為相鄰非機(jī)動(dòng)車(chē)道路的照度值的1/2，但不得小于5lx。

根據(jù)上述文件要求，若在夜間無(wú)車(chē)輛行駛時(shí)，將路燈亮度降低為人行道所需的照明亮度，待有車(chē)輛駛?cè)耄阃ㄟ^(guò)智能控制裝置將路燈亮度提高，待車(chē)輛駛出之后，再將路燈亮度恢復(fù)至人行道所需照明亮度。如此一來(lái)，既保證了車(chē)輛行駛時(shí)道路照明的均勻度和明亮度，而且也在無(wú)車(chē)行駛時(shí)節(jié)省了近一半的電力。與此同時(shí)，在道路上有車(chē)輛行駛時(shí)，充分的道路照明也保證了行人和車(chē)輛的行駛安全，避免了道路交通事故的發(fā)生。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程

本文提出的節(jié)能控制系統(tǒng)主要應(yīng)用于城市次干道以及其他夜間車(chē)流量較少道路，系統(tǒng)構(gòu)成主要包括視頻檢測(cè)器、數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備、中央處理器、智能控制器、功率變換單元組成。

本文提出的節(jié)能控制系統(tǒng)應(yīng)選擇適當(dāng)城市進(jìn)行試點(diǎn)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后方可進(jìn)行較大范圍的推廣。具體實(shí)施方案如下：

在所有路口上方設(shè)置攝像機(jī)，使其能夠在各自正對(duì)的路段投放一個(gè)照射所有車(chē)道的識(shí)別區(qū)域，用于識(shí)別駛出和駛?cè)肫湔龑?duì)路段車(chē)輛，所拍攝的圖像作為判斷車(chē)輛行駛方向和核對(duì)車(chē)輛是否違法變道的依據(jù)，每個(gè)攝像機(jī)都通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備與視頻檢測(cè)器相連。視頻檢測(cè)器通過(guò)其軟件結(jié)構(gòu)將與其相連的攝像機(jī)拍攝的圖片進(jìn)行處理，然后將信息通過(guò)5G通信模塊發(fā)送至中央處理器，中央處理器根據(jù)其所得信息通過(guò)5G通信網(wǎng)絡(luò)控制智能控制器進(jìn)一步控制路燈模式調(diào)節(jié)。

攝像機(jī)將在其識(shí)別區(qū)域放置虛擬線圈，通過(guò)編碼不同的虛擬線圈來(lái)代表不同的車(chē)道，攝像機(jī)拍攝其所在路段的正對(duì)路段的車(chē)道信息，攝像機(jī)捕捉到的圖像經(jīng)過(guò)視頻檢測(cè)器處理后，獲取車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)和轉(zhuǎn)彎信息，然后將信息傳遞至中央處理器，中央處理器根據(jù)發(fā)送的信息便可判斷車(chē)輛的行駛方向。（見(jiàn)圖1）

圖1 虛擬線圈的設(shè)置

為節(jié)約成本，減少維護(hù)維修費(fèi)用，只在市內(nèi)設(shè)置一處中央控制中心，放置中央處理器，用于處理各視頻檢測(cè)器處理后圖像所發(fā)送的車(chē)輛信息。

中央處理器控制所有道路路燈的照明模式，另外安裝相應(yīng)控制程序，在接收視頻檢測(cè)器發(fā)送的信號(hào)后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)5G通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)出相應(yīng)道路照明模式轉(zhuǎn)換命令。

另外，對(duì)城市里所有的路燈線路進(jìn)行統(tǒng)一改造，加裝智能控制器及功率轉(zhuǎn)換裝置。智能控制器接收中央處理器發(fā)送的模式轉(zhuǎn)換命令，進(jìn)而控制功率轉(zhuǎn)換器改變路燈亮度，以根據(jù)道路情況實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換道路照明模式。

根據(jù)《道路交通安全法》相關(guān)規(guī)定及汽車(chē)行駛規(guī)則，車(chē)輛于十字路口行駛方式可歸納為七種基本情況，其他行駛方式皆可根據(jù)這七種情況通過(guò)組合演變形成。七種基本行駛方式分別是：?jiǎn)诬?chē)行駛（直行、右轉(zhuǎn)）、單車(chē)行駛（左轉(zhuǎn)、掉頭）、單車(chē)行駛（駛出道路）、雙車(chē)同道同向行駛、雙車(chē)同道異向行駛、雙車(chē)異道同向行駛以及違法變道。

下面以六車(chē)道十字路口為例，對(duì)上述七種車(chē)輛行駛方式中的雙車(chē)同道異向行駛進(jìn)行本系統(tǒng)的運(yùn)行演示。

當(dāng)兩輛車(chē)并行行駛，但在駛?cè)胧致房诤蠓值蓝袝r(shí)，智能控制系統(tǒng)在其通過(guò)十字路口時(shí)運(yùn)行方式如圖2所示。

圖2 雙車(chē)同道異向行駛系統(tǒng)運(yùn)行方式

4 結(jié)束語(yǔ)

此系統(tǒng)在為城市道路照明提供節(jié)能控制方案的同時(shí)，能有效兼顧道路照明的合理性和安全性，并保證道路照明，減少道路交通安全事故和社會(huì)治安事件的發(fā)生，在倡導(dǎo)節(jié)約能源、電力資源合理利用的今天，該裝置有著十分廣闊的社會(huì)和商業(yè)前景。