城市道路照明自適應節能控制算法與監控系統

周華安，鄭瑤，何湘桂

（1.湖南大學 機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082；2.湖南大學 電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082；3.中津沛科建設股份有限公司，湖南 長沙 410014；）

近三十年來，我國城市道路建設飛速發展，作為保障行車安全的道路照明燈具數量和用電量迅速增加，成為了我國電能消耗的主要形式.大多數城市現有的道路照明控制系統主要采用回路集中控制方式，在設定時刻開燈與關燈，由于季節變化或天氣變化的隨機性，不可避免地存在過早或過晚開燈與關燈現象，且照明功率不能隨車流量的變化而實時改變，導致早、晚高峰期行車不安全或產生巨大的電能浪費.目前我國現有城市道路路燈照明系統至少存在不小于35%的節能空間[1]，已不能適應現代化城市道路綠色節能照明要求.因此，亟需研究與開發新型路燈照明節能控制技術與系統.

研究現有文獻可知，采用主從結構通信方式的道路照明控制系統已成為業界高度重視的發展方向.主要的通信方式有電力線載波和無線GPRS、Zig－Bee、LoRa 等.這些方法容易擴展，其使用和維護便捷高效，不需要鋪設專用通信電纜.在無線技術中，LoRa 具有遠距離、小功耗、低成本、大容量等優點[2]，在道路照明控制中尤顯生命力.文獻[3]設計了一種由監控管理平臺、網關集中器、路燈控制器組成的LoRa 無線通信路燈控制系統.文獻[4]研究與設計了一種隧道照明與機電設備LoRa 無線智能監控系統.智能型道路照明控制系統大多數使用日出日落算法計算開關燈時間[5]，通過某種算法或方式調整開關燈時間或者路燈的照明亮度.文獻[6]使用大量傳感器，在檢測到夜間有車輛和行人時滿功率亮燈，否則關燈，雖然可明顯節能，但沒有考慮氣候變化對檢測準確度和開燈關燈時間的影響.文獻[7]使用歷史光照度、天氣預報信息和日出日落時間等數據，建模預測路燈的開燈關燈時間，難以準確反映天氣變化的影響，且沒有考慮車流量變化，也沒有給出應用效果.文獻[8]根據雨、雪、霧、霾等氣象數據和燈具照明數據控制路燈的開燈關燈時間與照明亮度，也未考慮車流量對道路安全照明的影響.文獻[9]提出在6：00和18：30 左右的固定時刻檢測光照度值，實現路燈開啟或者關閉，采集道路噪聲實現調光控制，未考慮季節變化對開燈關燈時刻的影響.文獻[10]通過每盞路燈的光強度傳感器檢測光強度，在光強度低于或者高于設定閾值區間時產生報警，若區域內報警路燈超過70%，則實施該區域內路燈的開燈或者關燈操作，可滿足異常天氣情況路燈開關燈問題，但沒有考慮節能.顯然，上述文獻沒有合理地解決天氣與車流量變化對開燈關燈時間和照明亮度的影響.

本文提出了一種由路面實時平均亮度反饋的路燈開關燈時間自適應調整算法和基于道路統計小時平均車流量的路燈亮度分時段調光控制策略構成的道路照明自適應節能控制算法，設計了一種城市道路照明無線監控系統，系統采用主站、子站方式，使用LoRa 無線通信技術構網，實現城市道路路燈的監控和數據管理，保障行車安全.實際運行效果表明，該系統可實現約39.3%的節能.

1 開關燈時間自適應調整算法

該算法依據《城市道路照明設計標準》（CJJ 45—2015）[11]，使用日出日落算法計算每天的日出日落時間，在日落時間前后，實時檢測路面自然光平均亮度，通過與設定的道路最大平均亮度比較來調整開燈時間；在日出時間前后，實時檢測路面自然光平均亮度，通過與設定的道路最小平均亮度比較來調整關燈時間.

1.1 日出日落算法

日出日落算法[5]采用系統所在地的經緯度等參數，根據式（1）～（12）計算日出時間TC、日落時間TL，分別作為關閉和開啟路燈的基準時刻.

1）計算日與2000 年1 月1 日之間的天數d.2）計算日到2000 年1 月1 日之間的世紀數t：

式中：tC、tL分別為日出時間和日落時間的計算值，其初值按角度計算，即時間角，均取180°.

3）系統所在地的平近點角G、平黃徑P 和地球傾角ε 為：

4）系統所在地的黃道經度λ 為：

5）系統所在地的太陽偏差δ 為：

6）系統所在地的太陽時間角Gha為：

7）修正值e 為：

式中：Glat為系統所在地緯度.

8）日出、日落時間Ti（i=C，L）修正：

式中：Long為系統所在地經度.

9）Ti精度判斷，若|Ti-ti|＞0.1，則將Ti作為新的日出日落時間值代入ti，返回第2 步；反之，輸出日出日落時間為：

式中：Zone為系統所在地時區.

1.2 開關燈時間的自適應調整

日出日落算法沒有考慮系統所在地天氣條件的影響，在計算出來的日出日落時間關燈和開燈，不可避免地存在路面亮度過高或過低的情況，導致過早或過晚開燈關燈.過早開燈與過晚關燈產生電能浪費，過晚開燈和過早關燈影響行車安全.因此，需要根據不同天氣條件下的路面實時亮度，自適應地調整實際的開關燈時間.

圖1 給出了日出日落時段路面亮度變化曲線，圖中上偏移曲線表示自然亮度值過高情況下的路面平均亮度，理想曲線表示自然亮度值正常條件下的路面平均亮度，下偏移曲線表示雨雪、陰天等天氣使得自然亮度值偏低情況下的路面平均亮度.在日落時間TL開燈照明，對應道路路面平均亮度為Lavmax，在日出時間TC時刻關燈，對應道路路面平均亮度為Lavmin，如圖1 中的實線所示.Lavmax、Lavmin根據《城市道路照明設計標準》（CJJ 45—2015）[11]設計，機動車道路亮度標準值如表1 所示.

表1 機動車道路亮度標準值Tab.1 Standard value of road lighting for motor vehicles

圖1 日落日出時段道路路面平均亮度變化曲線Fig.1 Change curve of average brightness of road surface from sunset to sunrise

顯然，在TL時刻，若在實際亮度L ≥Lavmax條件下開燈會造成電能浪費，在實際亮度L ≤Lavmax條件下開燈會影響行車安全；在TC時刻，若在實際亮度L≥Lavmin條件下關燈會造成電能浪費，在實際亮度L≤Lavmin條件下關燈會影響行車安全.

因此，需在TL前的ΔT 時間（ΔT≥Δt1）啟動日落開燈時刻自適應調整算法.算法步驟如下：

1）讀取系統時間t，并與TL-ΔT 比較；

2）若t≥TL-ΔT，則連續采樣N 次路面亮度Li，否則，返回步驟1；

3）求N 次路面亮度Li的平均值L；

4）若L≤Lavmax-Δ（Δ 為設定的亮度經驗閾值），則開燈，并進入夜間分時段調光控制，記開燈時刻的實際開燈時間小時數為hk.否則，返回步驟2.

在分時段調光控制過程中，判斷系統時間t 的小時數h.若h<10，即已經進入凌晨，需在TC前的ΔT時間（ΔT≥Δt3）啟動日出關燈時刻自適應調整算法.算法步驟如下：

1）讀取系統時間t，與TC-ΔT 比較；

2）若t≤TC-ΔT，繼續執行夜間分時段調光控制.否則，采樣N 次路面亮度Li；

3）求N 次路面亮度Li的平均值L；

4）若L≥Lavmin+Δ，則關燈，否則，返回步驟1.

上述算法根據路面實際平均亮度自適應調整開關燈時間，既能保障行車安全，又能實現節能.

開關燈時間自適應調整算法流程如圖2 所示.

圖2 開關燈時間自適應調整算法流程圖Fig.2 Flow chart of adaptive adjustment algorithm for turn-on and turn-off time

2 分段調光控制策略

道路的夜間車流量與所處城市位置及周邊環境緊密相關，不同區域的車流量差異很大，且在不同的時間段，同一條道路的車流量變化也很大.若在整個夜間照明時間內采用恒定功率照明，較大的照明功率可保障行車安全，但必然會產生較大的電能浪費；較小的照明功率可降低電能消耗，但不能保障高峰期的行車安全.這也是現有城市道路照明控制方式所存在的明顯缺陷.當然，若按照道路夜間實時車流量不停地調節照明功率，雖然可實現最佳節能，但這種控制方式的實現難度較大，且會使得路面亮度產生明顯的突變與頻閃，嚴重影響行車安全.

事實上，對于已成型的城市結構，在較長時期內的夜間道路車流量變化具有一定的規律，一般情況下可用小時統計平均車流量表征，即每天夜間同一時段的平均車流量變化，在一定范圍內保持穩定，所以，可以采用前期一定日期內統計得到的小時車流量推算小時統計平均車流量.根據道路的小時統計平均車流量大小，從開燈時刻開始，對道路照明按小時進行分時段調光控制，不同車流量時段的照明亮度不同.

依據道路類型和等級，由《城市道路工程設計規范》（CJJ 37—2012）[12]確定道路允許最大車流通行能力Nmax，依據經驗確定道路的最小車流量Nmin，Nmax和Nmin分別對應于表1 所示的路面平均亮度最大值Lavmax和最小值Lavmin.每小時的實際照明亮度Lavi和車流量N 之間的函數關系可按圖3 推導得到.

圖3 車流量和照明亮度的線性關系圖Fig.3 Linear relationship diagram between traffic flow and lighting brightness

記日出時間TC的小時數為hC，日落時間TL的小時數為hL，按照小時統計平均車流量N（Nmin≤N ≤Nmax）計算hC-hL+24 之間每小時所需要的照明亮度Lavi：

依據計算出的Lavi可得到夜間照明期間每小時的燈具亮度表或者照明功率表.

從hk開始，由系統從燈具亮度值表中獲取每小時的燈具亮度Lavi，通過LoRa 無線網絡發送到燈控制器，實現分時段調光控制.

查表與分時段調光控制實現方式如下：

1）若hk≤hL，則從表中取hL小時的Lavi值，通過LoRa 無線網絡控制回路送電，調節燈具亮度.

2）讀取系統時間t 的小時數h，若h≥10，則取h-hL小時的Lavi值；若h＜10，即處于凌晨時段，則取h-hL+24 小時的Lavi值.通過LoRa 無線網絡調節燈具亮度.

分時段調光控制流程是由開關燈時間自適應調整算法調用的子流程，如圖4 所示.

圖4 分時段調光控制流程圖Fig.4 Time period dimming control flow chart

3 道路照明自適應控制算法實現步驟

道路照明自適應控制算法由開關燈時間自適應調整算法和分段調光控制策略構成，其實現原理與步驟如下：

1）依據CJJ 45—2015 和CJJ 37—2012，根據道路類型與等級確定Lavmax、Lavmin和Nmax、Nmin；

2）在系統自動運行模式中，主控制器在系統初始化、參數修改后，或者在每天關燈期間的固定時刻（如每天12：00），調用日出日落算法計算當天日出日落時間TC、TL及其小時數hC、hL；

3）基于統計小時車流量N 和上述參數，運行式（13）計算hC-hL+24 小時內每小時的路燈亮度值Lavi；

4）在每天TL-ΔT 時間，運行開燈自適應調整算法，得到實際開燈時間的小時數hk；

5）以hk為基準，查詢每小時的路燈亮度值Lavi，運行夜間照明分時段調光策略；

6）若進入凌晨時段，在每天TC-ΔT 時刻，運行關燈自適應調整算法.

道路照明自適應控制算法實現流程如圖5所示.

圖5 道路照明自適應控制算法實現程序流程圖Fig.5 Program flow chart of adaptive control algorithm for road lighting

4 監控系統結構與功能

根據城市道路照明供配電系統的構成，以一個供配電系統為單元形成監控子系統，每個監控子系統配置一個控制器.采用工控機或者PLC 作為控制器的子系統運行日出日落算法、開關燈時間自適應調整算法和分時段調光控制策略，完成對整個路燈的開關燈與調光控制、系統的管理等功能，稱為主站.其他子系統的控制器均采用LoRa 無線數據采集器作為控制器，稱為子站.系統的所有被監控路燈均使用LoRa 無線燈控制器完成燈電源的開關與調光控制.LoRa 無線數據采集器和燈控制器作為LoRa 無線網絡的終端節點，通過主站的LoRa 無線協調器組網，構成城市道路照明LoRa 無線自適應監控系統.

主站系統結構如圖6 所示，由主控制器、LoRa無線協調器、亮度儀、4G 模塊、路燈回路控制模塊、智能電表和LoRa 燈控制器及燈具構成.

圖6 主站系統結構圖Fig.6 Master station system structure diagram

主控制器與主站內部模塊之間通過RS485 總線通信，從亮度儀獲取路面平均亮度，讀取智能電表數據，通過回路控制模塊控制路燈供電回路的通斷；通過LoRa 無線協調器，發送子站的回路開關、智能電表數據采集、燈具故障檢測命令給各數據采集器，發送子站路燈調光、電源開關命令給各燈控制器；通過4G/5G 模塊與其他系統組建以太網絡，實現路燈監控信息的平臺共享與服務.

子站系統結構如圖7 所示，由LoRa 無線數據采集器、路燈回路控制模塊、智能電表和LoRa 燈控制器及燈具構成.

圖7 子站系統結構圖Fig.7 Substation system structure diagram

LoRa 無線數據采集器接收主站LoRa 無線協調器發布的路燈供電回路控制、智能電表數據讀取等命令，并上傳智能電表的數據，通過RS485 總線通信完成本站路燈供電回路的開關控制，采集回路電表數據.

智能電表和回路控制模塊是具有RS485 通信功能的路燈供配電系統通用設備.從智能電表可獲得路燈回路的用電量、電壓、電流、有功功率、功率因數等電氣參數.回路控制模塊以路燈回路為單元進行供配電控制，實現一組路燈電源的整體送電與斷電.LoRa 無線協調器和LoRa 無線燈控制器是作者團隊成功開發的專利產品，其原理、功能與軟硬件設計在文獻[3] 中有詳細探討.LoRa 無線數據采集器具有RS485 串口數據透傳、開關量輸入輸出、4～20 mA 電流采集、0～10 V 電壓采集、ID 配置等功能.

5 測試結果

該系統已在湖南省某四車道的一段長約3 km的路段進行了實驗測試運行.該路段共有100 盞功率為120 W 的路燈，由一個主站和一個子站構成，依據表1 和CJJ 45—2015 標準，選擇道路最大、最小路面平均亮度分別為2.0 cd/m2、1.5 cd/m2，允許車輛最大通行能力為5 600 pcu/h，道路的經緯度分別為E112.58°和N28.11°，系統所在時區為東八區.

該路段2020 年6 月2 日—16 日的系統穩定運行數據：每日的開關燈時間、調光時長、每日用電量如表2 所示.在日落提前時段，通過亮度儀檢測自然亮度值，若小于2.0 cd/m2則進行開燈操作.根據小時車流量確定該小時時間段內的亮度值，系統進行調光操作，并在日出提前時段檢測自然亮度值，若大于1.5 cd/m2則進行關燈操作.6 月2 日—3 日、7 日—8日、15 日—16 日的開關燈時間和調光值百分比變化值如圖8 所示.

圖8 系統的開關燈時間和調光值百分比Fig.8 The system’s switch light time and dimming value percentage

表2 自適應系統照明用電量和開關燈時間表Tab.2 Adaptive system lighting energy consumption and light switch schedule

為了驗證本文系統的節能效果，選取同一條道路的另外3 km 路段作為比較路段.兩路段的路燈盞數、功率相同，但比較路段使用原有路燈控制系統，在計算出的日出日落時間開關燈，照明時間段的路燈照明功率均為燈具的滿功率，相應的每日開關燈時間、照明時長、每日用電量如表3 所示.在保障道路安全行車的條件下，本文系統的每日平均用電量為73.8 kW·h，比較路段的每日平均用電量為121.6 kW·h，本文系統在夏季相同的天氣條件和時間內實現了約39.3%的節能.

表3 6 月傳統模式調光數據Tab.3 Traditional mode dimming data in June

6 結論

1）為解決道路照明開關燈時間過早過晚問題，提出一種實時檢測路面平均亮度調整開關路燈時間的自適應算法，在保障行車安全的同時，更為精準地控制路燈開關燈時間，實現節能.

2）為解決夜間照明亮度不能根據車流量變化造成巨大能耗的問題，依據城市道路小時車流量變化存在明顯統計規律的特征，提出一種依據道路小時統計車流量實現分段調光控制策略，在車流量大的時段路燈亮度高，在車流量小的時段路燈亮度低，既能保障行車安全，又能實現節能.

3）提出且設計了城市道路照明LoRa 無線物聯網監控系統，給出了系統構架與功能.

4）系統通過湖南省某條干道的運行，驗證了本文算法的有效性，提出的自適應控制系統根據控制策略實現路燈開關、調光等功能，在夏季時段相同的天氣條件和時間內，對比傳統控制方式的系統節能率高達39.3%.