多源感知、处理与决策的城市LED路灯智能照明系统解析与实例

曹建泽 黄建民

一、智能照明的发展及现状

在我国，20世纪80年代就开始了“城市路灯监控及管理”方面的研究，随后，路灯监测技术水平有了很大的进展，理论水平及实际的应用得到了多方面的验证及提高，而今已逐步形成了一整套较为完整的技术理论[1]。

进入20世纪90年代，北京、上海、南京等地的高等院校及科研机构陆续对城市道路照明的智能控制的可实用性的进行了多方面的论证，为以后的城市道路智能照明系统的发展积累了许多宝贵的经验，也奠定了一定的技术基础及理论基础。发展到21世纪，国家对城市建设中节能减排的高度重视，又再次实质性地促进了城市道路照明的智能控制系统的发展，及市场的应用[2]。

随着计算机、互联网、物联网等技术高速发展，计算机技术、嵌入式微处理技术、电子通讯技术的应用也取得了显著成效。通过嵌入式微处理技术及计算机技术[3]来实现城市道路照明的智能控制，进行科学、智能化的管理的时机到了，因此研发出一套城市道路照明智能控制的集成系统，实现对城市道路照明的科学管理，融入智慧城市概念[4]，具有非常重要的应用价值及意义。

面对城市道路照明范围广及道路线路的复杂性等，特别是二线、三线城市，就要充分利用GSM/GPRS远程无线通信技术[5]、ZigBee无线通信技术、电力线载波有线通信技术等。GSM/GPRS远程无线通信技术的功能主要是利用现有的互联网通信技术将路灯灯具控制器的各种指令及采集的各类运行数据，无线通信ZigBee技术是能实现短距离进行数据及信号传输的无线网络通信技术，具有低功耗、低速率、低成本的特点[6]，其功能是采集和控制单灯的电流来实现对路灯进行智能控制开关及亮度调节，并将采集到的信息通过上传给ZigBee协调器，够成网络传输。有线的电力线载波通信（Power Line Communication，PLC），是利用电力线进行载波信号的传输来实现指令信息及数据的传输。随着数字化技术的发展，电力载波PLC技术也开始向数字化发展。

以后，城市道路照明远程管理系统的发展方向：首先是监控系统的远程化智能控制。在新型的城市道路照明的远程监控系统中，中央控制室是采用TCP/IP标准协议的公共通信设施GPRS/CDMA来进行通信，实现了Internet无线网络和城市道路照明的远程监控系统的连接。在接入到无线Internet网络之后，就可以实现工作人员在任意时间、任意地点获取路灯的现场工作状况并对其进行智能控制[7]。其次就是节能控制。利用节能技术融入城市道路照明的远程监控系统里，使系统发展成为将节能控制及监控功能相结合的城市道路照明远程监控系统。最后就是管理控制的系统化。单灯控制器监控路灯及采集数据，并把每个路灯的工作运行状况传送到集中控制器，最后传输到到中央控制室[8]，反之亦然。

二、智能照明系统介绍

从照明系统的二次节能、信息管理、数据报表与故障维护分析，都需要高度的智能照明控制技术，以实现系统内间的相互感知，与对照明设施的运行、维护与抢修模式实行远程集中控制与管理，并执行及时、准确的响应。

智能照明控制系统主要包括：①节能模式。对于服务对象城市道路照明来说，不同的地理位置、不同的时间段（点）对照度的需求是不同的。对应于智能控制下的道路照明管理，除了要考虑不同的地理位置、不同的片区。还要考虑不同的灯型、不同的光源、不同的控制线路以及电压的情况。②运营管理模式。集远程控制、数据采集、报警提示与处理的3个系统，来实现对城市道路照明、灯光管理部门系统的信息共享。通过遥控、遥信、遥测三遥系统使得整个系统更加人性化的服务，提高城市管理水平及形象。③维修模式。利用GIS技术的空间分析能力，再根据线路连通关系及实时电气参数，判断距离故障地点，及时、高效地应急抢修。

多源感知、处理与决策的城市LED路灯智能照明控制系统技术研究的系统设计框架是在分层管理体系架构的基础上设计了一种层级式控制结构，主要由单灯（双灯）控制终端、路灯监控子站、路灯管理中心3层结构组成。

1.单灯（双灯）控制终端（器）

以单个路灯（双灯）节点控制器为基础，根据城市道路分布情况划分不同的控制区域，在每个区域设立区域控制终端（器）。在同一个区域里，即同一个区域控制终端下，所有的节点（单灯、双灯）控制器都是对等的，各个路灯（单灯、双灯）节点控制器都是半自治的，对路灯具有实时控制的能力。也可以根据道路环境对照度的需求及节能需求实现有效的、灵活的控制，保持每个路灯的电压稳定；同时将检测到的电流、电压等数据信息发送给路灯监控子站（区域控制终端），并对子站的指令进行响应与执行操作。

2.路灯监控子站（区域控制终端）

路灯监控子站（区域控制终端）主要是区域路灯控制终端（器）。区域控制终端属于分层管理体系中的应用型智能体，它高路灯（单灯、双灯）控制器一个层次。区域控制终端（器）作为路灯一个区域的控制和管理单元，与本区域内的每一个节点（路灯）控制器实现通信，负责整个区域的统筹管理与控制，同时也与同一个系统中其他区域的路灯控制终端互相通信，以协调同一条道路上的照明。

3.路灯管理中心

路灯管理中心就是常说的监控中心。它相当于管理体系中的管理型与工具型智能体的结合。监控中心是整个道路照明控制系统的管理及控制中心，通过通信网络与各个区域路灯控制终端通信，并通过人机交互操作界面，实现远程控制并实时反应各区域各个路灯的运作情况，当出现异常、故障时提供异常显示及自动报警等。

智能照明技术能够有效推动二次节能，数据流动和共享，提高故障诊断和抢修能力，从而帮助用户及城市管理者实现真正的按需照明、节能减排、主动感知、精细管理。

三、智能照明系统的意义及应用前景

国家制定的“7大战略性新兴产业”指出，要加强城市建设和管理，加快建设绿色城市、低碳城市、智慧城市、文明城市，推行城市网格化管理模式，提高城市节能化、智能化、精细化管理水平。融合多源感知、處理与决策的城市路灯智慧照明技术研究，能够实现城市按需照明、节能减排、主动感知、精细管理。它的具体意义在于：

1.大幅提升节能效率

通过按需照明并结合持续节能潜力挖掘，与可调光灯具的结合将能产生最大的节能效益。

2.减少维护费用

减少人工巡查和提升维修效率，使得日常的维护费用大幅度降低；信息的及时交互也同时保证了更安全、准确、科学的现场作业。

3.延长灯具寿命

通过更精细化的管理，节能的同时使得灯具避免了过度和无效照明现象，灯具的使用时限得以延长。

4.更好的评估与预测

建立更科学的产品及服务跟踪评估体系，使得产品、服务商的选择更加准确；灯具寿命在线跟踪也能知道更好的更换计划。

5.提升城市道路照明的水准

为了加快城市道路照明实现智能化、系统化及科学管理，推行城市网格化管理模式，提高城市的管理效能和运营质量。

四、智能照明系统的应用实例

在路灯灯杆、或者路灯外罩内安装控制器实现对路灯的实时控制，可以实现路灯开关、亮度调节（二次节能）、资产管理、环境监测、故障报警、动态导航、能耗数据传输等功能，达到城市管理自动感知智能控制的效果（图1）。

区域控制器控制一定数量的路灯（最好在200盏以内），实现数据采集及传输指令作用，一般安置于路灯的配电柜内，方便工作及安置。

路灯控制中心，即监控中心整个道路照明控制系统的管理及控制中心，通过通信网络与各个区域路灯控制终端通信，并通过人机交互操作界面，实现远程控制并实时反应各区域各个路灯的运作情况。一般建设于路灯管理所，方便管理人员的操作及监控，也可以应用手机APP功能，通过监控系统对路灯进行监控及操作。

实际的布局及安置，可能要根据道路实际情况，避免道路情况对信号及指令传输的干扰，因地制宜做些调整，达到预期效果。

总之，随着我国经济及城市的高速发展，城市道路照明的智能控制系统成为很重要的一个内容，而且随着其内容内涵的不断拓展，在交通安全、社会治安、环境监测、资产管理等方面都将承担着非常重要的作用和地位。

参考文献

[1] 汪建平，邓云塘，钱公权.道路照明[M].上海：复旦大學出版社，2005.

[2] 宋成艳.城市路灯无线监控管理系统的研究[D].广州：广东工业大学硕士学位论文，2007.

[3] Wen YaoJung，Angelino A M.Wireless networked lighting systems for optimizing energy savings and usersatisfaction[J]. IEEE WHNC，2008（9）：1-7.

[4] 辛红伟，唐慧强，彭树生.多普勒路灯智能控制器及其应用方案研究[J].电力电子技术，2007，41（10）：31-33.

[5] 张伟，王宏刚，程培温.基于GPRS的智能路灯远程监控系统的研究[J].计算机测量与控制，2010，18（9）：2104-2105.

[6] Lee J D，Nam K Y，Choi S B，et al.Development of ZigBee based Street Light Control System[J].IEEE PES，2006，6：2236-2240.

[7] 平青.基于物联网技术的城市照明控制系统[D].苏州：苏州大学，2010：10-16.

[8] 张凯婷，朱婧，王芳，等.感知矿山物联网智慧照明系统设计[J].工矿自动化，2014，40（1）：9-12.