基于视频图像处理技术的智能路灯节能控制系统

康 强

（山东科技大学，山东 青岛 266510）

1 研究背景

改革开放以来，我国经济迅速发展，电力资源消耗巨大，使得电力能源十分紧张。

在我国的整体用电中，城市照明用电占有很大的比例。城市路灯是城市现代化建设中重要的组成部分，它为人们创造着良好的生产生活环境。然而，随着我国经济的快速发展，街道照明的数量逐年增加，其用电量在城市总消费量中所占的比例也在不断增加。要想减少每年城市电力能源的消耗，对于现有的道路照明设备及控制方式进行改造意义重大。

目前，我国很多城市路灯系统仍采用“全夜灯”的方式进行照明，但后半夜行人稀少，采用“全夜灯”的方式浪费巨大。

另外，即使在繁华的大城市，午夜过后，马路上也很少有行人、车辆，所以在低交通流量环境下，路灯仍然亮着显然是不必要的。因此，国家发布了《关于进一步加强城市照明节电工作的通知》支持推动在城市照明建设与改造中，要大力推广节电新技术新产品，努力降低城市照明电耗。

2 系统提出

基于以上背景，如若在深夜时段23：00至5：00这段时间内合理地控制路灯的亮度，不仅可以节约大量的电能和功率消耗，同时也能提高灯具的利用率，以达到更高效率的节能。

基于道路光环境与夜间行车安全要求，本文提出一种基于视频图像处理技术和5G无线通信技术的智能路灯节能控制系统，该系统将道路照明模式分为两种，一种为《城市道路照明设计标准》规定的机动车道照明亮度，即正常模式，另一种为《城市道路照明设计标准》规定的人行道照明亮度，为机动车道照明亮度的1/2，即节能模式。当道路上有车辆行驶时便开启正常模式；当道路上没有行驶车辆时，道路照明系统便开启节能模式，保证行人安全通行需要即可。

本系统以十字路口为划分依据，以相邻两个十字路口间的路段为单位，每条道路两侧车道的入口处和出口处的摄像机数量根据车道数量而定。本系统随城市照明系统一同开启，系统工作过程共分为两个阶段，第一个阶段是从黄昏开启路灯到夜晚23：00之前，由于在这个时间段内处于人们活动的高峰期，道路上行人和车辆较多，因此路灯以额定亮度进行照明，路灯的输出亮度为100%，即照明正常模式；第二个阶段是从夜晚23：00到第二天5：00之前，在这个时间段内已经过了人们活动的高峰期，道路上行驶的车辆和路过的行人非常少，为了避免电能的浪费，路灯不需要一直以额定亮度照明，在没有车辆的时候路灯工作在额定亮度的50%，即节能模式。当检测到车辆时，系统可及时将车辆行驶路段的路灯亮度调高至正常模式。

3 系统设计

本章根据道路光环境与夜间行车安全要求，提出一种基于视频图像处理技术和5G通信网络的智能路灯节能控制系统。本章详细阐述了智能路灯节能控制系统设计的安全要求、运行方式。

3.1 设计依据

3.1.1 驾驶员对背景照明环境要求

夜晚城市道路的光环境包括道路照明和景观照明。对于夜间驾驶，主要的视觉光环境集中在道路照明。道路照明为夜间驾驶提供背景灯光。夜间驾车过程中，驾驶员主要是依赖于道路两侧的照明来获取信息和做出决策，因此背景照明对夜间行车安全起着重要作用。

根据国际照明委员会标准和我国道路照明标准，城市道路照明水平不是一个统一的标准值，而是根据不同的道路水平有不同的照明标准。在夜间行驶时，驾驶员驶入不同照明等级的道路就要适应不同的背景照明，这对驾驶员的视觉适应能力是一个考验。同时，背景照明的稳定性与均匀性也会影响驾驶员的视觉判断。良好的背景照明环境使驾驶员能在第一时间发现障碍物，从而尽快作出反应。高质量的背景照明为驾驶员提供舒适的视觉环境，减少驾驶员的视觉作业负荷，有利于提高夜间驾车的安全性。

因此，要保证夜间道路驾驶员行驶的安全，必须要保证道路照明系统的科学性与合理性。

3.1.2 路灯照明强度要求

据《城市道路照明设计标准》规定，根据道路使用功能，城市道路照明方式可分为机动车交通道路照明和非机动车行人道路照明两类。标准明确指出，与机动车交通道路分隔的非机动车道路的平均照度值应为相邻机动车交通道路的平均照度的1/2。当人行道与非机动车道混用时，人行道路的平均照度值与非机动车道路相同。当人行道路与非机动车道路分设时，人行道路的平均照度值宜为相邻非机动车道路的照度值的1/2，但不得小于5lx。

根据上述文件要求，若在夜间无车辆行驶时，将路灯亮度降低为人行道所需的照明亮度，待有车辆驶入，便通过智能控制装置将路灯亮度提高，待车辆驶出之后，再将路灯亮度恢复至人行道所需照明亮度。如此一来，既保证了车辆行驶时道路照明的均匀度和明亮度，而且也在无车行驶时节省了近一半的电力。与此同时，在道路上有车辆行驶时，充分的道路照明也保证了行人和车辆的行驶安全，避免了道路交通事故的发生。

3.2 系统运行过程

本文提出的节能控制系统主要应用于城市次干道以及其他夜间车流量较少道路，系统构成主要包括视频检测器、数据传输设备、中央处理器、智能控制器、功率变换单元组成。

本文提出的节能控制系统应选择适当城市进行试点，总结经验后方可进行较大范围的推广。具体实施方案如下：

在所有路口上方设置摄像机，使其能够在各自正对的路段投放一个照射所有车道的识别区域，用于识别驶出和驶入其正对路段车辆，所拍摄的图像作为判断车辆行驶方向和核对车辆是否违法变道的依据，每个摄像机都通过数据传输设备与视频检测器相连。视频检测器通过其软件结构将与其相连的摄像机拍摄的图片进行处理，然后将信息通过5G通信模块发送至中央处理器，中央处理器根据其所得信息通过5G通信网络控制智能控制器进一步控制路灯模式调节。

摄像机将在其识别区域放置虚拟线圈，通过编码不同的虚拟线圈来代表不同的车道，摄像机拍摄其所在路段的正对路段的车道信息，摄像机捕捉到的图像经过视频检测器处理后，获取车辆的车牌号和转弯信息，然后将信息传递至中央处理器，中央处理器根据发送的信息便可判断车辆的行驶方向。（见图1）

图1 虚拟线圈的设置

为节约成本，减少维护维修费用，只在市内设置一处中央控制中心，放置中央处理器，用于处理各视频检测器处理后图像所发送的车辆信息。

中央处理器控制所有道路路灯的照明模式，另外安装相应控制程序，在接收视频检测器发送的信号后对信号进行处理，通过5G通信网络发出相应道路照明模式转换命令。

另外，对城市里所有的路灯线路进行统一改造，加装智能控制器及功率转换装置。智能控制器接收中央处理器发送的模式转换命令，进而控制功率转换器改变路灯亮度，以根据道路情况实时转换道路照明模式。

根据《道路交通安全法》相关规定及汽车行驶规则，车辆于十字路口行驶方式可归纳为七种基本情况，其他行驶方式皆可根据这七种情况通过组合演变形成。七种基本行驶方式分别是：单车行驶（直行、右转）、单车行驶（左转、掉头）、单车行驶（驶出道路）、双车同道同向行驶、双车同道异向行驶、双车异道同向行驶以及违法变道。

下面以六车道十字路口为例，对上述七种车辆行驶方式中的双车同道异向行驶进行本系统的运行演示。

当两辆车并行行驶，但在驶入十字路口后分道而行时，智能控制系统在其通过十字路口时运行方式如图2所示。

图2 双车同道异向行驶系统运行方式

4 结束语

此系统在为城市道路照明提供节能控制方案的同时，能有效兼顾道路照明的合理性和安全性，并保证道路照明，减少道路交通安全事故和社会治安事件的发生，在倡导节约能源、电力资源合理利用的今天，该装置有着十分广阔的社会和商业前景。