基于车流量控制的道路照明节能控制系统
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２０１８年４月
第２９卷 第２期照明工程学报ＺＨＡＯＭＩＮＧＧＯＮＧＣＨＥＮＧＸＵＥＢＡＯＡｐｒ. ２０１８Ｖｏｌ２９ Ｎｏ２
基于车流量控制的道路照明节能控制系统
李付伟ꎬ马荣兵ꎬ王 强
(上海五零盛同信息科技有限公司ꎬ上海 ２０００６３)
摘 要:根据现有路灯节能技术存在的问题ꎬ提出了一种基于车流量控制的道路照明节能控制系统ꎬ运用ＺｉｇＢｅｅ通信技术、车流量监测技术、单灯控制调光技术、数据处理技术ꎬ将道路照明亮度根据车流量大小进行调节ꎬ在保障车辆行驶安全的情况下实现道路照明节能效果的进一步提升ꎮ关键词:ＬＥＤ路灯ꎻ车流量ꎻ节能ꎻ控制ꎻ道路照明中图分类号:ＴＰ１ 文献标识码:Ａ ＤＯＩ:１０３９６９∕ｊｉｓｓｎ１００４￣４４０Ｘ２０１８０２０２１
ＲｏａｄＬｉｇｈｔｉｎｇＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎ
ＴｒａｆｆｉｃＦｌｏｗＣｏｎｔｒｏｌ
ＬＩＦｕｗｅｉꎬＭＡＲｏｎｇｂｉｎｇꎬＷＡＮＧＱｉａｎｇ
(ＳｈａｎｇｈａｉＷｕｌｉｎｇＳｈｅｎｇｔｏｎｇＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ.ＬｔｄꎬＳｈａｎｇＨａｉ ２０００６３ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ｉｔｉｓｓｏｉｍｐｏｒｔａｎｔｔｏｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｉｎｇｅｎｅｒｇｙ￣ｓａｖｉｎｇｓｃｈｅｍｅｉｎｔｈｅｆａｃｅｏｆｌａｃｋｏｆｇｌｏｂａｌｅｎｅｒｇｙｒｅｓｏｕｒｃｅ.Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｓａｂｏｕｔｃｕｒｒｅｎｔｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｅｎｅｒｇｙ￣ｓａｖｉｎｇ
ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓꎬｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｓｔｒｅｅｔｌｉｇｈｔｉｎｇｅｎｅｒｇｙ￣ｓａｖｉｎｇｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎｔｒａｆｆｉｃｖｏｌｕｍｅ
ｃｏｎｔｒｏｌ.Ｔｈｉｓｓｃｈｅｍｅｈａｓｖｅｒｙｌｏｗｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｏｎｔｈｅｐｒｅｍｉｓｅｏｆｅｎｓｕｒｉｎｇｓａｆｅｓｔｒｅｅｔｉｌｌｕｍｉｎａｎｃｅ.Ｉｔ
ｉｓｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｓｕｉｔｅｄｔｏａｐｐｌｙｔｏｔｈｅｓｕｂｕｒｂｓｗｈｅｒｅｈａｓｌｏｗｔｒａｆｆｉｃｖｏｌｕｍｅａｔｎｉｇｈｔｂｅｃａｕｓｅｅｎｅｒｇｙ￣ｓａｖｉｎｇ
ｅｆｆｅｃｔｓｗｉｌｌｂｅｍｏｒｅｒｅｍａｒｋａｂｌｅ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＬＥＤｌｉｇｈｔｓꎻｔｒａｆｆｉｃｆｌｏｗꎻｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇꎻｃｏｎｔｒｏｌꎻｒｏａｄｌｉｇｈｔｉｎｇ
引言
路灯保障了行人们的出行安全ꎬ但是路灯同样
也消耗了大量的电能ꎬ尤其是传统常规路灯的控制
方式不够灵活ꎬ控制不够精确ꎬ导致在光照较暗需
要开灯时灯没开起来ꎬ早晨环境光照较强不需光照
时反而开灯[１]ꎬ甚至在深夜车辆和行人较少的时段
整夜长亮ꎬ而车辆和行人较多的时段灯光昏暗ꎬ即
传统的路灯节能控制方式方法会造成电力资源浪费ꎬ
也可能因为控制方式的不得当威胁到人们的生命和
财产安全[２]ꎮ
本文利用车流量监测技术、单灯控制技术针对
道路照明特点ꎬ研究利用车流量来控制后半夜道路照度值ꎬ保证道路照明安全的前提下完成路灯的节
能控制ꎬ实现需要照明时能够及时提供安全的照度ꎬ
没有照度需要时ꎬ自动关闭照明或将照度值降到最
低ꎬ实现按需照明ꎬ达到高效节能的目的ꎮ
１ 道路照明节能控制系统设计
如图１所示ꎬ我们设计了一种智能感知城市照
明节能管理系统ꎬ整个系统由智能感知探头、联网ＬＥＤ路灯、单灯集中器以及数据控制中心４个部分
组成ꎮ１１ 系统各功能的实现１)车流量检测ꎮ通过对比车辆检测技术的研
究可知ꎬ目前常用的检测技术均有一定缺点和局限第２９卷第２期李付伟等:基于车流量控制的道路照明节能控制系统１０１ 性ꎬ比如感应线圈检测器有需破路ꎬ安装不便、容
易坏寿命短的缺点ꎬ微波雷达车辆检测器有侧向安
装时无法准确统计车速度信息的缺点ꎬ红外线检测
器有无法侧向检测、容易受天气环境影响的缺点ꎬ
超声波检测器无法同时检测多个车道车辆占用情况ꎬ
视频检测技术有成本高、体积大、检测速度慢的
缺点[３]ꎮ由于我们不需要准确检测每一辆车的车
速信息ꎬ结合功能、成本、安装便利性等方面考
虑ꎬ选用微波雷达车辆检测技术完成车辆经过检测功能ꎮ２)开关和调光ꎮ能够快速开关和调光的光源
及相应的控制电路是该系统能否实现的关键因素ꎬ
因此我们选用高效、且能够迅速开启和关闭的ＬＥＤ
光源作为照明灯具[４]ꎬ要实现清晨关灯、傍晚开灯
并根据车流量调节灯具亮度ꎬ灯具还必须具有远程
调光、开启和关闭功能ꎬ这些功能可以通过单灯控
制器配合可调光的ＬＥＤ开关电源实现[５]ꎬ如图２
所示ꎮ
图１ 智能感知城市照明节能管理系统框架Ｆｉｇ１ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｅｒｃｅｐｔｉｏｎｏｆｃｉｔｙｌｉｇｈｔｉｎｇｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｆｒａｍｅｗｏｒｋ
３)组网通信ꎮ底层通信网络是该系统网络结
构中最重要的一层ꎬ底层网络能否快速、高效、可
靠的进行数据传输关系到整体系统节能效果ꎬ结合
道路环境和使用要求ꎬ底层通信网络设计应满足:
每杆路灯都能够进行点对点通信ꎬ其中一杆或多杆
路灯故障不影响其他路灯通信功能ꎬ路由级数不应
太多ꎬ通信及时可靠ꎮ为降低路由级数ꎬ减小通信
延时ꎬ底层网络通信我们选用ＣＣ２５３０＋ＣＣ２５９１射频前端作为功率放大芯片[６]ꎬ通过ＣＣ２５９１放大后
射频输出功率最大可至＋２０ｄＢｍꎬ实际可靠传输距
离在８００~１０００ｍ左右ꎬ路由级数在２~３级之间ꎬ
即使路段中间部分控制器故障ꎬ不影响系统其他设
备网络通信正常ꎮ１２ 节能模型设计１)节能模型的运行模式ꎮ将一天的２４小时作
为一个光照周期ꎬ系统运行可分为３个运行模式ꎬ１０２ 照明工程学报２０１８年４月
分别为正常照明模式、智能节能模式、关闭照明模
式ꎬ如图３所示ꎮ２)感知探头布局ꎮ图４为常见路段感知探头
布局ꎬ实心圆为安装感知探头的位置ꎬ布局在车辆
经过路段起始位置ꎬ其车辆感知区域为图示阴影椭圆区域ꎬ空心圆为常规路灯ꎬ路面箭头为控制路灯
依次点亮方向ꎬ当车辆经过车辆感知区域时ꎬ安装
了感知探头的路灯单灯控制器发送控制命令给箭头
所示方向的路灯单灯控制器ꎬ控制路灯依次亮起ꎮ
该节能模型的软件处理流程图如图５所示ꎮ
图２ 单灯控制器开关和调光Ｆｉｇ２ Ｓｉｎｇｌｅｌｉｇｈｔｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓｗｉｔｃｈａｎｄｄｉｍｍｉｎｇ
图３ ２４小时内节能模型的运行模式Ｆｉｇ３ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｏｆｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｍｏｄｅｌｗｉｔｈｉｎ２４ｈｏｕｒｓ
图４ 感知探头布局示意Ｆｉｇ４ Ｓｅｎｓｉｎｇｐｒｏｂｅｌａｙｏｕｔｓｋｅｔｃｈ第２９卷第２期李付伟等:基于车流量控制的道路照明节能控制系统１０３
图５ 软件处理流程图Ｆｉｇ５ Ｓｏｆｔｗａｒｅｐｒｏｃｅｓｓｆｌｏｗｃｈａｒｔ
２ 系统应用的节能效果分析
选上海市大沽路为例进行节能效果分析ꎬ为了
便于数据分析ꎬ我们选用一个感知探头控制的多个灯具的简单模型ꎬ道路及感知探头示意图如图６所
示ꎮ感知探头安装在路口０号灯杆位置ꎬ感应到车
辆经过感知区域后ꎬ１~１５号灯杆依次点亮ꎮ选择２０１６年３月１日１２时至３月２日１２时作为一个时
间周期ꎬ道路的已知参数如表１所示ꎮ
图６ 分析模型感知探头及灯杆分布示意图Ｆｉｇ６ Ａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｓｅｎｓｉｎｇｐｒｏｂｅａｎｄｔｈｅｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｌａｍｐｐｏｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ１０４ 照明工程学报２０１８年４月
根据图６和表１ꎬ计算及实测相关节能参数如
表２所示ꎮ表１ 道路已知参数Ｔａｂｌｅ１ Ｒｏａｄｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
序号参数名称数值单位１道路最大限速Ｓｍａｘ６０ｋｍ/ｈ２感知探头控制灯杆数量Ｎ１５盏３灯具最大功率Ｐｍａｘ２００Ｗ４灯杆间距Ｌｄ３５ｍ５半功率光照度Ｌｋ３０ｌｘ６全功率光照度Ｌｑ１５ｌｘ７关灯光照度Ｌｇ２０ｌｘ
表２ 道路计算及实测相关节能参数Ｔａｂｌｅ２ Ｒｏａｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｒｅｌａｔｅｄｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
序号参数名称公式或条件数值单位１最小车速ＳｍｉｎＳｍａｘ×２０％１２ｋｍ/ｈ２亮起间隔ＴｘＬｄ/Ｓｍａｘ２１ｓ３亮起延时Ｔｄ４×Ｌｄ/Ｓｍａｘ８４ｓ４车流量边界ＫｓＴ/Ｔｄ４２９辆/ｈ５日落时刻３月１日１７:５３—６日出时刻３月２日６:１７—７半功率开启时刻照度<３０ｌｘ１８:０５—８全功率开启时刻照度<１５ｌｘ１８:１０—９关闭照明时刻照度>２０ｌｘ６:０１—
由表２可知ꎬ３月１日１７:５３分日落ꎬ但照度
在１８时０５分低于３０ｌｘꎬ因此１８:０５时刻进入正常
照明模式打开路灯并调节路灯输出功率至５０％ꎬ１８:１０时刻光照度低于１５ｌｘꎬ调节路灯功率１００％
输出ꎮ随着时间的推移ꎬ在２１:１６时刻统计前１小
时车流量小于Ｋｓ(４２９辆/ｈ)ꎬ进入智能节能模式ꎬ
３月２日６:０１时刻照度大于２０ｌｘꎬ关闭所有路灯ꎬ
进入关闭照明模式ꎮ２１ 智能节能模式的节能效果分析
进入智能节能模式后ꎬ路灯的开启和关闭将根
据感知探头感知到的车辆经过信息进行精确控制ꎬ
在图６的０号杆位置检测到车辆经过后１~１５杆路
灯间隔２１ｓ依次点亮ꎬ由于１~１５杆路灯不知道
车辆是否经过ꎬ因此１~１５杆需要按照车辆最低速
度计算车辆经过时间来延迟关闭路灯ꎬ从第１杆延
时Ｔｄ１(８４ｓ)关闭ꎬ后续依次增加一个Ｔｄ的延时
时间ꎬ第１５杆路灯延时时间Ｔｄ１５为１２６ｓꎮ１)每杆灯应用的Ｋｓ不同ꎮ当平均车流量大于
某个值时灯具将进入常亮状态ꎬ由于每个灯杆亮灯
延时Ｔｄｊ各不相同ꎬ因此每杆灯进入常亮时对应的车流量也不相同ꎮ图７为每盏灯进入常亮模式对应的
车流量曲线ꎮ表３为每杆灯对应车流量门限详细
数据ꎮ
图７ 路灯杆对应车流量门限曲线Ｆｉｇ７ Ｔｒａｆｆｉｃｔｈｒｅｓｈｏｌｄｃｕｒｖｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇｔｏｌｉｇｈｔｐｏｌｅｓ
表３ 每杆灯对应的车流量门限ＫｓＴａｂｌｅ３ ＴｒａｆｆｉｃｔｈｒｅｓｈｏｌｄｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＫｓｐｅｒｐｏｌｅ
灯杆编号１２３４５６７８９１０１１１２１３１４１５车流量门限/(辆/ｈ)４２９２１５１４３１０８８６７２６２５４４８４３３９３６３３３１２９
２)车流量越少节能效率越高ꎮ为了便于分析ꎬ
假设一小时内车辆是平均等间隔通过测试路段ꎬ每
杆路灯的亮灯延时时间的累加作为一次车辆通过时
总耗电时间ꎬ当车流量大于灯杆的车流量门限Ｋｓ时ꎬ按常亮处理ꎬ则得出耗电曲线如图８所示ꎬ节
能比率曲线如图９所示ꎮ当车流量小于２９辆/ｈ时
耗电量按照００５６的斜率线性增加ꎬ节电效率也线
性下降ꎬ随着车流量逐步增加ꎬ由于部分灯杆常亮ꎬ
耗电量增加趋于缓慢ꎬ同时节电效率逐步下降ꎮ车
流量为２７辆/ｈ时ꎬ节电效率为５０％ꎬ仅仅从节能
比率分析ꎬ当车流量小于２７辆/ｈ时ꎬ该节能模式
优于定时节能５０％的节能模式ꎮ当车流量大于２７
辆/ｈ时节能效果逐渐降低ꎬ直到大于４２９辆/ｈ时所
有路灯进入常亮模式ꎮ
图８ 车流量与耗电曲线Ｆｉｇ８ Ｖｅｈｉｃｌｅｆｌｏｗａｎｄｐｏｗｅｒｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎｃｕｒｖｅ
３)感知探头控制灯杆数量越少节能效率越高ꎮ
通过以上分析可知ꎬ随着灯杆离感知探头距离的增
