【機械與電子工程】
包樂明，于曉明
(1. 丹東市市政建設總公司，遼寧 丹東 118000；2. 遼東學院 機械電子工程學院，遼寧 丹東 118003)
摘 要：文章探討了智能路燈系統(tǒng)存在的基本問題，介紹了智能路燈系統(tǒng)的應用實例，針對智能路燈系統(tǒng)兩個關(guān)鍵性技術(shù)——節(jié)能控制技術(shù)和通信技術(shù)兩方面，綜述了最近智能路燈系統(tǒng)的研究成果。最后，討論并指出了這一領(lǐng)域下一步發(fā)展的方向和有待解決的課題。
關(guān)鍵詞：智能路燈系統(tǒng)；節(jié)能控制；無線傳感器網(wǎng)絡；通用分組無線服務；無線射頻；模糊算法
在現(xiàn)代社會中，隨著城市化水平的不斷提高，城市的路燈照明系統(tǒng)也不斷擴大和完善，路燈照明系統(tǒng)已經(jīng)不僅僅是提供路面照明、方便出行的設施，它已經(jīng)成為城市重要基礎設施的組成部分，在城市的交通安全、社會治安、人民生活和市容風貌中居于舉足輕重的地位，肩負著提升城市形象的任務。一個城市照明系統(tǒng)建設的如何標志著城市實力和成熟的程度。在路燈照明系統(tǒng)的設計過程中，除了基本的照明功能設計外，還必須同時考慮路燈照明系統(tǒng)的使用的節(jié)能性、操作的智能性和維護的便捷性等綜合化設計，所以，路燈照明系統(tǒng)是對光源材料、節(jié)能控制、通信鏈路、傳感檢測和物聯(lián)網(wǎng)等多個領(lǐng)域技術(shù)的綜合應用和多系統(tǒng)融合產(chǎn)品，涉及的范圍比較廣，而這其中，節(jié)能控制和通信技術(shù)近些年來的相關(guān)研究和成果，在解決路燈照明系統(tǒng)的高效節(jié)能和智能管理問題，發(fā)揮著舉足輕重的作用，并使智能路燈系統(tǒng)成為實用系統(tǒng)，并不斷發(fā)展創(chuàng)新。
文章回顧和梳理了近十年來智能路燈系統(tǒng)在節(jié)能控制技術(shù)和通信技術(shù)上的重要成果，總結(jié)并提出這一領(lǐng)域下一步的發(fā)展方向和有待解決的新課題。
目前中國照明用電占總發(fā)電量的20 %左右，而戶外道路照明約占整個照明用電量的30%。由于傳統(tǒng)的路燈節(jié)能系統(tǒng)存在著智能化程度低、通訊穩(wěn)定程度差、照明資源浪費等問題，仍以低效照明為主，各大城市路燈能源利用率普遍不高，讓路燈的電費和管理費用成為政府一項巨大的財政支出。
在照明系統(tǒng)的節(jié)能技術(shù)發(fā)展上，國外照明節(jié)能技術(shù)主要是在推動綠色照明，采用新光源材料；提高功率器件性能和建立完善有效機制上。國內(nèi)目前傳統(tǒng)節(jié)能方法主要是人工控制節(jié)能、時控節(jié)能和光控節(jié)能的人工節(jié)能方法，并結(jié)合光源節(jié)能方法。
傳統(tǒng)的路燈照明系統(tǒng)是在配電箱中安裝定時設備，按照預定時間自動打開關(guān)閉路燈，關(guān)燈與開燈完全不考慮現(xiàn)場是否有行車行人的存在。當季節(jié)變化或者天氣異常時，必須人工逐個操作路燈。這種簡單的控制方式嚴重缺乏靈活性，會造成能源的巨大浪費。在路燈運行和維護時，都需要耗費巨大的人力和時間成本，且不能實時監(jiān)控運行狀況和收集運行數(shù)據(jù)。
隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，多領(lǐng)域技術(shù)的綜合應用和多系統(tǒng)的融合，更新的節(jié)能控制技術(shù)和通信技術(shù)開始進入路燈照明領(lǐng)域，逐步解決傳統(tǒng)路燈控制系統(tǒng)的問題。
近幾年，國內(nèi)學者和技術(shù)人員在智能路燈系統(tǒng)節(jié)能控制技術(shù)的研究方向成果不少，歸納起來主要集中兩個方面，一是時控和光控技術(shù)，即通過道路照明使用時間、空間和照度的需求以及采集信息的反饋，運用諸如新的模糊控制算法和PID控制策略等智能化技術(shù)，實現(xiàn)對路燈電壓及照度的動態(tài)智能化管理，使路燈輸入功率與照度要求實現(xiàn)最佳匹配，從而實現(xiàn)節(jié)能目的；二是換能效率控制技術(shù)，即通過提高能量轉(zhuǎn)換效率，最大程度提高能源的使用率，降低能源的損耗。
2.1 針對智能照度控制的研究
邢思銳等[1]為了實現(xiàn)光源的自動調(diào)節(jié)，使路燈的亮度根據(jù)現(xiàn)場亮度情況實時調(diào)節(jié)，達到節(jié)省能源的目的，在路燈控制系統(tǒng)中引入PID控制策略，PID控制器在80 ms內(nèi)完成光源的自動調(diào)節(jié)，穩(wěn)態(tài)誤差小于1%。考慮到路燈啟動過程的非線性和時變性，PID控制器的控制效果受到限制。
武漢理工大學袁佑新教授的研究生團隊近年發(fā)表了大量將模糊控制算法引入智能路燈系統(tǒng)亮度控制的相關(guān)論文。參與模糊控制器設計的主要包括劉蘇敏、王亞蘭和周海等，他們從不同的角度完成了路燈控制系統(tǒng)模糊控制器的設計。
劉蘇敏[2]采用三個階段實現(xiàn)模糊控制，模糊控制系統(tǒng)框圖如圖 1所示。
傳感器采集路面車輛與行人所發(fā)出的音頻信號，經(jīng)模糊控制器處理后將控制信號送給功率變換單元，實現(xiàn)對路燈端電壓的調(diào)節(jié)，達到輸出合適亮度的要求。模糊控制設有3個語言變量：噪聲輸入變量偏差E、噪聲偏差變化率EC和輸入控制量U。噪聲輸入變量偏差分為大(PB)、較大(PS)、中(Z)、較小(NS)和小(NB)5個等級，代表了現(xiàn)場噪聲的全部狀況；噪聲偏差變化率也分為變化率強(PB)、變化率較強(PS)、變化率中(Z)、變化率較弱(NS)和變化率弱(NB)5種情況。有以上假設作為前提，并引入控制因子 ，可得控制規(guī)則
U={αE+(1-α)EC},α∈[0,1]
(1)
其中，α為加權(quán)因子。通過調(diào)整α值可以改變偏差E和偏差變化率EC對控制輸入量U的加權(quán)程度，從而調(diào)整控制規(guī)則。為了確保選取的α值合理，對可能存在的多個調(diào)整因子進行尋優(yōu)，采用ITAE積分性能指標
ITAE=∫0+∞t|e(t)|dt
(2)
作為目標函數(shù)，從而確定了加權(quán)系數(shù)α的值，得到模糊控制表。
考慮到模糊控制過程對于語言變量的隸屬函數(shù)形狀并不敏感，只是對隸屬函數(shù)的范圍有一定的敏感度，王亞蘭[3]采用三角形隸屬函數(shù)
(3)
同時，模糊目標的策略集G為降壓后的電壓對22V的隸屬函數(shù)uG。模糊約束策略集C為每一個降壓區(qū)間段對某個降壓起點的隸屬函數(shù)uc。
周海[4]采用和劉蘇敏相同的模糊子集設置，對王亞蘭的隸屬函數(shù)做了改進，對智能路燈控制系統(tǒng)的模糊控制器進行了仿真和實驗研究。
2.2 針對最佳效率控制的研究
龐大鈞[5]開發(fā)了一款智能型太陽能路燈控制器，以太陽能作為能量源，做到最大限度的節(jié)能。同時，進行了以下三個部分的算法設計：設計了太陽能電池最大功率跟蹤算法；設計了三段式蓄電池的充電算法；設計了蓄電池余量檢測模型，用來估算蓄電池的剩余電量。通過提高功率因數(shù)手段，進一步提高太陽能蓄電池的功率輸出效率。
張利國[24]利用電壓無功優(yōu)化技術(shù)，結(jié)合路燈供電網(wǎng)特點和高壓鈉燈的電氣特性，以提高電網(wǎng)功率因數(shù)，降低網(wǎng)絡壓降，減少路燈能耗為目標，提出的技術(shù)思路在達到路燈節(jié)能效果的同時降低線路及變壓器損耗，并對照明燈具進行有效保護?？朔藗鹘y(tǒng)路燈節(jié)能系統(tǒng)手段單一、可靠性差、自動化程度低的特點，取得了一定的節(jié)能效益和管理效益。
可用于智能路燈的通信技術(shù)主要包括光纖通信、現(xiàn)場總線通信、電力線載波通信、通用分組無線服務技術(shù)和無線射頻通信等方式[6]。光纖通信是利用光波在光導纖維中傳輸信息的通信方式。光線通信的優(yōu)點是速度快、距離遠、保密性好和抗干擾能力強；缺點是成本過高，特別是對數(shù)量眾多的路燈難以大面積鋪開[7]?，F(xiàn)場總線是指安裝在制造或過程區(qū)域的現(xiàn)場裝置與控制室內(nèi)的自動裝置之間的數(shù)字式、串行、多點通信的數(shù)據(jù)總線。現(xiàn)場總線的優(yōu)點是成本低、靈活方便；缺點是控制系統(tǒng)原本具有的確定性被數(shù)據(jù)包傳輸?shù)难訒r和丟包破壞，造成系統(tǒng)的分析與綜合更加復雜，性能受到影響。電力線載波通信是以輸電線路為載波信號的傳輸媒介的通信。電力線載波通信的優(yōu)點是利用現(xiàn)有輸配電設備作為通信線路，節(jié)省大量的線路鋪設成本；缺點是信號本身極易被電力線上的交流電和負載設備的噪聲干擾，造成信息失真，可靠性較差[8]。通用分組無線服務技術(shù)是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務。通用分組無線服務技術(shù)的優(yōu)點是能夠適應各種復雜的地理條件，可以用于大范圍信息傳輸；缺點是開放式的傳播方式帶來的信息安全隱患，且當節(jié)點較多時，會產(chǎn)生較高的通信費用[9]。無線射頻通信是一種利用特定頻率電磁波進行通信的技術(shù)手段，用來實現(xiàn)非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸。無線射頻通信的優(yōu)點是低功耗和低成本；缺點是數(shù)據(jù)傳輸速度低，容易受到電磁干擾[10]。
各種通信技術(shù)各有優(yōu)缺點，適合不同的應用場合。近年來，智能路燈控制系統(tǒng)采用的通信技術(shù)基本上是從有線傳輸技術(shù)向無線傳輸技術(shù)轉(zhuǎn)變，從使用單一的通信技術(shù)到多種通信技術(shù)協(xié)同工作，以達到最佳通信效果、最經(jīng)濟的。電力線載波通信方式直接使用配電線進行數(shù)據(jù)傳輸，無需專門鋪設通信線路，減低龐大數(shù)目節(jié)點間線路鋪設成本，傳輸能耗也比較低；無線射頻本身的特點就是低能耗。因此，在目前節(jié)能作為第一考慮的前提下，這兩種方式是近距離通信的首選。
3.1 基于ZigBee技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)通信方案
ZigBee技術(shù)作為無線射頻通信技術(shù)的代表，在相距較近、傳輸數(shù)據(jù)量不大的情況下，有著低功耗、低成本的巨大優(yōu)勢；GPRS技術(shù)傳輸距離遠，但是大量使用時成本偏高，主要用來解決大范圍通信問題。二者的結(jié)合兼顧了成本與功能。
平青[11]將ZigBee技術(shù)和GPRS技術(shù)相結(jié)合，引入路燈控制系統(tǒng)的通信回路，設計了三層次智能路燈控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示。系統(tǒng)分為終端層、主節(jié)點層和服務器層。終端層是路燈，路燈通過ZigBee技術(shù)和其他路燈以及主節(jié)點層設備相連，每一盞路燈的狀態(tài)都可以實現(xiàn)實時控制與信息反饋；主節(jié)點層主要是匯總和中轉(zhuǎn)信息的主控箱，主控箱同時使用兩種通信技術(shù)解決不同的通信距離問題，和距離較近的終端層路燈采用ZigBee技術(shù)通信，和距離較遠的服務器層監(jiān)控中心采用GPRS技術(shù)進行信息傳輸；服務器層包含監(jiān)控中心和移動維護車，監(jiān)控中心負責下達路燈的控制命令和處理路燈的反饋信息，移動維護車通過監(jiān)控中心傳來的數(shù)據(jù)對有問題的路燈進行維護，并且反饋維護信息。采用GPRS技術(shù)進行通信，主要考慮監(jiān)控中心和移動維護車之間的距離是比較遠的而且難以控制。
平青利用現(xiàn)代通信技術(shù)將路燈的操作、監(jiān)視與維護實現(xiàn)了自動化與智能化，極大地節(jié)省了操作與維護路燈的人工成本和時間成本，同時實現(xiàn)了路燈信息的保存，為以后智能路燈算法的研究奠定了數(shù)據(jù)基礎。使用相同通信技術(shù)組合進行智能路燈通信的還有劉蒙蒙、張堃、蔣肖肖和吳歡歡等。劉蒙蒙[12]的創(chuàng)新點是引入了百度地圖API實現(xiàn)照明終端可視化布局和監(jiān)控。張堃[13]設計了一種改進的AODVjr路由協(xié)議，并采用OPNET軟件對路燈進行了可行性分析。蔣肖肖[14]同時采用了模糊算法對路燈的照明亮度進行實時控制。吳歡歡[15]則開發(fā)了基于Web的路燈監(jiān)控軟件，并完成了系統(tǒng)總體功能測試。
一些研究者出于各自情況的考慮，單獨選用了ZigBee技術(shù)或者GPRS技術(shù)進行通信。無論對于遠距離通信還是近距離通信，戴琪[16]都選用ZigBee網(wǎng)絡作為通信網(wǎng)。這樣做不需要考慮GPRS的數(shù)據(jù)費用，但是ZigBee網(wǎng)絡本身的距離限制大大地限制了監(jiān)控中心的位置，監(jiān)控中心必須在路燈范圍幾百米內(nèi)，帶來極大的不便。
張穎斐[17]和王瑀[18]選用GPRS技術(shù)進行遠距離通信的同時，使用電纜代替了ZigBee技術(shù)進行近距離信息傳輸。需要大量鋪設線纜，但是傳輸穩(wěn)定性好于使用ZigBee技術(shù)。郭威[19]和劉亦文[20]都選擇了ZigBee技術(shù)進行近距離。不同在于郭威采用以太網(wǎng)進行遠距離通信，劉亦文選用Internet進行遠距離傳輸。不同于GPRS按流量收費，以太網(wǎng)和Internet大大降低了信息傳輸費用，但是由于以太網(wǎng)本身的技術(shù)限制，其傳輸距離相對GPRS技術(shù)較近，限制了監(jiān)控中心的位置。Internet信息傳輸受網(wǎng)絡本身情況的影響，存在丟包和無法預計的網(wǎng)絡傳輸延時，無法保證傳輸質(zhì)量。唐美華等[21]選擇了更先進的3G/4G網(wǎng)絡實現(xiàn)遠距離通信，加快了數(shù)據(jù)傳輸速度，對于近距離信息傳輸則同時采用了ZigBee和WiFi技術(shù)，ZigBee技術(shù)用來傳輸信息量較小的各種傳感器信號，WiFi技術(shù)則用來傳輸信息量較大的視頻監(jiān)視信號，二者協(xié)同合作完成了監(jiān)視、操作和維護路燈。
3.2 基于電力線載波通信技術(shù)的智能路燈系統(tǒng)通信方案
蔡利平[22]選擇電力線載波通信技術(shù)代替ZigBee網(wǎng)絡進行近距離數(shù)據(jù)傳輸，LonTalk協(xié)議保證了通信的可行性?？紤]到技術(shù)的成熟度及安裝過程中電力載波通信的穩(wěn)定性和便捷性，與蔡利平采用相同通信方案的還有馬玉波[23]等人。
但是，在以上兩人的設計方案中，電力線上產(chǎn)生的噪聲干擾并沒有得到很好的解決，特別是比較復雜的路燈連接系統(tǒng)，造成噪聲的匯集，是將來采用電力線載波通信技術(shù)必須解決的問題。
智能路燈系統(tǒng)是一個應用新技術(shù)的老工程問題?，F(xiàn)代智能路燈系統(tǒng)大量應用了先進的節(jié)能算法、節(jié)能材料和通信技術(shù)，初步實現(xiàn)了節(jié)能化、通信數(shù)字化以及控制和維護自動化。
但隨著我國現(xiàn)代工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)+時代的發(fā)展，城市的發(fā)展、人們出行需求以及能源的缺乏，對智能路燈系統(tǒng)發(fā)展提出了進一步完善和增強的要求。智能路燈系統(tǒng)今后除了在系統(tǒng)人工智能化、遠程網(wǎng)絡化、管理集成化等方面應有所發(fā)展外，在關(guān)鍵性節(jié)能控制技術(shù)和通信技術(shù)方面，更需要在現(xiàn)有基礎上做更加深入的探索和研究。
(1)更高效智能的節(jié)能算法研究。多數(shù)現(xiàn)有節(jié)能策略使用模糊控制進行路燈的亮度控制，今后可以考慮采用高維模糊算法或神經(jīng)網(wǎng)絡等同樣適用于非線性時變系統(tǒng)的人工智能算法，提高系統(tǒng)精度。
(2)新通信技術(shù)的應用研究。目前普遍使用的ZigBee近距離傳輸和GPRS遠距離傳輸?shù)姆绞揭呀?jīng)比較合理。但是，新一代遠距離傳輸技術(shù)，比如第四代移動電話行動通信標準(4G)，已經(jīng)比較成熟，其傳輸速率遠遠大與GPRS技術(shù)，并且能夠提供更好的傳輸質(zhì)量，完全可以考慮應用4G技術(shù)進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。將整個路燈照明系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)融合，形成物聯(lián)網(wǎng)路燈照明系統(tǒng)也是比較合理的方向。
(3)智能節(jié)能控制和通信等技術(shù)的工程實驗驗證研究。目前，理論研究比較多，實驗研究相對少。將來，更多的實驗測試以驗證各種技術(shù)的可行性是必不可少的，也是一個重要的方向。
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(責任編輯：龍海波)
BAO Le-ming1，YU Xiao-ming2
(1.Municipal Construction General Corporation, Dandong 118000, China;2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Eastern Liaoning University, Dandong 118003, China)
Abstract：Energy conservation technology and communication technology which are key technologies for the intelligent streetlight system are discussed. New achievements and problems in the field are summarized. With some practical examples, the direction of further development of intelligent streetlight system is forecast.
Key words：intelligent streetlight system; energy saving control; wireless sensor network; general packet radio service(GPRS); radio frequency(RF); fuzzy algorithm
**收稿日期：2016-04-26
作者簡介：包樂明(1988—)，男，遼寧丹東人，助理工程師，研究方向：城市道路照明工程;于曉明(1979—)，男，遼寧丹東人，博士，講師，研究方向：控制理論與控制工程。
DOI：10.14168/j.issn.1673-4939.2016.04.08
中圖分類號：TP273
文獻標志碼：A
文章編號：1673-4939(2016)04-0266-06
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