城市道路照明智能化研究

朱应昶，肖 辉

(同济大学控制科学与工程系，上海 201804)

城市道路照明智能化研究

朱应昶，肖 辉

(同济大学控制科学与工程系，上海 201804)

针对智慧路灯系统应用中存在的问题，以LED信息发布屏功能模块为研究对象，本文构建以信息效用为目标的规划模型，提出其路径规划和布局优化的方法，促进智慧路灯的推广应用，加快道路照明的智能化发展进程。

智慧路灯；LED信息发布屏；布局规划

引言

随着 LED技术的迅猛发展，LED路灯技术日渐成熟，并被大量应用于道路照明中。同时，在智慧城市的建设中，作为最密集的城市基础设施，路灯是最佳的物联网终端载体[1]，能在实现智能照明的同时，实现其他多种功能，推动智慧城市的建设[2]。目前，具有无线Wi-Fi覆盖、充电桩、数据监控、环保监测、灯杆屏、地下管网监控、城市洪涝灾害预警、区域噪声监测、市民应急报警等“LED智慧路灯及系统”已开始试点推广[3]。但在智慧路灯应用中，存在着建设成本高，运维管控困难等问题。本文提出采用分级分类的控制策略，以LED信息发布屏功能模块为研究对象，构建以信息效用为目标的规划模型，为智慧路灯大范围大规模推广应用，提供合理化建议。

1 智慧路灯应用存在的问题

众所周知，在城市道路上设置照明灯具是为在夜间给行车和行人创造良好的视觉环境，有利于提高道路通行能力和保证交通安全，降低犯罪活动和美化城市夜晚环境的效果。目前，道路照明系统主要采用远程集中控制方式，由控制中心、集中控制器和终端控制器组成。从通信方式来说，控制中心到集中控制器采用GPRS/CDMA无线通讯网络实现远程通讯；从集中控制器到终端控制器采用短程通讯方式如电力线载波(PLC)[4]、Zigbee等实现对单灯的控制[5]。从功能来说，主要具有遥测、遥信、遥控的“三遥”功能以及在“三遥”基础上增加的遥视、遥调功能，即“五遥”功能。随着NB-IoT技术[6]的成熟，由控制中心直接对单灯终端进行控制的“一跳式”道路照明控制系统应运而生，2017年6月NB-IoT路灯商用项目在江西鹰潭正式投入运营。同时，作为智慧城市信息采集、信息发布、信息传输的终端载体“LED智慧路灯”被多家公司研发成功并开始试用。LED智慧路灯系统主要分为硬件(多功能杆)、软件(监控平台)两部分，其硬件层的LED灯具、摄像头、传感器、灯杆屏、充电桩等设备，一般都是标准化产品，技术难度不大，预留接口即可。但是，由于LED智慧路灯与传统路灯相比，功能强，造价高。尤其是在现有城市道路照明的改建中，也无需对所有路灯要求实现智能化改造。因此，如何实现LED智慧路灯的布局优化将尤为重要。

2 LED信息发布屏功能模块布局规划

由于智慧路灯需要搭载的功能模块有多个，与之对应的建设目标也不尽相同，基本的研究思路是对每种功能模块，分别研究其建设目标与收益，从中选择较优的布局规划方案。

就智慧路灯的LED信息发布屏功能模块而言，建设目标是其发布信息所产生的效益，即信息效用。在实际考虑信息效用时，需要对各种非耦合或耦合性不强的信息进行分类，然后分别考虑其对应的信息效用，并对信息效用进行量化。

下面将以发布交通信息(包括拥堵，道路封闭等交通事件及发生事件的路段等)的LED信息发布屏为例，讨论其布局规划需要考虑到的因素并以信息效用为目标建立模型来分析如何合理布局。

2.1布局规划影响因素

一般来说，考虑交通量大且服务水平较高的环路、快速路联络线、主干路以及部分次干路作为该功能智慧路灯的安装备选路段，主要需要考虑以下几个布局规划影响因素[7]：

1)路段交通事件发生率。路段交通事件发生率是影响该功能智慧路灯布局的重要因素之一。越频繁出现交通事件(道路拥堵或封闭等)的路段则越应该在其前方某路段安装该功能智慧路灯来实时显示该路段的交通情况，以便在该路段发生交通事件时驾驶者能提前获得相关信息选择其他路线。

2)路段交通流量。路段交通流量需要考虑两个方面，一个是该功能智慧路灯安装路段的交通流量，另一个是智慧路灯其屏上所显示路段的交通流量。安装路段交通流量越大，就意味着有更多的驾驶者看到屏上的信息。显示路段交通流量越大，也就意味着同样情况下将有更多的驾驶者将前往该显示路段，即该显示路段的交通情况对于更多的驾驶者来说是有效的。

3)安装路段距显示路段的距离。当安装路段距显示路段较远时，由于驾驶者到达显示路段需要较长时间，而这段时间内交通情况可能发生改变，信息的有效性受到衰减[8]，驾驶者不易信服发布的信息；当安装路段距显示路段太近时，驾驶者虽然从心理上愿意接受该交通信息，但是客观上已经失去选择替代路径的能力。一般说来，城市路网中安装路段距显示路段一两个路段，即可保证客观上存在替代路径。

4)反应决策时间。由于驾驶者从看到发布的信息到做出新的决策需要一定的时间，因此，该功能智慧路灯安装位置不宜离路口过近，以防止驾驶者来不及反应。

5)信息获取率[9]。由于驾驶者视线停留在屏上的时间有限，因此，一般说来，屏上信息越多，驾驶者的信息获取率就越低。所以，智慧路灯其屏上显示路段并不是越多越好。

6)信息冗余度。如果该功能智慧路灯相距较近，显示路段大体相同，路段信息变化不大，则会存在大量信息冗余。为避免过多的信息冗余，需要考虑信息冗余度，以防止该功能智慧路灯布局过于密集，而实际效用并不大。

综上所述，定性分析的话，该功能智慧路灯应当安装在交通流量较大的路段，安装位置靠近下一个路口不宜过近；显示的路段离安装路段较近且是交通事件易发路段，显示路段信息不宜过多；智慧路灯分布不宜过于密集。

2.2模型建立与模型求解

根据上述影响因素对布局规划的影响程度，以信息效用为目标建立的目标函数如下：

式(1)中E表示路网区域智慧路灯的信息总效用；Q表示路网中所有路段组成的集合；zk表示一个0～1变量，当路段k上装有该功能智慧路灯时，zk为1，反之为0；Ek表示路段k处智慧路灯的信息效用；ρk表示路段k处智慧路灯的信息冗余度。其中Ek由车流量、信息量、信息衰减系数、信息有效比例、信息获取率等部分组成：

上述模型中规划变量仅有两种：①zk：该功能智慧路灯的安装位置；②Sk：智慧路灯信息发布屏的显示内容(控制策略)。由于智慧路灯屏上显示路段情况是0～1规划(显示或不显示)，因此采用遗传算法[11]首先求解各处屏的最优显示路段集合Sk；再由于zk也是0～1变量(安装或不安装)，同样采用遗传算法求解路网中该功能智慧路灯的安装路段，再根据反应决策时间等指标即可确定智慧路灯在路段中的具体安装位置。

2.3案例仿真

以某城市主城区为例，假定计划在选定路网区域安装7个配备有信息发布屏的智慧路灯。根据一般情况下主干路、次干路、支路每车道车流量范围设定各路段车流量，采用VISSIM软件对路网进行仿真如图1所示。

图1 VISSIM路网仿真图Fig.1 Road network simulation by VISSIM

通过合理选取路段，将图1路网抽象成如图2所示。

图2 路网节点—路段抽象图Fig.2 Abstract diagram of road network

对图2中所有节点(岔路口及流入流出口)进行编号，共计35个节点。再按起始节点、终止节点编号升序排列对路段进行编号，共计87个路段，这87个路段即智慧路灯选址规划的研究范围。

通过以上模型确定出7个该功能智慧路灯安装路段如图2中“□”标记所示。将得到的布局规划结果采用VISSIM进行仿真，对比安装前后车辆平均行程时间来衡量交通改善情况。

表1 安装前后平均行程时间对比

通过表1可以看出，按照图2中“□”标记所示安装该功能智慧路灯后，主要路径总平均行程时间(各路径平均行程时间以流量为权值求加权和)减少了约4.6%，所有路径总平均行程时间减少了约2%，交通情况有所改善。因此，该案例智慧路灯选址基本合理，规划模型合理。

3 智慧路灯的应用发展

综上所述，智慧路灯的大规模使用，应采用分级分类的策略，考虑其布局规划的合理性。在考虑布局规划时，可以对每种互不耦合的功能模块，分别研究其建设目标与收益，从中选择较优的布局规划方案，再整合成一个统一的布局规划方案。其中，对LED信息发布屏功能模块进行布局规划时，应考虑路段交通事件发生率、路段交通流量、安装路段距显示路段的距离、反应决策时间、信息获取率和信息冗余度等影响因素，以信息效用作为其建设目标是一种合理的方法。人工智能技术的发展、工业4.0的推广，将进一步促进智慧路灯的发展，提升城市道路照明的智能化水平。

[1] 王少伟.智能建筑与物联网结合的研究[D].西安：长安大学，2012.

[2] 汪清.浅析智慧照明在智慧城市建设中的引领作用//2016年中国照明论坛——半导体照明创新应用暨智慧照明发展论坛文集. 北京：中国照明学会，2016.

[3] 金燕云，虞小林，邹志革.基于路灯的智慧城市信息化建设[J]. ELECTRIC POWER IT，2012，10(2):6-9.

[4] 刘伊莎，黄胜明，毛周明.电力线载波的LED路灯监控系统设计[J].电测与仪表，2015，55(22):113-118.

[5] 吴光荣，章剑雄.基于ZigBee技术的无线智能照明系统[J].现代电子技术，2016，30(14):67-69.

[6] 邹玉龙，丁晓，进王全.NB-IoT关键技术及应用前景[J].中兴通讯技术，2016，22(1):43-46.

[7] 李小强.可变信息标志VMS选址问题研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[8] 袁舒平.考虑诱导信息影响的可变信息标志优化选址研究[D].北京：北京交通大学，2010.

[9] 朱月明，朱云.信息量与信息获取量的关系[J].辽宁工程技术大学学报，2006，8(5):455-457.

[10] ThomasM.Cove.信息论基础[M].北京：机械工业出版社，2008.

[11] 杨平，郑金华.遗传选择算子的比较与研究[J].计算机工程与应用，2007，43(15):59-65.

StudyonIntelligentRoadLightingintheCity

ZHU Yingchang, XIAO Hui
(DepartmentofControlScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

According to the existing problem of the smart road lamp system applcation, using LED information screen function module as the study object, we build the plan model aiming to information applcation, present its road plan and the optimization method of location, in order to promote the applcation of smart road lamp and the intellegent development of road lighitng.

smart road lamp; LED information screen; location plan

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.004