智慧路灯智能调控系统

张 伟，吴 刚，张 培

（重庆光电信息研究院有限公司，重庆401120）

1 研究背景

路灯是城市道路照明的重要组成部分，随着智慧城市的发展、城市道路的扩建，各地区城市道路路灯的数量直线递增。从2004年至2017年，中国城市照明路灯的数量由原来的1 000多万盏增长到4 000多万盏，年均复合增长率10%左右。与此同时，城市道路路灯消耗的电量在整体照明用电中占比31%，约占全社会用电量的10%。据工信部统计，中国总体能源利用率大约37%，与世界平均能源利用率相比差距很大。由此可见，路灯的节能升级具有较大的经济效益。目前，在露天公共道路照明领域，灯的开关控制方式通常为在固定时间开灯或关灯，但由于天气的不规律变化，这种传统模式控制方式过于简单，调光等级单一，电能还存在大量浪费，不能满足实际需求。因此，需要灯光照度的智慧控制，根据实时天气状况、自然环境照度、车流量、人流量等因素进行匹配控制。

1.1 研究现状

1.1.1 国外研究现状

2016年，飞利浦在开放的软件生态圈内与全球各地的开发者积极合作，如ABB、荷兰电信公司KPN、思科等企业，针对各种应用领域推出不同的智能互联照明系统，预示其开始从单一的产品销售公司向系统服务整体提供商过渡；GE旗下创新型能源公司Current，与英特尔达成商业协议，在智能路灯中应用英特尔物联网 （LOT）平台；欧司朗通过第三方物联平台Arrayent，解决物联网兼容性问题，让消费者能使用智能手机或平板电脑远程个性化操作和编写Lightify智能照明控制系统，发布全球首款Thread网络协议控制的智能LED灯，打破地域界限，开放标准原则。

1.1.2 中国研究现状

2016年3月，华为在CeBIT 2016（德国汉诺威消费电子、信息及通信博览会）上发布了多级智能控制照明物联网解决方案。2016年11月，成都双流区路灯管理所在棠湖西路一段试点安装了19盏智慧路灯，实时通报维护人员进行路灯维护。2017年初，成都高新区锦尚西二路试点了一批智慧路灯，利用电力载波通信技术对城市路灯进行回路或单灯管理，实现按需照明及数据收集、传输、利用及管理，使其成为遍布城市的信息采集和发布终端。2017年5月，广州筹划在灯都古镇建设一公里智慧路灯示范布点，采用电力载波通信技术及无线通信对路灯进行控制管理，包括自动调节亮度、远程照明控制、故障自动报警、灯具线缆防盗和远程抄表。

1.2 发展趋势

智慧照明作为智慧城市重要的组成部分，是现代照明的发展方向。随着物联网、通信、电子等技术的发展，智慧照明系统可感知环境变化，自动调节光线强度，提高照明质量。智慧照明集成节能照明、智慧交通、智慧安防、智慧家居、移动通信、文化传媒等功能，是智慧城市建设的最佳载体，其发展趋势主要为：

1）依托物联网、互联网、大数据、云计算等新技术，发展集照明控制方式、网络技术和数字控制技术于一身的控制系统，感知周围环境，智能控制灯光强度和颜色，其智能体现为全自动调光、光环境场景智能转换等人性化功能。

2）智慧照明将首先进驻公共场所，再逐步渗透民用市场，创新是LED产业的核心关键，也为产业的增长和提升提供支撑和驱动力。

3）国外照明企业的优先方向是智能路灯，飞利浦、欧司朗、GE等传统照明企业均布局智慧照明，迎合行业发展趋势，维持企业定位和市场占有率。

2 需求分析

2.1 功能需求

根据实际情况对城市路灯智慧照明控制系统进行需求分析，实现对路灯的智能控制，需要控制路灯节点的硬件系统、分析处理路灯数据的软件平台和路灯调光算法。依据该思路设计的系统需具备以下基本功能：

（1）远程监测

结合GIS电子地图，在地图上显示每盏路灯的位置及当前状态信息，通过软件系统远程控制每盏路灯的状态，包括路灯的开关、亮度和色温调节。

（2）数据采集

通过集中控制器采集同一回路内电压、电流、功率、能耗的数据，并可查询每盏路灯的实时状态，定期上报。

（3）智能策略调控

根据车流量，光照强度等环境数据分析，自定义策略模型实现路灯状态的自动调节。调控方式可分以下4种：

根据分时段控制策略实现自动控灯功能。通过服务端定时轮，判断当前时间点所属控灯时段，根据策略制定的控灯内容对路灯进行状态控制。

根据车流量自动控制。若系统中启用车流量控灯策略，则当车流量值达到指定范围区间时，系统自动执行设定的控灯策略。

根据光线强度自动控制。若系统中启用光线强度控灯策略，则当光线强度值达到指定范围区间时，系统自动执行设定的控灯策略。

按照经纬度自动开关灯。若系统中启用了经纬度控制策略，则根据集中控制器部署的经纬度信息，自动执行设定的控灯策略。

（4）数据可视化展示

将采集的路灯数据进行分析再通过曲线或其他图形实时展示。

2.2 性能需求

对单灯的操作响应时间不超过20 ms，对后台一般查询操作响应时间不超过1 s，对后台批量查询操作响应时间不超过3 s。

3 设计方案

3.1 系统总体结构

城市路灯智慧照明控制系统主要由单灯控制器、集中控制器、云服务器、平台管理系统和数据库5部分组成。其中多个单灯控制器与集中控制器通过PLC（电力载波）组建局域网，集中控制器采用GPRS与云服务器远程无线通信。系统在路灯灯杆安装路灯节点控制器，控制路灯亮度和色温，采集能耗等信息，然后将采集的信息发送到集中控制器，再通过GPRS传给云服务器，云服务器将数据发送至后台管理系统，数据经分析处理后，自动将处理结果反馈给路灯节点控制器，如果是故障信息，则系统会发出告警。系统的逻辑架构图如图1所示。

图1 系统逻辑架构图

3.2 照明智能调控设计

系统的照明调控是通过控灯策略来完成的，按照应用场景又可将控灯策略分为时间控制策略和经纬度控制策略。

3.2.1 分时段控灯策略

根据需求，将一天24 h划分为若干个时段 （最多不超过6个），设置每个时段需要实现的控灯功能。控制频率为每天、工作日、自定义周期。基于控制频率的策略执行优先级为：自定义周期的分时段控灯策略＞工作日的分时段控灯策略＞每天的分时段控灯策略。

控灯流程如图2所示。

图2 分时段控灯流程

3.2.2 车流量控灯策略

只有系统中启用了分时段控制策略，才能启用车流量控灯策略，并在路灯状态为开时，才允许执行车流量控灯策略，根据车流量大小控制灯光照明的亮度等级，调节周期以分为单位，控制的范围则是相关联的集中控制器及集中控制器下的分组。

控灯流程如图3所示。

图3 车流量控灯流程

3.2.3 光线强度策略

系统通过当前照度等环境参数自动执行路灯的调节，允许用户根据光线强度控制灯光照明 （见图4）。

图4 光照度控灯流程

4 界面实现

4.1 GIS远程监控界面

结合GIS地图，可直接查看当前路灯的状态、实时能耗和设备统计 （见图5）。

图5 GIS远程监控界面

4.2 能耗分析可视化界面

可通过多种方式查询，并通过图形的方式来展现查询结果 （见图6）。

图6 能耗分析可视化界面

5 结论

智慧路灯是智慧城市不可或缺的组成部分，从技术上看，智慧路灯是多学科多领域交叉融合的产品；从管理上看，涵盖了市政、交通、公共安全、环境和照明多个方面；从服务上看，既可以成为采集数据的物理载体，也可提供大数据分析处理平台。借助智慧灯杆物联网系统研发与应用示范项目，描述该项目中智慧路灯本身具备的功能，结合其他领域的数据分析，进一步优化路灯的照明功能，为智慧路灯普及奠定基础。