城市道路照明中的场景控制策略及其实现

内容摘要 城市道路照明控制系统可以通过场景控制达到提高照明质量和节约电能的双重效果。文章分析了智能化道路照明控制系统的几种主要场景控制策略，包括时间表控制、组群控制和环境参数辅助控制，并给出了具体的实现方法。 引 言 道路照明是城市绿色照明工程的重要组成部分。随着计算机技术、无线数据传输技术和现代电力电子技术的飞速发展，传统的道路照明也开始向着智能化的方向前进，尤其是已经可以实现单灯控制和故障检测。智能化的城市道路照明控制系统在提高照明质量、美化城市夜景的同时，还可以获得明显的节能效果，提高市政管理水平。智能化已经成为城市道路照明发展的必然趋势。 智能化道路照明系统概述 智能化的道路照明控制系统的一个重要特征就是系统能够根据不同区域的不同功能需求，在每天的不同时段、不同自然光照度或者不同交通流量情况下，按照特定的设置，实现对道路照明的动态智能化管理，即TPO(Time/Place/Occasion)管理。这些设置就是用户根据经验和需要设定的场景，智能化的道路照明系统正是通过场景控制获得了提高照明质量和节约电能的双重效果。 一种典型智能化道路照明系统的组成示意图，如图1所示。 该系统由照明管理中心平台、线路级智能监控终端和单灯智能控制器（或智能化数字镇流器）组成。照明管理中心平台负责整个系统的集中管理，进行远程实时控制、系统运行信息采集和监测。线路级智能监控终端负责所辖路段的智能化照明控制、解析执行管理中心指令和采集上报运行数据。单灯智能控制器（或智能化数字镇流器）负责单个路灯的控制和状态检测。线路级智能监控终端和照明管理中心之间可以采用无线通信（如GPRS）或以太网进行数据传输，单灯控制器（或智能化数字镇流器）和线路级智能监控终端之间采用窄带电力线载波通信方式进行数据传输。 场景控制的概念 所谓场景控制就是通过综合考虑和分析与道路照明密切相关的时间、路段、环境照度和交通流量等因素，按照预设的控制策略，对道路照明进行动态智能化管理，控制路灯在不同情况下工作在不同状态，实现多样化的道路照明场景，从而在提高照明质量的同时获得最佳的节能效果。 按照影响道路照明控制的主要因素可以将场景控制策略分为时间表控制、组群控制和环境参数辅助控制。利用场景控制可以实现多种情景模式控制，例如，在单杆单灯情况下，可以实现隔灯点亮；在单杆多灯情况下，可以实现一杆亮一盏灯／两盏灯／三盏灯／四盏灯等多种组合情况。 时间表控制 时间控制主要包括每天的及时开关灯控制和夜间按照道路交通流量分时段进行的组群控制或调光控制。这些控制操作不仅应该能够取得明显的节电效果，还应该能够提高道路照明质量。 1 开关灯时间的确定 尽管对于某一城市来说，完全可以根据当地的日照曲线确定出每个月份大致的开关灯时间，但是由于地球上每一点的地理位置不同，其对应的日出日落时间也不相同；并且由于地球的自转轴相对于地球和太阳的平面剧倾斜的，再加上地球的公转作用，因此即使是同一地区其每天的日出日落时间也不是完全相同的。所以为了实现精确的开关灯控制，更为合理的方法应该是根据城市所处的经纬度计算出当地每天的开关灯时间。文献[2]给出了一种较好的日出日落时间计算方法。 2 夜间分时段控制 夜间的道路照明控制主要是根据道路夜间交通流量变化规律进行分时段控制，尽管在一条道路上每天夜间不同时刻的交通流量会略有差异，但就一段时间（一个月或几个月）的统计规律来看，这种变化的波动并不很大，所以完全可以按照平均交通流量变化规律把一年的照明周期划分成若干照明季节。表1给出的是某路段一年内的照明季节划分情况。表中各划分点既是本季节的起始日期，也是上个季节的终止日期。 在每个照明季节内每天都按照同样的时段划分进行自动的照明控制。照明季节内的控制时段主要是根据对特定路段在该照明季节内每天不同时段的交通流量统计规律进行划分。表2给出的是某路段在照明季节三内的夜间控制时段划分情况。表中各划分点既是本时段的起始时间，也是上个时段的终止日期。场景的具体内容可以是调光、部分开关灯或者全部开关灯，用户可以根据每个线路级智能监控终端所辖路段的实际情况设定合理的场景模式。 尽管每天的开关灯时间不同，但夜间的控制时段一定是介于开灯和关灯时间之间的，因此，加上开灯和关灯，一天实际上就被分成了五个控制时段，如图2所示。 3 时段控制策略的软件实现 在主循环内程序首先应该能够根据当前日期，选择合适的照明季节，读取相应的时段划分表以便进行时段控制。照明季节选择流程如图3所示。 图中寄存器Month1、Month2、Month3、Month4、Month5和Month6中存放照明季节划分表中各划分点中的月份信息。寄存器Date1、Date2、Date3、Date4、Dates和Date6中存放照明季节划分表中各划分点 中的日期信息。寄存器Month和Date中分别存放当前月份和当前日期信息。此流程在照明季节划分上，要求一个照明季节至少包含一个月，并且最多不超过四个月。 由于每天的开关灯时间不同，所以必须在每天执行完关灯操作之后计算出新的一天的开关灯时间。在主循环内程序不断读取当前时间，和当前的时间策略表比较，决定是否执行控制操作或者执行何种控制操作。为了保证系统任何时刻上电都能立即恢复到正确的场景，在程序设计上就不能采用简单的时间点判断(即判断当前时刻是否到达某个设定的控制时段划分点)方法，而应该使用时间段判断(即判断当前时刻应该处于哪个设定的控制时段)方法。时间段判断的流程如图4所示。 图中寄存器Hour1、Hour2、Hour3、Hour4和Hour5分别存放各时段划分点的小时信息。寄存器Minu1、Minu2、Minu3、Minu4和Minu5分别存放各时段划分点的分钟信息。寄存器Hour和Minu中存放当前时间信息。此流程在照明时段的划分上，要求中间时段的划分点必须介于正常的开关灯时间点之间。采用时段判断的方法，使得系统不论在何时上电，都能够立即进入正确的控制场景，从而保证了照明质量。 组群控制 低压电力线载波通信技术的发展使得低成本的单灯控制和检测成为可能，从而也使路灯的控制变得更加灵活。同一路段的不同路灯，由于其所处位置的不同，对其照明控制的要求可能也不相同。比如某个路段处于十字路口的路灯，由于其位置的重要特殊性，就不能和其他路灯同时进行相同的场景控制。再就是对于一杆多灯的情况，需要考虑在交通流量减小时部分关闭以节约电能和减少光污染，这些都属于组群控制。组群控制可以通过配置控制系统底层(线路级智能控制终端和单灯智能控制器)之间的通信协议实现。对应于组群控制的通信协议数据包格式如图5所示。 控制类型声明单灯智能控制器应该执行何种控制操作，起始地址、终止地址和作用范围一起声明了对受控路灯节点的地址编号要求，这样就相当于将符合相同条件的路灯节点绑定在一起，从而可以实现群组控制。作用范围根据单灯智能控制器地址编号的数学特征可以分为奇数有效、偶数有效等多种情况，因此可以实现多样化的组群 控制组合。 环境参数辅助控制 智能化的道路照明控制系统还应该能够根据天气、交通流量等实际的环境参数调整照明控制措施，以获得更好的照明质量和节电效果。 1 照度辅助控制 考虑到天气异常变化的影响，比如在阴雨天气，实际的天黑时间将比正常情况提前，天亮时间将会推迟，这样就必须提前开灯或者推迟关灯。所以在这种情况下要提高照明质量就不能再单纯按照时段划分中的开关灯时间进行控制，而必须综合考虑自然环境照度和当前时间，执行相应的开灯或关灯操作。需要注意的是，为了保证系统的稳定性，在进行环境照度采集时必须采取延时或者软件滤波等措施消除环境照度尖峰干扰(如闪电)。 此外，还应该限定根据照度进行控制的作用时间段或者采用模糊控制手段区分干扰和正常情况，避免因突变持续性干扰造成的误动作。依据环境照度进行辅助开灯控制只是在控制时段5内且距离正常开灯时间1h内的时间段内有效。同样，依据环境照度进行辅助的延迟关灯控制只是在控制时段5内且在正常关灯时间之后的1h内的时间段内有效，超出这段时间将不再考虑环境照度因素。 2 交通流量辅助控制 在智能化的照明控制系统中要实现人性化的照明控制，还必须考虑同一照明季节内交通流量变化规律的异常情况，尤其是在一些比较重要的节假日，人们的作息习惯会和平时出现差异，因此道路交通流量曲线与平时相比会出现较大波动，这时就不能再按照正常的时间段划分进行控制，而必须借助于交通流量辅助控制。考虑到这种波动主要集中在控制时段2和控制时段3内，因此限定交通流量辅助控制也只是在控制时段2和控制时段3内有效。在进行交通流量数据采集时，为了保证照度采集的准确性，应该合理安排数据采集的周期。 结束语 为了达到更好的效果，还可以进一步细化照明季节划分和控制时段划分