【摘要】：隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)和云計算的發(fā)展,基于單燈智能控制的智慧照明系統在高速公路主線(xiàn)照明中得到了廣泛應用和發(fā)展。簡(jiǎn)要介紹了智慧照明系統,并通過(guò)分析智慧照明系統在佛山市高速公路照明工程中的應用案例,提出了智慧照明系統的若干思考。

0引言

隨著(zhù)人工智能的發(fā)展和“雙碳"目標的提出,各地的智慧交通建設正陸續發(fā)力。同時(shí),為了更好地提升出行人員夜間駕駛的安全性和舒適性,高速公路照明工程已不僅局限于隧道內,越來(lái)越多的路段開(kāi)始考慮建設主線(xiàn)和互通中的照明工程。據相關(guān)文獻,照明用電量約占全社會(huì )用電量的13%,其中路燈用電量約占照明用電的30%,因此,在照明工程中采用新技術(shù)降低照明能耗、提升照明管理水平,達到照明領(lǐng)域的綠色節能,是高速公路管理部門(mén)關(guān)注和思考的問(wèn)題之一。

由于路燈的單燈控制至少可以節省用電量10%,且維護保養成本也能明顯下降,具有較好的經(jīng)濟效益,因此建設基于單燈控制的智慧照明系統,將助力實(shí)現綠色節約的目標。

本文分析了基于單燈控制的智慧照明系統在佛山市高速公路照明工程中的應用,此外,根據實(shí)踐經(jīng)驗和出行需求,提出了智慧照明系統的若干思考。

1照明控制系統

1.1　傳統的照明控制系統

早期的照明控制系統大多采用有線(xiàn)控制,其控制方式一般采用時(shí)間控制、回路控制或兩者相結合的控制方式。這種傳統的控制方式?jīng)]有細化到控制任意一桿燈,無(wú)法實(shí)現地管控和節能。比如,當有一盞燈具發(fā)生故障時(shí),傳統的照明系統無(wú)法地感知到故障位置,需要花費大量時(shí)間進(jìn)行人工排查,存在人工巡檢范圍大、費時(shí)費力等缺陷。另一方面,傳統的照明系統沒(méi)有考慮對燈具的分組控制和精細化控制,造成用電浪費甚至光污染。

1.2　智慧照明系統

智慧路燈是分布在高速公路廣泛、均勻的物聯(lián)網(wǎng),可成為智慧高速公路建設的切入點(diǎn)和智能終端,在社會(huì )、經(jīng)濟等方面具有較明顯的效益(表1)。

由于智慧照明系統具備不間斷地監控每個(gè)照明燈具的功能,可防止電網(wǎng)的浪涌電壓對光源造成損壞,使燈具的平均壽命相應延長(cháng)了2倍以上,顯著(zhù)降低了燈具更換的費用,也大幅減少了照明系統管理人員的工作強度,使照明管理變得更加經(jīng)濟和人性化。同時(shí),由于智慧照明系統與物聯(lián)網(wǎng)、云計算等科技相結合,對每一桿路燈進(jìn)行智能控制和精細管理,是智慧路燈的創(chuàng )新性發(fā)展,將推動(dòng)智慧高速公路的建設、管理與發(fā)展。

2佛山市高速公路照明工程項目案例

2.1　項目概況

項目建設范圍為廣佛高速公路主線(xiàn)、廣三高速公路主線(xiàn)、佛開(kāi)高速公路主線(xiàn)和廣珠西高速公路主線(xiàn)共100km的照明工程,4條路段累計安裝發(fā)光二極管(LightEmittingDiode,LED)照明燈具5266套。項目條件復雜,有高邊坡、垂直邊坡、國防光纜、石油管道、天然氣管道和供水管道等。根據現場(chǎng)實(shí)際,項目克服各種困難并于2021年1月至4月陸續完成亮燈和智慧照明控制,其中照明控制系統采用了基于單燈控制的智慧照明控制方案,是本次照明工程改造的一大亮點(diǎn)。

2.2　基于單燈控制的智慧照明系統的應用

2.2.1　總體方案

系統整合了專(zhuān)業(yè)高效的LED智能照明燈具、窄帶物聯(lián)網(wǎng)數據通訊、簡(jiǎn)單實(shí)用的華為云平臺以及集成的服務(wù),系統總體方案如圖1所示。

圖1　智慧照明系統總體方案

智慧照明系統在傳統照明系統的基礎上,融合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機技術(shù)和地理信息技術(shù)等,將照明設施進(jìn)行一體化管理,優(yōu)化了照明管理流程,提高了照明管理人員的工作效率,實(shí)現對照明設備的化管理和智慧化控制,提高了照明管理水平和節能效率。智能照明控制軟件平臺是整個(gè)智慧照明系統的節點(diǎn),是整個(gè)系統操作、維護、處理、分析和監管的遠程控制。

2.2.2　系統架構

智慧照明系統按照道路照明的控制邏輯關(guān)系和照明線(xiàn)路拓撲而構成(圖2),其包括數據控制、無(wú)線(xiàn)智能控制網(wǎng)關(guān)和單燈控制器等。無(wú)線(xiàn)智能控制網(wǎng)關(guān)集成了集中控制器,實(shí)現路燈的信息化監控。單燈控制器和集中控制器之間通過(guò)電力線(xiàn)載波進(jìn)行通信,集中控制器和數據控制之間通過(guò)4G無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信,且可隨時(shí)更換5G通信模塊。

圖2　智慧照明系統拓撲圖

2.3　智慧照明系統在該項目應用的優(yōu)勢

(1)節能減排、綠色節約。遠程單燈控制可調用燈具信息,采集燈具亮度、電壓、電流、功率及用電量等,以實(shí)現對單燈能耗的計量、延長(cháng)燈具使用壽命,不斷挖掘照明系統節能減排的潛力。且系統可以根據車(chē)流量和時(shí)間對單燈或分組制定控制策略,通過(guò)適當地調節燈具亮度和針對性地匹配開(kāi)關(guān)燈時(shí)間,控制每一盞燈具,從而有效實(shí)現綠色節約。

(2)減少巡檢成本、提高檢修效率。智能照明控制平臺借助地理信息系統對每一盞故障燈具進(jìn)行定位,可自動(dòng)識別故障位置和故障類(lèi)別,大大減少了巡檢人員和巡檢車(chē)輛,從而明顯地節省了燈具的巡查成本,有效支持路段的智能化運維。根據系統所采集的運行信息,顯示故障的準確地點(diǎn)、設備狀態(tài)和故障類(lèi)型,維修人員可提前完成檢修備料工作,改變了傳統巡檢模式定位難、需要逐個(gè)排查和效率低等缺點(diǎn),縮短了維修時(shí)間,提髙了檢修效率。

(3)實(shí)現照明控制和照明管理的精細化。傳統的路段主線(xiàn)照明控制大多為回路控制,即通過(guò)控制箱變或變電所的低壓出線(xiàn)回路開(kāi)關(guān),實(shí)現對主線(xiàn)照明的控制。這種傳統的照明控制比較粗放,一般一個(gè)回路約為1km,即只能使1km范圍內的燈具同時(shí)開(kāi)啟或同時(shí)關(guān)閉,缺乏精細化,容易造成用電的浪費。智慧照明系統結合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS技術(shù),對所有照明燈具進(jìn)行準確定位,可精細地控制單一燈具的開(kāi)啟與關(guān)閉,也可靈活地對各路燈桿進(jìn)行分組、分路段控制。這種精細化控制有利于高速公路管理人員準確采集照明系統相關(guān)信息,對重要決策進(jìn)行分析評估,提高高速公路照明管理水平。

(4)提高維修作業(yè)的安全性。由于每一桿燈在檢修孔內都安裝了單燈控制器和電源適配器,使其在整個(gè)智慧照明系統中具有單一的、可快速識別的身份編碼,便于燈具的維修維護,且大部分故障可以在檢修孔處維修,降低了高空作業(yè)車(chē)的使用率,提升了維修作業(yè)時(shí)的安全度。

(5)良好的拓展能力和應急能力。照明智能控制箱設備內置4G智能鏈路傳輸功能(支持國內移動(dòng)/聯(lián)通/電信三大運營(yíng)商),方便客戶(hù)進(jìn)行遠程監控和操作,采集報警信息,且具備良好的功能拓展能力,可隨時(shí)更換5G通信模塊。所提供的無(wú)線(xiàn)寬帶可在緊急情況下作為應急數據傳輸通道,為臨時(shí)卡點(diǎn)傳輸視頻、語(yǔ)音、數據等信息,為應急工況下提供可靠的無(wú)線(xiàn)寬帶通信保障。

2.4　主要設備及軟件平臺性能

2.4.1　單燈控制器

相比于傳統的照明回路控制,智慧照明系統在每桿燈桿檢修孔內安裝內置電力線(xiàn)載波(PLC)、微功率無(wú)線(xiàn)通信的單燈照明控制器,可自由切換電力線(xiàn)載波和微功率無(wú)線(xiàn)通信模式,實(shí)現單燈控制,其原理及結構如圖3所示。單燈控制器對每個(gè)燈具進(jìn)行數據采集,上報管理平臺,且根據路段管理Web版軟件和管理人員手機APP指令可進(jìn)行分路段、分區、分組、分回路和單燈等場(chǎng)景調控,以及燈具開(kāi)關(guān)和調光等控制模式,同時(shí)具備異常開(kāi)/關(guān)燈、燈具故障、燈桿漏電、功率不足、超流超限、超壓、通信失敗等報警功能。

圖3　單燈照明控制器原理及結構

2.4.2　無(wú)線(xiàn)智能控制網(wǎng)關(guān)(含集中控制器)

采用模塊化設計方式,內含通信模塊(4G)、路燈控制模塊、電參數檢測模塊,兼具4G智能鏈路傳輸和路燈集中控制兩大功能。其通過(guò)雙模通訊方式,即同時(shí)支持電力線(xiàn)載波(OFDMPLC)和微功率無(wú)線(xiàn)通信(RF433),控制終端的開(kāi)、關(guān)燈和調光操作,并接收照明終端發(fā)送的路燈狀況和電量使用信息。

2.4.3　智慧照明控制軟件平臺

智慧照明控制軟件平臺自上而下包括4個(gè)層次。軟件平臺架構如圖4所示,軟件平臺界面如圖5所示。

圖4　智慧照明控制軟件平臺架構

圖5　智慧照明控制軟件平臺界面

(1)展示層:提供照明控制的人機界面,如本地客戶(hù)端、遠程客戶(hù)端、手機APP等。

(2)應用層:提供照明控制的應用功能,如設施資源管理、照明智能監控、單燈控制及節能管理、生產(chǎn)運維管理和移動(dòng)監控等。

(3)服務(wù)層:提供三大服務(wù)(通信/數據服務(wù)、應用服務(wù)、GIS服務(wù)),如消息服務(wù)、遠程通訊,報表和圖表工具、安全服務(wù)、數據分析與訪(fǎng)問(wèn),基礎地圖服務(wù)、地理數據服務(wù)等。

(4)數據層:對數據庫進(jìn)行統一編碼標準和統一數據模型。

2.4.4　智慧照明控制軟件平臺功能

智慧照明控制軟件平臺具有GIS地圖功能、設備管理與控制功能、分組控制功能、遠程開(kāi)關(guān)功能、分組控制功能等,見(jiàn)表2。

2.5　智慧照明系統在該項目應用的不足

智慧照明系統自2021年1月陸續投入以來(lái),基于單燈控制的智慧照明系統得到了佛山市照明工程路段管養單位和出行者的好評,具有故障率低、故障識別、維修速度快、調光和控制功能實(shí)用性強、維護成本低等特點(diǎn)。但也存在一些不足之處,如建設期未考慮與路段上的車(chē)輛檢測器、氣象檢測器、閉路電視監視系統和可變信息標志等其他現有設備進(jìn)行聯(lián)動(dòng);未考慮利用燈桿集成其他信息化設備以減少對土地的占用,節約空間和后期建設成本;也沒(méi)有考慮使用區別于傳統照明工程的低空照明,以提高行車(chē)的誘導性,降低維護費用。

3單燈控制智慧照明系統拓展思考

(1)整合路網(wǎng)信息,提高協(xié)同聯(lián)動(dòng)性和智慧水平。建議可將傳統機電工程三大系統的數據整合到智慧照明控制系統中,比如通過(guò)視頻圖像傳感器或雷視一體機采集通行車(chē)輛的數據,實(shí)現“車(chē)來(lái)燈亮、車(chē)走燈滅"的功能。同時(shí),將氣象檢測器采集到的天氣情況和路面溫濕度信息、事件檢測器采集到的特殊事件等信息整合到智慧照明控制系統中,設計對應的聯(lián)動(dòng)方案,提升照明系統的智慧化。

(2)利用路燈物聯(lián)網(wǎng)承載其他上層應用。針對不同的路段情況,分析各類(lèi)傳感器、WIFI熱點(diǎn)、車(chē)路協(xié)同路側基礎設施、毫米波雷達、全彩戶(hù)外顯示屏等信息化設備的需求,以合理設置智慧集約燈桿。同時(shí),智慧集約燈桿也可作為5G微基站的天然搭配。這樣既可提高燈桿的智慧化,又可避免設備基礎等土建工程的重復建設,節約空間和建設成本。智慧集約燈桿可集成的設備見(jiàn)表3。

(3)合理布置低空照明。由于低空照明具有行車(chē)誘導性強的特點(diǎn),建議對低空照明的課題進(jìn)行深入研究,解決低空照明仍存在的問(wèn)題與盲區,如可能造成駕乘人員的眩光等不適,使低空照明能成功應用于高速公路,服務(wù)廣大出行者。同時(shí)制定相關(guān)的技術(shù)規范,根據不同路段的特點(diǎn)合理布置低空照明和高空照明,在節省照明工程建設費用的同時(shí),為高速公路照明工程帶來(lái)智慧化和人性化發(fā)展。

(4)加快標準框架體系的建設。標準化是支撐智慧照明系統建設的重要手段,標準化可以有效地規范智慧路燈的規劃、設計、建設、運行及設備制造。而智慧照明系統相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品仍處于繼續發(fā)展和優(yōu)化的過(guò)程中,未來(lái)將成為不同行業(yè)、不同部門(mén)的共享設備及共享數據,涉及到跨領(lǐng)域和跨部門(mén)的制度支撐問(wèn)題,因此,標準化工作難度較大,框架體系尚未統一。建議加強照明、交通、數字化、市政和公共安全等各管理領(lǐng)域的協(xié)同合作,進(jìn)一步加快智慧照明系統標準框架體系的建設。

4安科瑞智能照明控制系統

4.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線(xiàn)技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩定。開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器具備獨立工作的能力，適用于一些中小型的項目；模塊化設計，可以任意拼接擴展，同時(shí)預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿(mǎn)足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺進(jìn)行數據交換。

4.2應用場(chǎng)所

適合于各類(lèi)智能小區、醫院、學(xué)校、酒店，以及體育場(chǎng)所、機場(chǎng)、隧道、車(chē)站等大型公建項目的照明控制需求。

4.3系統結構

4.4系統功能

1）實(shí)時(shí)檢測并顯示各個(gè)模塊的在線(xiàn)狀態(tài)，反饋現場(chǎng)受控回路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，監控界面按照樓層各分區的布局和回路列表來(lái)瀏覽。

2）當發(fā)生模塊離線(xiàn)、網(wǎng)關(guān)設備掉線(xiàn)或者狀態(tài)反饋和下發(fā)控制命令不一致時(shí)會(huì )發(fā)生故障報警，并將故障報警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對單個(gè)照明回路實(shí)現開(kāi)關(guān)控制；每個(gè)模塊、樓層都有相應的模塊控制開(kāi)關(guān)和樓層控制開(kāi)關(guān)，也可以一個(gè)模塊或者整個(gè)樓層實(shí)現開(kāi)關(guān)控制。

4）開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器支持過(guò)零觸發(fā)功能，負載（燈具）的分合操作僅在交流電過(guò)零時(shí)進(jìn)行；可有效減少電磁干擾以及對電網(wǎng)的沖擊，延長(cháng)燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個(gè)照明回路可以預設掉電狀態(tài)，當照明電源掉電時(shí)，開(kāi)關(guān)驅動(dòng)器會(huì )自動(dòng)切換到預設的掉電狀態(tài)；確保重新上電時(shí)燈具的開(kāi)關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動(dòng)調光控件，照明設備從0%到100%進(jìn)行調光，可以對單個(gè)照明回路實(shí)現調光控制，調光總控可以對一個(gè)模塊的照明回路實(shí)現調光控制，也可以對多個(gè)照明回路實(shí)現調光控制，通過(guò)圖標的亮滅狀態(tài)反饋現場(chǎng)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。

7）點(diǎn)擊場(chǎng)景控件，打開(kāi)或者關(guān)閉對應場(chǎng)景設置，軟件界面上顯示不同的場(chǎng)景模式和場(chǎng)景功能，通過(guò)圖標的亮滅顯示對應的場(chǎng)景狀態(tài)是打開(kāi)還是關(guān)閉。

8）設置定時(shí)時(shí)間，確認時(shí)間點(diǎn)后，對該事件點(diǎn)執行的動(dòng)作進(jìn)行設置，設置燈在設定的時(shí)間點(diǎn)亮或者滅。

9）系統可以通過(guò)預設的當地經(jīng)緯度信息，自動(dòng)計算每天的日升日落時(shí)間；根據天文時(shí)鐘控制照明開(kāi)關(guān)，實(shí)現日落開(kāi)燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時(shí)控制計劃均可下發(fā)保存至驅動(dòng)模塊；當上位機系統故障或模塊離線(xiàn)時(shí)，驅動(dòng)模塊可以利用自帶的RTC時(shí)鐘維持定時(shí)控制計劃的正常執行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統結構是分布式總線(xiàn)結構；系統內各元件不依賴(lài)于其他元件而能夠獨立工作；系統內各元件可以通過(guò)程序的設定實(shí)現功能的多樣性。

12）預留BA或三方集成平臺接口，采用modbus、opc等方式。

4.5設備選型

5結語(yǔ)

基于單燈控制的智慧照明系統發(fā)揮了物聯(lián)網(wǎng)和路燈的雙重優(yōu)勢,在提高高速公路照明管理智慧化、精細化、綠色化的同時(shí),可作為建設智慧高速公路的重點(diǎn)切入方向?；趩螣艨刂频闹腔壅彰飨到y在佛山市高速公路照明工程中的應用案例,表明了智慧照明系統的建設在減少資源浪費、優(yōu)化管理機制和實(shí)現運維一體化上是可行的。相信隨著(zhù)未來(lái)對照明方案不斷優(yōu)化拓展與技術(shù)進(jìn)步,智慧照明系統的應用將進(jìn)一步有利于推動(dòng)智慧高速公路的建設。

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