朱應(yīng)昶，肖 輝

(同濟大學控制科學與工程系，上海 201804)

城市道路照明智能化研究

朱應(yīng)昶，肖 輝

(同濟大學控制科學與工程系，上海 201804)

針對智慧路燈系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題，以LED信息發(fā)布屏功能模塊為研究對象，本文構(gòu)建以信息效用為目標的規(guī)劃模型，提出其路徑規(guī)劃和布局優(yōu)化的方法，促進智慧路燈的推廣應(yīng)用，加快道路照明的智能化發(fā)展進程。

智慧路燈；LED信息發(fā)布屏；布局規(guī)劃

引言

隨著 LED技術(shù)的迅猛發(fā)展，LED路燈技術(shù)日漸成熟，并被大量應(yīng)用于道路照明中。同時，在智慧城市的建設(shè)中，作為最密集的城市基礎(chǔ)設(shè)施，路燈是最佳的物聯(lián)網(wǎng)終端載體[1]，能在實現(xiàn)智能照明的同時，實現(xiàn)其他多種功能，推動智慧城市的建設(shè)[2]。目前，具有無線Wi-Fi覆蓋、充電樁、數(shù)據(jù)監(jiān)控、環(huán)保監(jiān)測、燈桿屏、地下管網(wǎng)監(jiān)控、城市洪澇災害預警、區(qū)域噪聲監(jiān)測、市民應(yīng)急報警等“LED智慧路燈及系統(tǒng)”已開始試點推廣[3]。但在智慧路燈應(yīng)用中，存在著建設(shè)成本高，運維管控困難等問題。本文提出采用分級分類的控制策略，以LED信息發(fā)布屏功能模塊為研究對象，構(gòu)建以信息效用為目標的規(guī)劃模型，為智慧路燈大范圍大規(guī)模推廣應(yīng)用，提供合理化建議。

1 智慧路燈應(yīng)用存在的問題

眾所周知，在城市道路上設(shè)置照明燈具是為在夜間給行車和行人創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，有利于提高道路通行能力和保證交通安全，降低犯罪活動和美化城市夜晚環(huán)境的效果。目前，道路照明系統(tǒng)主要采用遠程集中控制方式，由控制中心、集中控制器和終端控制器組成。從通信方式來說，控制中心到集中控制器采用GPRS/CDMA無線通訊網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程通訊；從集中控制器到終端控制器采用短程通訊方式如電力線載波(PLC)[4]、Zigbee等實現(xiàn)對單燈的控制[5]。從功能來說，主要具有遙測、遙信、遙控的“三遙”功能以及在“三遙”基礎(chǔ)上增加的遙視、遙調(diào)功能，即“五遙”功能。隨著NB-IoT技術(shù)[6]的成熟，由控制中心直接對單燈終端進行控制的“一跳式”道路照明控制系統(tǒng)應(yīng)運而生，2017年6月NB-IoT路燈商用項目在江西鷹潭正式投入運營。同時，作為智慧城市信息采集、信息發(fā)布、信息傳輸?shù)慕K端載體“LED智慧路燈”被多家公司研發(fā)成功并開始試用。LED智慧路燈系統(tǒng)主要分為硬件(多功能桿)、軟件(監(jiān)控平臺)兩部分，其硬件層的LED燈具、攝像頭、傳感器、燈桿屏、充電樁等設(shè)備，一般都是標準化產(chǎn)品，技術(shù)難度不大，預留接口即可。但是，由于LED智慧路燈與傳統(tǒng)路燈相比，功能強，造價高。尤其是在現(xiàn)有城市道路照明的改建中，也無需對所有路燈要求實現(xiàn)智能化改造。因此，如何實現(xiàn)LED智慧路燈的布局優(yōu)化將尤為重要。

2 LED信息發(fā)布屏功能模塊布局規(guī)劃

由于智慧路燈需要搭載的功能模塊有多個，與之對應(yīng)的建設(shè)目標也不盡相同，基本的研究思路是對每種功能模塊，分別研究其建設(shè)目標與收益，從中選擇較優(yōu)的布局規(guī)劃方案。

就智慧路燈的LED信息發(fā)布屏功能模塊而言，建設(shè)目標是其發(fā)布信息所產(chǎn)生的效益，即信息效用。在實際考慮信息效用時，需要對各種非耦合或耦合性不強的信息進行分類，然后分別考慮其對應(yīng)的信息效用，并對信息效用進行量化。

下面將以發(fā)布交通信息(包括擁堵，道路封閉等交通事件及發(fā)生事件的路段等)的LED信息發(fā)布屏為例，討論其布局規(guī)劃需要考慮到的因素并以信息效用為目標建立模型來分析如何合理布局。

2.1布局規(guī)劃影響因素

一般來說，考慮交通量大且服務(wù)水平較高的環(huán)路、快速路聯(lián)絡(luò)線、主干路以及部分次干路作為該功能智慧路燈的安裝備選路段，主要需要考慮以下幾個布局規(guī)劃影響因素[7]：

1)路段交通事件發(fā)生率。路段交通事件發(fā)生率是影響該功能智慧路燈布局的重要因素之一。越頻繁出現(xiàn)交通事件(道路擁堵或封閉等)的路段則越應(yīng)該在其前方某路段安裝該功能智慧路燈來實時顯示該路段的交通情況，以便在該路段發(fā)生交通事件時駕駛者能提前獲得相關(guān)信息選擇其他路線。

2)路段交通流量。路段交通流量需要考慮兩個方面，一個是該功能智慧路燈安裝路段的交通流量，另一個是智慧路燈其屏上所顯示路段的交通流量。安裝路段交通流量越大，就意味著有更多的駕駛者看到屏上的信息。顯示路段交通流量越大，也就意味著同樣情況下將有更多的駕駛者將前往該顯示路段，即該顯示路段的交通情況對于更多的駕駛者來說是有效的。

3)安裝路段距顯示路段的距離。當安裝路段距顯示路段較遠時，由于駕駛者到達顯示路段需要較長時間，而這段時間內(nèi)交通情況可能發(fā)生改變，信息的有效性受到衰減[8]，駕駛者不易信服發(fā)布的信息；當安裝路段距顯示路段太近時，駕駛者雖然從心理上愿意接受該交通信息，但是客觀上已經(jīng)失去選擇替代路徑的能力。一般說來，城市路網(wǎng)中安裝路段距顯示路段一兩個路段，即可保證客觀上存在替代路徑。

4)反應(yīng)決策時間。由于駕駛者從看到發(fā)布的信息到做出新的決策需要一定的時間，因此，該功能智慧路燈安裝位置不宜離路口過近，以防止駕駛者來不及反應(yīng)。

5)信息獲取率[9]。由于駕駛者視線停留在屏上的時間有限，因此，一般說來，屏上信息越多，駕駛者的信息獲取率就越低。所以，智慧路燈其屏上顯示路段并不是越多越好。

6)信息冗余度。如果該功能智慧路燈相距較近，顯示路段大體相同，路段信息變化不大，則會存在大量信息冗余。為避免過多的信息冗余，需要考慮信息冗余度，以防止該功能智慧路燈布局過于密集，而實際效用并不大。

綜上所述，定性分析的話，該功能智慧路燈應(yīng)當安裝在交通流量較大的路段，安裝位置靠近下一個路口不宜過近；顯示的路段離安裝路段較近且是交通事件易發(fā)路段，顯示路段信息不宜過多；智慧路燈分布不宜過于密集。

2.2模型建立與模型求解

根據(jù)上述影響因素對布局規(guī)劃的影響程度，以信息效用為目標建立的目標函數(shù)如下：

式(1)中E表示路網(wǎng)區(qū)域智慧路燈的信息總效用；Q表示路網(wǎng)中所有路段組成的集合；zk表示一個0～1變量，當路段k上裝有該功能智慧路燈時，zk為1，反之為0；Ek表示路段k處智慧路燈的信息效用；ρk表示路段k處智慧路燈的信息冗余度。其中Ek由車流量、信息量、信息衰減系數(shù)、信息有效比例、信息獲取率等部分組成：

上述模型中規(guī)劃變量僅有兩種：①zk：該功能智慧路燈的安裝位置；②Sk：智慧路燈信息發(fā)布屏的顯示內(nèi)容(控制策略)。由于智慧路燈屏上顯示路段情況是0～1規(guī)劃(顯示或不顯示)，因此采用遺傳算法[11]首先求解各處屏的最優(yōu)顯示路段集合Sk；再由于zk也是0～1變量(安裝或不安裝)，同樣采用遺傳算法求解路網(wǎng)中該功能智慧路燈的安裝路段，再根據(jù)反應(yīng)決策時間等指標即可確定智慧路燈在路段中的具體安裝位置。

2.3案例仿真

以某城市主城區(qū)為例，假定計劃在選定路網(wǎng)區(qū)域安裝7個配備有信息發(fā)布屏的智慧路燈。根據(jù)一般情況下主干路、次干路、支路每車道車流量范圍設(shè)定各路段車流量，采用VISSIM軟件對路網(wǎng)進行仿真如圖1所示。

圖1 VISSIM路網(wǎng)仿真圖Fig.1 Road network simulation by VISSIM

通過合理選取路段，將圖1路網(wǎng)抽象成如圖2所示。

圖2 路網(wǎng)節(jié)點—路段抽象圖Fig.2 Abstract diagram of road network

對圖2中所有節(jié)點(岔路口及流入流出口)進行編號，共計35個節(jié)點。再按起始節(jié)點、終止節(jié)點編號升序排列對路段進行編號，共計87個路段，這87個路段即智慧路燈選址規(guī)劃的研究范圍。

通過以上模型確定出7個該功能智慧路燈安裝路段如圖2中“□”標記所示。將得到的布局規(guī)劃結(jié)果采用VISSIM進行仿真，對比安裝前后車輛平均行程時間來衡量交通改善情況。

表1 安裝前后平均行程時間對比

通過表1可以看出，按照圖2中“□”標記所示安裝該功能智慧路燈后，主要路徑總平均行程時間(各路徑平均行程時間以流量為權(quán)值求加權(quán)和)減少了約4.6%，所有路徑總平均行程時間減少了約2%，交通情況有所改善。因此，該案例智慧路燈選址基本合理，規(guī)劃模型合理。

3 智慧路燈的應(yīng)用發(fā)展

綜上所述，智慧路燈的大規(guī)模使用，應(yīng)采用分級分類的策略，考慮其布局規(guī)劃的合理性。在考慮布局規(guī)劃時，可以對每種互不耦合的功能模塊，分別研究其建設(shè)目標與收益，從中選擇較優(yōu)的布局規(guī)劃方案，再整合成一個統(tǒng)一的布局規(guī)劃方案。其中，對LED信息發(fā)布屏功能模塊進行布局規(guī)劃時，應(yīng)考慮路段交通事件發(fā)生率、路段交通流量、安裝路段距顯示路段的距離、反應(yīng)決策時間、信息獲取率和信息冗余度等影響因素，以信息效用作為其建設(shè)目標是一種合理的方法。人工智能技術(shù)的發(fā)展、工業(yè)4.0的推廣，將進一步促進智慧路燈的發(fā)展，提升城市道路照明的智能化水平。

[1] 王少偉.智能建筑與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的研究[D].西安：長安大學，2012.

[2] 汪清.淺析智慧照明在智慧城市建設(shè)中的引領(lǐng)作用//2016年中國照明論壇——半導體照明創(chuàng)新應(yīng)用暨智慧照明發(fā)展論壇文集. 北京：中國照明學會，2016.

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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