劉 暢，付保川，2 ，吳征天,2，許馨尹，李淑嫻

(1.蘇州科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215009；2.蘇州智慧城市研究院，江蘇 蘇州 215009)

引言

道路照明是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，為城市通行車(chē)輛和行人提供良好的視覺(jué)環(huán)境，保障道路通行安全。道路照明的電力消耗在城市能源消耗中占比較大[1],對(duì)于城市道路照明系統(tǒng)的節(jié)能研究引起了人們的高度重視。在道路照明系統(tǒng)中，提升照明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和照明效率是節(jié)約照明能耗的重要途徑。本文將研究一種道路照明動(dòng)態(tài)模型，提高道路照明系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能, 人工光源隨自然光的變化動(dòng)態(tài)的調(diào)整輸出滿足照明需求，實(shí)現(xiàn)自然光源和人工光源的動(dòng)態(tài)互補(bǔ)，以照明規(guī)范為依據(jù)，根據(jù)光學(xué)相關(guān)原理建立照度模型,以模糊控制理論為基礎(chǔ)建立模糊控制策略，在控制策略中引入車(chē)輛行為信息，以車(chē)輛行為信息為基礎(chǔ)設(shè)定人工光源狀態(tài)轉(zhuǎn)換的維持時(shí)間，利用粒子群算法探索最佳的燈具照度組合,實(shí)現(xiàn)自然光源和人工光源的智慧融合，提高節(jié)能水平。

1 照明模型建立

1.1 點(diǎn)光源照度模型

現(xiàn)有的道路照明系統(tǒng)一般有兩種工作狀態(tài)，即完全開(kāi)啟或完全關(guān)閉，目前在道路照明系統(tǒng)中燈具對(duì)路面的照度補(bǔ)償值為燈具按額定功率發(fā)光計(jì)算所得的定值。引入光學(xué)原理根據(jù)點(diǎn)照度計(jì)算公式構(gòu)建現(xiàn)有照明系統(tǒng)照度模型。如圖1所示。其中W為燈具安裝位置，H為燈具安裝高度，Q為路面上任意一點(diǎn)，根據(jù)光學(xué)原理，燈具W額定功率下在Q點(diǎn)所產(chǎn)生的照度值為

圖1 照度計(jì)算示意圖Fig.1 Intensity of illumination computation

(1)

式中I(θ)表示燈具W配光曲線θ方向的光強(qiáng);E表示燈具W在Q點(diǎn)產(chǎn)生的水平照度;L表示燈具W到Q點(diǎn)的水平距離。M為燈具的維護(hù)系數(shù)，Φ表示額定光通量。由Q點(diǎn)所處的位置可以得到照度表達(dá)式中的余弦值為

(2)

單個(gè)燈具在Q點(diǎn)產(chǎn)生的照度補(bǔ)償量為

(3)

在道路照明系統(tǒng)中不僅僅是一盞燈具，還有其他燈具的影響，如圖2所示。

圖2 道路場(chǎng)景示意圖Fig.2 Road scene

Q點(diǎn)的最終照度補(bǔ)償值為多個(gè)燈具在Q點(diǎn)產(chǎn)生的照度值的線性疊加，可表示為

(4)

其中，

式中，Eij表示第i盞燈在j點(diǎn)產(chǎn)生的照度，n為計(jì)算區(qū)域內(nèi)的燈具數(shù)量，計(jì)算區(qū)域內(nèi)路面平均照度可表示為

(5)

式中，Eav表示計(jì)算區(qū)域內(nèi)路面的平均照度，m為計(jì)算區(qū)域內(nèi)計(jì)算點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

路面亮度總均勻度計(jì)算公式為

(6)

式中，Lmin為計(jì)算區(qū)域內(nèi)路面最小亮度;Lav為路面平均亮度。

路面亮度縱向均勻度計(jì)算公式為

(7)

(8)

式中，B為亮度，E為照度，ρ為路面反射率。

1.2 混合動(dòng)態(tài)模型

現(xiàn)有的照明系統(tǒng)在實(shí)時(shí)根據(jù)環(huán)境照度動(dòng)態(tài)調(diào)整燈具工作狀態(tài)方面存在改進(jìn)空間，對(duì)現(xiàn)有的照明系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的系統(tǒng)引入自然光和車(chē)輛因素，主要由車(chē)輛信息采集單元、環(huán)境信息采集單元、調(diào)節(jié)控制單元以及照明單元四個(gè)模塊組成。車(chē)輛信息采集單元主要負(fù)責(zé)采集車(chē)速、行駛方向、車(chē)輛有無(wú)等信息。環(huán)境信息采集單元主要負(fù)責(zé)采集路面亮度、自然光強(qiáng)度、行駛車(chē)輛燈具對(duì)路面產(chǎn)生的實(shí)時(shí)照度等信息。調(diào)節(jié)控制單元以采集的車(chē)輛信息和環(huán)境信息為依據(jù)，以道路照明規(guī)范為標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算各盞路燈的實(shí)時(shí)照度輸出值。

本文研究的道路照明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型可以根據(jù)車(chē)輛信息和道路光環(huán)境信息動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)路燈的工作照度，當(dāng)監(jiān)測(cè)到道路上有車(chē)輛信息的時(shí)候，系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境信息動(dòng)態(tài)自主的調(diào)整燈具的輸出照度以滿足正常照明需求，根據(jù)監(jiān)測(cè)到的車(chē)速信息來(lái)決定車(chē)輛前進(jìn)方向路燈持續(xù)工作時(shí)間，當(dāng)?shù)缆飞蠜](méi)有車(chē)輛通行的時(shí)候，路燈則以低功耗低亮度運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)路燈根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境變化自主調(diào)整工作模式，在提供更加人性化照明需求的同時(shí)解決電能的浪費(fèi)問(wèn)題。

根據(jù)機(jī)動(dòng)車(chē)交通道路照明評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)路面平均照度、路面亮度均勻度、縱向均勻度的要求，確定混合模型參數(shù)。優(yōu)化后路面的照度值為燈具的補(bǔ)償值和環(huán)境照度值的疊加，燈具輸出值為照度標(biāo)準(zhǔn)值與環(huán)境照度值的差值，其中環(huán)境照度值包括日光照度和周?chē)渌麩艟?車(chē)輛照明燈、建筑照明燈具)的補(bǔ)償值。優(yōu)化后多個(gè)燈具在Q點(diǎn)產(chǎn)生的照度表示為

(9)

其中，

式中，Eij表示第i盞燈在第j點(diǎn)產(chǎn)生的照度，Δj表示在第j個(gè)點(diǎn)的環(huán)境照度值假設(shè)路面Q點(diǎn)的坐標(biāo)為(x,y,0)，則L可表示為

(10)

式中，xi表示Q點(diǎn)距離第i盞燈的水平距離，yi表示Q點(diǎn)距離第i盞燈的垂直距離θ可表示為

(11)

在光學(xué)照度公式中，由于沒(méi)有功率參數(shù)在內(nèi)，根據(jù)燈具發(fā)光效率建立光通量和功率的關(guān)系，同種燈具光通量越大，對(duì)應(yīng)的功率越大，為了節(jié)約道路照明能耗，在道路照明系統(tǒng)中以燈具總光通量為最小為評(píng)價(jià)指標(biāo)。參數(shù)優(yōu)化模型為

(12)

約束條件為

(13)

式中，θ為燈桿與路面一點(diǎn)到燈具連線的夾角，h為燈具安裝高度，L為路面一點(diǎn)到燈桿底部的直線距離，L′為道路長(zhǎng)度，Ei為路面某點(diǎn)照度，ei為路面設(shè)定的最低照度，eav為照明規(guī)范規(guī)定值，u0為照明規(guī)范規(guī)定的亮度總均勻度最小值。

2 模型求解

利用粒子群算法求解模型。粒子群算法是通過(guò)模擬自然界鳥(niǎo)群覓食行為而發(fā)展起來(lái)的一種基于群體協(xié)作的隨機(jī)搜索算法，將模型的優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為搜索空間中的粒子，通過(guò)迭代找到最優(yōu)解，在每一次的迭代過(guò)程中，粒子通過(guò)跟蹤的兩個(gè)極值完成更新。

假設(shè)在n維空間中，含有m個(gè)粒子的粒子群，空間中的粒子位置為優(yōu)化問(wèn)題的潛在解，將其帶入到目標(biāo)函數(shù)求出其適應(yīng)值，通過(guò)對(duì)適應(yīng)值的比較得到其優(yōu)劣性，粒子所經(jīng)歷的最優(yōu)位置記為個(gè)體歷史最優(yōu)值，相對(duì)應(yīng)的適應(yīng)值為個(gè)體的最優(yōu)適應(yīng)值，粒子群經(jīng)歷過(guò)的所有位置中的最優(yōu)位置記為全局歷史最優(yōu)值，對(duì)應(yīng)的適應(yīng)值為全局歷史最優(yōu)適應(yīng)值，粒子的更新速度和位置的迭代計(jì)算公式如下：

vid=wvid+c1r1(pid-xid)+c2r2(pgd-xid)

(14)

xid=xid+vid

(15)

式中vid表示所有路燈的亮度變化的速度組合；w表示慣性因子，r1，r2表示[0，1]區(qū)間內(nèi)的均勻分布的隨機(jī)數(shù)，pid表示系統(tǒng)中第i盞路燈搜索到的個(gè)體極值，pgd表示系統(tǒng)中所有路燈搜索到的全局最優(yōu)值;xid表示當(dāng)前燈具的亮度組合。誤差范圍為±2%，在該范圍內(nèi)搜尋能耗最小的燈具亮度組合，用fFit表示粒子的適應(yīng)度，fFit/R(R表示燈具發(fā)光效率)表示目標(biāo)函數(shù)值(能耗)。

3 控制策略

本文研究的道路照明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型可以根據(jù)車(chē)輛信息和道路光環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)路燈的工作照度，由于在道路照明系統(tǒng)中很難得到一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型對(duì)燈具進(jìn)行控制，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)道路光環(huán)境的全局控制，確保燈具工作狀態(tài)平穩(wěn)轉(zhuǎn)換，避免在調(diào)光過(guò)程中出現(xiàn)抖動(dòng)的現(xiàn)象，選擇模糊控制策略對(duì)燈具進(jìn)行控制。控制對(duì)象為道路照明系統(tǒng)，控制器的輸入量有兩個(gè)：環(huán)境照度值和車(chē)輛速度值，通過(guò)對(duì)采集到的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和路面光環(huán)境特征，運(yùn)用模糊控制算法進(jìn)行推理判斷，將對(duì)能耗的調(diào)控轉(zhuǎn)換為對(duì)燈具光通量的控制。

運(yùn)用模糊控制將研究對(duì)象的數(shù)學(xué)描述轉(zhuǎn)換為用語(yǔ)言變量描述的形式，形成一種模糊判斷邏輯并生成模糊算法。就整個(gè)照明系統(tǒng)而言，具體工作流程為：首先將傳感器采集到的環(huán)境照度值和車(chē)輛速度值送到控制器，控制器根據(jù)采集到的環(huán)境照度值做出是否進(jìn)行開(kāi)啟燈具的判斷，如果路面照度值低于設(shè)定的路面照度最低值，則路燈開(kāi)啟，路燈開(kāi)啟的開(kāi)度則根據(jù)實(shí)時(shí)的環(huán)境照度動(dòng)態(tài)調(diào)整，路燈開(kāi)啟之后，控制器進(jìn)行第二步判斷，判斷路面是否有車(chē)輛通行，如果路燈開(kāi)啟之后，道路上無(wú)車(chē)輛通行，路燈則按設(shè)定值降低照度水平；道路上有車(chē)輛通行時(shí)，控制器根據(jù)環(huán)境照度調(diào)整燈具提高照度值，根據(jù)車(chē)輛速度值確定燈具提高照度值之后的維持時(shí)間，保證車(chē)輛安全順利通行。實(shí)現(xiàn)自然光和補(bǔ)償光的最優(yōu)融合，在最大限度的利用自然光的基礎(chǔ)上結(jié)合車(chē)輛行為節(jié)約電能。將控制器的輸入輸出量按具體路況進(jìn)行模糊化處理，在V、L、T、U的論域定義3個(gè)語(yǔ)言子集：{“正大(PB)”，“正中(PM)”，“正小(PS)”}。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

在DIALux4.12環(huán)境下搭建道路照明場(chǎng)景，道路類型選為主干路，燈具選用歐普LED Streetlight-P2 180 W-5700-GY-GP，燈具光通量27 009 lm，可以實(shí)現(xiàn)0～27 009 lm多級(jí)調(diào)光，左右路面寬度設(shè)置為8 m，中間設(shè)置隔離島，隔離島寬度為1.5 m，高度為0.1 m，燈具排列設(shè)置為雙排對(duì)稱排列，燈桿高度設(shè)置為8 m，燈桿距離設(shè)置為25 m，評(píng)估區(qū)域選用10×6的網(wǎng)格區(qū)域進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 點(diǎn)照度分布圖Fig.3 Illumination distribution

通過(guò)評(píng)估數(shù)據(jù)得到評(píng)估區(qū)域平均照度為49 lx，最小照度為28 lx，最大照度為59 lx，路面亮度總均勻度為0.580，路面亮度縱向均勻度為0.480，仿真得到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)均滿足道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化控制。

控制策略中，為了給行駛車(chē)輛提供安全的前方視野，將燈具進(jìn)行分塊控制，在仿真實(shí)驗(yàn)中以5盞燈具作為一個(gè)單元進(jìn)行控制，假設(shè)在一個(gè)控制單元內(nèi)環(huán)境照度值相等。仿真道路環(huán)境中道路限速90 km/h，將0～30 km/h記為正小，30～60 km/h記為正中，60～90 km/h記為正大。當(dāng)環(huán)境照度值高于30 lx時(shí)燈具關(guān)閉，低于30 lx時(shí)對(duì)環(huán)境照度值進(jìn)行劃分，0～15 lx記為正小，15～30 lx記為正中，大于30 lx記為正大。路燈維持時(shí)間根據(jù)車(chē)速值設(shè)定，取每個(gè)論域的中間值作為參考值，由5盞燈具的距離為100 m，通過(guò)速度時(shí)間關(guān)系確定維持時(shí)間，當(dāng)速度在0～30 km/h時(shí)，路燈維持時(shí)間設(shè)定為24 s記為正大，速度在30～60 km/h時(shí)，路燈維持時(shí)間設(shè)定為12 s記為正中，速度在60～90 km/h時(shí)，路燈維持時(shí)間設(shè)定為6 s記為正小，如圖4所示。

圖4 速度時(shí)間維持圖Fig.4 Velocity and time maintenance

路面照度值在無(wú)車(chē)輛通行時(shí)維持在20 lx，否則維持在30 lx，燈具根據(jù)測(cè)得的環(huán)境照度值調(diào)整輸出照度，為了滿足照明需求，取環(huán)境照度論域中的最低值作為參考值設(shè)定燈具補(bǔ)償照度。環(huán)境照度的正小，在無(wú)車(chē)輛通行時(shí)燈具補(bǔ)償照度為20 lx，否則為30 lx；環(huán)境照度的正中，在無(wú)車(chē)輛通行時(shí)燈具補(bǔ)償照度為5 lx，否則為15 lx；環(huán)境照度的正大，燈具的補(bǔ)償照度為0。如圖5所示。

圖5 照度補(bǔ)償圖Fig.5 Intensity of illumination compensation

車(chē)流量數(shù)據(jù)取學(xué)校附近道路在17：00—22：00的實(shí)際車(chē)流量，如圖6所示。道路上有無(wú)行駛車(chē)輛對(duì)應(yīng)不同的控制策略，根據(jù)燈具在不同狀態(tài)下的輸出功率和工作時(shí)間得到燈具的能耗數(shù)據(jù)，道路有無(wú)通行車(chē)輛兩種狀態(tài)的工作時(shí)間如圖7所示，在仿真環(huán)境中環(huán)境照度值分布如圖8所示，與環(huán)境照度值相對(duì)應(yīng)的人工光源照度補(bǔ)償值如圖9所示。MATALAB環(huán)境下進(jìn)行優(yōu)化求解，初始粒子個(gè)數(shù)M=600，粒子迭代次數(shù)最大值設(shè)為500，加速因子C1=0.7，C2=0.7，慣性因子最大值設(shè)為0.8。從17：00開(kāi)始每隔10 min采集一次燈具的能耗值，利用粒子群算法對(duì)模型求解，得到從17：00—22：00的5 h內(nèi)燈具所消耗電量隨時(shí)間變化的能耗曲線，如圖10所示。

圖6 車(chē)流量統(tǒng)計(jì)圖Fig.6 Traffic statistics

圖7 工作時(shí)間累積圖Fig.7 Working time accumulation

圖8 環(huán)境照度圖Fig.8 Environment illumination

圖9 照度補(bǔ)償時(shí)間分布圖Fig.9 Illumination compensation

圖10 能耗對(duì)比圖Fig.10 Energy consumption contrast

可以看出，自17：00開(kāi)始，由于剛開(kāi)始時(shí)自然光較強(qiáng)，燈具的開(kāi)啟等級(jí)較低，在初始時(shí)刻動(dòng)態(tài)模型的耗電量較低，在該時(shí)間段內(nèi)由于車(chē)流量的變化引起能耗的上下波動(dòng)，隨著時(shí)間的推移，自然光逐漸減弱燈具的開(kāi)啟等級(jí)逐漸變大能耗出現(xiàn)上升趨勢(shì)，在110 min左右出現(xiàn)最大值，隨后由于車(chē)流量的減少和車(chē)速的增大燈具開(kāi)啟時(shí)間減短，燈具的能耗呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。通過(guò)能耗數(shù)據(jù)可以看出燈具的能耗明顯降低。

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了一種道路照明系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)路面亮度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制。以車(chē)輛信息感知傳感器采集到的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算與之對(duì)應(yīng)的路燈開(kāi)啟時(shí)間與工作時(shí)間，以路面亮度傳感器采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，計(jì)算與城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)范值所對(duì)應(yīng)的路燈輸出，根據(jù)燈具的發(fā)光效率建立起光通量與燈具能耗的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)一步分析了燈具的能耗。利用粒子群算法對(duì)模型進(jìn)行了求解，根據(jù)求解結(jié)果通過(guò)模糊控制器動(dòng)態(tài)的調(diào)整燈具輸出，確保滿足照明需求的同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的。