包頭市住房和城鄉(xiāng)建設(shè)綠色發(fā)展促進(jìn)中心 肖 鵬

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，對(duì)智慧城市建設(shè)提出了綠色、環(huán)保、節(jié)能、智能化等要求。傳統(tǒng)的路燈是定時(shí)定點(diǎn)控制，控制簡(jiǎn)單，但是一旦發(fā)生故障無(wú)法實(shí)時(shí)控制，知道時(shí)已經(jīng)影響到了人們的出行和電能資源的浪費(fèi)。本文以LED路燈為研究基礎(chǔ)，根據(jù)不同季節(jié)不同時(shí)段路燈的開關(guān)和調(diào)光操作來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器。將LED路燈的最小輸出功率作為控制目標(biāo)，引入模糊控制算法，可以實(shí)現(xiàn)路燈自由開關(guān)和調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的目標(biāo)。通過建立模糊控制器、MATLAB仿真和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析，模糊控制方法可以滿足人們安全行駛的最低照度下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈的最優(yōu)控制，滿足人們高效節(jié)能出行。

近些年，對(duì)于路燈控制系統(tǒng)的最基礎(chǔ)的控制算法研究是PID控制算法，PID控制算法在連續(xù)變量控制系統(tǒng)中應(yīng)用的十分廣泛，主要是用于控制線性，不變的數(shù)據(jù)模型為基礎(chǔ)，利用PID參數(shù)整定來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的控制效果。在路燈控制系統(tǒng)中引入PID控制策略，通過大量數(shù)據(jù)表明可以實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成光源的自動(dòng)調(diào)節(jié)，但是存在著一定的誤差?？紤]到路燈啟動(dòng)開關(guān)的非線性和時(shí)變性特點(diǎn)，PID控制算法的應(yīng)用就收到了局限性。目前，應(yīng)用最為廣泛的智能控制算法包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、BP遺傳算法等等。根據(jù)路燈的特殊性，我們采用了模糊控制算法，模糊控制不需要建立準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)模型，它是以人們的長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn)來(lái)制定的模糊控制規(guī)則，以語(yǔ)言規(guī)則為控制基礎(chǔ)的控制方式。這種控制算法具有操作容易，適應(yīng)性好等優(yōu)勢(shì)。本系統(tǒng)是將傳感器采集的路面人和車輛的聲音信號(hào)經(jīng)模糊控制器，模糊控制算法處理后將信號(hào)給功率變換單元，實(shí)現(xiàn)路燈端電壓的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了調(diào)節(jié)光源亮度，達(dá)到了節(jié)能的目的。

1 LED路燈模糊控制系統(tǒng)的總體方案

1.1 整體設(shè)計(jì)方案

新型智能LED路燈節(jié)能系統(tǒng)是通過照度傳感器及運(yùn)動(dòng)傳感器采集上傳的數(shù)據(jù)信息對(duì)LED路燈進(jìn)行實(shí)時(shí)的自動(dòng)調(diào)節(jié)其亮度。在控制策略上采用了模糊控制方法，建立模糊輸入輸出的隸屬度函數(shù)，制定模糊規(guī)則及模糊推理，解模糊等步驟完成模糊控制器的設(shè)計(jì)。通過模糊控制可以實(shí)現(xiàn)路燈端電壓自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而在不影響正常行人出行的前提下，大大的降低了城市路燈照明耗電量。

路燈智能控制系統(tǒng)還打破了傳統(tǒng)路燈的控制模式和管理模式。路燈管理中心可以直接通過可視化界面觀察路燈的運(yùn)營(yíng)情況，同時(shí)遇到緊急狀況，可以通過指揮中心手動(dòng)控制任意一條街道路燈開關(guān)。在控制中心可以對(duì)路燈終端進(jìn)行發(fā)送命令。路燈終端處理傳感器上傳的數(shù)倨與攝像頭系統(tǒng)上傳的圖像信息，對(duì)道路情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋，智能控制器根據(jù)反饋指令處理數(shù)據(jù)，在處理時(shí)采取模糊控制算法，按照上傳數(shù)據(jù)推理出適宜的控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈的智能控制。

1.2 模糊控制流程

LED智能路燈節(jié)能控制系統(tǒng)中的控制方法采用的是模糊控制算法，在其系統(tǒng)中模糊控制應(yīng)用的軟件需要遵循下面的控制流程，其流程圖如圖1所示。首先系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后通過照度傳感器采集路面照度信息并上傳到路燈監(jiān)控中心的上位機(jī)軟件，系統(tǒng)通過模糊控制器的模糊算法來(lái)判斷路面的照度是否是微暗（PM）狀態(tài)，微暗狀態(tài)是地面照度在5～15Lux。如果不在這個(gè)范圍，那么發(fā)送命令，調(diào)整照度在這個(gè)區(qū)間。這樣也起到了節(jié)能的目的。如果地面照度滿足要求，第二個(gè)運(yùn)動(dòng)傳感器采集是否有人或者車輛通過，如果采集的信號(hào)顯示有人或者車輛通過，就發(fā)送命令調(diào)節(jié)亮度為PH，這時(shí)亮度是滿級(jí)打開，這樣可以滿足行人和車輛的需求。如果沒有監(jiān)測(cè)到行人或者車輛就返回繼續(xù)通過照度傳感器監(jiān)測(cè)信號(hào)，這樣就進(jìn)入到了下一個(gè)循環(huán)。

圖1 模糊控制算法控制流程圖

圖2 模糊決策系統(tǒng)模型

2 基于LED路燈節(jié)能的模糊控制器設(shè)計(jì)

LED路燈自動(dòng)控制系統(tǒng)是可以通過光亮的強(qiáng)度來(lái)控制LED路燈開與關(guān)的，并且設(shè)計(jì)出了定時(shí)電路作為路燈正常情況下的狀態(tài)，如果光控開關(guān)發(fā)生了故障，那就可能導(dǎo)致路燈無(wú)論白天還是黑夜就一直點(diǎn)亮，為了不發(fā)生這種狀況我們?cè)O(shè)計(jì)了定時(shí)自動(dòng)控制的方法。這樣更具有合理性，整個(gè)系統(tǒng)對(duì)于節(jié)能起到了十分有效的作用。但是由于季節(jié)性不同，不同地方白天和黑夜時(shí)間長(zhǎng)短不同，需要重新調(diào)節(jié)LED路燈的開關(guān)時(shí)間，才能達(dá)到節(jié)能目的。

系統(tǒng)的輸入量包括路面照度信息和路面行人、車輛情況信息，也就是照度傳感器和運(yùn)動(dòng)傳感器采集到的路面信息作為系統(tǒng)的輸入。路燈即將需要打開的等級(jí)做為系統(tǒng)的輸出。

2.1 建立系統(tǒng)隸屬度函數(shù)

本文研究的道路照明主要應(yīng)用在主干道中，那么根據(jù)道路照明規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，主干道在夜間的平均照度應(yīng)該滿足25Lux，其照度范圍在15和30之間才能最為正常照度值。那么我們定義了照度傳感器信息的論域是[0，40]。模糊化分為4個(gè)模糊子集：PH、PB、PM、PL。PH指的是照度過亮，照度值在30Lux之上。PB是指照度適中，照度值在15和30Lux之間。PM是指照度微暗，照度值在5和15Lux之間。最后PL指照度過暗，照度值在0和5Lux之間。運(yùn)動(dòng)傳感器信息的論域?yàn)閇0，24]，分為兩個(gè)模糊集，一是有運(yùn)動(dòng)的人或車輛P，此時(shí)運(yùn)動(dòng)傳感器信號(hào)電壓≥12V，二是無(wú)運(yùn)動(dòng)的人或車輛Z，其運(yùn)動(dòng)傳感器信號(hào)電壓≤12V。輸出為路燈打開亮度等級(jí)，其論域?yàn)閇0，10]，分為11個(gè)等級(jí)，模糊化分為四個(gè)模糊集，一是PH：大開度，路燈亮度等級(jí)調(diào)至8～10，二是PB：中開度，其路燈亮度等級(jí)調(diào)至5～7，三是PM：微中開度，路燈亮度等級(jí)調(diào)至2～4，四是PL：小開度，路燈亮度等級(jí)調(diào)至0～1級(jí)。其隸屬函數(shù)用三角函數(shù)形式，Ma應(yīng)用Matlab仿真軟件進(jìn)行測(cè)試。

2.2 模糊決策仿真

模糊控制系統(tǒng)采用的是Mamdani推理算法，解模糊采用的是重心法。Mamdani推理算法是模糊控制系統(tǒng)中最常見的一種推理算法。應(yīng)用Matlab仿真軟件對(duì)模糊控制系統(tǒng)進(jìn)行模糊控制器仿真。圖3為模糊控制器仿真圖。

圖3 模糊控制器仿真圖

結(jié)論：本文是針對(duì)城市道路照明節(jié)能方面進(jìn)行了研究，打破了傳統(tǒng)定時(shí)定點(diǎn)路燈控制系統(tǒng)，引入了智能控制算法中的應(yīng)用最為廣泛的模糊控制。通過模糊決策的智能算法，獲得了LED路燈最優(yōu)光照強(qiáng)度等級(jí)的智能控制，不但能夠滿足人們正常出行需求，還可以最大程度上節(jié)約電能。同時(shí)，通過上位機(jī)軟件實(shí)時(shí)監(jiān)控，節(jié)省了大量的人力物力。這種智能化的城市LED路燈系統(tǒng)是智慧城市建設(shè)的必經(jīng)之路。