周華安 鄭瑤 何湘桂

摘 ? 要：為了克服現(xiàn)有城市道路照明路燈控制系統(tǒng)難以兼顧節(jié)能與保障行車安全的問題，提出一種城市道路照明自適應(yīng)節(jié)能控制算法，該算法采用路面實(shí)時(shí)平均亮度反饋，在日出日落時(shí)段與基于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的路面需求亮度比較，自適應(yīng)地調(diào)整實(shí)際開關(guān)燈時(shí)間，并依據(jù)道路小時(shí)統(tǒng)計(jì)平均車流量，在夜間照明時(shí)段按小時(shí)計(jì)算對(duì)應(yīng)的道路照明亮度，實(shí)現(xiàn)與車流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果相匹配的分時(shí)段調(diào)光控制策略，既能保障行車安全，又能實(shí)現(xiàn)明顯的節(jié)能. 詳細(xì)描述了算法的工作原理與程序?qū)崿F(xiàn)流程圖，介紹了基于LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)城市道路照明監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能. 該系統(tǒng)在湖南省某條干道夏季相同天氣條件和時(shí)間內(nèi)的實(shí)際運(yùn)行效果表明：系統(tǒng)能可靠實(shí)現(xiàn)區(qū)域道路路燈的遠(yuǎn)程無線開關(guān)燈與調(diào)光控制等監(jiān)控功能，驗(yàn)證了節(jié)能型自適應(yīng)控制算法的有效性，相比于傳統(tǒng)控制方式的節(jié)能率高達(dá)39.3%.

關(guān)鍵詞：自適應(yīng)算法;節(jié)能;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);日出日落算法;分時(shí)段照明調(diào)光

中圖分類號(hào)：TM923 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Adaptive Energy-saving Control Algorithm

and Monitoring System for Urban Road Lighting

ZHOU Huaan1，ZHENG Yao2，3，HE Xianggui2，3

（1. College of Mechanical and Vehicle Engineering，Hunan University，Changsha ?410082，China;

2. College of Electrical and Information Engineering，Hunan University，Changsha ?410082，China;

3. Zhongjin Peike Construction Co Ltd，Changsha ?410014，China）

Abstract：In order to overcome the problem that the existing urban road lighting street lamp control systems are not able to balance energy saving and driving safety，an adaptive energy saving control algorithm for urban road lighting is proposed and studied. The algorithm uses real-time average brightness feedback on the road surface，compares the brightness of the road surface based on the standard design during sunrise and sunset hours，adaptively adjusts the actual switch light time. According to the average traffic flow of the road hours，the corresponding road lighting brightness is calculated by the hour during the night lighting period，realizing the time-division dimming control strategy that matches the statistical results of the traffic flow，which can guarantee driving safety and realize obvious energy saving. It describes the working principle of the algorithm and the flow chart of the program in detail，and introduces the structure and function of the urban road lighting monitoring system based on the LoRa wireless internet of things. The actual operation effect of the system in the same weather conditions and time on a main road in Hunan Province in summer shows that the system can reliably realize the monitoring functions of the remote wireless switch and dimming control of the regional road street lights，verifying the effectiveness of the energy-saving adaptive control algorithm，with an energy saving rate of 39.3% compared with the traditional control methods.

Key words：adaptive algorithms;energy saving; wireless sensor networks;sunrise and sunset algorithm;time-sharing lighting dimming

近三十年來，我國城市道路建設(shè)飛速發(fā)展，作為保障行車安全的道路照明燈具數(shù)量和用電量迅速增加，成為了我國電能消耗的主要形式. 大多數(shù)城市現(xiàn)有的道路照明控制系統(tǒng)主要采用回路集中控制方式，在設(shè)定時(shí)刻開燈與關(guān)燈，由于季節(jié)變化或天氣變化的隨機(jī)性，不可避免地存在過早或過晚開燈與關(guān)燈現(xiàn)象，且照明功率不能隨車流量的變化而實(shí)時(shí)改變，導(dǎo)致早、晚高峰期行車不安全或產(chǎn)生巨大的電能浪費(fèi). 目前我國現(xiàn)有城市道路路燈照明系統(tǒng)至少存在不小于35%的節(jié)能空間[1]，已不能適應(yīng)現(xiàn)代化城市道路綠色節(jié)能照明要求. 因此，亟需研究與開發(fā)新型路燈照明節(jié)能控制技術(shù)與系統(tǒng).

研究現(xiàn)有文獻(xiàn)可知，采用主從結(jié)構(gòu)通信方式的道路照明控制系統(tǒng)已成為業(yè)界高度重視的發(fā)展方向. 主要的通信方式有電力線載波和無線GPRS、ZigBee、LoRa等. 這些方法容易擴(kuò)展，其使用和維護(hù)便捷高效，不需要鋪設(shè)專用通信電纜. 在無線技術(shù)中，LoRa具有遠(yuǎn)距離、小功耗、低成本、大容量等優(yōu)點(diǎn)[2]，在道路照明控制中尤顯生命力. 文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種由監(jiān)控管理平臺(tái)、網(wǎng)關(guān)集中器、路燈控制器組成的LoRa無線通信路燈控制系統(tǒng). 文獻(xiàn)[4]研究與設(shè)計(jì)了一種隧道照明與機(jī)電設(shè)備LoRa無線智能監(jiān)控系統(tǒng).

智能型道路照明控制系統(tǒng)大多數(shù)使用日出日落算法計(jì)算開關(guān)燈時(shí)間[5]，通過某種算法或方式調(diào)整開關(guān)燈時(shí)間或者路燈的照明亮度. 文獻(xiàn)[6]使用大量傳感器，在檢測到夜間有車輛和行人時(shí)滿功率亮燈，否則關(guān)燈，雖然可明顯節(jié)能，但沒有考慮氣候變化對(duì)檢測準(zhǔn)確度和開燈關(guān)燈時(shí)間的影響. 文獻(xiàn)[7]使用歷史光照度、天氣預(yù)報(bào)信息和日出日落時(shí)間等數(shù)據(jù)，建模預(yù)測路燈的開燈關(guān)燈時(shí)間，難以準(zhǔn)確反映天氣變化的影響，且沒有考慮車流量變化，也沒有給出應(yīng)用效果. 文獻(xiàn)[8]根據(jù)雨、雪、霧、霾等氣象數(shù)據(jù)和燈具照明數(shù)據(jù)控制路燈的開燈關(guān)燈時(shí)間與照明亮度，也未考慮車流量對(duì)道路安全照明的影響. 文獻(xiàn)[9]提出在6：00和18：30 左右的固定時(shí)刻檢測光照度值，實(shí)現(xiàn)路燈開啟或者關(guān)閉，采集道路噪聲實(shí)現(xiàn)調(diào)光控制，未考慮季節(jié)變化對(duì)開燈關(guān)燈時(shí)刻的影響. 文獻(xiàn)[10]通過每盞路燈的光強(qiáng)度傳感器檢測光強(qiáng)度，在光強(qiáng)度低于或者高于設(shè)定閾值區(qū)間時(shí)產(chǎn)生報(bào)警，若區(qū)域內(nèi)報(bào)警路燈超過70%，則實(shí)施該區(qū)域內(nèi)路燈的開燈或者關(guān)燈操作，可滿足異常天氣情況路燈開關(guān)燈問題，但沒有考慮節(jié)能. 顯然，上述文獻(xiàn)沒有合理地解決天氣與車流量變化對(duì)開燈關(guān)燈時(shí)間和照明亮度的影響.

本文提出了一種由路面實(shí)時(shí)平均亮度反饋的路燈開關(guān)燈時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整算法和基于道路統(tǒng)計(jì)小時(shí)平均車流量的路燈亮度分時(shí)段調(diào)光控制策略構(gòu)成的道路照明自適應(yīng)節(jié)能控制算法，設(shè)計(jì)了一種城市道路照明無線監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用主站、子站方式，使用LoRa無線通信技術(shù)構(gòu)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城市道路路燈的監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理，保障行車安全. 實(shí)際運(yùn)行效果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)約39.3%的節(jié)能.

1 ? 開關(guān)燈時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整算法

該算法依據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 45—2015）[11]，使用日出日落算法計(jì)算每天的日出日落時(shí)間，在日落時(shí)間前后，實(shí)時(shí)檢測路面自然光平均亮度，通過與設(shè)定的道路最大平均亮度比較來調(diào)整開燈時(shí)間;在日出時(shí)間前后，實(shí)時(shí)檢測路面自然光平均亮度，通過與設(shè)定的道路最小平均亮度比較來調(diào)整關(guān)燈時(shí)間.

1.1 ? 日出日落算法

日出日落算法[5]采用系統(tǒng)所在地的經(jīng)緯度等參數(shù)，根據(jù)式（1）～（12）計(jì)算日出時(shí)間TC、日落時(shí)間TL，分別作為關(guān)閉和開啟路燈的基準(zhǔn)時(shí)刻.

1）計(jì)算日與2000年1月1日之間的天數(shù)d.

2）計(jì)算日到2000年1月1日之間的世紀(jì)數(shù)t：

式中：tC、tL分別為日出時(shí)間和日落時(shí)間的計(jì)算值，其初值按角度計(jì)算，即時(shí)間角，均取180°.

3）系統(tǒng)所在地的平近點(diǎn)角G、平黃徑P和地球傾角ε為：

G = 357.528 + 35 999.05t ? ? ?（2）

P = 280.46 + 36 000.77t ? ? ?（3）

ε = 23.439 3 - 0.013t ? ? ?（4）

4）系統(tǒng)所在地的黃道經(jīng)度λ為：

λ = P + 1.915sinG + 0.02 sin（2G） ? ? （5）

5）系統(tǒng)所在地的太陽偏差δ為：

δ = arcsin（sin ε·sin λ） ? ? ? （6）

6）系統(tǒng)所在地的太陽時(shí)間角Gha為：

Gha = ti - 180 - 1.915 sinG - 0.02 sin（2G） +

2.446 sin（2λ） - 0.053 sin（4λ） ? ?（7）

7）修正值e為：

式中：Glat為系統(tǒng)所在地緯度.

8）日出、日落時(shí)間Ti（i = C，L）修正：

TC = tC - （Gha + Long + e） ? ? ?（9）

TL = tL - （Gha + Long - e） ? ? ?（10）

式中：Long為系統(tǒng)所在地經(jīng)度.

9）Ti精度判斷，若|Ti - ti| > 0.1，則將Ti作為新的日出日落時(shí)間值代入ti，返回第2步;反之，輸出日出日落時(shí)間為：

式中：Zone為系統(tǒng)所在地時(shí)區(qū).

1.2 ? 開關(guān)燈時(shí)間的自適應(yīng)調(diào)整

日出日落算法沒有考慮系統(tǒng)所在地天氣條件的影響，在計(jì)算出來的日出日落時(shí)間關(guān)燈和開燈，不可避免地存在路面亮度過高或過低的情況，導(dǎo)致過早或過晚開燈關(guān)燈. 過早開燈與過晚關(guān)燈產(chǎn)生電能浪費(fèi)，過晚開燈和過早關(guān)燈影響行車安全. 因此，需要根據(jù)不同天氣條件下的路面實(shí)時(shí)亮度，自適應(yīng)地調(diào)整實(shí)際的開關(guān)燈時(shí)間.

圖1給出了日出日落時(shí)段路面亮度變化曲線，圖中上偏移曲線表示自然亮度值過高情況下的路面平均亮度，理想曲線表示自然亮度值正常條件下的路面平均亮度，下偏移曲線表示雨雪、陰天等天氣使得自然亮度值偏低情況下的路面平均亮度. 在日落時(shí)間TL開燈照明，對(duì)應(yīng)道路路面平均亮度為Lavmax，在日出時(shí)間TC時(shí)刻關(guān)燈，對(duì)應(yīng)道路路面平均亮度為Lavmin，如圖1中的實(shí)線所示. Lavmax、Lavmin根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（CJJ 45—2015）[11]設(shè)計(jì)，機(jī)動(dòng)車道路亮度標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示.

顯然，在TL時(shí)刻，若在實(shí)際亮度L ≥ Lavmax條件下開燈會(huì)造成電能浪費(fèi)，在實(shí)際亮度L ≤ Lavmax條件下開燈會(huì)影響行車安全;在TC時(shí)刻，若在實(shí)際亮度L ≥ Lavmin條件下關(guān)燈會(huì)造成電能浪費(fèi)，在實(shí)際亮度L ≤ Lavmin條件下關(guān)燈會(huì)影響行車安全.

因此，需在TL前的ΔT時(shí)間（ΔT≥Δt1）啟動(dòng)日落開燈時(shí)刻自適應(yīng)調(diào)整算法. 算法步驟如下：

1）讀取系統(tǒng)時(shí)間t，并與TL - ΔT比較;

2）若t≥TL - ΔT，則連續(xù)采樣N次路面亮度Li，否則，返回步驟1;

3）求N次路面亮度Li的平均值L;

4）若L≤Lavmax - Δ（Δ為設(shè)定的亮度經(jīng)驗(yàn)閾值），則開燈，并進(jìn)入夜間分時(shí)段調(diào)光控制，記開燈時(shí)刻的實(shí)際開燈時(shí)間小時(shí)數(shù)為hk. 否則，返回步驟2.

在分時(shí)段調(diào)光控制過程中，判斷系統(tǒng)時(shí)間t的小時(shí)數(shù)h. 若h < 10，即已經(jīng)進(jìn)入凌晨，需在TC前的ΔT時(shí)間（ΔT≥Δt3）啟動(dòng)日出關(guān)燈時(shí)刻自適應(yīng)調(diào)整算法. 算法步驟如下：

1）讀取系統(tǒng)時(shí)間t，與TC -ΔT比較;

2）若t≤TC - ΔT，繼續(xù)執(zhí)行夜間分時(shí)段調(diào)光控制. 否則，采樣N次路面亮度Li;

3）求N次路面亮度Li的平均值L;

4）若L≥Lavmin + Δ，則關(guān)燈，否則，返回步驟1.

上述算法根據(jù)路面實(shí)際平均亮度自適應(yīng)調(diào)整開關(guān)燈時(shí)間，既能保障行車安全，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能.

開關(guān)燈時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整算法流程如圖2所示.

2 ? 分段調(diào)光控制策略

道路的夜間車流量與所處城市位置及周邊環(huán)境緊密相關(guān)，不同區(qū)域的車流量差異很大，且在不同的時(shí)間段，同一條道路的車流量變化也很大. 若在整個(gè)夜間照明時(shí)間內(nèi)采用恒定功率照明，較大的照明功率可保障行車安全，但必然會(huì)產(chǎn)生較大的電能浪費(fèi);較小的照明功率可降低電能消耗，但不能保障高峰期的行車安全. 這也是現(xiàn)有城市道路照明控制方式所存在的明顯缺陷. 當(dāng)然，若按照道路夜間實(shí)時(shí)車流量不停地調(diào)節(jié)照明功率，雖然可實(shí)現(xiàn)最佳節(jié)能，但這種控制方式的實(shí)現(xiàn)難度較大，且會(huì)使得路面亮度產(chǎn)生明顯的突變與頻閃，嚴(yán)重影響行車安全.

事實(shí)上，對(duì)于已成型的城市結(jié)構(gòu)，在較長時(shí)期內(nèi)的夜間道路車流量變化具有一定的規(guī)律，一般情況下可用小時(shí)統(tǒng)計(jì)平均車流量表征，即每天夜間同一時(shí)段的平均車流量變化，在一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，所以，可以采用前期一定日期內(nèi)統(tǒng)計(jì)得到的小時(shí)車流量推算小時(shí)統(tǒng)計(jì)平均車流量. 根據(jù)道路的小時(shí)統(tǒng)計(jì)平均車流量大小，從開燈時(shí)刻開始，對(duì)道路照明按小時(shí)進(jìn)行分時(shí)段調(diào)光控制，不同車流量時(shí)段的照明亮度不同.

依據(jù)道路類型和等級(jí)，由《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 37—2012）[12]確定道路允許最大車流通行能力Nmax，依據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定道路的最小車流量Nmin，Nmax和Nmin分別對(duì)應(yīng)于表1所示的路面平均亮度最大值Lavmax和最小值Lavmin. 每小時(shí)的實(shí)際照明亮度Lavi和車流量N之間的函數(shù)關(guān)系可按圖3推導(dǎo)得到.

記日出時(shí)間TC 的小時(shí)數(shù)為hC，日落時(shí)間TL的小時(shí)數(shù)為hL，按照小時(shí)統(tǒng)計(jì)平均車流量N（Nmin ≤ N ≤Nmax）計(jì)算hC - hL + 24之間每小時(shí)所需要的照明亮度Lavi：

（13）

依據(jù)計(jì)算出的Lavi可得到夜間照明期間每小時(shí)的燈具亮度表或者照明功率表.

從hk開始，由系統(tǒng)從燈具亮度值表中獲取每小時(shí)的燈具亮度Lavi，通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到燈控制器，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段調(diào)光控制.

查表與分時(shí)段調(diào)光控制實(shí)現(xiàn)方式如下：

1）若hk≤hL，則從表中取hL小時(shí)的Lavi值，通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)控制回路送電，調(diào)節(jié)燈具亮度.

2）讀取系統(tǒng)時(shí)間t的小時(shí)數(shù)h，若h≥10，則取h - hL小時(shí)的Lavi值;若h<10，即處于凌晨時(shí)段，則取h - hL+24小時(shí)的Lavi值. 通過LoRa無線網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)燈具亮度.

分時(shí)段調(diào)光控制流程是由開關(guān)燈時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整算法調(diào)用的子流程，如圖4所示.

3 ? 道路照明自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)步驟

道路照明自適應(yīng)控制算法由開關(guān)燈時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整算法和分段調(diào)光控制策略構(gòu)成，其實(shí)現(xiàn)原理與步驟如下：

1）依據(jù)CJJ 45—2015和CJJ 37—2012，根據(jù)道路類型與等級(jí)確定Lavmax、Lavmin和Nmax、Nmin;

2）在系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行模式中，主控制器在系統(tǒng)初始化、參數(shù)修改后，或者在每天關(guān)燈期間的固定時(shí)刻（如每天12：00），調(diào)用日出日落算法計(jì)算當(dāng)天日出日落時(shí)間TC、TL及其小時(shí)數(shù)hC、hL;

3）基于統(tǒng)計(jì)小時(shí)車流量N和上述參數(shù)，運(yùn)行式（13）計(jì)算hC - hL + 24小時(shí)內(nèi)每小時(shí)的路燈亮度值Lavi;

4）在每天TL - ΔT時(shí)間，運(yùn)行開燈自適應(yīng)調(diào)整算法，得到實(shí)際開燈時(shí)間的小時(shí)數(shù)hk;

5）以hk為基準(zhǔn)，查詢每小時(shí)的路燈亮度值Lavi，運(yùn)行夜間照明分時(shí)段調(diào)光策略;

6）若進(jìn)入凌晨時(shí)段，在每天TC - ΔT時(shí)刻，運(yùn)行關(guān)燈自適應(yīng)調(diào)整算法.

道路照明自適應(yīng)控制算法實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示.

4 ? 監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

根據(jù)城市道路照明供配電系統(tǒng)的構(gòu)成，以一個(gè)供配電系統(tǒng)為單元形成監(jiān)控子系統(tǒng)，每個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)配置一個(gè)控制器. 采用工控機(jī)或者PLC作為控制器的子系統(tǒng)運(yùn)行日出日落算法、開關(guān)燈時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整算法和分時(shí)段調(diào)光控制策略，完成對(duì)整個(gè)路燈的開關(guān)燈與調(diào)光控制、系統(tǒng)的管理等功能，稱為主站. 其他子系統(tǒng)的控制器均采用LoRa無線數(shù)據(jù)采集器作為控制器，稱為子站. 系統(tǒng)的所有被監(jiān)控路燈均使用LoRa無線燈控制器完成燈電源的開關(guān)與調(diào)光控制. LoRa無線數(shù)據(jù)采集器和燈控制器作為LoRa無線網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，通過主站的LoRa無線協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，構(gòu)成城市道路照明LoRa無線自適應(yīng)監(jiān)控系統(tǒng).

主站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，由主控制器、LoRa無線協(xié)調(diào)器、亮度儀、4G模塊、路燈回路控制模塊、智能電表和LoRa燈控制器及燈具構(gòu)成.

主控制器與主站內(nèi)部模塊之間通過RS485總線通信，從亮度儀獲取路面平均亮度，讀取智能電表數(shù)據(jù)，通過回路控制模塊控制路燈供電回路的通斷;通過LoRa無線協(xié)調(diào)器，發(fā)送子站的回路開關(guān)、智能電表數(shù)據(jù)采集、燈具故障檢測命令給各數(shù)據(jù)采集器，發(fā)送子站路燈調(diào)光、電源開關(guān)命令給各燈控制器;通過4G/5G模塊與其他系統(tǒng)組建以太網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)路燈監(jiān)控信息的平臺(tái)共享與服務(wù).

子站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示，由LoRa無線數(shù)據(jù)采集器、路燈回路控制模塊、智能電表和LoRa燈控制器及燈具構(gòu)成.

LoRa無線數(shù)據(jù)采集器接收主站LoRa無線協(xié)調(diào)器發(fā)布的路燈供電回路控制、智能電表數(shù)據(jù)讀取等命令，并上傳智能電表的數(shù)據(jù)，通過RS485總線通信完成本站路燈供電回路的開關(guān)控制，采集回路電表數(shù)據(jù).

智能電表和回路控制模塊是具有RS485通信功能的路燈供配電系統(tǒng)通用設(shè)備. 從智能電表可獲得路燈回路的用電量、電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)等電氣參數(shù). 回路控制模塊以路燈回路為單元進(jìn)行供配電控制，實(shí)現(xiàn)一組路燈電源的整體送電與斷電.

LoRa無線協(xié)調(diào)器和LoRa無線燈控制器是作者團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)的專利產(chǎn)品，其原理、功能與軟硬件設(shè)計(jì)在文獻(xiàn)[3]中有詳細(xì)探討. LoRa無線數(shù)據(jù)采集器具有RS485串口數(shù)據(jù)透傳、開關(guān)量輸入輸出、4～20 mA電流采集、0～10 V電壓采集、ID配置等功能.

5 ? 測試結(jié)果

該系統(tǒng)已在湖南省某四車道的一段長約3 km的路段進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試運(yùn)行. 該路段共有100盞功率為120 W的路燈，由一個(gè)主站和一個(gè)子站構(gòu)成，依據(jù)表1和CJJ 45—2015標(biāo)準(zhǔn)，選擇道路最大、最小路面平均亮度分別為2.0 cd/m2、1.5 cd/m2，允許車輛最大通行能力為5 600 pcu/h，道路的經(jīng)緯度分別為E112.58°和N28.11°，系統(tǒng)所在時(shí)區(qū)為東八區(qū).

該路段2020年6月2日—16日的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)據(jù)：每日的開關(guān)燈時(shí)間、調(diào)光時(shí)長、每日用電量如表2所示. 在日落提前時(shí)段，通過亮度儀檢測自然亮度值，若小于2.0 cd/m2則進(jìn)行開燈操作. 根據(jù)小時(shí)車流量確定該小時(shí)時(shí)間段內(nèi)的亮度值，系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)光操作，并在日出提前時(shí)段檢測自然亮度值，若大于1.5 cd/m2則進(jìn)行關(guān)燈操作. 6月2日—3日、7日—8日、15日—16日的開關(guān)燈時(shí)間和調(diào)光值百分比變化值如圖8所示.

為了驗(yàn)證本文系統(tǒng)的節(jié)能效果，選取同一條道路的另外3 km路段作為比較路段. 兩路段的路燈盞數(shù)、功率相同，但比較路段使用原有路燈控制系統(tǒng)，在計(jì)算出的日出日落時(shí)間開關(guān)燈，照明時(shí)間段的路燈照明功率均為燈具的滿功率，相應(yīng)的每日開關(guān)燈時(shí)間、照明時(shí)長、每日用電量如表3所示. 在保障道路安全行車的條件下，本文系統(tǒng)的每日平均用電量為73.8 kW·h，比較路段的每日平均用電量為121.6 kW·h，本文系統(tǒng)在夏季相同的天氣條件和時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了約39.3%的節(jié)能.

6 ? 結(jié) ? 論

1）為解決道路照明開關(guān)燈時(shí)間過早過晚問題，提出一種實(shí)時(shí)檢測路面平均亮度調(diào)整開關(guān)路燈時(shí)間的自適應(yīng)算法，在保障行車安全的同時(shí)，更為精準(zhǔn)地控制路燈開關(guān)燈時(shí)間，實(shí)現(xiàn)節(jié)能.

2）為解決夜間照明亮度不能根據(jù)車流量變化造成巨大能耗的問題，依據(jù)城市道路小時(shí)車流量變化存在明顯統(tǒng)計(jì)規(guī)律的特征，提出一種依據(jù)道路小時(shí)統(tǒng)計(jì)車流量實(shí)現(xiàn)分段調(diào)光控制策略，在車流量大的時(shí)段路燈亮度高，在車流量小的時(shí)段路燈亮度低，既能保障行車安全，又能實(shí)現(xiàn)節(jié)能.

3）提出且設(shè)計(jì)了城市道路照明LoRa無線物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)構(gòu)架與功能.

4）系統(tǒng)通過湖南省某條干道的運(yùn)行，驗(yàn)證了本文算法的有效性，提出的自適應(yīng)控制系統(tǒng)根據(jù)控制策略實(shí)現(xiàn)路燈開關(guān)、調(diào)光等功能，在夏季時(shí)段相同的天氣條件和時(shí)間內(nèi)，對(duì)比傳統(tǒng)控制方式的系統(tǒng)節(jié)能率高達(dá)39.3%.

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收稿日期：2021-01-21

基金項(xiàng)目：湖南省交通運(yùn)輸廳2018年度科技攻關(guān)計(jì)劃資助項(xiàng)目（201815），Hunan Transportation Department 2018 Science and Technology Research Program Funded Projects（201815）;湖南省交通運(yùn)輸廳2019年度科技計(jì)劃資助項(xiàng)目（201922），Hunan Transportation Department 2019 Science and Technology Program Funded Projects（201922）

作者簡介：周華安（1962—），男，湖南常德人，湖南大學(xué)高級(jí)工程師

通信聯(lián)系人，E-mail：1429169503@qq.com