智慧照明新紀元：單燈控制在高速公路主線照明中的創(chuàng)新應(yīng)用與效益分析

【摘要】：隨著物聯(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(tǒng)在高速公路主線照明中得到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展。簡要介紹了智慧照明系統(tǒng),并通過分析智慧照明系統(tǒng)在佛山市高速公路照明工程中的應(yīng)用案例,提出了智慧照明系統(tǒng)的若干思考。

【關(guān)鍵字】：高速公路單燈智能控制;智慧照明系統(tǒng);應(yīng)用

0引言

隨著人工智能的發(fā)展和“雙碳"目標的提出,各地的智慧交通建設(shè)正陸續(xù)發(fā)力。同時,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(nèi),越來越多的路段開始考慮建設(shè)主線和互通中的照明工程。據(jù)相關(guān)文獻,照明用電量約占全社會用電量的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(jié)能,是高速公路管理部門關(guān)注和思考的問題之一。

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

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

1照明控制系統(tǒng)

1.1　傳統(tǒng)的照明控制系統(tǒng)

早期的照明控制系統(tǒng)大多采用有線控制,其控制方式一般采用時間控制、回路控制或兩者相結(jié)合的控制方式。這種傳統(tǒng)的控制方式?jīng)]有細化到控制任意一桿燈,無法實現(xiàn)地管控和節(jié)能。比如,當有一盞燈具發(fā)生故障時,傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)無法地感知到故障位置,需要花費大量時間進行人工排查,存在人工巡檢范圍大、費時費力等缺陷。另一方面,傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)沒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(tǒng)

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(shè)的切入點和智能終端,在社會、經(jīng)濟等方面具有較明顯的效益(表1)。

由于智慧照明系統(tǒng)具備不間斷地監(jiān)控每個照明燈具的功能,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(yīng)延長了2倍以上,顯著降低了燈具更換的費用,也大幅減少了照明系統(tǒng)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,由于智慧照明系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)、云計算等科技相結(jié)合,對每一桿路燈進行智能控制和精細管理,是智慧路燈的創(chuàng)新性發(fā)展,將推動智慧高速公路的建設(shè)、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(shè)范圍為廣佛高速公路主線、廣三高速公路主線、佛開高速公路主線和廣珠西高速公路主線共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(jù)現(xiàn)場實際,項目克服各種困難并于2021年1月至4月陸續(xù)完成亮燈和智慧照明控制,其中照明控制系統(tǒng)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。

2.2　基于單燈控制的智慧照明系統(tǒng)的應(yīng)用

2.2.1　總體方案

系統(tǒng)整合了專業(yè)高效的LED智能照明燈具、窄帶物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊、簡單實用的華為云平臺以及集成的服務(wù),系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1　智慧照明系統(tǒng)總體方案

智慧照明系統(tǒng)在傳統(tǒng)照明系統(tǒng)的基礎(chǔ)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(shè)施進行一體化管理,優(yōu)化了照明管理流程,提高了照明管理人員的工作效率,實現(xiàn)對照明設(shè)備的化管理和智慧化控制,提高了照明管理水平和節(jié)能效率。智能照明控制軟件平臺是整個智慧照明系統(tǒng)的節(jié)點,是整個系統(tǒng)操作、維護、處理、分析和監(jiān)管的遠程控制。

2.2.2　系統(tǒng)架構(gòu)

智慧照明系統(tǒng)按照道路照明的控制邏輯關(guān)系和照明線路拓撲而構(gòu)成(圖2),其包括數(shù)據(jù)控制、無線智能控制網(wǎng)關(guān)和單燈控制器等。無線智能控制網(wǎng)關(guān)集成了集中控制器,實現(xiàn)路燈的信息化監(jiān)控。單燈控制器和集中控制器之間通過電力線載波進行通信,集中控制器和數(shù)據(jù)控制之間通過4G無線網(wǎng)絡(luò)進行通信,且可隨時更換5G通信模塊。

圖2　智慧照明系統(tǒng)拓撲圖

2.3　智慧照明系統(tǒng)在該項目應(yīng)用的優(yōu)勢

(1)節(jié)能減排、綠色節(jié)約。遠程單燈控制可調(diào)用燈具信息,采集燈具亮度、電壓、電流、功率及用電量等,以實現(xiàn)對單燈能耗的計量、延長燈具使用壽命,不斷挖掘照明系統(tǒng)節(jié)能減排的潛力。且系統(tǒng)可以根據(jù)車流量和時間對單燈或分組制定控制策略,通過適當?shù)卣{(diào)節(jié)燈具亮度和針對性地匹配開關(guān)燈時間,控制每一盞燈具,從而有效實現(xiàn)綠色節(jié)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(tǒng)對每一盞故障燈具進行定位,可自動識別故障位置和故障類別,大大減少了巡檢人員和巡檢車輛,從而明顯地節(jié)省了燈具的巡查成本,有效支持路段的智能化運維。根據(jù)系統(tǒng)所采集的運行信息,顯示故障的準確地點、設(shè)備狀態(tài)和故障類型,維修人員可提前完成檢修備料工作,改變了傳統(tǒng)巡檢模式定位難、需要逐個排查和效率低等缺點,縮短了維修時間,提髙了檢修效率。

(3)實現(xiàn)照明控制和照明管理的精細化。傳統(tǒng)的路段主線照明控制大多為回路控制,即通過控制箱變或變電所的低壓出線回路開關(guān),實現(xiàn)對主線照明的控制。這種傳統(tǒng)的照明控制比較粗放,一般一個回路約為1km,即只能使1km范圍內(nèi)的燈具同時開啟或同時關(guān)閉,缺乏精細化,容易造成用電的浪費。智慧照明系統(tǒng)結(jié)合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、GIS技術(shù),對所有照明燈具進行準確定位,可精細地控制單一燈具的開啟與關(guān)閉,也可靈活地對各路燈桿進行分組、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(tǒng)相關(guān)信息,對重要決策進行分析評估,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(nèi)都安裝了單燈控制器和電源適配器,使其在整個智慧照明系統(tǒng)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)車的使用率,提升了維修作業(yè)時的安全度。

(5)良好的拓展能力和應(yīng)急能力。照明智能控制箱設(shè)備內(nèi)置4G智能鏈路傳輸功能(支持國內(nèi)移動/聯(lián)通/電信三大運營商),方便客戶進行遠程監(jiān)控和操作,采集報警信息,且具備良好的功能拓展能力,可隨時更換5G通信模塊。所提供的無線寬帶可在緊急情況下作為應(yīng)急數(shù)據(jù)傳輸通道,為臨時卡點傳輸視頻、語音、數(shù)據(jù)等信息,為應(yīng)急工況下提供可靠的無線寬帶通信保障。

2.4　主要設(shè)備及軟件平臺性能

2.4.1　單燈控制器

相比于傳統(tǒng)的照明回路控制,智慧照明系統(tǒng)在每桿燈桿檢修孔內(nèi)安裝內(nèi)置電力線載波(PLC)、微功率無線通信的單燈照明控制器,可自由切換電力線載波和微功率無線通信模式,實現(xiàn)單燈控制,其原理及結(jié)構(gòu)如圖3所示。單燈控制器對每個燈具進行數(shù)據(jù)采集,上報管理平臺,且根據(jù)路段管理Web版軟件和管理人員手機APP指令可進行分路段、分區(qū)、分組、分回路和單燈等場景調(diào)控,以及燈具開關(guān)和調(diào)光等控制模式,同時具備異常開/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(jié)構(gòu)

2.4.2　無線智能控制網(wǎng)關(guān)(含集中控制器)

采用模塊化設(shè)計方式,內(nèi)含通信模塊(4G)、路燈控制模塊、電參數(shù)檢測模塊,兼具4G智能鏈路傳輸和路燈集中控制兩大功能。其通過雙模通訊方式,即同時支持電力線載波(OFDMPLC)和微功率無線通信(RF433),控制終端的開、關(guān)燈和調(diào)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個層次。軟件平臺架構(gòu)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(gòu)

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,如本地客戶端、遠程客戶端、手機APP等。

(2)應(yīng)用層:提供照明控制的應(yīng)用功能,如設(shè)施資源管理、照明智能監(jiān)控、單燈控制及節(jié)能管理、生產(chǎn)運維管理和移動監(jiān)控等。

(3)服務(wù)層:提供三大服務(wù)(通信/數(shù)據(jù)服務(wù)、應(yīng)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(shù)據(jù)分析與訪問,基礎(chǔ)地圖服務(wù)、地理數(shù)據(jù)服務(wù)等。

(4)數(shù)據(jù)層:對數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一編碼標準和統(tǒng)一數(shù)據(jù)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(shè)備管理與控制功能、分組控制功能、遠程開關(guān)功能、分組控制功能等,見表2。

2.5　智慧照明系統(tǒng)在該項目應(yīng)用的不足

智慧照明系統(tǒng)自2021年1月陸續(xù)投入以來,基于單燈控制的智慧照明系統(tǒng)得到了佛山市照明工程路段管養(yǎng)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(diào)光和控制功能實用性強、維護成本低等特點。但也存在一些不足之處,如建設(shè)期未考慮與路段上的車輛檢測器、氣象檢測器、閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)和可變信息標志等其他現(xiàn)有設(shè)備進行聯(lián)動;未考慮利用燈桿集成其他信息化設(shè)備以減少對土地的占用,節(jié)約空間和后期建設(shè)成本;也沒有考慮使用區(qū)別于傳統(tǒng)照明工程的低空照明,以提高行車的誘導性,降低維護費用。

3單燈控制智慧照明系統(tǒng)拓展思考

(1)整合路網(wǎng)信息,提高協(xié)同聯(lián)動性和智慧水平。建議可將傳統(tǒng)機電工程三大系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整合到智慧照明控制系統(tǒng)中,比如通過視頻圖像傳感器或雷視一體機采集通行車輛的數(shù)據(jù),實現(xiàn)“車來燈亮、車走燈滅"的功能。同時,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(tǒng)中,設(shè)計對應(yīng)的聯(lián)動方案,提升照明系統(tǒng)的智慧化。

(2)利用路燈物聯(lián)網(wǎng)承載其他上層應(yīng)用。針對不同的路段情況,分析各類傳感器、WIFI熱點、車路協(xié)同路側(cè)基礎(chǔ)設(shè)施、毫米波雷達、全彩戶外顯示屏等信息化設(shè)備的需求,以合理設(shè)置智慧集約燈桿。同時,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(shè)備基礎(chǔ)等土建工程的重復建設(shè),節(jié)約空間和建設(shè)成本。智慧集約燈桿可集成的設(shè)備見表3。

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

(4)加快標準框架體系的建設(shè)。標準化是支撐智慧照明系統(tǒng)建設(shè)的重要手段,標準化可以有效地規(guī)范智慧路燈的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行及設(shè)備制造。而智慧照明系統(tǒng)相關(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品仍處于繼續(xù)發(fā)展和優(yōu)化的過程中,未來將成為不同行業(yè)、不同部門的共享設(shè)備及共享數(shù)據(jù),涉及到跨領(lǐng)域和跨部門的制度支撐問題,因此,標準化工作難度較大,框架體系尚未統(tǒng)一。建議加強照明、交通、數(shù)字化、市政和公共安全等各管理領(lǐng)域的協(xié)同合作,進一步加快智慧照明系統(tǒng)標準框架體系的建設(shè)。

4安科瑞智能照明控制系統(tǒng)

4.1概述

ALIBUS智能照明產(chǎn)品采用RS485總線技術(shù)，技術(shù)成熟可靠，安全穩(wěn)定。開關(guān)驅(qū)動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(shè)計，可以任意拼接擴展，同時預(yù)留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)管理云平臺進行數(shù)據(jù)交換。

4.2應(yīng)用場所

適合于各類智能小區(qū)、醫(yī)院、學校、酒店，以及體育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明控制需求。

4.3系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.4系統(tǒng)功能

1）實時檢測并顯示各個模塊的在線狀態(tài)，反饋現(xiàn)場受控回路的開關(guān)狀態(tài)，監(jiān)控界面按照樓層各分區(qū)的布局和回路列表來瀏覽。

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

3）可以對單個照明回路實現(xiàn)開關(guān)控制；每個模塊、樓層都有相應(yīng)的模塊控制開關(guān)和樓層控制開關(guān)，也可以一個模塊或者整個樓層實現(xiàn)開關(guān)控制。

4）開關(guān)驅(qū)動器支持過零觸發(fā)功能，負載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時進行；可有效減少電磁干擾以及對電網(wǎng)的沖擊，延長燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個照明回路可以預(yù)設(shè)掉電狀態(tài)，當照明電源掉電時，開關(guān)驅(qū)動器會自動切換到預(yù)設(shè)的掉電狀態(tài)；確保重新上電時燈具的開關(guān)狀態(tài)是確定與可控的。

6）拖動調(diào)光控件，照明設(shè)備從0%到100%進行調(diào)光，可以對單個照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，調(diào)光總控可以對一個模塊的照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，也可以對多個照明回路實現(xiàn)調(diào)光控制，通過圖標的亮滅狀態(tài)反饋現(xiàn)場開關(guān)的狀態(tài)。

7）點擊場景控件，打開或者關(guān)閉對應(yīng)場景設(shè)置，軟件界面上顯示不同的場景模式和場景功能，通過圖標的亮滅顯示對應(yīng)的場景狀態(tài)是打開還是關(guān)閉。

8）設(shè)置定時時間，確認時間點后，對該事件點執(zhí)行的動作進行設(shè)置，設(shè)置燈在設(shè)定的時間點亮或者滅。

9）系統(tǒng)可以通過預(yù)設(shè)的當?shù)亟?jīng)緯度信息，自動計算每天的日升日落時間；根據(jù)天文時鐘控制照明開關(guān)，實現(xiàn)日落開燈、日出關(guān)燈的功能。

10）所有定時控制計劃均可下發(fā)保存至驅(qū)動模塊；當上位機系統(tǒng)故障或模塊離線時，驅(qū)動模塊可以利用自帶的RTC時鐘維持定時控制計劃的正常執(zhí)行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)是分布式總線結(jié)構(gòu)；系統(tǒng)內(nèi)各元件不依賴于其他元件而能夠獨立工作；系統(tǒng)內(nèi)各元件可以通過程序的設(shè)定實現(xiàn)功能的多樣性。

12）預(yù)留BA或三方集成平臺接口，采用modbus、opc等方式。

4.5設(shè)備選型

5結(jié)語

基于單燈控制的智慧照明系統(tǒng)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,可作為建設(shè)智慧高速公路的重點切入方向?；趩螣艨刂频闹腔壅彰飨到y(tǒng)在佛山市高速公路照明工程中的應(yīng)用案例,表明了智慧照明系統(tǒng)的建設(shè)在減少資源浪費、優(yōu)化管理機制和實現(xiàn)運維一體化上是可行的。相信隨著未來對照明方案不斷優(yōu)化拓展與技術(shù)進步,智慧照明系統(tǒng)的應(yīng)用將進一步有利于推動智慧高速公路的建設(shè)。

參考文獻:

[1].唐曉棟.降低路燈照明用電量[J].科技展望,2016,26(19):301.

[2].周蓓蓓.探討單燈控制系統(tǒng)在EMC模式LED道路照明節(jié)能改造中的應(yīng)用[J].低碳世界,2019,9(3):159-160.

[3].肖曉鵬.基于單燈控制的智慧照明系統(tǒng)在高速公路主線照明中的應(yīng)用與展望.廣東華路交通科技有限公司

[4].安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊.2022年05版