1 引言

已經頒布實施的國家城市道路照明設計行業標準規定，城市道路照明應該為各種車輛的駕駛人員以及行人創造良好的視覺環境，達到保障交通安全，降低犯罪率和美化城市環境的目的。這就要求城市道路照明( 特別是機動車交通道路) 達到一定的亮度標準，另一方面，近年來，隨著國內城市化進程的迅速發展，相關道路照明設施的規模及數量越來越大，道路照明耗電也在迅速上升。如何在保證道路照明的亮度/ 照度和安全性的前提下，不增加維護成本而降低城市道路照明的耗電量，具有重大意義，也成為當前節能降耗研究中的重要內容。

2 城市路燈照明系統

機動車交通道路照明按快速路與主干路、次干路、支路分級，各級道路的照明標準值( 路面平均亮度或照度、亮度或照度均勻度、眩光限制和誘導性) 已作出了區分。常規照明燈具的布置常采用間隔一定距離的道路雙側交錯布置、雙側對稱布置、或其他布置方式; 一般采用壽命長、光效高的高壓鈉燈作為光源。

城市各級交通道路根據不同時段的照明需求，提供相應的照明水平是很好的控制方式和節能手段。

目前部分地區為節能普遍實行“半夜燈”制度，采取“亮一隔一”或“亮一隔二”的權宜措施，關閉部分光源。然而此法不僅減小路面亮度( 照度) ，同時路面亮度( 照度) 均勻度也有不同程度、甚至是嚴重的下降( 與燈具布置方式也有關) ，不利于維護公共交通安全和社會治安。

目前，城市各級交通道路照明一般由專用的回路箱變專供，由于我國城市電網技術落后，電網電壓受負荷的影響較大，線路的電壓波動大大超過國際標準，有時甚至會超過額定電壓的15% 以上。

在用電高峰期，電壓偏低; 用電低谷期，電壓偏高。

午夜用電低谷時，城市電負荷急劇減少，電網電壓較高，下半夜電壓普遍超過230V，甚至接近250V。

這樣將增加高達22% 的耗電量，不僅浪費能量，降低路燈使用壽命，而且路面照度太強不利于行車安全。

道路照明節電有很大的潛力，除了選擇高效照明器材之外，在深夜若適當降低回路電壓，調整光源的光通量，降低路面亮度/ 照度( 需保證正常的道路照明) 是節能效果最為明顯的一項有效措施。

3 智能照明控制策略

3. 1 節能調光原理

根據人體視覺對光線適應的理論，人眼對光線的感覺和光線成對數關系，即光照降低10% ，而人的視覺僅降低1% ， 因此適當降低光源的光通量( 從而可以節能) 而并不影響人的視覺。高壓鈉燈在正常工作條件下，進入正常工作狀態前的整個啟動過程約需4 ～ 8 分鐘; 工作在弧光放電狀態時，為負斜率的伏—安特性曲線，電源電壓的波動將引起燈具電參數的變化。電源電壓上升將引起燈管工作電流增大，工作電壓、燈管功率隨著增高，造成燈泡壽命下降; 反之，電源電壓降低，燈的發光效率下降，還可能造成燈具不能啟動或自行熄滅。

高壓鈉燈正常啟動工作后， 將燈具電壓降至190V，甚至180V，高壓鈉燈都不會熄滅，因此，高壓鈉燈可以實施降壓供電。在工程實際中， 經實驗測量，當高壓鈉燈電壓過壓10% 時，光源壽命約降低一倍; 電壓在正常工作電壓220V 附近小范圍下降時( 降壓10% ) ，功率成平方比快速下降，此時照度只是輕微下降，節電率可達20%。在高壓鈉燈工作時，電源電壓的波動不宜過大，電源電壓的最優選擇與控制都是節能照明最有效的途徑。

3. 2 目前控制策略的不足

照明控制可分為開關控制和調光控制。調光控制又包括連續的調光控制( 被控光源的光通量可連續的變化) 和不連續的調光控制( 被控光源的光通量只能在若干固定的預設值之間變化)。合理、正確地選用照明控制方式不僅是經濟性和使用性的良好統一，也是實現節能照明的有效措施。

我國現行的道路照明的控制簡單粗糙，大多僅實現手動開關控制，或簡單的定時器控制和光電控制。以路段為控制單位，按照日出日落時間對路燈進行自動控制，在滿足照度和節能上兩難取舍。但是，城市道路照明實際要求的照度( 亮度) 因環境等因素而不同，如: 傍晚尚未全黑時與夜間天全黑時，照度要求不同; 深夜與晚間及清晨不同; 受雨、雪、霧、陰天、風沙等異常天氣影響。目前的粗放式管理，實現道路節能照明的合理化、科學化比較困難，也不能及時準確地了解路燈設備的工作狀態。

3. 3 TPO 控制策略

綜上所述，城市道路照明管理需充分考慮實際狀況，引入光控措施和交通流量傳感器，采取分區域和分時段的場景控制策略。依據人體工程學中的視覺理論，采用現代控制論中的最優控制方法，實現對路燈電壓及照度的動態智能化管理，即TPO管理( TIME /PLACE /OCCASION)。所謂場景控制就是通過綜合考慮和分析與道路照明密切相關的時間、路段、環境照度和交通流量等因素，按照預設的控制策略，能夠實時、動態、平滑地調整路燈輸入電壓，從而進行路燈的調壓式調光輸出，對道路照明進行動態智能化管理，控制路燈在不同情況下工作在不同狀態，實現多樣化的道路照明場景，從而在提高照明質量的同時獲得最佳得節能效果，節約有功電耗達20 ～ 30% 以上。

對節能照明智能控制策略( 包括時間表控制、組群控制和環境參數輔助控制) 進行融合，以高壓鈉燈為控制對象，實施以下照明控制策略:

a) 分時段照明控制

在晚間繁忙的時段，控制路燈保持較高的照度，接近午夜時分，開始自動調光，在后半夜車稀人少時，則控制路燈保持較低照度的照明，同時還可以根據節假日和特殊天氣狀況自動調整控制策略。另外，精確的開關燈控制也需要根據城市所處的經緯度計算出當地每天的開關燈時間。

b) 組群控制

處于同一照明回路中的不同路燈，由于其所處位置的不同，對其照明控制的要求可能也不相同。

基于單燈節點的控制和檢測，實現指定組群燈具的不同場景控制。組群控制可以通過道路照明系統底層———照明回路控制單元和智能路燈節點控制器之間的通信協議層實現配置和組合。

c) 環境參數輔助控制

根據天氣、交通流量等實際的環境參數調整照明控制措施，以獲得更好的照明質量和節電效果。

綜合考慮自然光照度和當前時間，消除環境光中的尖峰干擾或突變持續性干擾，執行相應的開燈或關燈操作，以調整路燈開關的時刻和時間。道路上車輛流量不是一成不變的，每個道路段的流量也會有所變化。因此，也可以根據車輛流量進行路面光照度調節。

d) 閉環回路照明控制

午夜12 點后，依據行駛車輛的大致位置和行進方向，在其前方相應路段的照明回路進行照度調節。

4 無線控制通信網絡

引入智能場景控制策略的城市道路照明管理需要構建由路燈節點控制器LCU、照明回路控制單元RTU 和照明管理中心組成的控制網絡。路燈節點控制器LCU ( Light Control Unit) 負責所屬路燈的工作狀態檢測和控制; 管理中心工作站通過Ethernet 或者遠程無線通信與回路控制單元RTU ( RemoteTerminal Unit) 通信，經回路控制單元向各節點發布控制指令和獲取各節點回傳的狀態信息; 節點控制器和回路控制單元之間則可采用多種方式的通信介質實現，如現場總線、窄帶電力線載波、以及無線網絡等。

傳統的現場總線在道路照明控制中也有應用，但是大多存在著通訊接口協議復雜，而且需要鋪設專用線纜，路燈網絡組網成本高、維護不方便等問題; 窄帶電力線載波直接利用電力線進行數據通信，省去了專用電纜的安裝，構建靈活，具有性價比高、升級方便、維護簡單等特色，但存在電力線干擾大、傳輸速率慢的缺點，大規模應用的可靠性還有待驗證。隨著通信和自動化技術的發展，無線網絡因其組網方便，布局容易，維護簡單的優點，開始逐步應用工業生產領域中。在道路照明控制中，目前成熟的應用大多采用常規工業頻段或利用GSM 短信息或GPRS /CDMA 等公眾網。采用數傳電臺不但需要申請工業頻段，天線架設麻煩，而且設備價格較高; GSM 短消息通信實現簡單，不過實時性和信息量得不到保證，而GPRS /CDMA 按流量計費，在照明燈具節點數量較多時，系統成本會急劇上升。

短距離無線通信具有低成本、低功耗、對等通信的重要特征和優點。終端間的直通能力即實現對等通信是短距離無線通信的重要特征，有別于長距離無線通信技術，對等通信無需網絡基礎設施進行中轉，接口設計和高層協議相對比較簡單，更適合于城市道路照明控制系統的規模化節點通信，國內外已有不少機構和公司開始關注和研究基于無線通信技術的網絡化道路照明管理系統。

城市道路照明的路燈設置間距要考慮到道路性質和照明要求，一般在35 ～ 50 米左右的間隔區間。

短距離無線通信由于受發射功率的限制( 工業與信息化部無線電管理局規定城市環境下單個無線接入點設備RF 發射功率不可超過100mW) ， 傳輸距離與大功率數傳電臺相比有較大差距，因此主從配置(所有無線節點都與訪問節點連接) 的連接方式不再合適，需要以照明回路中的路燈節點控制器形成接力式傳遞和冗余路由來完成點到點無線通信。

借鑒無線傳感器網絡(WSN) 的思想， 集中管理、分散控制，多個路燈節點控制器LCU 組成鏈狀樹型拓撲自組織結構。照明回路控制單元( 主控節點RTU) 和管理中心工作站之間采用GSM /圖1 節能道路照明系統的無線智能控制網絡組成示意圖GPRS 進行數據傳輸， 同時擔任WSN 網絡協調器，通過節點間無線多跳式傳輸方式和路燈節點控制器之間通信。路燈節點LCU 之間的路由通信通過數據應答和數據重發的握手協議， 確保通信的可靠性;若通信時發現某路燈節點LCU 失效， 則可跳過此LCU 節點與鄰近LCU 節點進行通信，并及時把該節點LCU 故障狀態反饋于回路控制單元。圖1 所示為以無線通信技術為基礎構建的節能道路照明控制系統結構示意圖。

典型的短距離無線連接有多種規范和標準，如802. 11b、Bluetooth、UWB、RFID、IrDA 等。其中在免費的2. 4GHz ISM ( 工業、科學、醫療) 頻段工作的ZigBee 作為一種新興的短距離低速率網絡技術已在道路照明控制系統中有所應用。另一方面，若基于非標準協議構建系統， 則在保留ZigBee 絕大部分優點和特點( 低功耗、低成本、時延短、組網方便等) 的同時，可以獲得更高的效率( 標準協議通信過程需要按協議特定格式封裝數據包，降低了傳輸效率，ZigBee 約為21% ，采用非標準協議則可提高到約40% ) ，從而能更有效的傳輸數據; 自定義協議組網可按照具體道路情況靈活設置，自行設計通信過程和網絡拓撲結構; 與此同時，基于非標準協議無線通信支持的最高傳輸速率1Mbit / s 也大于ZigBee 協議的傳輸速率250kbit / s。

不論是采用ZigBee 標準協議還是基于非標準協議無線通信，都可以簡化布線，方便回路控制單元和多個路燈節點控制器之間組網，實現道路的節能照明控制。

5 節能照明節點控制器設計

照明回路控制單元( 主控節點) 和路燈節點LCU 的實現是軟硬件的結合。照明回路控制單元安裝在箱變附近，接受傳感器采集信息，監測箱變及照明回路的工作狀態，同時與路燈節點建立無線通信網絡，監控網絡中各節點LCU 的工作狀態，并通過GPRS 收發器與管理中心工作站通信。為增強可靠性，設計采用PLC 或工控計算機為核心，短距離無線通信接口、電力狀態與控制模塊、照度/ 流量傳感器接口、電能計量模塊、人機交互接口和指示電路、外部數據存儲器等外圍配置的硬件實現。

照明節點LCU 的硬件電路實現相對簡單，主要以低功耗微處理器( 單片機、ARM 或DSP 等) 控制電路和無線通信接口為基礎按給定協議( ZigBee或自定義協議) 實現多跳網絡節點功能，配備必要的照度/流量傳感器接口和照明電路狀態與控制接口模塊實現路燈的開關控制、亮度調節和狀態監測，在智能化節能照明策略的管理下運行。

在沒有管理中心干預的情況下，照明回路控制單元和節點LCU 按照預設的照明控制策略完成自主的現場照明控制。為了使高壓鈉燈始終在最佳工作特性下工作，路燈光輸出的改變不是突變而是分步進行的，防止路燈在調光過程中熄滅。無論預先設定的調光電壓值為多少，路燈在剛點亮以后首先工作在100% 光輸出狀態( 額定電壓) 下; 當路燈完全點亮后，照明回路控制單元和節點LCU 才會按控制策略逐漸將路燈光輸出調整到預設值。

考慮到現場情況復雜多變，因此可保留原來的道路照明系統電路( 作為冗余系統) ，在智能照明控制系統發生故障時或者特定情況下，能夠快速安全的無障礙切換到現用的傳統照明系統電路，方便路燈使用過程中的維護和管理工作。

6 結束語

基于無線通信技術，采用現有的成熟技術升級改造道路節能照明智能控制系統設計，實現從簡單控制的粗放式管理向回路調壓、單燈控制的精細化管理轉換，可以實時監控和管理城市道路夜間照明使之高效穩定安全運行，有效節約電能消耗。