基于流量分析的道路照明節(jié)能控制方法研究

高杰，張泳（天津市市政工程設計研究院給排水一院，天津 300051）

基于流量分析的道路照明節(jié)能控制方法研究

高杰，張泳（天津市市政工程設計研究院給排水一院，天津 300051）

城市智能交通系統(tǒng)的完善使得管理部門掌握了路網(wǎng)的實時交通狀況，該數(shù)據(jù)可被用于道路功能性照明控制，以便在保障安全的基礎上實現(xiàn)道路照明節(jié)能控制。將短時交通預測技術(shù)引入到控制策略中，又可進一步完善這種控制方法。

城市道路照明；交通流量；短期交通預測；BP神經(jīng)網(wǎng)絡

1 前言

城市道路功能性照明是城市基礎設施的一部分，良好完善的道路照明不僅為車輛駕駛?cè)藛T以及行人創(chuàng)造良好的視覺環(huán)境，保障交通安全，提高交通運輸效率，方便人民生活，還可以以最直觀的視覺形象體現(xiàn)出整個城市的品味。

據(jù)統(tǒng)計，我國用于照明消耗的電能約占總電能消耗的13%，城市道路照明又是照明耗能的大戶，因此研究該領(lǐng)域的節(jié)能技術(shù)具有重要的實際意義。

2 當前道路照明節(jié)能技術(shù)措施簡述

目前設計人員已在設計標準、光源、配電系統(tǒng)及控制方式等方面采取了一系列卓有成效的節(jié)能措施。

（1）制定節(jié)能標準

技術(shù)人員對國內(nèi)22個城市超過160條道路樣本進行了分析，并研究了美國的有關(guān)資料，制定了《城市道路照明設計標準》，給出了不同道路級別及不同路寬的功能照明功率密度限值（LPD）。標準規(guī)定新建道路必須在滿足路面亮度、均勻度等指標的同時符合該功率密度限值。

（2）大功率LED光源的使用

大功率LED作為第四代電光源，擁有“綠色照明光源”之稱，是21世紀的新一代光源。它的光效已經(jīng)超過了傳統(tǒng)高壓鈉燈，同時具有長壽命、抗震動、無頻閃等特點。其發(fā)光定向性使得它的燈具二次配光設計更簡單，比傳統(tǒng)光源的光通利用率高很多。

（3）半夜燈控制

一般的城市道路到后半夜交通流量會明顯減少，此時可相應降低道路的照明水平，以降低電能消耗。具體實施方法有：

①部分滅燈：較窄的道路可關(guān)閉道路一側(cè)的路燈，較寬的道路可采取間隔或左右交替滅燈方式；

②降壓調(diào)光技術(shù)：在電源側(cè)裝設電壓調(diào)節(jié)模塊，使后半夜的照明線路電壓適當降低以減少光源功率；

③變功率鎮(zhèn)流器：通過增加鎮(zhèn)流器阻抗，以減小路燈的電流，達到降低功率的目的。

3 半夜燈控制策略的改進

如前文所述，半夜燈的控制目的是依據(jù)交通流量來調(diào)整照度以減少不必要的電能浪費，但現(xiàn)階段常用的控制依據(jù)是時間，這樣的控制方法并不準確。同一城市位于不同地段的道路晚高峰持續(xù)時間不同，即使是同一條路，每天的交通狀況也不相同。經(jīng)大量統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，周二、周三、周四交通流量分布規(guī)律比較相近，而同是工作日的周一、周五則明顯不同，周六、周日隨機性較大。

目前的智能交通系統(tǒng)已有很多設備（如線圈檢測器、超聲波檢測器、雷達檢測器、視頻檢測器等）可用于道路流量監(jiān)測，安裝于城市各個路口的檢測器，將路口車流量信息采集并上傳至交管部門，該數(shù)據(jù)用于實時監(jiān)測城市道路交通狀況，及時疏導擁堵，保障道路暢通。路燈管理部門也可利用該數(shù)據(jù)，對所有路段的路燈進行有針對性的控制。實現(xiàn)該控制的前提是建立一個集中的城市路燈控制系統(tǒng)，以替代現(xiàn)有的分散控制模式，如圖1所示。

圖1 照明集中控制系統(tǒng)圖

現(xiàn)有道路照明多采用路燈專用箱式變電站配電，路燈的開閉及節(jié)能調(diào)壓控制等全集中安裝與箱變內(nèi)，一般受一組接觸器控制。要實現(xiàn)集中地城市路燈控制系統(tǒng)，只需在每個箱變內(nèi)設置一臺PLC遠程IO站，并設置有線或無線數(shù)據(jù)通訊接口，由遠程IO控制接觸器開閉；同時設立控制中心，用于接收交管部門的全市交通流量信息，并據(jù)此向各個箱變的遠程IO站發(fā)送控制指令，由此實現(xiàn)與智能交通系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)控制，如圖2所示。

圖2 基于流量的照明控制原理圖

如交管部門的數(shù)據(jù)顯示某個路段的車流量已經(jīng)在很低的水平，那么照明控制中心可查詢自己的數(shù)據(jù)庫找到負責該路段的一個或幾個箱變，并向它們發(fā)出指令，后者則啟動半夜燈功能。此時的“半夜燈”，不再是簡單的“后半夜”減光的概念。對于一些偏僻道路，也許在傍晚下班高峰過后就少有車輛經(jīng)過，此時即可實施減光照明。

較之定時器控制，這種以實際車流量為依據(jù)的控制更為合理，在保證交通安全的前提下，后者比前者可以發(fā)揮更大的節(jié)能作用。

4 交通預測控制策略

不難看出上述控制策略是一種滯后控制，它可以滿足大部分道路的照明要求。但對于一些重要地段的重要道路，或事故多發(fā)路段，我們需要預測它未來的交通流量，并在高峰到來之前提高路面照度以防患于未然。這就需要在照明控制中引入短期交通預測理論。

短期交通預測，是指在某一時刻t對下一決策時刻t+Δt乃至以后若干時刻的交通流量做出實時預測，一般預測時間跨度Δt取5min，預測的依據(jù)一般是結(jié)合相鄰路段交通流量進行預測。道路之間相互連通，上游道路交通狀態(tài)會直接影響到下游道路的運行狀態(tài)，下游道路的阻塞情況也會影響上游道路車輛的路徑選擇，從而影響整個路網(wǎng)的運行狀態(tài)。

交通系統(tǒng)由人直接參與，其顯著特點為非線性和不確定性，且受隨機因素影響很大。目前國內(nèi)外的研究及實踐表明，采用專門設計的神經(jīng)網(wǎng)絡模型計算所得到的短期交通預測結(jié)果比較理想。

下面以BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型為例，簡單介紹預測過程。

如圖3所示，某路段交通流量0V與該路段兩端的路口流量相關(guān)，其中包括路口A左轉(zhuǎn)（1V）、直行（2V）、右轉(zhuǎn)（3V）駛?cè)肼范蔚能嚵髁恳约奥房贐左轉(zhuǎn)（4V）、直行（5V）、右轉(zhuǎn)（6V）駛?cè)肼范蔚能嚵髁俊?/p>

圖3 道路流量相關(guān)性示意圖

如果將當前時刻t由路口A和路口B駛?cè)氲能嚵髁?，以及路段當前的車流量作為輸入，將下一時刻（5分鐘后）路段的車流量作為輸出，即可建立如圖4的BP神經(jīng)網(wǎng)絡模型。模型建立過程中需合理選擇隱含層的神經(jīng)元個數(shù)，并初始化各神經(jīng)元的連接權(quán)值。

Research on Road Illumination Control Method Based on Traffic Flow Analysis

Due to the improvement of urban intelligent transportation system, Management can acquire real-time traffic conditions of the road network.This data can be used for road functional illumination control, so that it can achieve energy conservation without compromising on safety. The control method can be further improved by introducing short-term traffic prediction technique into it.

City road illumination;Traffic flow; Short-term traffic prediction; BP neural network

B

1003-0492(2014)01-0076-02

U491.5+3