基于視頻的路燈智能控制的研究

黃漢濱，張治國，朱浩

（黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江大慶163319）

基于視頻的路燈智能控制的研究

黃漢濱，張治國，朱浩

（黑龍江省科學(xué)院大慶分院，黑龍江大慶163319）

本文研究的智能路燈控制系統(tǒng)是針對我國在城市照明中存在的巨大能源消耗問題而開發(fā)的基于視頻的路燈智能控制系統(tǒng)，通過高精度攝像頭和創(chuàng)新視頻識別算法相結(jié)合，可準(zhǔn)確識別路上行人及車輛，動態(tài)控制路燈的亮度，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能的目的。

視頻控制；節(jié)能路燈；強化邊緣算法

隨著我國城市化水平的不斷提高，城市的路燈照明系統(tǒng)也不斷擴(kuò)大［1］，路燈照明是城市基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，在城市的交通安全、社會治安、人民生活和市容風(fēng)貌中居于舉足輕重的地位，發(fā)揮著不可替代的作用，標(biāo)志著城市實力和成熟的程度。目前中國照明用電占總發(fā)電量的12%左右，路燈的電費和管理費用成為政府一項巨大的財政支出。目前，大多數(shù)城市街道路燈均采用人工控制。這種方法浪費人力、操作煩瑣且每天早晚路燈開閉時間不準(zhǔn)，人為因素影響大。各大城市路燈能源利用率普遍不高，在一個城市中，除了主干道外，還有很多次干道和小的路段，這些街道在夜晚的人流量和車流量一般非常少。但是即使沒有人或車經(jīng)過，這些路燈也是長期點亮的，這時電能就被白白浪費掉了。很多路段真正有效的照明時間只占到整個照明時間的20%～30%，大部分電能被浪費掉了。這種浪費現(xiàn)象不僅阻礙經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而且與建設(shè)節(jié)約型社會的要求背道而馳。

隨著我國節(jié)能減排工作的不斷深入，作為城市功能性照明主力路燈必然將走上“綠色之路”。路燈在夜間照明中起了很大的作用，但同時夜間路上沒有車輛通過時，路燈仍然空照卻是一種浪費。在市政開支極度緊張的今天，國內(nèi)絕大部分的城市和地區(qū)幾乎不約而同地采用了國外已經(jīng)拋棄的路燈隔盞關(guān)燈的方法，以實現(xiàn)節(jié)能的目的，但這其中隱含著很大的弊端，不僅導(dǎo)致了路面照度分布不均，給治安及交通安全埋下了隱患，還無法避免后半夜電網(wǎng)電壓的升高對路燈壽命的減損，因此不能稱作是真正意義上的節(jié)能。

隨著科技的不斷進(jìn)步，計算機技術(shù)的發(fā)展日新月異，給人們生活帶來了極大的便利［2］。目前傳感器技術(shù)趨于成熟，例如紅外傳感器、聲音傳感器、光敏傳感器等開始普及生活中。利用現(xiàn)有手段，整合計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)，通過編寫程序，靈活地運用傳感器技術(shù)實現(xiàn)路燈的自動控制，智能化管理路燈的亮滅在技術(shù)上是可行的。

因此筆者考慮設(shè)計一種智能路燈控制系統(tǒng)，分時控制，在車流量大的時段，路燈100%功率輸出，在夜間沒有車輛通過時，路燈熄滅或低度照亮，而有行人及車輛通過則自動提高亮度。這樣既可達(dá)到照明的效果，又可有效節(jié)省電能。

1　系統(tǒng)概述

考慮到路燈在電力資源上的巨大浪費，我們設(shè)想這樣一個路燈系統(tǒng)，每天繁忙時段，路上行人、車輛流量大時（如晚上六點到十點）控制路燈100%點亮；當(dāng)接近午夜時，開始自動調(diào)光，根據(jù)傳感器反饋的信息，來調(diào)整路燈的亮度，比如當(dāng)有行人或車輛通過時，控制路燈亮起來，當(dāng)行人或車輛通過后，路燈調(diào)整為30%亮度，這樣既保證夜間行人行車的安全，還節(jié)約了電力資源。

系統(tǒng)主要的關(guān)鍵技術(shù)分為兩個部分：

1.1視頻傳感器的選擇及算法的優(yōu)化

想要實現(xiàn)智能化路燈系統(tǒng)，傳感器是必不可少的環(huán)節(jié)，是系統(tǒng)的眼睛，傳感的特性及精度決定了整個智能系統(tǒng)優(yōu)劣。通過對現(xiàn)有技術(shù)的查詢，可用于本系統(tǒng)中的傳感器大致分為以下幾類：地感線圈、微波檢測、紅外線檢測、視頻檢測。經(jīng)過對各類傳感器優(yōu)點及缺點的分析，本系統(tǒng)采用基于視頻的智能路燈控制方式，通過對攝像機采集回傳的圖像進(jìn)行分析來實現(xiàn)路燈的自動控制。視頻檢測的優(yōu)點是具有采集信息量大、準(zhǔn)確、直觀可靠、安裝調(diào)試維護(hù)方便，可根據(jù)需要靈活設(shè)置檢測區(qū)域，便于管理。隨著視頻處理水平的不斷提高，檢測算法不斷完善，本項目結(jié)合大量現(xiàn)有優(yōu)秀圖像檢測算法，如天氣抑制算法、樹及車輛陰影抑制算法、燈光反光抑制算法等，整合研發(fā)一套圖像識別算法，其中改進(jìn)了高斯——拉普拉斯邊緣檢測算子：靈敏度明顯超過常用的Sobel算子和Prewitt算子［3］，而且計算量不會有較大的增加。

改進(jìn)的對象，二維拉普拉斯算子：

邊緣識別采用圖像灰度分布與二維高斯函數(shù)的拉普拉斯值相卷積：

對應(yīng)的拉普拉斯值：

此算子可以準(zhǔn)確地得到背景中不存在圖像的輪廓，從而實現(xiàn)對行人與車輛的識別。通過模擬，此算法具有抗噪能力強、識別速度快且準(zhǔn)確性高的特點，能夠非常高效準(zhǔn)確地為智能系統(tǒng)提供控制依據(jù)。

1.2智能控制系統(tǒng)及聯(lián)網(wǎng)

以高性能計算機服務(wù)器作為控制系統(tǒng)的核心，多線程的工作能力可以同時處理來自多個傳感的數(shù)據(jù)［4］，有了能夠準(zhǔn)確感知行人及車輛的依據(jù)，路燈控制系統(tǒng)就可以通過板卡或PLC驅(qū)動路燈控制器，從而控制路燈的亮度；控制系統(tǒng)提供三種控制方式：定時控制，手動控制，自動控制。自主開發(fā)應(yīng)用程序，界面友好，簡單易學(xué)，操作方便，圖1給出路燈控制系統(tǒng)的簡單示意圖。

圖1　路燈控制系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of street lamp control system

2　智能路燈的現(xiàn)狀

國內(nèi)開發(fā)智能路燈的企業(yè)，多數(shù)采用定時控制方式和紅外線檢測方式，前一種分時間段來控制路燈的亮度，雖然有效地減少了電力資源的浪費，但給夜間行駛的車輛行人帶來了安全隱患；后一種紅外線檢測方式與本項目相似，區(qū)別是通過紅外線傳感器來獲取行人車輛數(shù)據(jù)，缺點是紅外線傳感器是反射型傳感器，容易被阻擋或反射；而且因為外界對紅外線的反射率不一樣，會造成檢測不準(zhǔn)的現(xiàn)象，這些情況會導(dǎo)致在沒有行人及車輛時，傳感器也會產(chǎn)生假信號，系統(tǒng)控制路燈保持高亮度狀態(tài)，達(dá)不到節(jié)能效果。

我們總結(jié)前人的經(jīng)驗和教訓(xùn)，利用多年視頻處理工作累積的技術(shù)特長，以攝像機為傳感器，通過創(chuàng)新視頻處理算法來提高智能系統(tǒng)的精度，確保本系統(tǒng)的安全可靠。

3　預(yù)計節(jié)省電子計算

據(jù)統(tǒng)計，一個中型城市，在夜間要點亮10萬盞路燈，按每盞200W計算，一晚需要點亮10h，那么一晚的耗電量大約在20萬KW，其中有25%～30%的電力因為路燈空照而白白浪費了，使用本套路燈控制系統(tǒng)，將不會再因為路燈空照而產(chǎn)生電力資源的浪費［5］。

4　總結(jié)

基于視頻的智能路燈控制系統(tǒng)可以有效節(jié)約路燈的電力資源。由高效夜視攝像機對監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行實時的圖像采集，將圖像數(shù)據(jù)與背景灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，找到有效數(shù)據(jù)，當(dāng)存在行人與車輛時，驅(qū)動路燈使其照度開到100%，當(dāng)行人及車輛通過一段時間后，系統(tǒng)將驅(qū)動路燈將其照度逐漸降低，來達(dá)到節(jié)能的目的。

［1］郭威.基于ZigBee的無線智能路燈系統(tǒng)研究［D］.北京：北京交通大學(xué)，2014.

［2］任康.計算機軟件開發(fā)設(shè)計的難點及解決措施［J］.信息通信，2014，（09）：121-122.

［3］劉晨，張東.邊緣檢測算子研究及其在醫(yī)學(xué)圖像中的應(yīng)用［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2006，16（8）：128-130.

［4］姚登舉.基于多線程的視頻會議控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2007.

［5］邵子揚.新型智能節(jié)能路燈的設(shè)計［J］.世界產(chǎn)品與技術(shù)，2009，（02）：78-81.

Research of Intelligent Control of the Lamps Based on Videos

HUANGHan-bin,ZHANGZhi-guo,ZHUHao
（DaqingBranch ofHeilongjiangAcademyofSciences,Daqing163319,China）

Intelligent street light control system of this study is aimed at problems existing in urban lighting huge energy consumption and the development of street lamp intelligent control system based on video,through high resolution camera and video recognition algorithm,the combination of innovation can accurately identify the pedestrians and vehicles on the road,dynamic control the brightness of the lamp,and the goal ofenergy savingis achieved.

Videocontrol;Energysavinglamp;Strengthen the edge algorithm

TP273+.2

A

1674-8646（2015）09-0048-02

2015-05-28

黃漢濱（1985-），男，黑龍江哈爾濱人，學(xué)士，實習(xí)研究員，從事自動化控制技術(shù)。