智能控制在城市夜景照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

胡國(guó)剛

【摘 要】城市夜景照明燈光為渲染城市環(huán)境、突出立體造型等方面發(fā)揮了重要的作用。讓夜間出行的人們從另一個(gè)角度去欣賞城市的夜間美景。但城市夜景照明燈光也給城市帶來(lái)了很多的光污染問題。一些高亮度的燈光會(huì)嚴(yán)重影響人們的正常休息，引發(fā)各種交通事故，同時(shí)也會(huì)給自然界的動(dòng)物帶來(lái)一定的影響。很多鳥類和昆蟲因燈光迷失了飛行方向，造成了趨光性的動(dòng)物大量的死亡。所以，研究城市夜景照明燈光智能控制技術(shù)對(duì)于降低城市的光污染有著重要的意義。本文就針對(duì)智能控制在城市夜景照明系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討。

【關(guān)鍵詞】智能控制;城市夜景照明系統(tǒng);應(yīng)用

隨著中國(guó)現(xiàn)代化城市建設(shè)的快速發(fā)展，城市的照明燈光和夜景建設(shè)日新月異，為城市的夜景環(huán)境增添了新的面貌，同時(shí)增強(qiáng)了城市的活力，提高了城市的觀賞價(jià)值和人居生活感受。但由于夜景燈光的濫用，會(huì)導(dǎo)致環(huán)境的燈光污染，需要對(duì)城市環(huán)境燈光進(jìn)行智能控制，根據(jù)環(huán)境狀態(tài)特征進(jìn)行燈光的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，降低城市環(huán)境受到燈光污染的損害，同時(shí)還可以降低能耗，促進(jìn)節(jié)能減排，研究城市夜景照明燈光污染智能控制技術(shù)，在城市照明設(shè)施建設(shè)和城市規(guī)劃建設(shè)等領(lǐng)域中都具有很好的應(yīng)用價(jià)值，相關(guān)的夜景燈光控制以及照明設(shè)施設(shè)備的控制技術(shù)研究受到人們的極大重視。

1智能控制技術(shù)理論

智能控制是為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，而采用人工智能與控制理論相結(jié)合的方法。智能控制技術(shù)主要是用來(lái)發(fā)揮其技術(shù)系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)化其組織目標(biāo)結(jié)構(gòu)，并在節(jié)約能源、提升質(zhì)量、延長(zhǎng)使用壽命的基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善其功能，使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的控制技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)控制技術(shù)來(lái)說，對(duì)于不確定的復(fù)雜的研究對(duì)象，智能控制技術(shù)不需要建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型就可以解決問題，這是傳統(tǒng)控制技術(shù)所做不到的。再加上智能控制系統(tǒng)的輸入信息比較多，它能夠仿照人工智能機(jī)構(gòu)，對(duì)信息進(jìn)行分類處理并決策，各類信息之間相互協(xié)調(diào)，這樣有利于信息的記憶。

2城市照明智能控制的重要性

2.1提高城市照明的節(jié)能性

城市照明也是有時(shí)間針對(duì)性，基本上到了凌晨之后，路上的行人和車輛比較少，如果城市路燈一直亮著，則會(huì)造成電力資源的浪費(fèi)。因此，城市照明智能控制可有效的對(duì)城市照明的時(shí)間進(jìn)行控制，既可以滿足城市居民生活對(duì)城市照明的需要，又可以減少電力資源的浪費(fèi)，從而提高了城市照明的節(jié)能性。

2.2提高城市照明的信息化、數(shù)據(jù)化和智能化程度

城市照明智能控制有別于傳統(tǒng)的城市照明控制，它利用了網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)對(duì)城市照明進(jìn)行智能控制，將城市照明的信息進(jìn)行了信息化、數(shù)據(jù)化以及智能化的處理。對(duì)城市照明信息進(jìn)行分站收集，并將各個(gè)分站的信息集中回饋給主站，進(jìn)行統(tǒng)一的控制，給城市照明系統(tǒng)的維護(hù)和管理工作帶來(lái)了極大的便利。

2.3便于全方位管理、監(jiān)控城市照明

城市照明智能控制摒棄了傳統(tǒng)的認(rèn)為操作和控制，而是進(jìn)行遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制，對(duì)整個(gè)城市的照明系統(tǒng)進(jìn)行全方位的管理和監(jiān)控。同時(shí)，城市照明智能控制可以對(duì)城市路燈的照明和損毀情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)問題，維修人員可及時(shí)對(duì)路燈進(jìn)行維修和更換，在一定程度上提高了維修檢查人員的工作效率。

3燈光控制的基本類型

3.1點(diǎn)（燈）控制型

點(diǎn)（燈）控制就是指可以直接對(duì)某盞燈進(jìn)行控制的系統(tǒng)或設(shè)備。早期的照明控制系統(tǒng)和家庭照明控制系統(tǒng)及普通的室內(nèi)照明控制系統(tǒng)基本上都采用點(diǎn)（燈）控制方式，這種控制方式簡(jiǎn)單，僅使用一些電器開關(guān)、導(dǎo)線及組合就可以完成燈的控制功能，其特點(diǎn)是在任意入口處位置可以開閉照明裝置，但平面布線比較復(fù)雜，是目前使用最為廣泛和最基本的照明控制系統(tǒng)，是照明控制系統(tǒng)的基本單元，其原理如圖1所示。

3.2區(qū)域控制型

區(qū)域控制型照明控制系統(tǒng)，是指能在某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)完成照明控制的系統(tǒng)。特點(diǎn)是可以對(duì)整個(gè)控制區(qū)域范圍內(nèi)的所有燈具按不同的功能要求進(jìn)行直接或間接的控制。由于照明控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)基本上是按回路容置進(jìn)行的，即按照每回路分別進(jìn)行控制，所以又稱為路（線）控型照明控制系統(tǒng)。

一般由值班室統(tǒng)一控制，照明控制方式多種多樣，為方便管理設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)功能，手動(dòng)主要為了調(diào)試、檢修和應(yīng)急的需要;自動(dòng)有利于運(yùn)行，又分為定時(shí)控制、光控等;為節(jié)能和燈光開啟等事宜，多采用平時(shí)、一般節(jié)日、重大節(jié)日三級(jí)控制的方式。主要用于道路照明控制、廣場(chǎng)及公共場(chǎng)所照明、大型建筑物、城市標(biāo)志性建筑物、公共活動(dòng)場(chǎng)所和橋梁照明控制等應(yīng)用場(chǎng)合，并與城市夜景照明相協(xié)調(diào)，可聯(lián)網(wǎng)控制，現(xiàn)在正被廣泛應(yīng)用于城市夜景照明。

3.3網(wǎng)絡(luò)控制型

網(wǎng)絡(luò)控制型照明控制系統(tǒng)是通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將許多局部小區(qū)域內(nèi)的照明設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，從而由一個(gè)控制中心進(jìn)行統(tǒng)一控制，在照明控制中心內(nèi)，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)控制區(qū)域內(nèi)的照明設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的控制管理。網(wǎng)絡(luò)控制型照明系統(tǒng)一般由以下幾部分組成：

1）控制系統(tǒng)中心：一般由服務(wù)器、計(jì)算機(jī)工作站、網(wǎng)絡(luò)控制交換設(shè)備等組成的計(jì)算機(jī)硬件控制系統(tǒng)和由數(shù)據(jù)庫(kù)、控制應(yīng)用軟件等組成的照明控制軟件等兩大部分組成，采用網(wǎng)絡(luò)型照明控制系統(tǒng)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①便于系統(tǒng)管理，提高系統(tǒng)管理效率。②提高系統(tǒng)控制水平。③提局系統(tǒng)維護(hù)效率。④減少系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)、維護(hù)成本。⑤可以進(jìn)行照明設(shè)備的編程控制，產(chǎn)生各種所需要的照明效果。⑥便于采用各種節(jié)能措施，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的節(jié)能控制。

2）控制信號(hào)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)：通過控制信號(hào)傳輸系統(tǒng)完成照明網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)中有關(guān)控制信號(hào)和反饋信號(hào)的傳輸，從而完成對(duì)控制區(qū)域內(nèi)的照明設(shè)備進(jìn)行控制。

3）區(qū)域照明控制：網(wǎng)絡(luò)照明控制系統(tǒng)實(shí)際上是對(duì)一定控制區(qū)域的若干小區(qū)域的照明控制系統(tǒng)（設(shè)備）進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)控制，區(qū)域照明控制系統(tǒng)（設(shè)備）是整個(gè)聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，它既可以作為一個(gè)獨(dú)立的控制系統(tǒng)使用，也可以作為聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的終端設(shè)備使用。

4）燈控設(shè)備：通過整個(gè)照明控制系統(tǒng)要完成對(duì)每盞燈的控制，燈控設(shè)備安裝在每盞燈上，并可以通過遠(yuǎn)程控制信號(hào)傳輸單元與照明控制中心通信，從而完成對(duì)每盞燈的有關(guān)控制（如開/關(guān)、調(diào)光控制），并可以通過照明控制中心對(duì)每盞燈的工作狀態(tài)進(jìn)行有關(guān)監(jiān)控，從而完成對(duì)每盞燈的控制。

5）節(jié)能控制：照明系統(tǒng)的節(jié)能是全球普遍關(guān)注的問題，照明節(jié)能一般可以通過兩種途徑實(shí)現(xiàn)：一是使用高效的照明裝置（例如光源、燈具和鎮(zhèn)流器等）;二是在需要照明時(shí)使用，不需要照明時(shí)關(guān)斷，盡量減少不必要的開燈時(shí)間、開燈數(shù)置和過高照明亮度，這點(diǎn)需要通過智能照明控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4智能照明控制系統(tǒng)

智能照明控制系統(tǒng)是全數(shù)字化、模塊化、分布式總線型控制系統(tǒng)，將控制功能分散給各個(gè)功能模塊，中央處理器、模塊之間通過網(wǎng)絡(luò)總線直接通信，可靠性高、控制靈活。系統(tǒng)根據(jù)某區(qū)域的功能、每天不同時(shí)間的用途和室外光亮度自動(dòng)控制照明。并可進(jìn)行場(chǎng)景的預(yù)設(shè)，由建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)（BAS）或分控制器通過調(diào)光模塊、調(diào)光器自動(dòng)調(diào)用。照明控制系統(tǒng)分為獨(dú)立子網(wǎng)式、特定于房間或大型的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

如圖2所示，聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的串行端□，可容易地集成到BAS的中央控制器，或與其他控制系統(tǒng)組網(wǎng)。利用照明智能化控制可以根據(jù)環(huán)境變化、客觀要求、人們可以預(yù)定需求等條件而自動(dòng)采集照明系統(tǒng)中的各種信息，并對(duì)所采集的信息進(jìn)行相應(yīng)的邏輯分析、推理、判斷，并對(duì)分析結(jié)果按要求的形式存儲(chǔ)、顯示、傳輸，進(jìn)行相應(yīng)的工作狀態(tài)信息反饋控制，以達(dá)到預(yù)期的控制效果。

4.1智能照明控制系統(tǒng)功能

①智能照明控制系統(tǒng)根據(jù)區(qū)域的功能、每天的不同時(shí)間段、室外亮度或該區(qū)域的用途自動(dòng)控制照明。其中最重要的一點(diǎn)是可進(jìn)行預(yù)設(shè)，即具有將照明亮度轉(zhuǎn)變成為一系列設(shè)置的功能。這些設(shè)置也稱為場(chǎng)景，可由調(diào)光器系統(tǒng)或中央控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用。②照明控制系統(tǒng)分為獨(dú)立式、特定區(qū)域或大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，調(diào)光設(shè)備安裝在電氣柜中，由傳感器和控制器面板組成的外部設(shè)備網(wǎng)絡(luò)來(lái)操作。③聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)的串行端□，端□通常都是雙向的，這樣可以更容易地實(shí)現(xiàn)中央集中控制?？梢栽谥醒肟刂破髡?qǐng)求亮度變化后確認(rèn)操作，也可以從照明系統(tǒng)得到信息，比如電置消耗或該區(qū)域的實(shí)際場(chǎng)景運(yùn)行情況。

4.2控制原理

照明控制系統(tǒng)是一個(gè)總線型或局域網(wǎng)型的智能控制系統(tǒng)。所有元器件均內(nèi)置微型處理器和存儲(chǔ)單元，由信號(hào)總線（雙絞線或光纖等）連成網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)單元均設(shè)置唯一的單元地址并用，通過軟件設(shè)定其功能輸出單元控制各回路負(fù)載。輸入單元通過群組地址和輸出組件建立對(duì)應(yīng)聯(lián)系。當(dāng)有輸入時(shí)，輸入單元將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭偩€信號(hào)在控制系統(tǒng)總線上廣播，所有的輸出單元接收并做出判斷，控制相應(yīng)回路輸出。

4.3系統(tǒng)組成

系統(tǒng)通常由調(diào)光模塊、開關(guān)模塊、控制面板、夜景顯示觸摸屏、智能傳感器、編程接口、時(shí)間管理模塊、手持式編程器和監(jiān)控機(jī)（大型網(wǎng)絡(luò)需網(wǎng)橋連接）等部件組成。

4.5網(wǎng)連控制器數(shù)置

每個(gè)子網(wǎng)最多可配64個(gè)功能單元，通過網(wǎng)橋由子網(wǎng)組成一個(gè)主網(wǎng)。

4.6照明管理軟件

照明控制系統(tǒng)的監(jiān)控軟件是一個(gè)可監(jiān)控分布式照明控制系統(tǒng)的應(yīng)用軟件。對(duì)于大型照明控制網(wǎng)絡(luò)，用戶需要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控時(shí)，可通過PC機(jī)接□接入控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，在中央控制室通過中央控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)照明控制系統(tǒng)的管理。監(jiān)控軟件要便于安裝、使用和維護(hù)，系統(tǒng)工作靈活、穩(wěn)定、可靠和有擴(kuò)展性，并具有加密防盜措施。各頁(yè)面的設(shè)計(jì)要清晰、直觀方便，并具有一定的色彩，便于操作者區(qū)分不同類型的數(shù)據(jù)。

5城市夜景照明的控制

5.1城市夜景照明的智能化控制

包括對(duì)建筑物外立面、園區(qū)、廣場(chǎng)、道路的功能照明以及景觀照明燈具的檢測(cè)和控制。

5.2控制單元的主要功能

①自動(dòng)控制開、關(guān)燈時(shí)間：隨著季節(jié)交替，系統(tǒng)能夠自動(dòng)對(duì)照本地區(qū)白天、黑夜長(zhǎng)短的變化，對(duì)夜景照明做出每天相應(yīng)的開關(guān)燈時(shí)間調(diào)整。②自動(dòng)巡燈：在中央控制室內(nèi)即可掌控受控區(qū)域內(nèi)的燈具運(yùn)行狀態(tài)和相關(guān)數(shù)據(jù)，了解故障線路的故障原因，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)的成本。③自動(dòng)報(bào)表：通過中央控制室的電腦即可把受控區(qū)域的燈具運(yùn)行數(shù)據(jù)直觀地表現(xiàn)出來(lái)，并建立運(yùn)行檔案和輸出打印。④節(jié)約電能：通過建立合理的運(yùn)行方案，可以有效地實(shí)現(xiàn)照明的多級(jí)控制，從而達(dá)到節(jié)能的目的。

5.3智能控制的主要類型

（1）數(shù)字可尋址照明接口（DALI控制）。DALI控制總線采用主從結(jié)構(gòu)，一個(gè)接□最多能接64個(gè)可尋址的控制設(shè)備/設(shè)備，通過多個(gè)接口互聯(lián)來(lái)控制大置的接口和燈具。采用異步串行接口協(xié)議，來(lái)實(shí)現(xiàn)控制信息的下達(dá)和燈具狀態(tài)的反饋。DALI可做到精確地控制，可以單燈單控即對(duì)單個(gè)燈具可獨(dú)立尋址，可修改控制參數(shù)的同時(shí)不用改變布線的方式。

（2）數(shù)字多路復(fù)用控制協(xié)議（DMX512控制協(xié)議）。DMX控制協(xié)議主導(dǎo)了室內(nèi)外舞臺(tái)類燈光控制及戶外景觀照明的控制，基于DMX512控制協(xié)議進(jìn)行調(diào)光控制的燈光系統(tǒng)稱為數(shù)字燈光系統(tǒng)。以其強(qiáng)大的控制功能給大、中型燈光效果帶來(lái)了天翻地覆的變化。LED燈具大多采用該傳輸協(xié)議。其不足之處在于，如傳輸速度不夠快、不夠遠(yuǎn)，布線與初始設(shè)置隨系統(tǒng)規(guī)模的變大而變得繁瑣等，另外控制數(shù)據(jù)只能單向傳輸，不能檢查燈具的工作狀態(tài)，容易出現(xiàn)傳輸錯(cuò)誤。

（3）基于TCP/IP網(wǎng)絡(luò)控制。其特點(diǎn)是設(shè)備穩(wěn)定型好，集成度高;層級(jí)式架構(gòu)，擴(kuò)展性好;控制靈活，易于編輯及整合等，被廣泛應(yīng)用于智慧城市中。

（4）無(wú)線控制。照明無(wú)線控制發(fā)展很快，基于網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線控制技術(shù)逐步應(yīng)用到智能照明控制當(dāng)中，主要有GPRS、ZigBee、Wi-Fi等。1）GPRS控制。通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（GPRS）是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，是GSM的延續(xù)。2）ZigBee控制協(xié)議。是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是短距離、低功耗、低速率的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，適用于無(wú)線傳感器費(fèi)用低、能量低、高容錯(cuò)性等的要求，目前廣泛應(yīng)用于智能家居的控制。3）Wi-R。是允許電子設(shè)備連接到無(wú)線局域網(wǎng)的技術(shù)，通常使用2.4GHzUHF或5GHzSHFISM射頻頻段。利用該技術(shù)可使用便攜式通訊設(shè)備（手機(jī)、平板電腦等）通過無(wú)線路由器連接到智能控制系統(tǒng)內(nèi)，對(duì)燈光控制進(jìn)行管理。

6智能照明控制的趨勢(shì)

網(wǎng)絡(luò)化的照明控制得到了較快的發(fā)展，城市夜景照明的聯(lián)動(dòng)控制、遙控、遙測(cè)、集中控制和顯示，已經(jīng)得到大范圍應(yīng)用。伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各大城市也涌現(xiàn)出許多成片區(qū)聯(lián)動(dòng)的夜景照明效果，如杭州的G20峰會(huì)夜景照明，此次峰會(huì)充分體現(xiàn)了“城、水、光、影”的主題定位，整個(gè)燈光秀分為“城之魂”、“水之靈”、“光之影”三個(gè)篇章，秀出中國(guó)傳統(tǒng)文化和杭州特色，以及從西湖時(shí)代邁向錢塘江時(shí)代的“大氣、開放”。燈光控制在標(biāo)準(zhǔn)DMX512協(xié)議的基礎(chǔ)上建立了更加完善的開放式協(xié)議，最終呈現(xiàn)出多建筑效果同步。采用GPS精準(zhǔn)時(shí)鐘為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備的同步控制，使得整個(gè)控制系統(tǒng)不依賴于網(wǎng)絡(luò)就能實(shí)現(xiàn)流暢的畫面控制，可靠性高，無(wú)論范圍多大只要能接受GPS信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)視頻和音頻的同步呈現(xiàn)。

結(jié)語(yǔ)

照明控制在不斷發(fā)展，未來(lái)照明將走向智能、藝術(shù)、高科技的路線。智能照明的出現(xiàn)改變了照明行業(yè)的命運(yùn)，提高了人們的生活品質(zhì)，大數(shù)據(jù)時(shí)代的照明控制技術(shù)也將登場(chǎng)，綠色照明的智能控制將會(huì)發(fā)展越來(lái)越好。

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（作者單位：杭州和順建設(shè)有限公司）