智慧LED路燈在城市道路照明中的應(yīng)用

劉苗苗

太原市政建設(shè)集團(tuán)有限公司（030000）

0 前言

為了確保城市夜間交通安全，必須設(shè)計(jì)科學(xué)合理的夜間照明系統(tǒng)，以確保城市道路夜間總體運(yùn)行安全可靠。為實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗目標(biāo)，在城市道路照明過(guò)程中，應(yīng)選擇適合路燈的設(shè)計(jì)方案，例如嘗試用LED路燈設(shè)計(jì)方案取代傳統(tǒng)的高壓鈉燈照明技術(shù)方案。隨著現(xiàn)代城市街道照明的發(fā)展，傳統(tǒng)的蒸汽高壓鈉燈逐漸被LED路燈所取代。由于蒸汽高壓鈉燈的光效有限，在照明過(guò)程中消耗大量電能，增加城市照明系統(tǒng)的能耗?？紤]到LED的各種優(yōu)勢(shì)，采用LED路燈優(yōu)化和改進(jìn)城市道路照明系統(tǒng)，能提高道路照明效果，控制照明能耗，充分利用LED路燈的優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)城市照明技術(shù)的設(shè)備改造和技術(shù)升級(jí)[1]。

1 智慧路燈系統(tǒng)及功能分析

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的城市照明監(jiān)控系統(tǒng)管理模式較為簡(jiǎn)單，服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能水平相對(duì)較低。建設(shè)智能城市需要使用具備一定智能水平的路燈裝置，如使用無(wú)線GPRS/CDMA通信技術(shù)以滿足遠(yuǎn)程控制的需求，也能基于傳感器與自身的處理硬件進(jìn)行自動(dòng)化的控制，從而有效地連接城市每個(gè)角落的路燈裝置，使之形成物聯(lián)網(wǎng)，更好地產(chǎn)生聯(lián)動(dòng)效應(yīng)，遠(yuǎn)程操作路燈，進(jìn)行集中管理。

智慧路燈還有自動(dòng)化控制系統(tǒng)，有多種類型的傳感器與控制模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)依據(jù)當(dāng)前的天氣、時(shí)間與交通流量來(lái)控制照明開(kāi)關(guān)與強(qiáng)度。智慧路燈還能夠通過(guò)集成監(jiān)控報(bào)警模塊，給城市監(jiān)控管理提供更多的信息源，能很好地防止城市線纜盜竊的問(wèn)題。隨著當(dāng)前信息技術(shù)的不斷發(fā)展，智慧路燈也在不斷地發(fā)生著創(chuàng)新發(fā)展，智慧路燈的產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨向更加完善的方向。智能路燈隨著信息獲取與處理能力的不斷提升，將更好地支撐現(xiàn)代化智能城市的發(fā)展[2]。

2 使用LED路燈的必要性

在城市道路照明過(guò)程中，傳統(tǒng)路燈的亮度不可調(diào)節(jié)，始終保持在100%的亮度，路燈亮度沒(méi)有隨著時(shí)間、地點(diǎn)、人流量的變化而變化，導(dǎo)致電能出現(xiàn)大量浪費(fèi)。傳統(tǒng)路燈的功能消耗大，對(duì)于電源的利用率低，導(dǎo)致其成本增加。另外，傳統(tǒng)路燈的亮度可控性較差，路燈亮度的變化速度較慢，容易出現(xiàn)忽明忽暗的情況，會(huì)導(dǎo)致車輛行駛的危險(xiǎn)性增加，同時(shí)也不符合當(dāng)前我國(guó)對(duì)城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

近幾年，我國(guó)城鎮(zhèn)建設(shè)的規(guī)模越來(lái)越大，增加了路燈的使用需求，而路燈的控制水平也反映了當(dāng)今城鎮(zhèn)的現(xiàn)代化程度。因此LED路燈的使用是當(dāng)前正確的選擇，對(duì)我國(guó)大氣環(huán)境有較好的改善作用，還能有效節(jié)約電能[3]。

3 智慧路燈與傳統(tǒng)路燈對(duì)比分析

3.1 光的利用率高

傳統(tǒng)路燈的發(fā)光角度為360°，有一半的光源被照射到地面，導(dǎo)致傳統(tǒng)路燈的光源利用率不高，照明度不佳，而LED路燈的發(fā)光角度要小于180°，同時(shí)還可以設(shè)計(jì)出定向放光光源，可以提高光的利用率，確保LED燈的出光率在90%以上，能有效發(fā)揮節(jié)能減排的效果。

3.2 經(jīng)濟(jì)效益方面

假定城市照明從晚上6時(shí)至8時(shí)、10時(shí)至12時(shí)，單盞燈亮1h。相較于250W高壓鈉燈，城市智能照明系統(tǒng)能夠降低70%的功耗，在凌晨12時(shí)至6時(shí)內(nèi)能夠降低30%的功耗。在上述使用情況下，每年智能道路照明系統(tǒng)每盞燈將節(jié)省800元，極大地降低了城市照明成本。

3.3 照明效果優(yōu)化

LED路燈在應(yīng)用過(guò)程中，有效優(yōu)化了城市道路的光效，為市民提供了交通便利。同時(shí)LED路燈的合理設(shè)計(jì)可以美化城市的夜景，提高城市的整體生活質(zhì)量。根據(jù)國(guó)家照明相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析，城市道路照明系統(tǒng)投入運(yùn)行時(shí)，相關(guān)路燈的平均照明應(yīng)達(dá)到39lx標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)部分城市道路LED路燈的照明亮度進(jìn)行測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，平均照明達(dá)到65lx，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相關(guān)的國(guó)家照明標(biāo)準(zhǔn)。因此LED路燈具有很高的應(yīng)用價(jià)值。用LED路燈取代蒸氣鈉高壓燈后，可以確定道路平均照明延長(zhǎng)97%，有效提高照明均勻性，提高了路燈的總體照明效果。

3.4 LED路燈的使用壽命

LED光源的使用年限很長(zhǎng)，一般在5萬(wàn)～8萬(wàn)h。然而，在實(shí)際使用中，影響LED光源壽命的因素很多，不可避免地受到溫度變化、紫外線輻射等因素的影響。配套電容器的壽命較短，往往不超過(guò)1萬(wàn)h。在LED的工作過(guò)程中，并非所有的電能都能轉(zhuǎn)化為光，而是一部分轉(zhuǎn)化為熱能。長(zhǎng)期保持高溫會(huì)影響自身的壽命，容易因過(guò)熱而燒毀。以前用的高壓鈉燈平均壽命不到3萬(wàn)h，鎮(zhèn)流器的壽命則大于燈本身的壽命。因此，更換燈泡后，鎮(zhèn)流器仍可使用。

3.5 節(jié)能和環(huán)保效益顯著

LED路燈具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能環(huán)保、色彩豐富、小型化等優(yōu)點(diǎn)，將成為人類照明史上的又一飛躍。關(guān)于照明效率，高壓蒸氣鈉燈的最大光效為140 lm/W，目前高于商用高性能LED路燈，但LED路燈的顏色再利用指數(shù)遠(yuǎn)高于高壓蒸氣鈉燈。同樣的照明條件下，白色LED路燈對(duì)司機(jī)或行人識(shí)別目標(biāo)更有幫助，其道路照明效果和舒適程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于高壓蒸氣鈉燈。LED路燈的燈光是定向光，如果采用正確的光線分布設(shè)計(jì)，大部分光線會(huì)直接投射到路面上，燈的效率可達(dá)85%。

3.6 顯色指數(shù)高

就顯色指數(shù)而言，高壓蒸氣鈉燈的顯色指數(shù)要低于LED路燈的顯色指數(shù)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，LED路燈的顯色指數(shù)在80以上，而高壓蒸氣鈉燈的顯色指數(shù)在30以下，加上人們的視覺(jué)清晰度會(huì)受到顯色指數(shù)的影響，因此LED路燈更能給人們帶去清晰的視覺(jué)度。

3.7 控制技術(shù)方面

GPRS+ZigBee和GPRS+電力線載波通信是城市智慧路燈控制領(lǐng)域所采用的兩種主要技術(shù)。其中，GPRS技術(shù)一般適用于遠(yuǎn)距離傳輸，而ZigBee和電力線載波技術(shù)則主要適用于短距離組網(wǎng)的運(yùn)用。因此，在具體運(yùn)用時(shí)，可將兩種技術(shù)結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮兩種技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，有效完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ躘4-8]。

4 LED光源在城市道路照明中的具體應(yīng)用

4.1 電纜選用

在部分城市道路照明中，由于不使用LED照明系統(tǒng)，傳統(tǒng)照明設(shè)備主要使用道路支架變壓器來(lái)確保路燈的正常運(yùn)行。但是，傳統(tǒng)路燈的能耗很高，使得照明系統(tǒng)的損耗不斷提高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)。選擇LED路燈照明方案后，為了達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目標(biāo)，應(yīng)選擇LED路燈的供電技術(shù)方案。如果技術(shù)方案不可行，會(huì)直接影響照明系統(tǒng)的性能。因此，在LED路燈的應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)適當(dāng)選擇電力電纜，科學(xué)評(píng)價(jià)布置方案，以確保LED路燈在安全的前提下充分發(fā)揮節(jié)能優(yōu)勢(shì)。當(dāng)照明電纜施工的技術(shù)方案完善后，單個(gè)變壓器可以有較大的供電半徑，可有效提高照明系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

4.2 智能化

照明控制技術(shù)在過(guò)去已經(jīng)經(jīng)歷過(guò)多次的技術(shù)迭代，由最早的機(jī)械開(kāi)關(guān)控制發(fā)展成現(xiàn)在的自動(dòng)化控制。但是，目前智能城市的發(fā)展對(duì)于照明控制技術(shù)提出了更高的要求，需要照明控制技術(shù)結(jié)合更為先進(jìn)的電子信息與遠(yuǎn)程通信技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)智能化的控制效果。隨著城市建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，路燈這一傳統(tǒng)的照明設(shè)施也被要求集成更多的功能特性。這就要求所采用的控制系統(tǒng)需要具備充分的拓展性，能夠集成更多的功能模塊，實(shí)現(xiàn)更多的需求。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)的北上廣深等城市已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行智能道路控制系統(tǒng)的試點(diǎn)，通過(guò)升級(jí)系統(tǒng)軟硬件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)路燈照明的變頻、調(diào)光與功率控制，并且還可以對(duì)周邊環(huán)境信息進(jìn)行廣泛地搜集，從而實(shí)現(xiàn)更加精準(zhǔn)的自動(dòng)化控制，并且達(dá)到很好的工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障反饋效果，促使城市照明更加地穩(wěn)定與智能。

4.3 照明設(shè)計(jì)

選用LED路燈，需要科學(xué)嚴(yán)格的照明設(shè)計(jì)，以確保路燈的總體照明效果。如設(shè)計(jì)師應(yīng)考慮車道數(shù)、周圍綠化帶的寬度以及路燈的有限高度。雙向六車道道路的路燈設(shè)計(jì)中，路燈高度可控制在12 m，以確保道路的有效照明。為了確保城市道路的總體照明效果，相鄰路燈之間的距離應(yīng)控制在30m以內(nèi)。為了保證LED路燈的總體照明質(zhì)量，有必要制訂LED路燈的燈光規(guī)劃方案，并評(píng)估設(shè)計(jì)的路燈高度和間隔寬度是否能滿足預(yù)期要求。當(dāng)實(shí)際測(cè)試存在一定差異時(shí)，則有必要對(duì)照明方案進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整和優(yōu)化，確保LED路燈照明設(shè)計(jì)的有效性和可靠性。

4.4 規(guī)范化

現(xiàn)代化的照明系統(tǒng)集成了多種設(shè)備，因此不可能由單一供應(yīng)商提供。但是，每個(gè)廠家生產(chǎn)的兼容性會(huì)有差異，實(shí)際使用會(huì)受到影響。因此，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)是智慧LED路燈在城市道路照明的必要趨勢(shì)。政府部門要帶頭對(duì)照明設(shè)備的接口進(jìn)行統(tǒng)一，從而加強(qiáng)行業(yè)內(nèi)設(shè)備的兼容性，加強(qiáng)企業(yè)間的合作，避免資源浪費(fèi)。

4.5 網(wǎng)絡(luò)化

當(dāng)前成熟的通信介質(zhì)，如CDMA、GPRS、光纖通信、PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線，可促使智慧LED路燈能夠?qū)崿F(xiàn)在線調(diào)控的功能。當(dāng)前的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以將多種智能設(shè)備聯(lián)系起來(lái)，組合其功能，從而達(dá)到較好的使用效果。作為一種集合了網(wǎng)絡(luò)、傳感器、人工智能等技術(shù)的新概念，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)又被看成是第三次信息技術(shù)革命的契機(jī)。該技術(shù)能夠進(jìn)一步提升城市照明控制系統(tǒng)的智慧水平，提升其長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性，降低使用成本。

4.6 智能報(bào)警模塊

智能報(bào)警模塊的作用在于能夠?qū)ν鈴V播各類信息。該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)兩種類型的信息傳播形式，一是對(duì)外廣播，由中央控制中心發(fā)布需要廣播的信息，通過(guò)該模塊向外界進(jìn)行傳播，其廣播的信息多為政務(wù)、新聞以及緊急信息等。二是戶外分機(jī)呼叫中心，其能夠在民眾于路燈附近遇見(jiàn)緊急情況時(shí)，通過(guò)該模塊所設(shè)計(jì)的一鍵報(bào)警按鈕向控制中心報(bào)警，應(yīng)急處置部門人員就能夠依照路燈位置，快速定位事件發(fā)生地并及時(shí)趕到，排除風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題[9-10]。

5 結(jié)語(yǔ)

智慧路燈控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用可以有效節(jié)約傳統(tǒng)路燈系統(tǒng)運(yùn)行所消耗的資源能源，提高智慧路燈系統(tǒng)的運(yùn)行效率，實(shí)現(xiàn)路燈的遠(yuǎn)程控制，解放人力，降低人力成本，進(jìn)一步促進(jìn)人們生活便利，提升城市的智能水平。因此，首先需要通過(guò)調(diào)查研究明確智慧路燈在現(xiàn)代城市中的有效性，充分地分析其在能耗、效益以及控制技術(shù)等三方面的優(yōu)勢(shì)，并明確其在城市中的應(yīng)用能夠極大地節(jié)約電能并提升質(zhì)量，促進(jìn)現(xiàn)代城市的長(zhǎng)期、可持續(xù)發(fā)展。