智慧照明新紀元：單燈控制在高速公路主線照明中的創新應用與效益分析

【摘要】：隨著物聯網和云計算的發展,基于單燈智能控制的智慧照明系統在高速公路主線照明中得到了廣泛應用和發展。簡要介紹了智慧照明系統,并通過分析智慧照明系統在佛山市高速公路照明工程中的應用案例,提出了智慧照明系統的若干思考。

【關鍵字】：高速公路單燈智能控制;智慧照明系統;應用

0引言

隨著人工智能的發展和“雙碳"目標的提出,各地的智慧交通建設正陸續發力。同時,為了更好地提升出行人員夜間駕駛的安全性和舒適性,高速公路照明工程已不僅局限于隧道內,越來越多的路段開始考慮建設主線和互通中的照明工程。據相關文獻,照明用電量約占全社會用電量的13%,其中路燈用電量約占照明用電的30%,因此,在照明工程中采用新技術降低照明能耗、提升照明管理水平,達到照明領域的綠色節能,是高速公路管理部門關注和思考的問題之一。

由于路燈的單燈控制至少可以節省用電量10%,且維護保養成本也能明顯下降,具有較好的經濟效益,因此建設基于單燈控制的智慧照明系統,將助力實現綠色節約的目標。

本文分析了基于單燈控制的智慧照明系統在佛山市高速公路照明工程中的應用,此外,根據實踐經驗和出行需求,提出了智慧照明系統的若干思考。

1照明控制系統

1.1　傳統的照明控制系統

早期的照明控制系統大多采用有線控制,其控制方式一般采用時間控制、回路控制或兩者相結合的控制方式。這種傳統的控制方式沒有細化到控制任意一桿燈,無法實現地管控和節能。比如,當有一盞燈具發生故障時,傳統的照明系統無法地感知到故障位置,需要花費大量時間進行人工排查,存在人工巡檢范圍大、費時費力等缺陷。另一方面,傳統的照明系統沒有考慮對燈具的分組控制和精細化控制,造成用電浪費甚至光污染。

1.2　智慧照明系統

智慧路燈是分布在高速公路廣泛、均勻的物聯網,可成為智慧高速公路建設的切入點和智能終端,在社會、經濟等方面具有較明顯的效益(表1)。

由于智慧照明系統具備不間斷地監控每個照明燈具的功能,可防止電網的浪涌電壓對光源造成損壞,使燈具的平均壽命相應延長了2倍以上,顯著降低了燈具更換的費用,也大幅減少了照明系統管理人員的工作強度,使照明管理變得更加經濟和人性化。同時,由于智慧照明系統與物聯網、云計算等科技相結合,對每一桿路燈進行智能控制和精細管理,是智慧路燈的創新性發展,將推動智慧高速公路的建設、管理與發展。

2佛山市高速公路照明工程項目案例

2.1　項目概況

項目建設范圍為廣佛高速公路主線、廣三高速公路主線、佛開高速公路主線和廣珠西高速公路主線共100km的照明工程,4條路段累計安裝發光二極管(LightEmittingDiode,LED)照明燈具5266套。項目條件復雜,有高邊坡、垂直邊坡、國防光纜、石油管道、天然氣管道和供水管道等。根據現場實際,項目克服各種困難并于2021年1月至4月陸續完成亮燈和智慧照明控制,其中照明控制系統采用了基于單燈控制的智慧照明控制方案,是本次照明工程改造的一大亮點。

2.2　基于單燈控制的智慧照明系統的應用

2.2.1　總體方案

系統整合了專業高效的LED智能照明燈具、窄帶物聯網數據通訊、簡單實用的華為云平臺以及集成的服務,系統總體方案如圖1所示。

圖1　智慧照明系統總體方案

智慧照明系統在傳統照明系統的基礎上,融合了物聯網技術、計算機技術和地理信息技術等,將照明設施進行一體化管理,優化了照明管理流程,提高了照明管理人員的工作效率,實現對照明設備的化管理和智慧化控制,提高了照明管理水平和節能效率。智能照明控制軟件平臺是整個智慧照明系統的節點,是整個系統操作、維護、處理、分析和監管的遠程控制。

2.2.2　系統架構

智慧照明系統按照道路照明的控制邏輯關系和照明線路拓撲而構成(圖2),其包括數據控制、無線智能控制網關和單燈控制器等。無線智能控制網關集成了集中控制器,實現路燈的信息化監控。單燈控制器和集中控制器之間通過電力線載波進行通信,集中控制器和數據控制之間通過4G無線網絡進行通信,且可隨時更換5G通信模塊。

圖2　智慧照明系統拓撲圖

2.3　智慧照明系統在該項目應用的優勢

(1)節能減排、綠色節約。遠程單燈控制可調用燈具信息,采集燈具亮度、電壓、電流、功率及用電量等,以實現對單燈能耗的計量、延長燈具使用壽命,不斷挖掘照明系統節能減排的潛力。且系統可以根據車流量和時間對單燈或分組制定控制策略,通過適當地調節燈具亮度和針對性地匹配開關燈時間,控制每一盞燈具,從而有效實現綠色節約。

(2)減少巡檢成本、提高檢修效率。智能照明控制平臺借助地理信息系統對每一盞故障燈具進行定位,可自動識別故障位置和故障類別,大大減少了巡檢人員和巡檢車輛,從而明顯地節省了燈具的巡查成本,有效支持路段的智能化運維。根據系統所采集的運行信息,顯示故障的準確地點、設備狀態和故障類型,維修人員可提前完成檢修備料工作,改變了傳統巡檢模式定位難、需要逐個排查和效率低等缺點,縮短了維修時間,提髙了檢修效率。

(3)實現照明控制和照明管理的精細化。傳統的路段主線照明控制大多為回路控制,即通過控制箱變或變電所的低壓出線回路開關,實現對主線照明的控制。這種傳統的照明控制比較粗放,一般一個回路約為1km,即只能使1km范圍內的燈具同時開啟或同時關閉,缺乏精細化,容易造成用電的浪費。智慧照明系統結合了物聯網技術、GIS技術,對所有照明燈具進行準確定位,可精細地控制單一燈具的開啟與關閉,也可靈活地對各路燈桿進行分組、分路段控制。這種精細化控制有利于高速公路管理人員準確采集照明系統相關信息,對重要決策進行分析評估,提高高速公路照明管理水平。

(4)提高維修作業的安全性。由于每一桿燈在檢修孔內都安裝了單燈控制器和電源適配器,使其在整個智慧照明系統中具有單一的、可快速識別的身份編碼,便于燈具的維修維護,且大部分故障可以在檢修孔處維修,降低了高空作業車的使用率,提升了維修作業時的安全度。

(5)良好的拓展能力和應急能力。照明智能控制箱設備內置4G智能鏈路傳輸功能(支持國內移動/聯通/電信三大運營商),方便客戶進行遠程監控和操作,采集報警信息,且具備良好的功能拓展能力,可隨時更換5G通信模塊。所提供的無線寬帶可在緊急情況下作為應急數據傳輸通道,為臨時卡點傳輸視頻、語音、數據等信息,為應急工況下提供可靠的無線寬帶通信保障。

2.4　主要設備及軟件平臺性能

2.4.1　單燈控制器

相比于傳統的照明回路控制,智慧照明系統在每桿燈桿檢修孔內安裝內置電力線載波(PLC)、微功率無線通信的單燈照明控制器,可自由切換電力線載波和微功率無線通信模式,實現單燈控制,其原理及結構如圖3所示。單燈控制器對每個燈具進行數據采集,上報管理平臺,且根據路段管理Web版軟件和管理人員手機APP指令可進行分路段、分區、分組、分回路和單燈等場景調控,以及燈具開關和調光等控制模式,同時具備異常開/關燈、燈具故障、燈桿漏電、功率不足、超流超限、超壓、通信失敗等報警功能。

圖3　單燈照明控制器原理及結構

2.4.2　無線智能控制網關(含集中控制器)

采用模塊化設計方式,內含通信模塊(4G)、路燈控制模塊、電參數檢測模塊,兼具4G智能鏈路傳輸和路燈集中控制兩大功能。其通過雙模通訊方式,即同時支持電力線載波(OFDMPLC)和微功率無線通信(RF433),控制終端的開、關燈和調光操作,并接收照明終端發送的路燈狀況和電量使用信息。

2.4.3　智慧照明控制軟件平臺

智慧照明控制軟件平臺自上而下包括4個層次。軟件平臺架構如圖4所示,軟件平臺界面如圖5所示。

圖4　智慧照明控制軟件平臺架構

圖5　智慧照明控制軟件平臺界面

(1)展示層:提供照明控制的人機界面,如本地客戶端、遠程客戶端、手機APP等。

(2)應用層:提供照明控制的應用功能,如設施資源管理、照明智能監控、單燈控制及節能管理、生產運維管理和移動監控等。

(3)服務層:提供三大服務(通信/數據服務、應用服務、GIS服務),如消息服務、遠程通訊,報表和圖表工具、安全服務、數據分析與訪問,基礎地圖服務、地理數據服務等。

(4)數據層:對數據庫進行統一編碼標準和統一數據模型。

2.4.4　智慧照明控制軟件平臺功能

智慧照明控制軟件平臺具有GIS地圖功能、設備管理與控制功能、分組控制功能、遠程開關功能、分組控制功能等,見表2。

2.5　智慧照明系統在該項目應用的不足

智慧照明系統自2021年1月陸續投入以來,基于單燈控制的智慧照明系統得到了佛山市照明工程路段管養單位和出行者的好評,具有故障率低、故障識別、維修速度快、調光和控制功能實用性強、維護成本低等特點。但也存在一些不足之處,如建設期未考慮與路段上的車輛檢測器、氣象檢測器、閉路電視監視系統和可變信息標志等其他現有設備進行聯動;未考慮利用燈桿集成其他信息化設備以減少對土地的占用,節約空間和后期建設成本;也沒有考慮使用區別于傳統照明工程的低空照明,以提高行車的誘導性,降低維護費用。

3單燈控制智慧照明系統拓展思考

(1)整合路網信息,提高協同聯動性和智慧水平。建議可將傳統機電工程三大系統的數據整合到智慧照明控制系統中,比如通過視頻圖像傳感器或雷視一體機采集通行車輛的數據,實現“車來燈亮、車走燈滅"的功能。同時,將氣象檢測器采集到的天氣情況和路面溫濕度信息、事件檢測器采集到的特殊事件等信息整合到智慧照明控制系統中,設計對應的聯動方案,提升照明系統的智慧化。

(2)利用路燈物聯網承載其他上層應用。針對不同的路段情況,分析各類傳感器、WIFI熱點、車路協同路側基礎設施、毫米波雷達、全彩戶外顯示屏等信息化設備的需求,以合理設置智慧集約燈桿。同時,智慧集約燈桿也可作為5G微基站的天然搭配。這樣既可提高燈桿的智慧化,又可避免設備基礎等土建工程的重復建設,節約空間和建設成本。智慧集約燈桿可集成的設備見表3。

(3)合理布置低空照明。由于低空照明具有行車誘導性強的特點,建議對低空照明的課題進行深入研究,解決低空照明仍存在的問題與盲區,如可能造成駕乘人員的眩光等不適,使低空照明能成功應用于高速公路,服務廣大出行者。同時制定相關的技術規范,根據不同路段的特點合理布置低空照明和高空照明,在節省照明工程建設費用的同時,為高速公路照明工程帶來智慧化和人性化發展。

(4)加快標準框架體系的建設。標準化是支撐智慧照明系統建設的重要手段,標準化可以有效地規范智慧路燈的規劃、設計、建設、運行及設備制造。而智慧照明系統相關的技術和產品仍處于繼續發展和優化的過程中,未來將成為不同行業、不同部門的共享設備及共享數據,涉及到跨領域和跨部門的制度支撐問題,因此,標準化工作難度較大,框架體系尚未統一。建議加強照明、交通、數字化、市政和公共安全等各管理領域的協同合作,進一步加快智慧照明系統標準框架體系的建設。

4安科瑞智能照明控制系統

4.1概述

ALIBUS智能照明產品采用RS485總線技術，技術成熟可靠，安全穩定。開關驅動器具備獨立工作的能力，適用于一些中小型的項目；模塊化設計，可以任意拼接擴展，同時預留I/O口以及Modbus接口，還可以滿足與AcrelEMS企業微電網管理云平臺進行數據交換。

4.2應用場所

適合于各類智能小區、醫院、學校、酒店，以及體育場所、機場、隧道、車站等大型公建項目的照明控制需求。

4.3系統結構

4.4系統功能

1）實時檢測并顯示各個模塊的在線狀態，反饋現場受控回路的開關狀態，監控界面按照樓層各分區的布局和回路列表來瀏覽。

2）當發生模塊離線、網關設備掉線或者狀態反饋和下發控制命令不一致時會發生故障報警，并將故障報警信息記錄并顯示在界面中。

3）可以對單個照明回路實現開關控制；每個模塊、樓層都有相應的模塊控制開關和樓層控制開關，也可以一個模塊或者整個樓層實現開關控制。

4）開關驅動器支持過零觸發功能，負載（燈具）的分合操作僅在交流電過零時進行；可有效減少電磁干擾以及對電網的沖擊，延長燈具與控制裝置的壽命。

5）對每個照明回路可以預設掉電狀態，當照明電源掉電時，開關驅動器會自動切換到預設的掉電狀態；確保重新上電時燈具的開關狀態是確定與可控的。

6）拖動調光控件，照明設備從0%到100%進行調光，可以對單個照明回路實現調光控制，調光總控可以對一個模塊的照明回路實現調光控制，也可以對多個照明回路實現調光控制，通過圖標的亮滅狀態反饋現場開關的狀態。

7）點擊場景控件，打開或者關閉對應場景設置，軟件界面上顯示不同的場景模式和場景功能，通過圖標的亮滅顯示對應的場景狀態是打開還是關閉。

8）設置定時時間，確認時間點后，對該事件點執行的動作進行設置，設置燈在設定的時間點亮或者滅。

9）系統可以通過預設的當地經緯度信息，自動計算每天的日升日落時間；根據天文時鐘控制照明開關，實現日落開燈、日出關燈的功能。

10）所有定時控制計劃均可下發保存至驅動模塊；當上位機系統故障或模塊離線時，驅動模塊可以利用自帶的RTC時鐘維持定時控制計劃的正常執行，不影響日常的照明控制效果。

11）系統結構是分布式總線結構；系統內各元件不依賴于其他元件而能夠獨立工作；系統內各元件可以通過程序的設定實現功能的多樣性。

12）預留BA或三方集成平臺接口，采用modbus、opc等方式。

4.5設備選型

5結語

基于單燈控制的智慧照明系統發揮了物聯網和路燈的雙重優勢,在提高高速公路照明管理智慧化、精細化、綠色化的同時,可作為建設智慧高速公路的重點切入方向?；趩螣艨刂频闹腔壅彰飨到y在佛山市高速公路照明工程中的應用案例,表明了智慧照明系統的建設在減少資源浪費、優化管理機制和實現運維一體化上是可行的。相信隨著未來對照明方案不斷優化拓展與技術進步,智慧照明系統的應用將進一步有利于推動智慧高速公路的建設。

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