摘要：城市照明耗电作为节能技术应用的一个分支领域，应当受到重视。根据我国的道路情况，综合分析光源选择、开关灯时间的确定、半夜路灯和特殊天气的控制方式，以及根据道路分类和节假日的控制措施，制定了一系列城市道路照明中的节能与控制策略，既能保证城市道路照明的可见度，又能节省电源，避免不必要的浪费。
关键词：节能；控制策略；城市道路照明；开关灯时间
中图分类号：TP393 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)22-5490-02
Discussion of Intelligent Control Strategies of Street Lighting System
ZHANG Lu-yan, YU You-ling, ZHANG Zhi-ming, WANG Cui-xia
(College of Electronics and Information Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)
Abstract: Focused on urban lighting power consumption, intelligent energy-saving and control strategies of street lighting system are proposed with consideration of various factors and mechanisms, such as the road condition, the lighting source, switch time determination, night lighting environment, weather climate, road classification and influence of holidays. Using these control strategies, energy-saving technology applied to street lighting system could be more efficient and reliable.
Key words: energy-saving; control strategies; urban street lighting; switch time
1 概述
随着社会的发展，能源问题得到了越来越多人的关注，能源危机己经成为全人类所面临的主要危机[1]。近年来，我国的电力能源日趋紧张，用电高峰时期在很多城市甚至出现了大规模的拉闸限电。电力紧张正在阻碍着我们的日常生产、生活，甚至会严重影响到我国经济的发展与社会文明的进步。照明用电在我国的整体用电中占有很大的比例，随着我国经济的快速发展，城市路灯的数量也越来越多，城市路灯照明占我国照明耗电30%左右的比例并呈上升趋势。城市道路照明的主要目的是使行人和驾驶员能很好地识别前方路面上的情况，从而保证夜间交通的安全与社会治安稳定[2]。目前很多城市为了城市形象，盲目的追求高亮度的夜间照明，在美化了夜景的同时能源消耗也在不断增加。事实上，道路照明并不需要太高的亮度，更不是越亮越好。过亮的路面照明会浪费电能，对于人们的夜间休息也会产生一定的影响，并有可能产生光污染。在强调可持续发展、注重能效的今日，道路照明节能已具有紧迫意义[2]。在我国的“十二五”规划中也提到了节能减排的问题。本文主要通过制定城市道路照明的控制策略来达到节能的目的。
2 智能道路照明系统控制策略
2.1 道路照明光源选择
光源对于电能的影响很大，选择适当的光源，可以节约电源，从而达到节约资金的目的。在道路照明系统中，所使用的光源主要是气体放电灯，有荧光灯、高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯、低压钠灯、无极荧光灯、发光二极管(LED)、太阳能路灯等。就目前状况看，高压钠灯是城市道路照明中的首选光源，因其具有光效高、寿命长、价格低等优点，而且高压钠灯的透雾性能也比较好。随着科学与技术的发展，照明领域出现了LED这种新的光源。LED光源具有节约能源、污染少、光指向性好、寿命长、低电压、反应快的特点，有成为未来光源的趋势[3]。通过实际的对比测试可见：由于LED的光输出具有高度的定向性，通过特殊的灯具配光设计，高效率60 W的LED路灯在路面上所达到的照明效果可以与250 W高压钠灯相当，90 W的LED路灯可以与400 W的高压钠灯相当，节能效果非常明显[4]。由于LED灯的众多优点，本文中采用LED路灯作为分析对象，这对于整个系统的节能也具有重要的意义。
2.2 开关灯时间的确定
为了尽可能的节省电源，城市道路的控制应以时控为主，光控为辅。时控是指计算出某地的日出日落时间，当然这不是最终的开关灯时间，还应根据当时是否达到了城市道路的开关灯照度水平，来决定是否执行开关灯的操作。由于每个城市所处的经纬度不同，其对应位置的日出日落时间也不相同；并且由于地球的自转轴相对于地球和太阳的平面是倾斜的，加上地球公转作用，因此每天的日出日落时间也是不尽相同的。为了更精确地控制城市路灯的开关时间，需要根据城市所处的经纬度计算出当地的日出日落时间，并以此为依据确定城市路灯的开关时间[5]。根据日出日落计算算法，通过在上位计算机中编写程序，能够快速得到每天的日出日落时间。若以上海道路状况为研究对象，可以根据上海的地理位置（东经121°4′，北纬31°2′）来确定日出日落时间。
根据城市道路照明设计标准，开灯照度水平为15lx，关灯照度水平为30/20lx（道路照明开灯时的天然光照度水平宜为30lx，次干路和支路宜为20lx），因为不同级别道路照明有不同的照度水平，因此关灯时的照度水平原则上也应分别与其对应。但为了便于管理和控制，规定了30lx和20lx两种照度水平[6]。开灯时间的确定的流程如图1所示。
同理可得关灯流程图，与此类似，不再赘述。
在日出的时候，照度值有可能还没有达到30/20lx，这时如果关灯，将对交通造成不堪的后果。在日落的时候，照度值还远远大于15lx，这时开灯，必然使得电能浪费。通过时控光控结合的方法，既能节能又能保证路面的正常照度。
2.3 半夜路灯的控制方式
在夜间，到了一定的时段，道路上的行人和车辆将会变得稀少，这时如果维持恒定的道路照明亮度，必将导致大量电能的浪费。所以，制定夜间路灯的控制策略也有利于节能减耗。在一天的开灯时间和第二天的关灯时间之间，交通流量将会发生很大的变化。这种变化每天都会略有差异，但就一段时间（一个月或几个月）的统计规律来看，这种变化的波动并不很大，所以完全可以按照平均交通流量变化规律把一年的照明周期划分成若干照明季节[7]。一般情况下，天热时，人们会适当延长夜晚活动时间；而当天气变冷时，人们又会减少夜晚活动时间。在天文学上，一般以春分、夏至、秋分、冬至分别作为每个季节的开始，据此，可把一年分成四个照明季节。
开灯时间一般为一天的18点左右，那时正是下班高峰期，车流量比较大；在半夜的时候，绝大多数居民已经入睡，只有极少数的人员在外活动，这时路上的车流量相对比较小；在临晨将近关灯的时候，人们也开始一天的活动，车流量开始增大。根据以上的情况，可以把一天的开灯时间和第二天的关灯时间之间分成几个时间段，在每个时间段根据当时的车流量大小来确定光照，可以节能。比如在夏季这个照明季节，可以把一天分成若干个时间段，如表1所示。时段一为交通高峰期，应该保持正常的照度值；时段二为交通次高峰期，可把照度值降低为原来的70%；时段三为交通的低谷期，可把亮度降低到原来的50%，隔盏亮灯或部分开关灯来达到节能的目的。
2.4 特殊天气
夏天的时候，雷电等恶劣天气比较频发，甚至有可能出现白天变黑夜的情况，如果路灯没有及时的点亮，可能会对交通产生意想不到的影响。所以在这种情况下，必须考虑自然环境照度，从而执行相应的开灯或者关灯的操作。除了夏天的雷电天气之外，特殊天气还包括浓云蔽日，日全食以及突降暴雨等，这些天气都有可能对路面的照度产生影响。
为了应对特殊天气，应采用光控的方法，即根据当时的环境照度是否满足最低的照度要求来操作开关灯。由于光照计可以根据设定的时间间隔，在上位机软件上实时显示当时环境的光照度。当环境照度低于15lx的时候，上位机软件应该自动的对路灯进行开启；而当环境照度再次高于30lx的时候，上位机软件应关闭路灯。当然这仅限于一般的特殊天气。当遇到闪电这种特殊情况时，在进行环境照度采集时必须采取延时检查等措施消除环境照度尖峰干扰[7]。控制流程图如图2所示。
光照计在一直实时的测量环境的光照度，当出现特殊天气时，从光照计第一次检测到低于15lx开始，如果持续若干时间（如：五分钟）都低于15lx，则判断出现了特殊天气，排除了闪电的干扰，反之亦然。当开灯时，若光照计采集到高于30lx，且持续5分钟，则关灯。
2.5 根据道路分类
在智能道路照明控制策略中，还应根据道路的类型来采取节电措施。根据《城市道路设计规范》CJJ37-90[8]对城市道路的分类，并结合道路照明本身的特点，将城市机动车道路照明按快速路与主干路、次干路、支路分为三级。根据《城市道路照明设计标准》，这三种道路的标准照度值如表2所示。
在《城市道路照明设计标准》中，对同一级别的道路规定了两档的照度标准值，因为道路照明标准值是根据车辆行驶速度、交通流量等因素来确定的，与城市的性质和规模没有必然的联系。一般情况下，在规模小的城市中，车辆的数目比大中型的城市少，因而路面的交通流量也会相对的较小。所以，为了合理的配置能源和节能，在中小城市中，可选择照明标准的低档值，而在大城市可以选择照明标准中的高档值。采取这种措施后，既能保证每个路段的可见度，又能节省电源，避免不必要的浪费。
2.6 节假日
在比较重要的节假日，人们的作息时间会和平时不同。在这种情况下，若还是采取分时段控制，就会出现偏差，因为交通流量曲线与平时会出现较大的波动。这时可以通过其他的方式来控制路灯的亮暗。就一定年份来说，每年的同一个节假日的车流量的数值不会波动很大。根据上述情况，可以向各地的交通部门查阅某个路段在每个节假日的车流量，从而把这些历史数据存入数据库。当到了某个假日的时候，通过调用数据库中的历史数据和当前数据来进行路灯照明的预测控制。
3 总结
城市道路照明节能是一个长久且复杂的系统性工程，需要注重多方面的问题。本文从光源选择、开关灯时间的确定、半夜路灯和特殊天气的控制方式以及根据道路分类和节假日的控制出发，制定了一系列的控制策略，通过这些策略的实施来达到节能的目的，从而使节能工作在道路照明工程中得到彻底的贯彻和实施。
参考文献：
[1] 冯玉如.城市LED道路照明的二次节能技术及其集控管理系统[J].自动化应用与技术,2010,29(5):118-122.
[2] 杨韬.城市道路照明的节能设计[J].灯与照明,2006,30(4):19-22.
[3] 罗宇.城市道路照明节能措施探讨[J].北方交通,2009(3):127-129.
[4] 杨光.新型大功率LED路灯及替代效益分析[J].灯与照明,2007,31(4):1-2,16.
[5] 景春国,舒冬梅,顾德英.城市路灯监控系统中日出日落时间算法的实现[J].现代计算机:专业版,2003(5).
[6] 中华人民共和国行业标准.城市道路照明设计标准(CJJ45--2006)[S].北京:中国建筑工业出版社,2006.
[7] 刘晓胜,胡永军,张胜友.城市道路照明中的场景控制策略及其实现[J].电气应用,2005,24(11):1-6.
[8] 中华人民共和国行业标准.城市道路设计规范(CJJ37--1990)[S].北京:中国建筑工业出版社,1991.
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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