城市道路照明智能化研究

朱應昶，肖 輝

(同濟大學控制科學與工程系，上海 201804)

城市道路照明智能化研究

朱應昶，肖 輝

(同濟大學控制科學與工程系，上海 201804)

針對智慧路燈系統應用中存在的問題，以LED信息發布屏功能模塊為研究對象，本文構建以信息效用為目標的規劃模型，提出其路徑規劃和布局優化的方法，促進智慧路燈的推廣應用，加快道路照明的智能化發展進程。

智慧路燈；LED信息發布屏；布局規劃

引言

隨著 LED技術的迅猛發展，LED路燈技術日漸成熟，并被大量應用于道路照明中。同時，在智慧城市的建設中，作為最密集的城市基礎設施，路燈是最佳的物聯網終端載體[1]，能在實現智能照明的同時，實現其他多種功能，推動智慧城市的建設[2]。目前，具有無線Wi-Fi覆蓋、充電樁、數據監控、環保監測、燈桿屏、地下管網監控、城市洪澇災害預警、區域噪聲監測、市民應急報警等“LED智慧路燈及系統”已開始試點推廣[3]。但在智慧路燈應用中，存在著建設成本高，運維管控困難等問題。本文提出采用分級分類的控制策略，以LED信息發布屏功能模塊為研究對象，構建以信息效用為目標的規劃模型，為智慧路燈大范圍大規模推廣應用，提供合理化建議。

1 智慧路燈應用存在的問題

眾所周知，在城市道路上設置照明燈具是為在夜間給行車和行人創造良好的視覺環境，有利于提高道路通行能力和保證交通安全，降低犯罪活動和美化城市夜晚環境的效果。目前，道路照明系統主要采用遠程集中控制方式，由控制中心、集中控制器和終端控制器組成。從通信方式來說，控制中心到集中控制器采用GPRS/CDMA無線通訊網絡實現遠程通訊；從集中控制器到終端控制器采用短程通訊方式如電力線載波(PLC)[4]、Zigbee等實現對單燈的控制[5]。從功能來說，主要具有遙測、遙信、遙控的“三遙”功能以及在“三遙”基礎上增加的遙視、遙調功能，即“五遙”功能。隨著NB-IoT技術[6]的成熟，由控制中心直接對單燈終端進行控制的“一跳式”道路照明控制系統應運而生，2017年6月NB-IoT路燈商用項目在江西鷹潭正式投入運營。同時，作為智慧城市信息采集、信息發布、信息傳輸的終端載體“LED智慧路燈”被多家公司研發成功并開始試用。LED智慧路燈系統主要分為硬件(多功能桿)、軟件(監控平臺)兩部分，其硬件層的LED燈具、攝像頭、傳感器、燈桿屏、充電樁等設備，一般都是標準化產品，技術難度不大，預留接口即可。但是，由于LED智慧路燈與傳統路燈相比，功能強，造價高。尤其是在現有城市道路照明的改建中，也無需對所有路燈要求實現智能化改造。因此，如何實現LED智慧路燈的布局優化將尤為重要。

2 LED信息發布屏功能模塊布局規劃

由于智慧路燈需要搭載的功能模塊有多個，與之對應的建設目標也不盡相同，基本的研究思路是對每種功能模塊，分別研究其建設目標與收益，從中選擇較優的布局規劃方案。

就智慧路燈的LED信息發布屏功能模塊而言，建設目標是其發布信息所產生的效益，即信息效用。在實際考慮信息效用時，需要對各種非耦合或耦合性不強的信息進行分類，然后分別考慮其對應的信息效用，并對信息效用進行量化。

下面將以發布交通信息(包括擁堵，道路封閉等交通事件及發生事件的路段等)的LED信息發布屏為例，討論其布局規劃需要考慮到的因素并以信息效用為目標建立模型來分析如何合理布局。

2.1布局規劃影響因素

一般來說，考慮交通量大且服務水平較高的環路、快速路聯絡線、主干路以及部分次干路作為該功能智慧路燈的安裝備選路段，主要需要考慮以下幾個布局規劃影響因素[7]：

1)路段交通事件發生率。路段交通事件發生率是影響該功能智慧路燈布局的重要因素之一。越頻繁出現交通事件(道路擁堵或封閉等)的路段則越應該在其前方某路段安裝該功能智慧路燈來實時顯示該路段的交通情況，以便在該路段發生交通事件時駕駛者能提前獲得相關信息選擇其他路線。

2)路段交通流量。路段交通流量需要考慮兩個方面，一個是該功能智慧路燈安裝路段的交通流量，另一個是智慧路燈其屏上所顯示路段的交通流量。安裝路段交通流量越大，就意味著有更多的駕駛者看到屏上的信息。顯示路段交通流量越大，也就意味著同樣情況下將有更多的駕駛者將前往該顯示路段，即該顯示路段的交通情況對于更多的駕駛者來說是有效的。

3)安裝路段距顯示路段的距離。當安裝路段距顯示路段較遠時，由于駕駛者到達顯示路段需要較長時間，而這段時間內交通情況可能發生改變，信息的有效性受到衰減[8]，駕駛者不易信服發布的信息；當安裝路段距顯示路段太近時，駕駛者雖然從心理上愿意接受該交通信息，但是客觀上已經失去選擇替代路徑的能力。一般說來，城市路網中安裝路段距顯示路段一兩個路段，即可保證客觀上存在替代路徑。

4)反應決策時間。由于駕駛者從看到發布的信息到做出新的決策需要一定的時間，因此，該功能智慧路燈安裝位置不宜離路口過近，以防止駕駛者來不及反應。

5)信息獲取率[9]。由于駕駛者視線停留在屏上的時間有限，因此，一般說來，屏上信息越多，駕駛者的信息獲取率就越低。所以，智慧路燈其屏上顯示路段并不是越多越好。

6)信息冗余度。如果該功能智慧路燈相距較近，顯示路段大體相同，路段信息變化不大，則會存在大量信息冗余。為避免過多的信息冗余，需要考慮信息冗余度，以防止該功能智慧路燈布局過于密集，而實際效用并不大。

綜上所述，定性分析的話，該功能智慧路燈應當安裝在交通流量較大的路段，安裝位置靠近下一個路口不宜過近；顯示的路段離安裝路段較近且是交通事件易發路段，顯示路段信息不宜過多；智慧路燈分布不宜過于密集。

2.2模型建立與模型求解

根據上述影響因素對布局規劃的影響程度，以信息效用為目標建立的目標函數如下：

式(1)中E表示路網區域智慧路燈的信息總效用；Q表示路網中所有路段組成的集合；zk表示一個0～1變量，當路段k上裝有該功能智慧路燈時，zk為1，反之為0；Ek表示路段k處智慧路燈的信息效用；ρk表示路段k處智慧路燈的信息冗余度。其中Ek由車流量、信息量、信息衰減系數、信息有效比例、信息獲取率等部分組成：

上述模型中規劃變量僅有兩種：①zk：該功能智慧路燈的安裝位置；②Sk：智慧路燈信息發布屏的顯示內容(控制策略)。由于智慧路燈屏上顯示路段情況是0～1規劃(顯示或不顯示)，因此采用遺傳算法[11]首先求解各處屏的最優顯示路段集合Sk；再由于zk也是0～1變量(安裝或不安裝)，同樣采用遺傳算法求解路網中該功能智慧路燈的安裝路段，再根據反應決策時間等指標即可確定智慧路燈在路段中的具體安裝位置。

2.3案例仿真

以某城市主城區為例，假定計劃在選定路網區域安裝7個配備有信息發布屏的智慧路燈。根據一般情況下主干路、次干路、支路每車道車流量范圍設定各路段車流量，采用VISSIM軟件對路網進行仿真如圖1所示。

圖1 VISSIM路網仿真圖Fig.1 Road network simulation by VISSIM

通過合理選取路段，將圖1路網抽象成如圖2所示。

圖2 路網節點—路段抽象圖Fig.2 Abstract diagram of road network

對圖2中所有節點(岔路口及流入流出口)進行編號，共計35個節點。再按起始節點、終止節點編號升序排列對路段進行編號，共計87個路段，這87個路段即智慧路燈選址規劃的研究范圍。

通過以上模型確定出7個該功能智慧路燈安裝路段如圖2中“□”標記所示。將得到的布局規劃結果采用VISSIM進行仿真，對比安裝前后車輛平均行程時間來衡量交通改善情況。

表1 安裝前后平均行程時間對比

通過表1可以看出，按照圖2中“□”標記所示安裝該功能智慧路燈后，主要路徑總平均行程時間(各路徑平均行程時間以流量為權值求加權和)減少了約4.6%，所有路徑總平均行程時間減少了約2%，交通情況有所改善。因此，該案例智慧路燈選址基本合理，規劃模型合理。

3 智慧路燈的應用發展

綜上所述，智慧路燈的大規模使用，應采用分級分類的策略，考慮其布局規劃的合理性。在考慮布局規劃時，可以對每種互不耦合的功能模塊，分別研究其建設目標與收益，從中選擇較優的布局規劃方案，再整合成一個統一的布局規劃方案。其中，對LED信息發布屏功能模塊進行布局規劃時，應考慮路段交通事件發生率、路段交通流量、安裝路段距顯示路段的距離、反應決策時間、信息獲取率和信息冗余度等影響因素，以信息效用作為其建設目標是一種合理的方法。人工智能技術的發展、工業4.0的推廣，將進一步促進智慧路燈的發展，提升城市道路照明的智能化水平。

[1] 王少偉.智能建筑與物聯網結合的研究[D].西安：長安大學，2012.

[2] 汪清.淺析智慧照明在智慧城市建設中的引領作用//2016年中國照明論壇——半導體照明創新應用暨智慧照明發展論壇文集. 北京：中國照明學會，2016.

[3] 金燕云，虞小林，鄒志革.基于路燈的智慧城市信息化建設[J]. ELECTRIC POWER IT，2012，10(2):6-9.

[4] 劉伊莎，黃勝明，毛周明.電力線載波的LED路燈監控系統設計[J].電測與儀表，2015，55(22):113-118.

[5] 吳光榮，章劍雄.基于ZigBee技術的無線智能照明系統[J].現代電子技術，2016，30(14):67-69.

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[7] 李小強.可變信息標志VMS選址問題研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[8] 袁舒平.考慮誘導信息影響的可變信息標志優化選址研究[D].北京：北京交通大學，2010.

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StudyonIntelligentRoadLightingintheCity

ZHU Yingchang, XIAO Hui
(DepartmentofControlScienceandEngineering,TongjiUniversity,Shanghai201804,China)

According to the existing problem of the smart road lamp system applcation, using LED information screen function module as the study object, we build the plan model aiming to information applcation, present its road plan and the optimization method of location, in order to promote the applcation of smart road lamp and the intellegent development of road lighitng.

smart road lamp; LED information screen; location plan

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2017.05.004