面向市政管理的城市智能路灯管理平台构建及界面设计

蒲思懿，干 静，张 未，李颖异，文心雨

(四川大学机械工程学院，四川 成都 610065)

引言

城市照明作为城市生活的一部分，受到了人们的广泛关注。然而，目前国内大多数城市对路灯的控制仍采用传统时控、光控的方式，灵活性较差，并且照明系统的信息化程度不够，使得市政部门在管理和维护方面面临着巨大的挑战[1]。另外，在面对白天的雾霾、暴雨等特殊天气时，路灯无法进行补充照明。本文通过道路环境评估，制定了路灯的照明管理方案，使照明系统能够根据实时环境实现一定程度的自适应调节[2]。该方案将路灯照明及环境相关信息在智能路灯管理平台上进行可视化呈现，以提高市政人员的管理效率，提高道路照明的保障水平[3]。

1 智能路灯控制系统

本文的智能路灯控制系统总体架构由下层至上层依次为设施层、感知层、控制层、传输层、数据层和应用层[4]，如图1所示。

设施层指全部路灯，是实现城市路灯照明的基础；感知层包含电流电压检测模块、光照强度检测模块、气象环境监测模块和交通系统摄像头模块，用于采集路灯电流电压、光照强度、气象环境、视频监控等数据，是智能路灯控制系统实现智能化控制的依据；控制层的集中控制器一方面对感知层采集到的数据进行简单处理，并将信息传输到监控中心，另一方面接收监控中心传来的照明控制命令，实现路灯的开关和亮度的控制；传输层由GPRS和ZigBee无线通信技术构成[5]，形成整个通信系统；数据层主要是收集控制层的集中控制器传来的路灯工作状态信息、光照强度数据和气象环境信息，并存储到数据库服务器里，数据库服务器经过云计算技术将收集到的信息进行更具体的分析，并将分析结果传输到应用层；应用层将接收到的数据和信息通过GIS地理信息技术进行处理[6]，以地图和图表的形式呈现在监控中心的管理平台。

图1 智能路灯控制系统总体架构Fig.1 Overall architecture of intelligent street lamp control system

图2 智能路灯控制系统的通信架构Fig.2 Communication architecture of intelligent street lamp control system

2 智能路灯控制系统的控制策略

2.1 城市照明系统的现有问题分析

2.1.1 管理系统信息化程度不够

市政管理人员缺乏实时而完整的路灯信息，无法进行及时操作。目前大部分路灯缺乏相应的传感器来进行数据收集与反馈，也缺乏环境气象和交通流量等基础监测数据[7]，导致路灯无法实现自适应照明。另外，路灯的监控和维护也主要依赖人工，工作量大、维护成本高，故障的发现和处理不及时[8]。因此需要增加软硬件，以提升路灯系统的工作效率，减轻市政管理人员的工作强度。

2.1.2 路灯的控制方式落后

现有路灯控制策略大多数是根据单一变量对路灯进行统一开关，对复杂环境变化的应对能力不足[9]。大雾和降雨等特殊天气会导致白天照明不足，需开启路灯，保障人们的交通出行安全；季节更替会使得夏季昼长夜短、冬季反之，直接影响到路灯傍晚开启和清晨关闭的时间；晚上不同时段交通流量情况不同，路灯照明应该适时调整。因此，天气变化、季节更替和交通流量三大因素作为智能路灯控制策略中路灯开关和调光的自变量，实现城市路灯人性化、节能化和自适应照明。

2.2 智能路灯控制系统的功能需求分析

根据对智能路灯控制系统和城市路灯现有问题的研究，提取出市政人员对城市照明系统监测、控制和管理的功能需求，从而更好地实现城市照明的远程化、可视化管理。

2.2.1 监测功能

监测功能包括路灯的实时状态监测、路灯故障检测和环境状况监测。路灯实时监测路灯开关状态和用电参数，可通过单灯控制器来实现；路灯故障监测确定异常状态路灯的故障类型和位置；环境状况监测包含区域内光照强度、天气状况和交通流量情况。

第三步：运用数形结合的思想方法．首先“以形助数”,分别画出两个函数的图象,如图3.然后“以数解形”,函数y=ax的图象是过原点、斜率为a的直线系,在这组相交直线系中,出现了两个“特殊”的位置,一是与直线平行,此时一是与函数y=lnx相切,此时

2.2.2 控制功能

系统对路灯的控制分为自动和人工两种模式。自动控制模式是系统综合光照强度、天气状况和交通流量多变量因素来实现路灯照明的自适应调节。如果对照明区域有特殊的照明需求，管理者可选择人工控制，可以对路灯进行单灯级别的控制，从而实现从街道到单灯多层次的精确控制。

2.2.3 管理功能

管理功能指通过路灯实时状态和环境信息的可视化，便于管理者对城市区域照明情况进行监控和调整。在路灯的维护方面，监控中心可通过评估路灯故障情况制定维修方案。

2.3 智能路灯控制系统的总体控制策略

本文智能路灯控制系统总体控制策略首先解决照明足够亮化与节能的冲突，保证基本照明亮度情况下，根据交通流量调整路灯照明亮度；其次，通过气象监测获得实时数据，在极端天气光线不足时，补充道路照明以确保道路和行人安全；第三，人工控制模式能够保障如节假日的特殊需求。

智能路灯控制系统将路灯控制模式分为自动模式和人工模式。在自动模式中，以时间为主变量，采用经纬度控制策略将照明控制分为白天和夜晚两个阶段。处于白天路灯控制策略时，以气象监测和环境光照强度为变量，对异常天气进行不同等级的补充照明，如图3(a)所示；处于夜晚路灯调光策略时，以环境光照强度和交通流量信息为变量，调整路灯的照明等级，如图3(b)所示。人工模式作为在自动控制无法满足实际照明需求时的辅助控制。根据《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)[10]中机动车道路面照度标准，将路灯照明等级分为Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级，通过改变光源亮度来实现。其中，Ⅰ级照明提高路面平均照度至10 lx，Ⅱ级照明提高路面平均照度至20 lx，Ⅲ级照明提高路面平均照度至30 lx。

图3 自动模式下白天和夜晚的路灯控制流程图Fig.3 Flow chart of street lamp control during day and night in automatic mode

在采集环境光照强度数据时，由于实际路面平均照度需要依据国家标准中的照明测量方法在实际道路布点，仅凭路灯上设置的光照强度传感器无法获得准确数据。因此，为保证环境光照强度数据准确性，应在使用该系统之前，分别采用国家标准中的照明测量方法和路灯环境光照传感器测量出同一情况下的道路环境光照强度数据，并将二者数据对比得出差值，以预补偿的形式将差值设定到系统中，从而提高环境光照强度采集的可靠性。

(1)白天出现异常天气时的路灯控制策略。在白天，当智能路灯的气象环境监测模块监测到气象数据异常，即道路出现雾霾、降雨等异常天气情况时，结合光照强度情况，分析此时的照明情况是否影响人们的正常视觉。若此时自然环境光照强度低于30 lx，该区域的路灯将进行补充照明。当此时的自然光照强度E在20～30 lx时，该区域路灯将开启Ⅰ级照明；当此时的自然光照强度E在10～20 lx时，该区域路灯将开启Ⅱ级照明；当此时的自然光照强度E低于10 lx时，该区域路灯将开启Ⅲ级照明。当监测到天气状况恢复正常且光照强度高于30 lx时，路灯关闭，结束白天的补充照明。白天正常状态时，路灯关闭。

(2)夜晚随交通流量变化的路灯调光策略。路灯开关灯时间应综合当地的地理位置和季节变化情况来确定，采用经纬度和光照控制策略相结合的方式。管理人员根据当地实际情况将交通流量分为低、中、高三种情况，在智能路灯管理平台中设置低与中、中与高的交通流量临界值分别为P1、P2。在交通晚高峰阶段，当监测到自然光照强度低于 30 lx 时，路灯开启，且此时道路交通流量较大，采用Ⅲ级照明；从傍晚到凌晨，道路交通流量逐渐减小，当道路交通流量降低至P1与P2之间时，照明程度调整为Ⅱ级；当道路交通流量降低至P1以下时，照明程度调整为Ⅰ级。从凌晨到清晨，道路交通流量逐渐增大，与晚上过程逆向进行。

3 智能路灯管理平台的界面设计及案例

3.1 智能路灯管理平台的界面设计

基于上述智能路灯控制系统功能需求分析和控制策略，将智能路灯管理平台分为信息显示、环境监测、控制模式、故障分析、视频监控、路灯数据六个主界面，信息架构如图4所示。平台的界面设计以功能和需求为导向，将路灯与环境实时信息和多种数据分析进行可视化呈现，具备良好的层级结构，保证操作逻辑和视觉设计符合管控人员的认知，界面整体达到直观、准确、简洁的视觉效果，使市政人员在监控中心能够实现对城市市区智能路灯远程监测、控制和管理。

图4 智能路灯管理平台的信息架构Fig.4 Information architecture of intelligent street lamp management platform

(1)信息显示界面。信息显示界面是其他五个界面关键信息的汇总和集成，包括路灯工作情况、环境监测情况和故障报警情况三类信息，具有实时性和综合性[11]，如图5所示。各类信息根据其重要性、关联性和内容量进行布局。路灯实时工作状态分布图基于GIS地理信息系统，采用二维平面可视化地图的形式，以圆环符号表示每条道路路灯总体照明等级，优化信息传达的方式[12]。点击圆环，以弹框形式显示某一条道路路灯照明具体情况，多层级的设计以适应不同的管理需求。电能能耗统计、交通流量监测情况和路灯工作情况采用柱状图的多种表达方式对该区域能耗、交通流量和工作情况的统计。当前控制模式以饼状图展示处于自动或人工模式道路数量占比，直观反映目前控制情况。天气状况监测模块显示该区域环境温度、光照强度、空气质量和降雨实时数据，作为管理人员总体决策的参考依据。故障报警情况以表格的形式列出路灯位置、编号、故障类型和时间，清晰地为工作人员呈现故障情况[13]。

(2)环境监测界面。环境监测界面左侧地图呈现该区域的实时环境情况，根据实际天气景象进行图形符号设计，用形象的符号表达天气状况及程度。其中，光照用不同透明度渐变光圈表示强度；交通流量与常见地图App一样，用不同色相区分路段的拥堵程度；雾霾情况采用动态图示进行预警；降雨量用明度表现，颜色与天气状况一致。通过左下方图标可对四种环境情况进行切换和查看，右侧反映24 h内信息的统计情况，如图6所示。

图5 信息显示界面Fig.5 Information display interface

图6 环境监测界面Fig.6 Environmental monitoring interface

(3)控制模式界面。路灯控制模式包含自动控制和人工控制，采用地理信息图形式呈现各个路段路灯当前控制模式，以蓝色和黄色分别表示自动和人工控制模式。点击地图或者搜索相应道路，将呈现该道路路灯工作情况具体信息。自动模式下的工作曲线图上方标注降雨、交通流量等图案，需要时可及时进行人工调整。

(4)故障分析界面。故障分析界面是对故障实时报警情况的反映和故障情况的分析统计。路灯故障报警情况采用地图式位置显示和表格式详细情况描述，图和表中的序号一致，并用红色和黄色区分其紧急程度，管理人员根据故障分布和紧急程度指定维修路线及计划，避免传统巡检造成时间和人力资源的浪费。故障统计与分析包含一年内故障种类和位置的饼状图统计和每月故障的柱状图统计，是对路灯硬件设施质量和寿命的评估，为后期路灯硬件设施维护提供优化方向。

(5)视频监控界面。智能路灯控制系统与交通部门结合，融合智能监控技术，管理人员通过视频监控自动识别运动目标、交通路况和客流量。为保证监控画面的完整性，界面以一个大画面和四个小画面呈现路况和照明的实时视频，市政人员可以点选查看不同位置的视频监控画面。

(6)路灯数据界面。准确记录路灯信息是实现数据分析的基础。路灯数据界面采用列表形式罗列出设备名称、设备编号、路灯所在道路类型和设备位置等基本信息，以及路灯工作状态、照明等级、功率和采集时间等实时信息。

智能管理平台界面整体采用扁平化设计风格，增强界面的功能性和可用性。将图标抽象化和平面化，使图标的标志性更强，并运用非衬线字体突出关键信息，从而提高信息传达的准确性和快捷性[14]。

3.2 案例

乐山是四川省重要枢纽城市、国家历史文化名城，工作日与节假日交通流量差异大；气候四季分明，雨量丰沛，植被茂密，路灯照明易受自然环境影响。现以乐山市市中区嘉定中路为例，运用此智能路灯管理平台时路灯照明情况如下。

(1)自动模式下的路灯工作状态和实时监控状态。当嘉定中路路灯处于自动控制模式时，系统自动分析出异常天气情况时的照明是否满足人们的视野需求，从而对该区域采取补充照明。以白天出现阴雨天气为例，智能路灯的照明状态将根据该区域实际光照强度进行自动调整，图7呈现了实际路面照明情况和智能路灯管理平台的环境监测界面，通过系统自适应调光，路灯自动开启相应照明等级，保证路面照明情况达到照明标准。

图7 白天异常天气情况下路灯照明状态的自动调整Fig.7 Automatic adjustment of street lamp lighting state under abnormalweather in daytime

(2)人工模式界面及单灯控制界面。当处于节假日或设置的旅游旺季期间，为了给游客展示节日的特殊灯效，烘托节日氛围，此时工作人员可在监控中心的智能路灯管理平台上将嘉定中路控制模式设置为人工模式，如图8(a)所示。图8(b)示意在单灯控制界面内显示和调控每一盏路灯。

图8 智能路灯管理平台-嘉定中路在人工模式的控制Fig.8 Intelligent street lampmanagement platform-Jiading middle road control in manual mode

4 结论

本文基于智能路灯控制系统搭建了智能路灯管理平台，介绍了系统的功能需求和控制策略，对平台界面的功能板块进行了详细阐述。智能路灯管理平台具有远程化、可视化的优点，能够解决在恶劣天气情况下照明不足、路灯维护不及时等问题，保证城市照明环境舒适度。智能路灯管理平台的界面设计通过合理的功能分区和信息可视化，优化了智能路灯控制系统的操作方式，提高了市政人员管理效率，为城市照明管理提供了一种可行方案。