论现代城市路灯照明节能技术的应用研究

【摘要】节能减排是当今社会科学发展的必然选择，为进一步改善路灯照明系统的节能效果，本文阐述了城市景观照明节能技术的主要内容，并主要针对这一系统中重要的节能环节：灯具和器具、控制系统的相关节能技术展开探讨，为更好的实现城市路灯照明节能，控制系统的信息化、智能化的目标，提供了有价值的参考。

【关键词】城市景观照明；路灯照明；节能；灯具节能；多智能体控制系统

中图分类号：TE08文献标识码： A

城市景观照明是城市公共设施建设中不可或缺的重要组成部分，对于完善城市基本功能、改善城市环境等具有重要作用，但在城市景观照明的设计和建设过程中也出现了追求高亮度、高密度、超豪华等问题，这样不仅浪费了大量能源，增加了城市基本照明工程的材料消耗以及日常维护的开支，同时也造成了一定的光污染。为此，笔者对城市景观照明节能技术进行了探讨，以便为科学合理地利用城市景观照明提供参考。

一、城市景观照明节能技术的主要内容

制定城市景观照明专项规划在城市景观照明的设计中，要严格执行国家建设部颁布布的各项标准，坚持经济性与实用性相结合，以节约用电、保护环境为基本原则；坚持城市景观照明建设与当地经济水平相适应的基本原则；坚持科学设计、严格审查、重点工程设计论证的基本原则。近几年来，国家建设部、发改委明确提出各城市要做好城市景观照明专项规划。具体而言，就是根据城市总体规划及城市地貌、特点，确定不同区域、不同道路、不同建筑等功能照明、景观照明等级，并严格控制城市景观照明的重点区域、分布范围、照度标准和能耗密度等。

二、路灯节能技术发展主要特点及主要方式

路灯是城市照明工程的主要组成部分，在夜晚，路灯的照明起到非常重要的作用。但是路灯在起着重要作用的同时，也在消耗着大量的能源。路灯节能的基本思路是在维持适当的照度时，尽量降低能耗。目前在国内外，关于路灯节能技术的研究很多，如传统的可控硅斩波、智能降压-调压、分布式控制系统、分档调光、分时调光灯等。

1照明节能技术的发展具有以下特点:

在传统路灯器件上增加电路元件，提高功率器件性能要求，如在镇流装置上，通过对镇流器技术改进来提高照明设备的功率因数；增加路灯智能化控制设备，使路灯根据环境光照、时间、节气等，能够自动调节亮度。积极发展新能源，采用新型光源器件，提高发光效率，或是直接采用新能源供电的路灯如太阳能路灯，摆脱电网供电。

2 路灯主要的节能方式

节能的核心就是在保持合理照度的前提下在电压过高时降压供电，一般在后半夜由于路上行人车辆较少同时灯具如高压钠灯灯可以在低电压下运行，可以把过高的电网电压降到190V 进行供电,极大地节约了电能。目前国内照明节能主要的途径有三种：改进电路，在现有照明系统上增加器件提高发光效率；加装节能控制设备，合理调节照度；采用新型光源器件如节能型路灯、太阳能 LED 路灯等。

三、灯具和器具节能技术研究

1 照明灯具的选用

在城市景观照明的设计中并不是单纯以取消或减少光源来达到节能的目的，而是以尽可能少的能源来营造人们视觉所需的光环境。由于高压钠灯的光照效果最高，荧光灯和金属卤化物灯的光照效果次之，高压汞灯的光照效果较差，白炽灯的光照效果最差。因此，应尽可能减少白炽灯的使用，优先选用荧光灯，积极推广高效、长寿命的高压钠灯和金属卤化物灯以及ＬＥＤ光源。

在光源的技术开发上，日本科学家以提高光源的照度值及使用寿命为目标研发了新一代荧光灯，其特点是具有光效高 （是普通白炽灯照度的４倍）、寿命长 （理论使用寿命可达６×１０４ｈ）、显色性能好（可近似显现物品在日照下所呈现的色彩）等特点。美国科学家则以低耗能为主要研究方向，研制了一种新型的电子光源，其具有耗电量少 （只有普通白炽灯的２５％左右）、使用寿命长 （１０年以上）等特点。该电子光源的奥秘在于光源内装有一只微型射频发生装置，发生器装置可以把电能传输给光源内的水银蒸汽团，然后再激发光源内壁的荧光涂层，使其发光。２０世纪９０年代，我国科学家使用稀土元素激活碱土铝酸盐或硅酸盐，自主开发出 “蓄光型自发光材料”，该材料白天吸收自然光并可以蓄存十多个小时之久，晚上即可自动发出储存光。因此，在城市景观照明项目设计中，应大力推广采用节电新光源、新技术、新设备，优先选择通过认证的高效照明产品，由此达到节能环保的目的。

高频无极灯路灯灯具 ―― 无极灯由高频发生器、耦合器和灯泡三部分组成，其工作原理是：将高频电磁场能量以感应方式耦合到灯泡内，使灯泡内的气体被击穿形成等离子体，等离子体受激原子返回基态时，辐射出254nm的紫外线，灯泡内荧光粉受到紫外线激发而发出可见光。

寿命长达6万小时以上，是白炽灯的60倍，节能灯的12倍，高压钠灯的4倍。电压在

185V-255V可正常工作。发光效率高，可达60Lm/W以上。比白炽灯节能70%以上，比高压汞灯、高压钠灯、金卤灯节能50%以上，具有极低的运行成本和维护成本。目前在许多城市新建的道路照明上开始采用。投资回报率高，使用年限长，经济效益明显。

大功率LED光源路灯灯具 ―― LED 作为路灯发光效率高，灯具反射损失低，目前白光 LED 的发光效率约为 80lm/W，较传统高压钠灯可以节电 50%～60%；不需高压，安全性高;安装维护简便；模块安装、无多余配线；不会造成光污染或浪费;长寿命，意味着不需要经常进行更换，维修费用低。在铺设成本、耗电成本及寿命方面均大大优于高压钠灯。不足的是照明角度偏小、不均匀，颜色显色指数偏低，光学、散热设计复杂。当前技术下的光通量还不够，光效太低，品质难以保证。另外，LED 路灯的价格过高，目前根据不同功率和安装高度，其价位在3000 元～5000 元/只，大面积推广应用有困难。

2 镇流器装置的使用

气体放电光源中的镇流器对城市景观照明的节能影响很大，如荧光灯的电感镇流器本身的功耗为灯体功率的２０％～２５％。事实证明，镇流器性能的好坏直接影响到光源的发光效率和使用寿命。对于一支４０Ｗ荧光灯，使用电子式镇流器的耗电量是使用电感式镇流器的耗电量的八分之一。因此，在气体放电光源中应尽可能使用电子式镇流器。

四、城市照明控制系统节能技术研究

1 新技术发展

在城市景观照明系统中采用先进的控制技术，如遥控技术、报警技术、遥测技术、遥调技术、ＧＰＳ卫星校时技术、ＧＰＳ地理管理技术、远程Ｗｅｂ查询技术、远程抄表技术等，同时对其进行科学有效地管理。例如，通过卫星测定城市上空的云层厚度和空气指数以及城市道路与景观中人流与车流指数来设定并控制光源的照度值，从而达到节约能源的目的。

2 多智能体照明节能控制系统

多智能体分布式智能路灯节能控制系统可实现对每一盏路灯照度的自动控制，通过以路灯节点控制器为基础，区域路灯控制终端以及监控中心共同构成的多智能体协调控制，将路灯的监控和节能结合起来， 实现对路灯的遥测、遥信、遥调、遥视功能；通过多智能体间的协同通信，依据路灯周边环境亮度的统计数据对路灯进行开/关灯控制及照度调节，有效优化城市道路照明，降低了不合理的电能损耗，达到了良好的节能效果。

2.1 总体设计方案

此路灯控制系统是建立在多智能体系统组织架构基础上的。 系统的组织结构可以是完全自治的平等式结构，也可是具有主从关系的层次式结构。 不同的组织结构行为方式不同，对应的系统性能也不相同。 在层次式结构中，系统成员只需保存下一级成员的相关信息，适合紧密协调的工作方式，而且在这种结构下，可减少智能体间的非必要通信，从而降低系统的复杂性。 依据道路照明的需求特点，本系统采用层次式结构，由路灯节点控制器、区域控制终端以及城市路灯监控中心三层结构组成，如图 1 所示。

图1 控制系统架构

基于多智能体技术的智能路灯节能控制系统以单个路灯节点控制器为基础，根据道路分布特点划分不同控制片区，每个片区设立区域路灯控制终端。 在同一片区域下，即同一区域路灯控制终端下，所有节点控制器都是平等关系，各路灯节点控制器的活动都是自治独立的，对路灯具有实时控制能力，可根据现场环境照度实现灵活、有效的单灯控制，保证每盏灯电压稳定，同时能跟同一片区域内的路灯节点彼此通信、协作，将自身的数据信息发送给区域

控制终端。 区域路灯控制终端作为一个区域路灯的控制和管理单元，通过无线、有线或电力线载波等多种方式与区域内每一节点控制器通信，负责整片区域的统筹控制，同时与其他区域路灯控制终端通过GPRS 网络互相通信，以协调区域间的道路照明。 监控中心作为整个路灯节能控制系统的控制和管理中心， 通过 GPRS 网络或有线通信方式与各地的区域路灯控制终端通信，监督和管理多智能体间的通讯调度，实时反映各区域路灯运作情况，按需进行手动远程控制，并提供异常检测及自动报警等功能。

2.2 各级智能体模块设计

2.2.1 路灯节点控制器

路灯节点控制器是智能路灯节能控制系统的基本单元。 传统路灯控制主要依靠经纬仪来对同一区域或多个区域的路灯开关时间进行统一调整，这种集中式的、功能单一的控制并不能满足不同路况和环境的照度需求。 应用多智能体技术的路灯节点控制器具备自主性和智能性，可实现实时单灯监控和环境信息采集。 与传统路灯控制器比较，本文提出的路灯节点控制器具有以下功能：

（1）感应当前环境亮度信息；

（2）与同级节点控制器、上级区域路灯控制终端之间进行通信；

（3）结合上级指令和节点自身状态调节路灯照度；

（4）自动稳压、调压，克服线路压降造成灯具供电电压不均的现象；

（5）单灯故障检测，坏灯自动报警，可主动为相邻失效设备提供照度补偿。

根据上述特点，本文设计路灯节点控制器模块结构如图 2 所示。

图2 路灯节点控制器模块结构

测量模块 包括环境亮度检测和电压电流测量两部分。 环境亮度检测部分主要由光感元件构

成，负责感应路灯周围的环境亮度信息，控制路灯照度的主要依据，并为群体决策提供相应的依据；电压电流测量部分负责实时监测路灯供电电源的电流电压数据，为稳压调压提供依据。控制模块 是路灯节点控制的核心，依据测量模块反馈的数据信息，结合上级区域控制终端指令形成控制决策，实现单灯照度控制、调压稳压、故障报警等功能。

通讯模块 负责与同级节点控制器、上级区域路灯控制终端之间进行通信，根据区域路灯分布特点选择无线、有线或电力线载波等通讯方式。规则库 为控制模块形成决策提供相应的控制规则。

电源模块 为整个路灯节点控制器供电。

2.2.2 区域路灯控制终端

区域路灯控制终端在系统中起到桥梁的作用，是连接路灯监控中心和各区域路灯节电控制器的必要设备。 控制终端主要由电量采集控制模块、通讯模块、电源模块和户外安装机箱组成，如图 3 所示。

图3 区域路灯控制终端

一般是在每个路灯变压器段配置一个区域路灯控制终端，负责监控和管理所属区域的路灯专用变压器及路灯节点控制器。 通过区域控制终端，可了解到其管理区域内的所有路灯运作状态和路灯节点控制器的工作状态。 相邻区域路灯控制终端之间还

可进行无线网络通讯，以协调区域间的路灯照明，有效避免道路照度不均匀的情况。 同时，区域路灯控制终端可实时将其区域路灯运作状况传至路灯监控中心，也可跟手提电脑、智能手机等移动终端通过无线网络联网，方便工作人员进行设备维护维修。

2.2.3 路灯监控中心

路灯监控中心处于整个控制系统网络的最上层， 配备有监控计算机、GPS 时钟、 网络交换机、GPRS 收发器、打印机等设备。 系统功能框架如图 4所示，包括路灯监控子系统、配电箱监控子系统、过电流保护子系统以及系统设置子系统等。 为保证系统安全可靠的运行，监控计算机采用双机冗余方式的结构配置；GPS 时钟可接收到标准的天文时钟，

图4 路灯监控中心功能框图

使监控中心的时钟与标准钟保持一致；监控中心主要通过网络型 GPRS 收发器及移动网络接口与各区域路灯控制终端进行通讯。 监控中心软件配置主要包括数据库管理系统和路灯监控管理应用软件包。路灯监控管理采用当前热门的地理信息系统 GIS（geographic information system）技术，具有良好的可视化效果和友好的人机交互界面设计。

2.3 节能工作原理

此系统的节能工作原理主要是通过系统的实时通信网络，协调各级智能体以路面的实际照度管理为目标， 控制流过路灯的电流或路灯两端的电压，调节灯泡的输出功率，实现灯光照度的按需供给，以减少不必要的电能浪费。 本系统的节能技术主要包括：

统计式环境亮度控制技术 通过路灯节点控制器的环境亮度检测信息，统计得出当前路面实际照度，依据实际照明需要调节路灯照度，在交通和人流高峰期，路灯保持高照度；在夜深人静、车流量较小时段适当降低路灯照度，以减少电能损耗。

自动稳压技术 一般来说，路灯配电系统属于长线配电，电缆末端会出现电压偏低现象；而在深夜，电网电压普遍升高，电压一般可达 245 V～250 V，如此高的路灯电压将增加路灯电能损耗。 此系统具有自动稳压功能，通过单灯节电控制器、区域路灯控制终端对单灯电压及区域电压进行有效地控制调节，单灯节点控制器可对远端及近端的路灯进行电压调节，防止线路末端低压现象；区域路灯控制终端对区域路灯供电进行稳压调节，有效降低电压波动带来的电能损耗。

五、结语

随着全国城市化的进一步发展，灯光环境建设领域将不断扩大，光源节能技术的应用也将不断发展。不同节能技术各自具有明显的优缺点，我们要在不断的发展中寻找更理想的技术，不断研发节能新技术、新手段，使有限的电能发挥最大的效益,实现经济发展、社会进步和环境保护之间和协调发展，才能促进我国经济和社会的可持续健康发展。

参考文献:

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