CN108353485B - 为了成本减小而优化的照明系统 - Google Patents

Abstract

公开了用于在联网照明控制系统中使用的方法和相应的系统，由此，通信成本（例如与LTE技术相关的成本）、可变电率和流量模型被分析以最大化成本节省。在一个例子中，系统由接收蜂窝使用率、电使用率和所产生的流量模型或统计数据组成以管理传输和使用率到灯柱的广播。与灯柱相关的装置可接着使用这个信息来确定将照明命令发送到附近灯柱的频率。

Description

为了成本减小而优化的照明系统

技术领域

本申请涉及灯管理系统的领域，且更特别地涉及通过分析所使用的通信技术及其相关使用成本、可变电率和流量建模来优化成本节省的方法和系统。在一个实施例中，系统包括接收蜂窝使用率、电使用率和所产生的流量模型或统计数据以管理传输并将这个信息广播到灯柱。在另一实施例中，公开了使用这个信息来确定向附近灯柱发送照明命令以打开它们各自的灯的灯柱装置。

背景技术

如在标题为“Methods and Apparatus for Information Management andControl of Outdoor Lighting Networks”的共同未决的申请WO2014/147524A1中所述的，在LED和其它照明技术中的最近的进步使在很多应用中的各种照明效果成为可能。一个这样的应用是按需照明，通过按需照明，街灯只在被保证时发亮（变亮），从而节省能量成本。在一般按需照明应用中，因为活动由街灯装置检测，附近灯柱发送打开它们各自的灯的消息，并且预期由于对象的运动或更一般地对在增加的附近可见性的需要，对象需要有在附近区域中的额外的灯。

作为例子，图1图示出汽车从灯柱A附近朝着灯柱B移动的情形。灯柱B响应于从灯柱A发送的电子消息而打开它的灯。在这样的系统中，从一个灯柱发送到另一灯柱的打开灯的命令被解释为在接收灯柱处打开灯一段固定的持续时间。例如，它可被解释为打开灯30秒。

一般在过去，用于传送照明命令消息的通信在未授权频带和WALN及WPAN技术例如Wi-Fi和ZigBee中完成。最近，也使用蜂窝无线技术（诸如LTE及其即将来临的版本，诸如LTE-A）来执行在灯之间的无线通信。

发送这样的命令的这个策略具有几个缺点。首先，需要为在发射站中检测到的每个活动发送命令。存在与传输这样的命令相关的成本。通常，与WLAN/WPAN技术比较，使用LTE技术发送命令较昂贵，因此，如果到LTE技术的切换出现，则可能潜在地花费更多。本发明设想又一些另外的通信技术（具有它们各自的成本）能够在这样的系统中被使用。虽然本描述在下面讨论LTE技术，本发明并不被这样限制，因为本发明的原理可适用于任何通信技术，其中在设法优化系统时需要考虑传输的成本。

使用按需照明的益处是它在没有活动时节省能量成本。然而在中到高活动频率的情况下，消息可被发送且存在与使用LTE技术来发送消息相关的成本。因此，如果存在大量消息，则由于关掉灯，消息传输成本可能潜在地比节省更重要。

因此，给定消息传输成本、通过关掉灯而实现的节省和网络流量特性（诸如高流量、中等流量或低流量）的某个度量，在本领域中存在优化成本节省的需要。流量模式可以更特别地由在给定时间内的活动的实例的数量、间隙间分布等表征。

发明内容

本发明公开了优化在按需照明系统中得到的成本节省的系统、方法和设备。也就是说，给定消息传输成本和网络流量特性的某个度量，本发明通过在数学上估计这些参数来设法最大化通过使灯变暗而实现的节省。

在下面的详细描述中，为了解释而不是限制的目的，阐述了公开特定细节的代表性实施例，以便提供对所主张的发明的彻底理解。然而，受益于本公开的对本领域中普通技术人员将显而易见，从本文公开的特定细节偏离的根据当前教导的其它实施例依然在所附权利要求的范围内。而且，可省略公知的装置和方法的描述，以便不使代表性实施例的描述模糊。这样的方法和装置清楚地在所主张的发明的范围内。

附图说明

从结合附图理解的下面的详细描述中，本发明的上述和其它示例性特征、方面和优点将更明显，其中：

图1图示出从灯柱A下移动到灯柱B的汽车以及作为来自灯柱A的接收到的消息的结果而被激活的灯柱B上的灯的示意图。

图2图示出由本发明在导出开启时间时使用的示例性方法的概述。

图3图示出根据本发明的实施例的照明管理系统的例子。

图4图示出描绘最新的蜂窝使用和能量率的传输是否被保证的照明管理服务器决定的流程图。

图5图示出描绘本发明的实施例的流程图，其中灯柱确定开启照明的命令到附近灯柱的传输是否完成。

图6描绘在两个连续的汽车之间的到达间时间的示例性到达间概率密度函数

。

应理解，这些附图仅用于图示出本发明的概念的目的且并不意欲作为本发明的限制的定义。将认识到，相同的参考数字——其可能在适当的场合用参考符号来补充——始终用于识别相应的部件。

具体实施方式

如上面提到的，本发明涉及按需照明系统。通常，本发明涉及接收一组活动触发和传输消息的成本作为输入的系统或设备。在各种实施例中，然后考虑到这些输入来计算开启时间。当如下所讨论的被保证时，系统或设备然后输出具有与给定触发相关的开启信息的一个或多个消息。这个开启信息可包括灯持续时间参数、光强度参数、与物体（对该物体的照明被触发）的速度相关的延迟和一般与按需照明应用相关的其它参数。

图2图示出由本发明使用的示例性方法。如所图示，该方法采用下列项作为输入：

1. 活动触发，当它们发生时；

2. 经由LTE网络传输消息的成本（传输成本函数）；

3. 当灯开着时的能量使用的每单位时间成本的能量（能量使用成本函数）。

在这个实施例中，该方法包括基于所接收的触发来估计概率分布函数。如应在下面详细描述的，该方法还包括导出开启时间计算函数。该函数然后用于计算开启时间，其设法鉴于所输入的参数来最大化成本节省。然后例如使用LTE技术来将所计算的开启时间连同打开灯的命令一起无线地传输到邻近的灯柱。邻近的灯柱接收开启命令和开启时间，并接着根据被包含在消息中的值来打开灯。

如上所述，可在所涉及的一个或多个灯柱处执行在图2中描绘的方法。在可选的实施例中，与触发相关的概率分布函数的模型类型可作为额外的输入被提供，而不是执行估计与活动触发相关的概率分布函数的所描绘的步骤。在另外的实施例中，集中式服务器可用于执行在图2中描绘的一个或多个函数。

图3是根据本发明中的实施例的灯管理系统的例子。如所图示，灯管理服务器310接收来自一个或多个蜂窝使用率服务器312的蜂窝使用率、来自一个或多个电能率服务器316的电能率和通过互联网连接或经由与一个或多个灯柱320、322的方向通信提供的流量统计数据314。这个流量信息可包括一个或多个流量模型或一个或多个流量统计数据（例如平均标准偏差、柱状图等）。

使用这些输入，系统执行蜂窝使用和电能率的管理和分布函数。特别是，当接收到这些输入时，系统基于所接收的输入来决定蜂窝使用率和电能率318到一个或多个电公用设施灯柱的传输是否被保证。也就是说，输入率（例如电率）的一些变化可能不导致已更新率到任何电灯柱的传输。在图4中图示出关于这个决定如何被确定的示例性方法。

如在图4中描绘的，在基于最近的蜂窝使用率（在步骤404接收）、最近的能量使用率（在步骤408接收）和最近的流量统计数据/流量模型（在步骤410接收）而导致的成本节省的步骤406做出确定。特别是，这个步骤确定如果这些参数由系统中的灯柱分配并使用则导致的成本节省。在步骤412，确定将新的蜂窝使用率和能量使用率传输到照明网络的节点的成本。在步骤414，做出在步骤406和412中确定的成本的比较。在步骤416，如果节省的成本（从步骤406）大于传输率的成本（从步骤412），则蜂窝和能量使用率被传输到照明网络节点。如果否，则没有传输出现。在任一情况下，控制返回到步骤406以等待参数的任何变化，其将重新开始该过程。

在额外的实施例中，步骤406包括定时函数，其周期性地触发相应服务器（图3的项312和316）的轮询以得到新使用率。在又一些另外的实施例中，流量统计数据本身的足够的变化（例如10%的增加）将重新开始步骤406、412、414和416的过程（且可能可选地包括轮询以在步骤404和408得到使用数据）。

在本发明的另外的实施例中，在计算成本节省时，系统利用上面关于图2讨论（和在下面关于图5和6更详细讨论）的所计算的开启时间参数。开启时间参数的这样的计算可被安排为周期性地被执行，或可在流量条件中的变化保证它时被执行。

在另外的实施例中，开启时间参数可以是基于例如政府规章或历史流量模式的系统配置参数。在又一些另外的实施例中，这样的配置开启时间参数可以是由当所计算的开启时间值被保证时的情况（例如由于天气条件而引起的不寻常的流量模式）盖写的初始或默认值。

如上面讨论的，本发明设法通过减小能量使用成本以及减小与在灯柱本身之间的通信相关的成本来提高在按需照明系统中的成本节省。因此，给出最小化开启时间以从而减小能量成本的考虑因素。然而，也给出提供足够长的开启时间以最小化需要被传输的开启命令的数量以从而减小传输那些命令的成本的考虑因素。本发明平衡这两个冲突的考虑因素以在每个灯柱处因此对于整个系统的一批灯柱提高成本节省。

在图5中例示本发明的这个方面。特别是，图5图示出描绘本发明的实施例的流程图，其中灯柱确定开启照明的命令到附近灯柱的传输是否需要被执行。这个流程图包含三个主要部分：

1. 概率分布函数或累积概率分布函数的估计（在步骤506）；

2. 灯被打开/保持打开的优化时间的估计（在步骤510）；

3. 通过广播传送的协议消息的传输（在步骤518）。

在额外的实施例中，公开了接收所传输的消息并根据消息的内容来打开灯的接收机。

现在将更详细地讨论上面提到的这些主要部分：

概率分布函数或累积概率分布函数的估计

作为初始事项，应注意，术语概率分布函数和概率密度函数（pdf）可互换地被使用。累积概率分布函数也可代替概率密度函数来使用，因为它们在数学上相关。对于离散随机值，也可使用概率质量函数。离散随机值情况的关系类似于下面公开的关系。因此，本领域中的技术人员能够从在这里为连续情况做出的公开得到类似的关系。

给定一组被采样的活动时刻，可通过现有技术中的已知方法来估计概率密度函数。

打开灯的优化时间的估计

令：

在两个连续汽车之间的到达间时间为t，

传输消息的成本为m，

每单位时间能量的成本为e，

在活动之后灯保持开着的最小时间为t_min，

灯保持开着的时间为t_ON，

在非白天时间中的汽车的总数为N_ND，

每汽车消耗的灯的成本为C，

对每汽车灯操作的成本的上限为C_max，

在非白天时间期间的总操作成本上限为T_max，

到达间概率密度函数为p(t)。

然后，每汽车消耗的灯的最大成本和在非白天时间期间的最大操作成本可分别被表示为：

应注意，虽然这个讨论涉及作为活动触发的汽车的检测，本发明并不被这样限制，因为其它类型的检测到的运动由本发明设想为被触发（例如其它类型的车辆、在人行道上的行人等）。

图6描绘示例性到达间概率密度函数

，其中在两个连续汽车之间的到达间时间被绘制为在水平轴上的t值，且与那些t值相关的概率相对于垂直轴被绘制。

参考图6，清楚地示出：

接着，C的预期值是：

如通过上面的等式可看到的：

一般，t_min、m、e是固定的。因此，可绘制f与t_ON的关系。因此，可对给定概率密度函数、t_min、m和e找到最佳t_ON值。也就是说，最小化这个E[C]函数的t_ON的值可容易由公知的统计方法确定（例如产生E[C]函数的一阶导数的零值的t_ON的值）。

如早些时候描述的，本发明只在被保证时才更新m和e的值（例如图4的步骤414和416）。此外，t_min，灯在活动之后保持亮着的最小时间是可能承担道路的速度限制或其它政府规章的系统设计参数。因此，t_min、m、e是在一段时间期间固定的参量值，且相应地可确定最小化上面所述的成本函数的最佳t_ON值。这个值然后用灯打开命令传输（如在图5的步骤518所示的）到按需照明系统的适当的附近照明网络节点，从而设法最小化这样的系统的操作成本。

虽然在本文描述和图示出几个创造性实施例，本领域中的普通技术人员将容易设想用于执行功能和/或得到结果和/或本文所述的一个或多个优点的各种其它装置和/或结构，以及每个这样的变化和/或修改被认为在本文所述的创造性实施例的范围内。更一般地，本领域中的技术人员将容易认识到，本文所述的所有参数、尺寸、材料和配置照理应当是示例性的，以及实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于创造性教导所用于的一个或多个特定应用。本领域中的技术人员将认识到或能够使用仅仅例程实验来确定对本文所述的特定创造性实施例的很多等效形式。因此应理解，前述实施例仅作为例子被提出，以及在所附权利要求及对其的等效形式的范围内，创造性实施例可以与如特别所述和所示的不同地被实践。本公开的创造性实施例目的在于本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、成套工具和/或方法。此外，如果特征、系统、物品、材料、成套工具和/或方法不是相互不一致的，两个或更多个这样的特征、系统、物品、材料、成套工具和/或方法的任何组合被包括在本公开的创造性范围内。

如在本文定义和使用的所有定义应被理解为相对于字典定义、在通过引用并入的文档中的定义和/或所定义的项目的普通含义占支配地位。

在那个方面中，应理解，如在本文使用的术语“优化”是寻求最佳值的目标（例如按需照明系统的最小化的成本）的行动。也就是说，该术语并不注定意味着真正的最佳值存在且本发明发现它。而是，本发明得到比所估计的参数的其它值更好的值。术语“最小化”在本文以类似的方式被使用。

如在这里在说明书中和在权利要求中使用的不定冠词“一”和“一个”应被理解为意指“至少一个”，除非清楚地指示相反的情况。

如在这里在说明书中和在权利要求中使用的短语“和/或”应被理解为意指这样连接的元件中的“任一个或两个”，即在一些情况下共同存在而在其它情况下分开地存在的元件。用“和/或”列出的多个元件应以相同的方式被解释，即这样连接的元件中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句特别标识的元件以外的其它元件可以可选地存在，而不管与特别标识的那些元件有关或无关。因此，作为非限制性例子，当与开放式语言例如“包括”结合来使用时，对“A和/或B”的提及可以在一个实施例中仅指A（可选地包括除了B以外的元件）；在另一实施例中仅指B（可选地包括除了A以外的元件）；在又一实施例中指A和B（可选地包括其它元件）；等等。

如在这里在说明书中和在权利要求中使用的“或”应被理解为具有与如上定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项时，“或”或“和/或”应被理解为包括性的，即包括至少一个，但也包括多个元件或元件的列表中的多于一个以及可选地额外的未列出的项。只有清楚地指示相反的情况的术语诸如“...中的仅仅一个”或“...中的确切一个”或当在权利要求中使用时“由…组成”将指多个元件或元件的列表中包括确切一个元件。通常，如在本文使用的术语“或”当前面是排斥性的术语例如“任一个”、“之一”、“...中的仅仅一个”、“...中的确切一个”时应仅被解释为指示排他的可选项（即“一个或多个另一但不是两个”）。“本质上由…组成”当在权利要求中使用时应具有如在专利法的领域中使用的普通含义。

如在这里在说明书中和在权利要求中使用的，关于一个或多个元件的列表的短语“至少一个”应被理解为意指从元件的列表中的任一个或多个元件中选择的至少一个元件，但不一定包括在元件的列表中特别列出的每个元件中的至少一个且不排除在元件的列表中的元件的任何组合。这个定义还允许除了在短语“至少一个”所指的元件的列表内特别标识的元件以外的元件可以可选地存在，而不管与特别标识的那些元件有关或无关。因此，作为非限制性例子，“A和B中的至少一个”（或等效地，“A或B中的至少一个”或等效地“A/或B中的至少一个”）可以在一个实施例中指至少一个，可选地包括多于一个A，而B不存在（以及可选地包括除了B以外的元件）；在另一实施例中指至少一个，可选地包括多于一个B，而A不存在（以及可选地包括除了A以外的元件）；在又一实施例中指至少一个，可选地包括多于一个A，以及至少一个，可选地包括多于一个B（以及可选地包括其它元件）；等等。

还应理解，除了清楚地指示相反的情况，在包括多于一个步骤或行动的在本文主张的任何方法中，该方法的步骤或行动的顺序不一定限于该方法的步骤或行动被叙述的顺序。

在权利要求中以及在上面的说明书中，所有过渡短语诸如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”、“由…组成”等应被理解为开放式的，即意指包括但不限于。只有过渡短语“由…构成”和“基本上由…构成”应分别是封闭或半封闭过渡短语，如在美国专利局专利审查程序手册2111.03章中阐述的。

Claims (8)

1.一种用于在按需照明系统中使用的方法，所述按需照明系统包括多个灯位置并利用一个或多个通信协议，其中成本与至少一个所述通信协议相关，所述方法包括：

在服务器中接收参数作为输入，所述参数包括：

与所述灯位置有关的运动活动触发，

所述一个或多个通信协议的通信成本，

每单位时间的灯能量成本；

使用所输入的参数和与所述运动活动触发相关的到达间概率密度函数来导出预期值成本函数；

确定最小化所述预期值成本函数的灯开启时间参数；

确定是否成本节省大于传输蜂窝使用率和能量使用率的成本；以及

基于所述预期值成本函数来修改所述灯开启时间参数。

2.如权利要求1所述的方法，还包括下列步骤：

将开启时间参数和开启的命令传输到至少一个其它灯位置。

3.如权利要求1所述的方法，其中基于所接收的运动活动触发来估计所述到达间概率密度函数。

4.如权利要求1所述的方法，其中通过找到最小化所述预期值成本函数（E[C]）的开启时间参数来确定所述开启时间参数。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述预期值成本函数（E[C]）被表示为下面的函数：

其中：

在两个连续运动活动触发之间的到达间时间为t，

传输消息的成本为m，

每单位时间能量的成本为e，

在活动之后灯保持开着的最小时间为t_min，

开启时间参数为t_ON，

每运动活动触发消耗的灯的成本为C，

到达间概率密度函数为p(t)。

6.一种利用一个或多个通信协议的按需照明系统，其中成本与至少一个所述通信协议相关，所述按需照明系统包括：

多个灯位置；以及

灯管理服务器，其被配置成接收参数作为输入，所述参数包括：

与所述灯位置有关的运动活动触发，

所述一个或多个通信协议的通信成本，

每单位时间的灯能量成本；

使用所输入的参数和与所述运动活动触发相关的到达间概率密度函数来导出预期值成本函数；

确定最小化所述预期值成本函数的灯开启时间参数；

确定是否成本节省大于传输蜂窝使用率和能量使用率的成本；以及

基于所述预期值成本函数来修改所述灯开启时间参数。

7.如权利要求6所述的按需照明系统，其中通过使用最小化所述预期值成本函数（E[C]）的开启时间参数来导出所述成本节省。

8.如权利要求7所述的按需照明系统，其中所述预期值成本函数（E[C]）被表示为下面的函数：

其中：

在两个连续运动活动触发之间的到达间时间为t，

传输消息的成本为m，

每单位时间能量的成本为e，

在活动之后灯保持开着的最小时间为t_min，

开启时间参数为t_ON，

每运动活动触发消耗的灯的成本为C，

到达间概率密度函数为p(t)。

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