CN116419448A - 一种适用于多场景下的新型智能路灯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于多场景下的新型智能路灯，包括环境检测单元、智能优化模块、光电转换器、LED‑AC/DC控制驱动电路、色温控制器、点阵列式路灯、太阳能阵列板、双向变换器、锂电供电模块、水位检测器、提醒模块、电网；环境检测单元包括光照传感器、红外位置传感器、温度传感器、雾霾传感器；智能优化模块根据环境检测单元所提供的数据利用IGSO算法给出最优的路灯光照度及色温度；太阳能阵列板经双向变换器、锂电供电模块进行储电；此外还包括提醒模块对车况、路况进行提醒处理。与现有技术相比，本发明提供了智能调光的节能控制方式，可以有效延长路灯灯具寿命、减少了交通危险的发生率，为智慧城市建设提供了一种新方法、新思路。

Description

一种适用于多场景下的新型智能路灯

技术领域

本发明涉及节能控制、智能交通技术领域，具体涉及一种适用于多场景下的新型智能路灯

背景技术

近年来，随着国内新型基础设施建设的不断深入推进，智慧路灯建设成为我国的一个靶向发力点，目前，传统路灯的控制方式在环境变暗时自动打开，在早晨出现亮度时自动关闭。大量的能源被浪费了，这不仅是因为节能所使用的低效技术，但也因为无论道路上有移动的人或车辆存在，灯都是亮着的，这样会造成电力浪费；此外，尽管有研究针对路况进行路灯设计，但是遇到极端天气的情况，光调节路灯的亮暗度是不够的，即使亮度高，但是路灯的色温过低，在遇到雾霾天气下穿透力极差，所以出现的情况就是，你在车内看不清外面的路况，而色温过高时，对面的司机或行会晃的睁不开眼，这是很容易产生安全问题的。

针对以上问题，本发明提出一种适用于多场景下的新型智能路灯，它不仅可以应对路况情况对路灯进行合理控制，而且在极端天气下，可以对路灯的亮度和色温进行合理调配，减少了交通危险的发生率，为智慧城市建设提供了一种新方法、新思路。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种适用于多场景下的新型智能路灯，提供了一种智能调光的节能控制方式，可以有效延长路灯灯具寿命、减少了交通危险的发生率，为智慧城市建设提供了一种新方法、新思路。

技术方案如下：一种适用于多场景下的新型智能路灯，包括环境检测单元、智能优化模块、光电转换器、LED-AC/DC控制驱动电路、色温控制器、点阵列式路灯、太阳能阵列板、双向变换器、锂电供电模块、水位检测器、提醒模块、电网；

通过环境检测单元所收集到的光照度、位置、实时温度，环境颗粒浓度，经智能优化模块给出优化的路灯光照度及色温的策略，得到的优化的路灯光照度经光电转换器转换得到对应的电信号，经LED-AC/DC控制驱动电路对点阵式路灯进行亮度控制，得到的优化色温经色温控制器对点阵式路灯进行色温控制；

所述提醒模块独立存在，包括蜂鸣器、点动控制按钮、水位检测开关和水位检测器，所述点动控制按钮与所述水位检测开关并联；当发生危险路况时，司机可以通过提醒模块得到提示，路灯发出蜂鸣提醒，防止出现二次事故的发生；所述水位检测器放置路灯底端，当水位超过预设值时，水位检测开关动作，提醒模块进行提示，路灯发出蜂鸣提醒。

进一步的，所述太阳能阵列板在白天采集光照，经交直流双向变换器经锂电供电模块进行储电；所述锂电供电模块可对LED-AC/DC控制驱动电路进行供电，当太阳能阵列板产生的供电不足时，电网可继续向设备进行供电。

进一步的，所述LED-AC/DC控制驱动电路，根据输入端的输出功率大小通过驱动电路来改变路灯的占空比来进行升光、降光，占空比越大，光照度越大；所述色温控制器采用双色温控制，实现调色控制；针对色温控制，每条线路都是独立的，搭配点阵式路灯配合使用。

进一步的，所述的智能优化模块采用IGSO算法给出优化策略，具体优化过程如下：

1)种群初始化：设置本算法的最大迭代次数，上下限，根据上下限设置其算法的搜索空间，IGSO算法在搜索空间中随机生成的一组种群然后开始搜索过程，每个种群都有一组对应的色温度值和亮度值；

2)评估所述的目标函数，将环境检测单元所采集到的参数输入到所评估的目标函数中，所述目标函数公式如下：

e_fit＝k₁e₁+k₂e₂

C_fit＝f(g_fit,e_fit)

其中，g_fit为光照度，e为色温，k1、k2为路灯参数系数，d为红外位置传感器所测的路灯与行人及汽车物体的距离，g_now为当前光照度，e1为温度传感器测得的温度，e2为雾霾传感器测得的环境颗粒浓度，C_fit＝f(·)为适应度函数，即所求目标函数值；

3)将初始种群带入目标函数进行评估，并将种群进行排序，将排序度靠前的种群其对应的色温和亮度的组值作为Ogbest；

4)计算转移因子T；T为转移因子，可以通过转移因子来评估种群的移动步长，同时它用来控制早期迭代全局搜索与后期迭代局部搜索之间的平衡；

5)评估每个色温和亮度组值的步长，公式如下：

St_i(t+1)＝T·St_i(t)+C₁·cos(r₁)·(Obest_i-x_i(t))+C₂·sin(r₂)·(Ogbest_i-x_i(t))

其中C₁、C₂为[0,2]之间的随机变量，r₁、r₂为[0,1]之间的随机数，Ogbest为排序度靠前的对象位置；

6)限制步长范围和设置最大步长；限制步长范围的目的在于为了防止所求解的色温和亮度组值上下振荡，导致求解的组值发散，引入一个合理的区间来限制种群的运动；设置最大步长是定义种群在迭代过程中可以在其位置坐标中经历的最大步长；

7)判断步长是否超出所限定的位置，如果是，用各自的上下限来替代其位置；如果不是，转至步骤8)；

8)更新种群的位置，使目标在搜索空间中向排序靠前的色温和亮度组值移动；

9)判断是否达到所设定的最大迭代次数，如果不是，返回步骤3)，如果是，转至步骤10；

10)输出在当前路灯环境场景下所适合的色温和亮度组值。

进一步的，对步骤5)的C₁、C₂进行改进，改进公式如下：

C_i(t+1)＝(C_max-C_min)·rand+Ω·randn

其中C_i分别表示C₁、C₂的值，，C_max、C_min分别为随机变量C₁、C₂的最大值

和最小值，rand为[0,1]上的随机数，randn是正态分布的随机数，Ω是用来衡量随机变量C₁、C₂的因子。

通过引入正态分布使随机数不受迭代次数的约束，使算法跳出局部最优，减少期望值与最优值的偏离程度。

进一步的，所述环境检测单元包括光照传感器、红外位置传感器、温度传感器、雾霾传感器，光照传感器检测环境的实时光照，红外位置传感器用来检测汽车和行人的位置感应，温度传感器采集环境实时温度，雾霾传感器采集环境颗粒浓度。

有益效果：

1.本发明所提出的新型智能路灯，它可以根据车流人流情况自动调节亮度，可以有效的避免能源浪费，减少了灯具损耗，延长了灯具寿命；并且本发明可以平衡路灯色温和亮度的最优关系，给出最优适配值，可以根据城市的天气状况切换路灯调光策略，使灯的亮度更加人性化、安全化，满足不同的场景需求。

2.本发明使用光伏供电的方式，配合所制定的调光策略，可以进一步减少电力的消耗，实现绿色供电、清洁供电；此外设有提醒模块，保证了在极端天气及发生事故时的警示处理，避免了二次事故的发生。

3.本发明的智能优化模块所提出的IGSO算法，对路灯调光控制的适配性较高，而且本算法不仅结构简单，通过增加正弦和余弦函数的范围，提高了算法的探索能力，而且在全局最优解的收敛性方面优于其他元启发式算法。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的硬件框架示意图；

图3为本发明的IGSO算法的流程图；

图4为传统路灯设备与本发明路灯设备经济效益比较；

图5为传统路灯设备与本发明路灯设备发光效率比较。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

如图1-2所示，一种适用于多场景下的新型智能路灯，包括环境检测单元、智能优化模块、光电转换器、LED-AC/DC控制驱动电路、色温控制器、点阵列式路灯、太阳能阵列板、双向变换器、锂电供电模块、水位检测器、提醒模块、电网；

通过环境检测单元所收集到的光照度、位置、实时温度，环境颗粒浓度，经智能优化模块给出优化的路灯光照度及色温的策略，得到的优化的路灯光照度经光电转换器转换得到对应的电信号，经LED-AC/DC控制驱动电路对点阵式路灯进行亮度控制，得到的优化色温经色温控制器对点阵式路灯进行色温控制；

所述提醒模块独立存在，包括蜂鸣器、点动控制按钮、水位检测开关和水位检测器，所述点动控制按钮与所述水位检测开关并联；当发生危险路况时，司机可以通过提醒模块得到提示，路灯发出蜂鸣提醒，防止出现二次事故的发生；所述水位检测器放置路灯底端，当水位超过预设值时，水位检测开关动作，提醒模块进行提示，路灯发出蜂鸣提醒。

进一步的，所述太阳能阵列板在白天采集光照，经交直流双向变换器经锂电供电模块进行储电；所述锂电供电模块可对LED-AC/DC控制驱动电路进行供电，当太阳能阵列板产生的供电不足时，电网可继续向设备进行供电。

进一步的，所述LED-AC/DC控制驱动电路，根据输入端的输出功率大小通过驱动电路来改变路灯的占空比来进行升光、降光，占空比越大，光照度越大；所述色温控制器采用双色温控制，实现调色控制；针对色温控制，每条线路都是独立的，搭配点阵式路灯配合使用。

进一步的，如图3所示，所述的智能优化模块采用IGSO算法给出优化策略，具体优化过程如下：

1)种群初始化：设置本算法的最大迭代次数，上下限，根据上下限设置其算法的搜索空间，IGSO算法在搜索空间中随机生成的一组种群然后开始搜索过程，每个种群都有一组对应的色温度值和亮度值；

2)评估所述的目标函数，将环境检测单元所采集到的参数输入到所评估的目标函数中，所述目标函数公式如下：

e_fit＝k₁e₁+k₂e₂

C_fit＝f(g_fit,e_fit)

其中，g_fit为光照度，e为色温，k1、k2为路灯参数系数，d为红外位置传感器所测的路灯与行人及汽车物体的距离，g_now为当前光照度，e1为温度传感器测得的温度，e2为雾霾传感器测得的环境颗粒浓度，C_fit＝f(·)为适应度函数，即所求目标函数值；

3)将初始种群带入目标函数进行评估，并将种群进行排序，将排序度靠前的种群其对应的色温和亮度的组值作为Ogbest；

4)计算转移因子T；T为转移因子，可以通过转移因子来评估种群的移动步长，同时它用来控制早期迭代全局搜索与后期迭代局部搜索之间的平衡；

5)评估每个色温和亮度组值的步长，公式如下：

St_i(t+1)＝T·St_i(t)+C₁·cos(r₁)·(Obest_i-x_i(t))+C₂·sin(r₂)·(Ogbest_i-x_i(t))

其中C₁、C₂为[0,2]之间的随机变量，r₁、r₂为[0,1]之间的随机数，Ogbest为排序度靠前的对象位置；

6)限制步长范围和设置最大步长；限制步长范围的目的在于为了防止所求解的色温和亮度组值上下振荡，导致求解的组值发散，引入一个合理的区间来限制种群的运动；设置最大步长是定义种群在迭代过程中可以在其位置坐标中经历的最大步长；

7)判断步长是否超出所限定的位置，如果是，用各自的上下限来替代其位置；如果不是，转至步骤8)；

8)更新种群的位置，使目标在搜索空间中向排序靠前的色温和亮度组值移动；

9)判断是否达到所设定的最大迭代次数，如果不是，返回步骤3)，如果是，转至步骤10；

10)输出在当前路灯环境场景下所适合的色温和亮度组值。

进一步的，对步骤5)的C₁、C₂进行改进，改进公式如下：

C_i(t+1)＝(C_max-C_min)·rand+Ω·randn

其中C_i分别表示C₁、C₂的值，，C_max、C_min分别为随机变量C₁、C₂的最大值和最小值，rand为[0,1]上的随机数，randn是正态分布的随机数，Ω是用来衡量随机变量C₁、C₂的因子。

通过引入正态分布使随机数不受迭代次数的约束，使算法跳出局部最优，减少期望值与最优值的偏离程度。

进一步的，所述环境检测单元包括光照传感器、红外位置传感器、温度传感器、雾霾传感器，光照传感器检测环境的实时光照，红外位置传感器用来检测汽车和行人的位置感应，温度传感器采集环境实时温度，雾霾传感器采集环境颗粒浓度。

参见附图4至图5，分别为为传统路灯设备与本发明路灯设备经济效益比较及传统路灯设备与本发明路灯设备发光效率比较；

注：传统路灯设备数据采用江苏某城区路灯耗电数据；经济成本的计算公式为总成本＝每台路灯的耗电量×路灯数×开灯时间×当地电价；发光效率的计算公式为发光效率＝光通量/所消耗的电功率

如图4所示，本发明的新型路灯设备的总成本每天的电费在2.3万元-3.6万元，相较于传统路灯设备的4.6万元-6.2万元，由此证明，本发明设计的新型智能路灯能够实现节约电能的目的。

如图5所示，本发明的新型路灯设备的发电效率每天保持在182Im/w-210Im/w,相较于传统路灯设备的150Im/w-173Im/w，由此证明，本发明设计的新型智能路灯能够提高路灯的发电效率，进一步反映了本发明提出的控制方法的优越性。

本发明公开了一种适用于多场景下的新型智能路灯，包括环境检测单元、智能优化模块、光电转换器、LED-AC/DC控制驱动电路、色温控制器、点阵列式路灯、太阳能阵列板、双向变换器、锂电供电模块、水位检测器、提醒模块、电网；环境检测单元包括光照传感器、红外位置传感器、温度传感器、雾霾传感器；智能优化模块根据环境检测单元所提供的数据利用IGSO算法给出最优的路灯光照度及色温度；太阳能阵列板经双向变换器、锂电供电模块进行储电；此外还包括提醒模块对车况、路况进行提醒处理。与现有技术相比，本发明提供了智能调光的节能控制方式，可以有效延长路灯灯具寿命、减少了交通危险的发生率，为智慧城市建设提供了一种新方法、新思路

上述实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种适用于多场景下的新型智能路灯，其特征在于，包括环境检测单元、智能优化模块、光电转换器、LED-AC/DC控制驱动电路、色温控制器、点阵列式路灯、太阳能阵列板、双向变换器、锂电供电模块、水位检测器、提醒模块、电网；

通过环境检测单元所收集到的光照度、位置、实时温度，环境颗粒浓度，经智能优化模块给出优化的路灯光照度及色温的策略，得到的优化的路灯光照度经光电转换器转换得到对应的电信号，经LED-AC/DC控制驱动电路对点阵式路灯进行亮度控制，得到的优化色温经色温控制器对点阵式路灯进行色温控制；

所述提醒模块独立存在，包括蜂鸣器、点动控制按钮、水位检测开关和水位检测器，所述点动控制按钮与所述水位检测开关并联；当发生危险路况时，司机可以通过提醒模块得到提示，路灯发出蜂鸣提醒，防止出现二次事故的发生；所述水位检测器放置路灯底端，当水位超过预设值时，水位检测开关动作，提醒模块进行提示，路灯发出蜂鸣提醒。

2.根据权利要求1所述的一种适用于多场景下的新型智能路灯，其特征在于，所述太阳能阵列板在白天采集光照，经交直流双向变换器经锂电供电模块进行储电；所述锂电供电模块可对LED-AC/DC控制驱动电路进行供电，当太阳能阵列板产生的供电不足时，电网可继续向设备进行供电。

3.根据权利要求1所述的一种适用于多场景下的新型智能路灯，其特征在于，所述LED-AC/DC控制驱动电路，根据输入端的输出功率大小通过驱动电路来改变路灯的占空比来进行升光、降光，占空比越大，光照度越大；所述色温控制器采用双色温控制，实现调色控制；针对色温控制，每条线路都是独立的，搭配点阵式路灯配合使用。

4.根据权利要求1所述的一种适用于多场景下的新型智能路灯，其特征在于，所述的智能优化模块采用IGSO算法给出优化策略，具体优化过程如下：

1)种群初始化：设置本算法的最大迭代次数，上下限，根据上下限设置其算法的搜索空间，IGSO算法在搜索空间中随机生成的一组种群然后开始搜索过程，每个种群都有一组对应的色温度值和亮度值；

2)评估所述的目标函数，将环境检测单元所采集到的参数输入到所评估的目标函数中，所述目标函数公式如下：

e_fit＝k₁e₁+k₂e₂

C_fit＝f(g_fit，e_fit)

其中，g_fit为光照度，e为色温，k1、k2为路灯参数系数，d为红外位置传感器所测的路灯与行人及汽车物体的距离，g_now为当前光照度，e1为温度传感器测得的温度，e2为雾霾传感器测得的环境颗粒浓度，C_fit＝f(·)为适应度函数，即所求目标函数值；

3)将初始种群带入目标函数进行评估，并将种群进行排序，将排序度靠前的种群其对应的色温和亮度的组值作为Ogbest；

4)计算转移因子T；T为转移因子，可以通过转移因子来评估种群的移动步长，同时它用来控制早期迭代全局搜索与后期迭代局部搜索之间的平衡；

5)评估每个色温和亮度组值的步长，公式如下：

St_i(t+1)＝T·St_i(t)+C₁·cos(r₁)·(Obest_i-x_i(t))+C₂·sin(r₂)·(Ogbest_i-x_i(t))

其中C₁、C₂为[0,2]之间的随机变量，r₁、r₂为[0,1]之间的随机数，Ogbest为排序度靠前的对象位置；

6)限制步长范围和设置最大步长；限制步长范围的目的在于为了防止所求解的色温和亮度组值上下振荡，导致求解的组值发散，引入一个合理的区间来限制种群的运动；设置最大步长是定义种群在迭代过程中可以在其位置坐标中经历的最大步长；

7)判断步长是否超出所限定的位置，如果是，用各自的上下限来替代其位置；如果不是，转至步骤8)；

8)更新种群的位置，使目标在搜索空间中向排序靠前的色温和亮度组值移动；

9)判断是否达到所设定的最大迭代次数，如果不是，返回步骤3)，如果是，转至步骤10；

10)输出在当前路灯环境场景下所适合的色温和亮度组值。

5.根据权利要求4所述的一种适用于多场景下的新型智能路灯，其特征在于，对步骤5)的C₁、C₂进行改进，改进公式如下：

C_i(t+1)＝(C_max-C_min)·rand+Ω·randn

其中C_i分别表示C₁、C₂的值，，C_max、C_min分别为随机变量C₁、C₂的最大值和最小值，rand为[0,1]上的随机数，randn是正态分布的随机数，Ω是用来衡量随机变量C₁、C₂的因子。

6.根据权利要求1所述的一种适用于多场景下的新型智能路灯，其特征在于，所述环境检测单元包括光照传感器、红外位置传感器、温度传感器、雾霾传感器，光照传感器检测环境的实时光照，红外位置传感器用来检测汽车和行人的位置感应，温度传感器采集环境实时温度，雾霾传感器采集环境颗粒浓度。

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