一种基于BF算法优化的分层智能路灯系统外文翻译资料

 2021-11-25 10:11

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外文翻译:

一种基于BF算法优化的分层智能路灯系统

摘 要

本文提出了一种全新的智能街道照明(SmSL)系统,该系统采用Brute-Force搜索算法,可将一组街道照明杆的能耗最小化。室外照明会带来相当大的成本,维护,安全和环境问题;我们可以利用具有节能,自动故障检测和监控功能的先进街道照明系统,使包括市政当局和供电公司的所有参与者受益。所提出的SmSL具有分层平台。分段或中间控制器基于所提出的优化子程序确定每个照明杆的调度,切换和调光水平,并通过电力线通信将控制器设定值发送到局部照明杆控制器。考虑到操作约束,环境亮度和本地交通流量,通过最小化成本函数的方法来实现街道照明系统能量的优化。本地控制器充当执行器并执行所接收的命令,且能够检测到灯具故障。此外,照明杆电气参数和灯及其电容器的状态被传输到中间控制器。安装在配电中心的服务器上的监控控制器监控整个系统,并基于WiMax无线通信方式向区段控制器发送适当的命令,例如该区域中的所需最小亮度。整个系统在试点街道上开发和布置,现场实验结果表明,所提出的SmSL节省了大量的能源,并降低了维护成本。

关键字:能源管理;最优控制;勒克斯计;PIR探测器;电力线通信;街道照明;WiMax

引言

为了提高可靠性和市场弹性,降低能源成本和解决环境问题是智能街道照明系统被快速采用的主要动力。考虑到夜晚的灯具照亮了每条道路和高速公路,路灯无处不在。在智能城市时代,大多数SmSL方案都是基于网络的。网络路灯大大提高了城市照明系统的能源效率,降低了运营和维护成本; 此外,它们还可以作为未来智能城市中其他基础设施联网的骨干。智能照明系统受益于智能传感器和执行器,同时集成了多种功能和连接接口。

智能街道照明系统被认为是智能的,因为其可以基于从感知数据提取的相关信息,自动生成开启/关闭命令和用于路灯的调光命令。在更先进的户外照明系统中,利用不同的多用途传感器和执行器来适应环境存在的变化。此外,系统还可以与操作员和主管进行交互。如果考虑基于传感器的操作,调光,故障检测和子群选择等功能,同时考虑照明标准要求以及城市区域的安全性和舒适性,则室外照明系统的设计和控制变得更加复杂。道路或街道光线不足会导致车辆事故和更多其他的犯罪行为。因此,快速检测和报告故障路灯非常重要。随着这些新的街道照明系统安装自动停机检测和远程监控系统,运营和维护成本大大降低,夜间街道的安全和保障得到了很大改善。在文献[4]中对意大利南部城市的街道照明策略进行了全面分析,为了评估节能和相关技术,并证明可实现节能和减少二氧化碳排放。正如该文章所述,新的控制和调光策略产生了非常好的结果,并且基于所有分析的情景,经济分析显示了相当令人满意的结果。在下文中,给出了所提出的主要户外街道照明方案的综合概述。

贾和郭提出了三种类型的路灯控制系统,包括文献[5]中的线路控制,自控和无线控制系统。在传统的线路控制系统中,安装了灯和中央控制器之间的额外通信电缆,显然额外的布线成本是这种老式方法的主要弱点。光传感器或预先安排的时间切换为自控系统中的所有路灯提供控制信号。简单性是该方案的主要优点。然而,对于能量消耗没有主动控制,光传感器对天气状况的敏感性以及灯杆和中央控制器之间缺乏通信介质是该系统的主要缺陷。无线控制系统具有成本低,安装方便,结构灵活,网络容量大等优点。Wi-Fi,GPRS / GSM,基于ZigBee协议的无线传感器网络(WSN)是无线室外照明系统中通信骨干的主要元素。在过去十年中,已经报道了用于监视和控制室内和室外照明系统的无线传感器网络,可见于文献[6] - [7] [8]。街道照明可以通过无线通信系统(包括GPRS / GSM和无线传感器网络)自动控制。由于实施成本低,基于ZigBee的室外照明网络已被报道过几次(例如文献[10])。在文献[11]中提出了ZigBee和WiMax的组合作为SmSL的通信骨干。

另一方面,电力线通信(PLC)是用于智能电网,智能城市和智能建筑应用的传播网络技术。与其他有线和无线通信方法相比,PLC具有许多优点。PLC很吸引人,因为不需要为控制设备运行额外的控制线。PLC还可以在无线数据传输较差的某些区域工作。出于这些原因,全球许多公用事业公司已选择PLC或其与无线平台的组合用于其智能电网项目和智能城市。用于街道照明和智能计量的窄带PLC技术在文献中进行了讨论(例如[12],[13])。在文献[14]中基于优化的分布式照明控制方案被提出用于室内照明,其中使用本地亮度状态传感器。在开放式办公室中评估了所提出的方案的性能,并且证明与没有亮度状态传感器的固定调光水平的灯具相比,可以实现较好的节能。在文献[15]中讨论了在街道照明中使用智能动态控制方案的经济影响,以及通过提供可拓展的计算环境来优化城市规模的照明设施。在文献[16]中提出了一种用于智能建筑的传感器数据驱动无线照明控制系统。在文献[17]中提出了一种基于群体投票的自动打开/关闭一组路灯的方案。在该方案中,每个灯杆配备有光传感器。每个小组成员向小组组长发送投票。如果开启投票的次数高于预设值,则通过无线网络向所有组成员发送开启命令。在文献[18]中提出了基于ZigBee的无线集中式遥控系统,用于室外照明的管理。每个照明杆包括LED灯,太阳能电池板,光传感器,存在传感器和紧急传感器,基于一个算法规则来决定是否打开/关闭灯。在文献[19]中,介绍了基于交通流量的智能街道照明系统。传输媒介是ZigBee无线网络,使得路灯协调器从所有路由器收集信息并发送到中央电力管理系统。在这项工作中,LED驱动板基于PWM信号调节LED阵列亮度,是基于交通流的离线统计分析。在[20]中,提出了一种基于无线通信的SmSL系统,使用了神经模糊推理,基于天气和环境条件以及行人流量来调节LED灯的照明。文献[21]中提出了一种自适应照明方案,该方案可以检测车辆和行人的存在并动态调整路灯的亮度。在文献[22]中,提出了一种基于图形的模式匹配规则的街道照明控制器,能够对变化的环境做出响应并相应地采取适当的动作。在文献[23]中提出了一种基于无线通信平台和接近传感器的SmSL,它能够在检测到车辆或行人运动时增加照明水平以便提供更好的视野,并且当该区域无运动物体时调暗灯光到较低水平,以保持低水平的照明。此外,还有诸如上报灯状态参数和灯光亮度水平至管理系统的相关应用。最近在文献[24]中提出了基于预测控制的自适应街道照明系统。在文献[25]中,提出了一种间接检测方法,使用安装在车辆上的特殊设备收集有关路灯亮度的信息。收集的数据将用于创建照明图,并且通过分析这些图,识别特定区域中的照明强度的变化,达到检测故障灯的目的。在文献[26]中已经提出并验证了一种完整的街道灯具交错布置的照明方法,该方法具有LED调光的优势。最近,在[27]中提出了评估街道照明系统效率的新方法。此外,SmSL系统可用于现代电力网络中的电能质量测量,如最近在文献[28]中所讨论的那样。

在本文中,我们提出了一种新的分层SmSL系统,该系统考虑到了成本函数,照明杆故障检测和组合通信基础设施的在线能量优化。现阶段,最佳能耗管理系统正在智能微电网中发展[29]。在我们的方法中,测量环境亮度和本地流量并将其并入优化问题中。控制方案有三个层次; 照明杆控制,分段和组控制,以及监督控制和管理。在分段控制器中,为了优化电力消耗,生成路灯照明的所有可能和被允许的场景,然后选择满足所有约束的场景,且确定一个主要场景,并命令组中成员依照该场景行动。该组由可调光灯组成,而不同的调光水平会改变灯的功率与标称光通量值的关系。除了调光水平之外,灵活的布置不同的组是街道照明控制系统的另一种能力。不同的调光水平和各类群组安排进行排列组合可产生所有可能的场景。这些场景是可行的候选或称之为算法搜索空间,通过BF算法找出最小化的电能消耗。应该注意的是,所提出的方案可以用于任何类型的户外灯,包括高强度放电(HID)灯和LED。然而,在这项工作中进行实验验证的试验街道,HID灯已经安装在电线杆上。由于打开/关闭的问题,控制HID灯比LED灯更复杂。并且,这些灯配有电容器以校正相应的功率因数。这项工作中的通信基础设施是基于LonWorks技术的电力线通信和安全的WiMAX IP连接的组合。基于PLC-WiMAX的控制系统根据优化子程序产生的环境亮度和参考亮度,自动打开/关闭路灯达到调光目的。但是,系统管理员可能会在某些危急情况下接管中央控制器命令。所描述的智能街道照明系统的整体结构如图所示图1.1

图1.1 智能街道照明系统结构图

应该注意的是,通过将灯杆信息纳入网络,操作者可以观察到灯具或其专用电容器的任何故障,并能够立即修复它们。所提出的SmSL的主要贡献是灯的开关和调光是基于成本函数的优化,考虑了操作约束,交通流量和环境亮度。在此之前,所有其他关于户外照明使用时间控制,光控制,时间—光控制,或存在控制—交通感知的方案,还没有针对室外系统找到以最低能耗实现所需照明的最佳解决方案。我们强调使用快速、安全的组合PLC-WiMAX媒体进行数据传输,利用PLC对无线通信本地的优势数据传输,并改进了WiMAX与GSM/GPRS进行组合时的传输特性,如传输距离更长、安全性更高等。此外,通过分层结构实现对路灯杆的全面控制和监控,改善了了路灯的安全性和运行成本,表现在路灯故障可以被识别并报告给当地的服务工程师,以减少检修时间。

本文组织如下。在第二节中,介绍了系统的结构和组成部分。在第三节中,提出了一组路灯灯杆优化问题的数学基础,并讨论了求解在线问题的BF优化算法。第四部分详细讨论了在线能量优化的SmSL验证的实验结果,最后,第五部分对全文进行了总结。

SMSL系统架构和组件

SmSL系统包含用于通信的组合基础设施。该系统主要由杆式或室外控制器、勒克斯计、无源红外(RIP)探测器、段控制器、监控软件等组成

图2.1 具有专有功能和通信功能的SmSL的分层控制级别类型

表2.1 调光水平对HID灯功率和光通量的影响

在配送中心。整个控制系统的层次结构以及分配给各个层次的任务如图2.1所示。下面,将对每个组件或子系统进行简要描述。

电线杆控制器

该杆控制器可以控制灯的打开/关闭,并根据接收到的段控制器的命令调整调光水平。此外,杆控制器还输出测量到的电压、电流、功率因数以及灯的状态,即正常/异常。照明杆控制器的四个主​​要部件是电力线收发器,它基于LonWorks协议,电源,接口板和磁感应器,以及故障检测电路。室外照明控制器可以使用磁感应器调暗灯。电力线控制器通过经充分验证的LonWorks电力线技术与电力线上的分段控制器进行通信[30]。LonWorks平台的基础是ISO/IEC 14908-1控制网络协议(CNP),它为街道照明等控制应用提供了可靠,经济,稳健的通信标准[31]。

通常,有四种主要方法可以调节高强度气体放电灯,包括降低电源电压,相位控制,增加扼流圈阻抗以及改变高频操作的频率[32]。在这项工作中,选择增加扼流圈阻抗的方法。调光水平对150瓦HID灯的灯功率和光通量的影响如表2.1所示。

通讯

段控制器,勒克斯计和室外照明控制器之间的数据传输是通过窄带电力线通信,因此不需要额外的布线。使用Echelon智能收发器PL3120 IC便于电力线通信,其传输速率为5.4 kb/sec。为了克服噪声源,电力线智能收发器利用双载波频率信令技术提供可靠的通信。在确认消息传递的情况下使用主要和次要频率。此外,具有电力线信令的干扰噪声源导致破坏数据分组。在这方面,除了循环冗余校验(CRC)以外,电力线智能收发器还使用高效,低开销的前向纠错(FEC)算法来克服分组错误[34]。此外,电力线智能收发器的动态范围gt; 80dB。值得注意的是,电力线智能收发器可以接收衰减超过10,000倍的信号[34]。

智能街道照明系统中管理软件和分段控制器之间的通信是通过WiMAX的安全IP连接实现的。

通过电线从照明杆控制器传输到分段控制器的数据包括照明杆状态,照明杆电压,电流和功率因数。记录电压和电流是一项可选任务,可由客户端删除。从段控制器通过电源线传输到照明杆模块的数据是切换命令和调光水平。通过WiMax从分段控制器传送到监控系统的数据包括组状态和组电压,电流和功率因数。如果灯泡配有电容器,则功率因数信息显示电容器的状态。

监督控制器发出手动/自动命令。在可能在关键条件下使用的手动模式中,操作员或主管绕过自动模式并将调度和调光命令发送到段控制器。在自动模式中,监督控制器命令最小所需亮度级别,并且分段控制器基于嵌入式优化软件确定调度和调光级别。应当注意,管理员可以为WiMax实现新的广播认证方案,以提高命令和控制消息的安全性。

具有电源线接口的Lux电表

Lux仪表用于测量环境亮度水平。月光和季节条件会产生明显不同的环境照明条件。月球在30天的周期内围绕地球运行,反射太阳光照射其表面部分的阳光,并根据云层创造不同程度的自然环境照明。晴朗夜晚满月的室外亮度水平为0.25勒克斯[35]。在这项工作中,选择PL-Lux传感器作为具有电源线接口的勒克斯计,用于测量环境亮度水平。该智能传感器通过电力线直接与

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