多智能体技术在路灯节能控制系统的应用
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摘要：随着城市现代化的急速发展和新兴城镇的大量涌现，城市路灯照明建设与改造已成为重要课题之一。 目前，国内大多数城市路灯的控制是由变压器/配电箱进行分散控制，其控制功能单一，智能化程度低；而路灯分布区域广、自然或人为损坏率高等特点，也为路灯的管理和维护带来了很大困难。
中图分类号：TE08 文献标识码：A
目前我国城市照明的年用电量约占全国总发电量的 7%～8%，随着“十二五”规划及节能减排综合性30自动化与仪表 2012(12)工作方案等国家政策的出台，照明节电已成为除动力节电外的另一重大节电项目[1]。 实际上道路的照明水平一般是由外部因素决定的， 如道路交通流量、周围环境亮度和天气状况。 在不同季节或不同的夜晚时间，这些因素都可能有很大变化，如在行人和车辆都较少的后半夜，如照明还维持在交通高峰时的水平，将造成能源浪费。 此外，由于道路照明设计都会考虑到维护系数的影响，故新安装上路灯的道路的照度水平会超过实际需要的 20%，随着照明系统的光衰减才逐步接近实际所需的照度，这种过度照明不仅造成能源浪费，还会产生光污染[2]。 因此，对路灯照明节能系统的研究对实现国家节能减排目标、推动城市现代化建设具有重要意义。围绕上述问题，基于多智能体系统架构，本文提出一种新的分布式智能路灯节能控制系统，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，从而达到良好的节能效果。
1 总体设计方案
智能体（Agent）是指能够思想的，作用于自身和环境的物理的或抽象的实体[3]。 多智能体系统 MAS（multi-agent system）就是由多个可计算的智能体组成的一个松散的多智能体群，群内成员的活动是自治和独立的[4]。本文提出的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[5]。 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。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 各级智能体模块设计
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；
（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，设计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 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。 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。
3 节能工作原理
本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。 本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。
4 结语
本文介绍了基于多智能体技术的智能路灯节能控制系统，引入人工智能技术对路灯进行有效的分布式单灯控制，使其可依据周围实际环境亮度自动调节照度，解决了道路照度不均的问题，在阴雨天气等突发状况也能自动提供充足照度，还可有效避免道路过度照明的情况，达到了良好的节能效果。
参考文献：
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[3] Moghadam M H，Mozayani H. A street lighting control systembased on holonic structures and traffic system [C]//ComputerResearch and Development （ICCRD）2011，3rd International
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