УДК 621

Автономные системы интеллектуального светодиодного освещения автомобильных дорог

Садыков Максат Амангелдиевич – кандидат физико-математических наук, доцент кафедры «Строительство автомобильных дорог, мостов и тоннелей» Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова (Бишек, Кыргызская Республика)

Курбанбаев Алайбек Боробоевич – кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство автомобильных дорог, мостов и тоннелей» Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова (Бишек, Кыргызская Республика)

Саткыналиев Каныбек Ташболотович – кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительство автомобильных дорог, мостов и тоннелей» Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова (Бишек, Кыргызская Республика)

Приходько Алаксей Анатольевич – преподаватель кафедры «Строительство автомобильных дорог, мостов и тоннелей» Кыргызского государственного технического университета им. И. Раззакова(Бишек, Кыргызская Республика)

Аннотация: В статье представлена интеллектуальная система управления светодиодным освещением, применимая к автономным электроосветительным установкам, светильникам наружного освещения на столбах, предназначенным для освещения автомагистралей, дорог, улиц и прилегающих территорий. Она объединяет все локальные системы освещения, в которых датчик движения и светодиодный светильник интегрированы в одну сеть. Включение светодиодного светильника на пониженную мощность осуществляется автоматически при снижении уровня внешнего естественного освещения ниже определенного порового. В случае появления движущегося объекта вдоль датчиков соседних локальных систем освещения определяются скорость и направления его движения.

Ключевые слова: локальная система освещения, интеллектуальное управление, узел сети, датчик движения, светодиодный светильник.

Основа развития мировой электроэнергетики – модернизация и переход на качественно новый уровень энергетических систем с последующим преобразованием их в интеллектуальные. Общеизвестным является то обстоятельство, что качество освещения дорог благоприятно сказывается на зрительном восприятии водителями пространства, а также повышает степень безопасность движения на дороге, в то время, как недостаточно освещенное пространство существенно усугубляет обстановку на дороге [1].

Система уличного и дорожного освещения на территории крупных городов страны считается энергоемкими объектами. В связи с этим, расход электроэнергии при их использовании может достигать порядка 40% от общего энергопотребления города в целом [2]. Вместе с тем постоянное увеличение расходов на эксплуатацию исследуемого освещения вынуждает муниципальное образование существенно сокращать его использование практически до полного отказа [3]. По этой причине наиболее эффективное управление электропотреблением системы уличного освещения выступает в качестве одной из наиболее значимых задач оптимизации действующих энергетических систем, которые также связаны и с началом массового использования светодиодной техники.

В настоящее время существуют различные системы управления уличным освещением. Данные системы по способу управлению представляется возможным разделить на следующие основные группы [4]:

1. Системы ручного управления. Включение и отключение осветительных установок осуществляется ручным обслуживанием.
2. Системы управления по заданному временному графику. Устанавливается график включения и отключения, осуществляется управление в автоматическом режиме согласно установленному графику.
3. Системы управления по освещенности. Регулирование мощностью реализуется с жестким алгоритмом по показаниям датчика освещенности [5].

Как показывает практика, потенциал экономии электроэнергии, в преимущественном большинстве систем, как уличного, так и дорожного освещения, может составить порядка 60% [6].

Дополнительное энергоснабжение может быть достигнуто посредством использования специализированных датчиков для включения исследуемых видов освещения. Зачастую, применяемые системы управления освещением обладают весомыми недостатками для водителей. Но для пешехода – это безопасно, поскольку его скорость движения не превышает 5,0 км/ч.

Другая ситуация возникает при приближении к автономной системе освещения автомобиля, движущегося со скоростью, например, 60 км/ч. В момент включения освещения на полную мощность, водитель может обнаружить в нескольких метрах от себя по ходу движения препятствие, например припаркованный автомобиль. При этом избежать столкновения нельзя. Поэтому необходимо освещать дорогу по ходу движения автомобиля, превышающий его тормозной путь, с учетом реакции водителя.

Целью исследования являлось создание интеллектуальной системы управления уличным светодиодным освещением (СО), обеспечивающим экономию электроэнергии, с одной стороны, и безопасное движение транспортных средств по автомагистралям, дорогам, улицам и всем другим прилегающим территориям, с другой.

Интеллектуальное управление освещением

Система контроля уличного СО включает: измерение уровня внешнего естественного освещения, определение факта наличия объектов в зоне покрытия каждой отдельно взятой локальной системы освещения (ЛСО), включение СО локальной системы с использованием пониженной мощности, включение СО локальной системы освещения на максимально мощности.

Во время появления транспортного средства или другого объекта в пределах диапазона датчика движения одной отдельно взятой ЛСО, она переключается в режим повышенной мощности. В дополнение к этому фиксируется время появления упомянутого средства в зоне действия ЛСО. Эта метка времени и соответствующий номер узла сети, в которой соседним узлам. При возникновении транспортного средства в зоне покрытия другой ЛСО время его появления снова фиксируется. Зная расстояние между узлами сети, определяется вектор скорости движущегося объекта. После – рассчитывается количество узлов сети, расположенных вдоль хода движения объекта, светодиодные осветительные приборы которых должны включаться с довольно повышенной мощностью. Чем выше скорость объекта, тем больше включается светодиодов, установленных вдоль пути его движения.

Кроме того, мощность светодиодных светильников ЛСО плавно увеличивается до максимума по мере приближения объекта к следующей ЛСО. Исключены резкие изменения уровня освещенности на проезжей части, что делает движение более безопасным.

Схема системы управления уличным СО показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема устройтва системы управления уличным СО.

Система понимает под собой такую сеть, узлы которой являются соединенными между собой довольно простой цифровой шиной передачи данных DB. Каждый сетевой узел состоит из: датчика движения MSi, светодиодной лампы LLi, микроконтроллера со встроенным часами MCi, светочувствительного датчика LSI, интерфейсных блоков IUi.

Представленная система функционирует так: датчик освещенности подает сигнал на вход микроконтроллера. Когда уровень внешнего естественного света снижается менее критического,  микроконтроллеры включают все светодиодные лампы с пониженным уровнем мощности.

Когда в зоне обслуживания одной из ЛСО (сетевых узлов) транспортного средства появляется другой схожий объект, запускается датчик движения, например датчик 1 движения первого сетевого узла на рисунке 1. Его сигнал подается на вход микроконтроллера МС1, посредством которого светодиодная лампа LL1 переходит в режим повышенной мощности. Кроме того, с помощью встроенного микроконтроллера часов реального времени фиксируется момент появления транспортного средства в этой зоне. Эта информация затем передается микроконтроллером МС1 и через интерфейсный модуль IU1 вместе данным уникальным номером узла-на все другие узлы сети через цифровую шину. Далее, по мере перемещения объекта, он входит в зону покрытия другой ЛСО (другой сетевой узел), например зону действия датчика MS2 движения второго сетевого узла на чертеже. С помощью микроконтроллера MS2 этого узла сеть посредством встроенных часов фиксирует момент появления транспортного средства в зоне узла. Зная расстояние между узлами сети, микроконтроллер вычисляет вектор скорости данного транспортного средства. Затем, вычисляется количество узлов сети, установленных по ходу движение объекта. Микроконтроллер передает эту информацию через общую цифровую шину.

При интенсивном движении по дорогам сигналы непрерывно поступают практически от всех ЛСО, поэтому правильным будет переход в режим энергопотребления. Положительный эффект от  применения системы связан с экономией электроэнергии, непроизводительные издержки которой особенно велики в ночное время, когда движение по улицам минимальное.

Цифровая шина

В качестве цифровой шины, вполне может быть использовано любое техническое решение. Но использование именно PLC-модемов предоставит уникальную возможность использовать линии электропередачи одновременно для передачи данных.

Наиболее приемлемо использование шины САN, хорошо поддерживаемой производителями. Конечные узлы шины довольно дешевы и обеспечивают требуемую функциональность, но требуется двухпроводная линия передачи и общий провод для функционирования.

Довольно хорошим решением для шины САN выступает использование специализированных беспроводных адаптеров, например [7, 8]. Стоит отметить, что расширитель включает в себя радиочастотный (RF) и низкочастотный (LF) транзистор. Первый – функционирует как передатчик  и как высокочастотный регенеративный приемник. В последнем случае цифровой сигнал RX подлежит формированию с компаратором CMP.

Рисунок 2. Беспроводной расширитель CAN- шины.

Датчик движения

Один из наиболее важных компонентов разработанной интеллектуальной системы управления – датчик движения. Часто возникает проблема, связанная со своевременным запуском записывающего оборудования, когда движущийся объект находится в данной зоне управления. Представленная задача достаточно просто и легко решается посредством использования автоматической блокировки радиосигналов (ARB), которая в свою очередь осуществляет обеспечение, как бесконтактного, так и дистанционного выявления транспорта, а также выдачу соответствующей команды <<пуск>> для измерительной системы [9].

Конструкция устройства построена на эффекте ARB, который был разработан авторами [9]. ARB – приемно-передающий автодинный модуль (АМ) фланцевого типа (рис. 3). Модуль выполнен на диоде Ганна АА727А 8-миллиметрового диапазона длин волн. Антенна А – роговой объектив с шириной лепестка в вертикальной плоскости 10* и в горизонтальной плоскости 6°. Подача на диод Ганна генератора проходит через специальной блок (SU) изоляции полезного сигнала, который преобразует автодинные изменения тока в напряжение. Автодинный потенциал составляет порядка 95дБ в диапазоне частот от 10,0 Гц до 3,5 кГц.

Чтобы зафиксировать момент минимальной аппроксимации движущегося объекта в заданном секторе, авторы использовали схему анализа трехканального сигнала. Канал амплитудного анализа АА срабатывает, когда уровень сигнала превышает пороговой. Канал для анализа скорости изменения амплитуды сигнала (ВА) запускает переход от значения положительной производной к отрицательному. Канал для выбора периода (SP) инициируется появлением во входном сигнале периода в указанном диапазоне продолжительности. Представленный алгоритм обработки сигналов способствует соответствующей защите от ложных тревог.

Рисунок 3. Функциональная схема прибора на эффекте ARB.

В [10] авторы проводили исследование существующей возможности взаимодействия датчиков движения, которые базируются на автодинном радиоблокировании. Сформированная система называется «ЛЕС». Два датчика применялись с целью обеспечения движения транспортного средства на дороге. Как уже упоминалось, из траектории объекта Т в диапазоне 15-25 м и на расстоянии D между собой были установлены два автодинных блока радиоблокировок ARB-1 и ARB-2 (рис. 4). Авторы приводят рекомендации по использованию инструментов, диаграммы этих ARB направлены немного на движение объекта и под углом ϕ, который приблизительно равен половине ширины диаграммы направленности антенны (рис. 4).

Для фиксации момента проезда объектом первого датчика ARB-1 его сигнал (рис. 5, цифра 1) попадается на первый амплитудный компаратор блока обработки сигналов (SPU).

Пороговой уровень компаратора на рисунке 5 обозначен линией 2. На выходе компаратора формируется импульсы с нормированной амплитудой (кривая 3) . Эти импульсы соответствуют переходам сигнала через «нуль» и подаются в контроллер SPU, где выполняются подсчет числа импульсов и выделение на перед заданного периода с определением его длительности. В конце периода (рис. 5, кривая 4) формируется начало интервал Т измерений. Выходной сигнал второго автономного датчика ARB-2 (рис. 5, цифра 1) подается во второй компаратор амплитуды, пороговым уровнем которого является линия 2, и она находится в 1,5-2 раза ниже, чем уровень первого. Поэтому на выходе второго компаратора импульсы 3 оказываются «раньше», чем на входе первого, и их общее число в течение длительности сигнала больше. Импульсы 3, принимаемые контроллером обрабатываются путем измерения длительности периодов входного сигнала. Когда появляется период с длительностью, превышающей период ARB-1, формируется задний фронт интервала Т измерений (рис. 5, кривая 4, ARB-2). Помимо этого, он подается на вход типичного баллистического хронометра (IU) для обеспечения измерений его продолжительности.

Рисунок 4. Схема установки системы «Лес» при проведении испытаний.

 

Рисунок 5. Принцип обработки сигналов, принятых от ARB-1 и ARB-2.

Выводы

1. Разработана интеллектуальная система управления СО, светильникам наружного освещения, автомагистралей, дорог, улиц.
2. Светодиодное освещение включается автоматически, когда уровень внешнего естественного света падает ниже определенного уровня, на понижений мощности. Когда на экране появляется транспортное средство (например, легковой автомобиль), СО включается на полную мощность.
3. В разработанной системе объединены все ЛСО, в которых датчик движения и светодиодный светильник, являются интегрированными в одну сеть. В рассматриваемом случае вдоль датчиков движения соседних ЛСО выявляются скорость и направление движения объекта.
4. По рассчитанной скорости вычисляются количество ЛСО, светодиодные светильники которых должны быть включены на высокую мощность.
5. Посредством динамического управления мощностью светодиодных светильников по степени возникновения в зоне действия исследуемой системы транспортных средств представляется возможным достичь довольно большую экономию электроэнергии, но безопасность движения остается высокой. Плавные изменения их мощности снижают нагрузку на водителя. Аргументированно обоснован выбор датчика движения на основе автодинного радиоблокирования.

Список литературы

1. Васильев А. П. Строительство и реконструкция автомобильных дорог: справочная энциклопедия дорожника / А. П. Васильев Б. С. Марьшев В. В. Силкин; под ред. А. П. Васильева. М.: Информавтодор, 2005. Т. 1. 646 с.
2. Эннс О. Интеллектуальные системы уличного освещения / О. Эннс // Энергосбережение. 2008. № 1. С. 58-62.
3. Титова Г. Р. Применение нано технологий для энергосбережения в наружном освещении и ЖКХ Москвы / Г. Р. Титова // Энергосбережение. 2008. № 5. С. 68-69.
4. Семенова Н. Г. Интеллектуальная система энерго эффективного управления уличным освещением на основе нейросетевых технологий / Н. Г. Семенова // Вестник ОГУ. 2015. Т. 179. № 4. С. 183-188.
5. Киричок,А.И. Автоматизаций наружного освещения как инструмент энергосбережение / А. И. Киричок // Мир дорог. 2012. № 63. С. 38-40.
6. Казаринов Л. С. Концепция повышение энергетической эффективности комплексов наружного освещения / Л. С. Казаринов, Е. В. Вставская // Фундаментальные исследование 2011. Т. 3, № 12. С. 553-558.
7. Радиочастотный модуль цифровой шины: пат. № 114025 Украина: МПК Н04В 7/17 (200601), Н04В 7/24 (200601), G08С 17/02 (200601),G08C 19/02 (2006,01) / И. Б. Широков, И. С. Аблякимов; дата публ. 10:04.2017.
8. Радиочастотный модуль цифровой шины: пат. № 114107 Украина: МПК Н08В 7/17 (2006.01), Н04В 7/24 (2006.01), G08С 19/02 (2006.01), G08С 17/02 (2006.01) / И. Б. Широков: дата публ. 25.04.2017.
9. Носков, В. Я. Об энергетическом потенциале автодин / В. Я. Носков // 24nd Int. Crimean Conf. “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo 2014)? Sevastopol, 2014. P. 1029-1030.
10. Носков, В. Я. Автодинная радиоблокировка 8-миллиметрового диапазона для провидения баллистических испытаний / В. Я. Носков // 23nd Lnt. Crimean Conf. “Microwave & Telecommnunication Technology” (CriMiCo 2013). Sevastopol, 2013. P. 1041.