Система автоматизированного энергосберегающего управления освещением участков автомобильных дорог
SYSTEM FOR AUTOMATED POWER-CONSERVING CONTROL OF ROAD SECTION ILLUMINATION

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к устройствам автоматизированного энергосберегающего управления освещением участков автомобильных дорог.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является управляющее устройство, система и способ для общественного освещения (патент РФ № 2427985, МПК Н05В 37/02, F21S 9/00, опубл. 27.08.2011, Бюл.№24).
Недостатком известных систем и способов является то, что датчики, дающие сигнал на управление осветительной установкой устанавливаются на освещаемом участке дорог, а также сложность, необходимость применения различных типов датчиков и, таким образом, ограниченная применимость их для автоматизированного энергосберегающего управления освещением участков автомобильных дорог.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение функциональных возможностей и области его использования за счет установки датчиков освещённости на неосвещаемом участке дороги, осуществления управления осветительными приборами за счёт использования в системе управления только датчиков освещённости, достижения возможности сокращения времени работы осветительных приборов за счёт их отключения при покидании транспортным средством освещаемого участка.
В результате использования предлагаемого изобретения появляется возможность в обеспечивании энергосбережения в освещении участков автомобильных дорог за счёт автоматического управления освещением, а также сохранении ресурса осветительного оборудования, источников питания и оборудования системы электроснабжения осветительной установки за счет того, что система содержит устройства контроля искусственной и естественной освещённости, блок управления системой освещения, блоки управления, осветительные приборы, контакты управления осветительными приборами, источники питания осветительных приборов.
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что предлагаемая система автоматизированного энергосберегающего управления освещением участков автомобильных дорог, содержащая блоки управления осветительными приборами, согласно изобретению, снабжена устройствами контроля искусственной и естественной освещённости, которые фиксируют наличие освещённости от фар технического средства и естественной освещённости, а также выполняют их сравнение и включают в себя датчики освещённости от фар транспортного средства, контролирующие въезд транспортного средства на контролируемый участок дороги, датчики естественной освещённости, датчики освещённости от фар транспортного средства, контролирующие выезд транспортного средства с контролируемого участка дороги, а также элементы логического отрицания, логического умножения и устройства передачи данных, устанавливаемые на опоре вне освещаемого участка дороги и соединённые с блоком управления системой освещения по беспроводной связи, блоком управления системой освещения, соединённым с устройствами контроля искусственной и естественной освещённости и с блоками управления осветительными приборами по беспроводной связи, который осуществляет обработку сигналов, поступающих от устройств контроля искусственной и естественной освещённости, формирует сигнал на включение и отключение осветительных приборов и включает в себя логические элементы повторения сигнала, элементы логического суммирования, элемент логического отрицания, элементы логического умножения, элементы задержки сигнала, устройство приёма данных и  устройство передачи данных, блоками управления осветительными приборами, соединёнными с блоком управления системой освещения по беспроводной связи и с контактами управления осветительными приборами электромеханически, которые осуществляют включение и отключение осветительных приборов по команде от блока управления системой освещения и включают в себя устройства приёма данных и логические элементы запоминания, осветительными приборами, которые осуществляют освещение участка дороги и соединены с контактами управления осветительными приборами проводным соединением, контактами управления осветительными приборами, которые соединены проводным соединением с осветительными приборами и с источниками питания осветительных приборов и осуществляют посредством замыкания и размыкания соединение и разъединение осветительных приборов с источниками их питания, источниками питания осветительных приборов, которые осуществляют питание осветительных приборов и соединены проводным соединением с контактами управления осветительными приборами.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема системы автоматизированного энергосберегающего управления освещением участков автомобильных дорог (САЭУОД).
Система автоматизированного энергосберегающего управления освещением участков автомобильных дорог, согласно фиг., содержит, осветительный прибор ОП1, устройство  контроля искусственной и естественной освещённости УКИЕО2,  устройство  контроля искусственной и естественной освещённости УКИЕО3, блок управления системой освещённости БУСО4, блок управления осветительным прибором БУОП5, источник питания осветительного прибора ИПОП28; контакт управления осветительным прибором КУОП29; транспортное средство ТС30.
Устройство контроля искусственной и естественной освещённости УКИЕО2 содержит датчик освещённости от фар транспортного средства ДОФВ31, контролирующий въезд транспортного средства на контролируемый участок дороги, датчик естественной освещённости ДЕО32,  датчик освещённости от фар транспортного средства, контролирующий выезд транспортного средства с контролируемого участка дороги ДОФВы33, элемент НЕ34, элемент И6, устройство передачи данных УПД23.
Устройство контроля искусственной и естественной освещённости УКИЕО3 содержит: датчик освещённости от фар транспортного средства ДОФВ15, контролирующий въезд транспортного средства на контролируемый участок дороги, датчик естественной освещённости ДЕО16,  датчик освещённости от фар транспортного средства ДОФВы17, контролирующий выезд транспортного средства с контролируемого участка дороги, элемент НЕ19, элемент И20, устройство передачи данных УПД24.
Блок управления системой освещения БУСО4 содержит логический элемент Повторитель8, логический элемент Повторитель21, логический элемент ИЛИ9, логический элемент НЕ22, логический элемент И10, логический элемент Задержка13, логический элемент Задержка18, логический элемент ИЛИ14, логический элемент ИЛИ11, логический элемент ИЛИ7, устройство приёма данных УПрД25, устройство передачи данных УПД26.
Блок управления осветительным прибором БУОП5 содержит устройство приёма данных УПрД27, логический элемент Память 12.
УКИЕО2 установлен на опоре вне освещаемого участка автомобильной дороги, на границе контролируемого участка автомобильной дороги и соединён с БУСО4 беспроводным соединением.  УКИЕО3 установлен на опоре вне освещаемого участка автомобильной дороги с другой по отношению к УКИЕО2 стороны участка дороги на границе контролируемого участка автомобильной дороги и соединён с БУСО4 беспроводным соединением. БУОП5 установлен на той же опоре, что и ОП1 и соединён с БУСО4 беспроводным соединением, а с КУОП29 – электромеханически. ОП1 установлен на опоре и соединён проводным соединением с КУОП29. КУОП29 установлен в том же месте, где и БУОП5 и соединён проводным соединением с ОП1 и электромеханически с БУОП5. ИПОП28 может представлять собой, например, фотоэлектрический источник питания и быть установлен на опоре, соединён проводным соединением с КУОП29.
В составе УКИЕО2 датчик ДОФВ31 соединён с И6, ДЕО32 соединён с НЕ34, НЕ34 соединён с И6, ДОФВы33 соединён с УПД23, И6 соединён с ДОФВ31, НЕ34 и УПД23, устройство УПД23 соединено с элементом И6, датчиками ДОФВ31, ДОФВы33 и, по беспроводному соединению, с БУСО4.
В составе УКИЕО3 датчик ДОФВ15 соединён с И20, ДЕО16 соединён с НЕ19, НЕ19 соединён с И20, ДОФВы17 соединён с УПД24, И20 соединён с ДОФВ15, НЕ19 и УПД24, устройство УПД24 соединено с элементом И20, датчиками ДОФВ15, ДОФВы17 и, по беспроводному соединению, с БУСО4.
В составе БУСО4 элемент Повторитель8 соединён с элементом УПрД25 и с элементом ИЛИ9, Повторитель21  соединён с элементом УПрД25 и с элементом ИЛИ9. ИЛИ9 соединён с элементами Повторитель8 и Повторитель 21, а также с элементом НЕ22, элемент НЕ22 соединён с элементом И10, И10 соединён с элементами НЕ22, ИЛИ14, ИЛИ11, элемент Задержка13 соединён с элементом УПрД25 и с элементом ИЛИ14, элемент Задержка18 соединён с элементом УПрД25 и с элементом ИЛИ14, элемент ИЛИ14 соединён с элементами Задержка13, Задержка18 и И10, элемент ИЛИ11 соединён с элементами И10, устройством УПрД25, устройством  УПД26, элемент ИЛИ7 соединён с УПрД25 и УПД26, устройство УПД26 соединено с элементом ИЛИ11 и, по беспроводному соединению, с БУОП5, устройство УПрД25 соединено с элементами Повторитель8, Повторитель21, ИЛИ7, Задержка13, Задержка18, ИЛИ11 и, по беспроводной связи, с устройствами УКИЕО2 и УКИЕО3.
В составе БУОП5 устройство УПрД27 соединено с элементом Память12 и, по беспроводному соединению, с БУСО4, элемент Память12 соединён с УПрД27 и, электромеханически, с КУОП29.
Система работает следующим образом.
Работа САЭУОД на примере ситуации, в которой въезд ТС30 осуществляется со стороны места установки УКИЕО2.  При этом датчик ДОФВ31 реагирует на свет фар ТС30 и с его выхода сигнал подаётся на один из входов элемента И6. Если в этот момент на улице тёмное время суток, то будет отсутствовать сигнал с датчика естественной освещённости ДЕО32, а на выходе элемента НЕ34 он будет присутствовать и будет подан на второй вход элемента И6. В этом случае появится сигнал на выходе И6 и будет подан в УПД23 для передачи его по каналу передачи данных в блок управления системой освещения БУСО4. Сигнал будет принят устройством приёма данных УПрД25 и передан на элементы ИЛИ7 и Повторитель 8. С выхода элемента ИЛИ 7 сигнал будет подан на вход УПД26 и передан им по каналу передачи данных на УПрД27 блока БУОП5. С выхода УПрД27 сигнал будет подан на вход элемента Память12, который запомнит данный сигнал и подаст команду на включение контакта КУОП29. КУОП29 замкнётся, подавая питание от ИПОП28 на осветительный прибор ОП1. На фиг. показан один осветительный прибор. На практике, в зависимости от длины освещаемого участка может быть несколько осветительных приборов (светильников), которые могут включаться как с помощью одного блока БУОП5 (в случае, если источником питания ИПОП28 является электрическая сеть), так и с помощью индивидуальных БУОП5, устанавливаемых непосредственно на светильниках. Такой вариант может использоваться при оснащении светильников индивидуальными источниками питания ИПОП28, например, фотоэлектрическими источниками питания - солнечными батареями (СБ) с аккумуляторными батареями (АБ). В этом случае УПД26 передаст одновременно (или, если предусмотреть это в логике УПД, последовательно с выдержкой времени) сигнал на все УПД блоков управления осветительными приборами. Элемент Повторитель8, при появлении сигнала на его входе, выдаст сигнал, причём этот сигнал будет иметь заданную продолжительность времени. Этот сигнал будет подан на Элемент ИЛИ9, с выхода которого поступит на элемент НЕ22. В этом случае сигнал с выхода НЕ22 исчезнет на время, равное времени выдачи сигнала элементом Повторитель8. Особенность элемента Повторитель8 в том, что он обновляет начало отсчёта каждый раз, когда появляется сигнал на его входе. После окончания отсчета времени повторителем и окончания выдачи им сигнала на выходе НЕ22 сигнал снова появится и будет подан на вход И10. ТС30 выедет из освещаемого участка и свет его фар воздействует на датчик ДОФВы17 (если ТС30 ехало по участку транзитом), или на ДОФВы33 (если ТС30 развернулось на освещаемом участке и поехало в обратную сторону. Датчик ДОФВы17 выдаст сигнал на УПД24, которое передаст его по каналу связи в УПрД25. С выхода УПрД25 сигнал будет подан на элемент Задержка18, который начнёт отсчёт времени до выдачи сигнала. Особенность элемента Задержка18 в том, что он обновляет начало отсчёта каждый раз, когда появляется сигнал на его входе. После отсчёта времени задержки с выхода элемента Задержка 18 будет подан сигнал на один из входов элемента ИЛИ14, с выхода которого сигнал будет подан на второй вход элемента И10. Если к этому времени уже исчез сигнал с элемента Повторитель8, то на первом входе И10 присутствует сигнал с выхода НЕ22. В этом случае элемент И10 выдаст сигнал на вход элемента ИЛИ11, который передаст его в УПД26. УПД26 передаст сигнал по каналу передачи данных в УПрД27.  Это сигнал сброса элемента Память12. Он будет подан на Память12 с элемента УПрД27. С выхода элемента Память12 исчезнет сигнал, вследствие чего будет отключен КУОП29, отключая ОП1. Аналогично схема работает при въезде ТС30 с другой стороны освещаемого участка. Отличие заключается только в том, какой датчик выдаёт сигнал на срабатывание и отключение схемы. Элементы ИЛИ9, ИЛИ14 обеспечивают правильность работы схемы при разной траектории движения ТС30 по освещаемому участку, а также при ситуациях, когда на участок въезжают, или выезжают из него несколько ТС30, в том числе с разных сторон. Элемент ИЛИ11 обеспечивает возможность отключения ОП1 при выезде всех ТС30 с освещаемого участка за счёт команд, поступивших с датчиков ДОФВы33, или ДОФВы17, а также отключение ОП1 при наступлении светлого времени суток. В светлое время суток имеется сигнал с выхода элементов ДЕО32 и ДЕО16.  С ДЕО32 сигнал подаётся на вход НЕ34, блокируя возможность срабатывания элемента И6 и на УПД13. С элемента УПД13 сигнал передаётся на вход УПрД25 и далее, с его выхода, на элемент ИЛИ11, приводя к его срабатыванию и последующему отключению ОП1. Аналогично,  с выхода ДЕО16 сигнал подаётся на вход НЕ19, блокируя И20 и на УПД24, а оттуда на вход УПрД25. С выхода УПрД25 сигнал подаётся на ИЛИ11, также отключая ОП1.
Работа САЭУОД когда на освещаемый участок последовательно въезжают несколько ТС30 и затем выезжают с него, не приводит к несвоевременному отключению ОП1 за счёт особенностей работы элементов Повторитель8, Повторитель21, а также Задержка13 и Задержка 18.   Обновление начала отсчёта ими времени, для повторителей на исчезновение сигнала, а для задержек – на появление сигнала обеспечивает возможность блокировки отключения ОП1 при нахождении на освещаемом участке хотя бы одного ТС30. Время отсчёта, которое задаётся в элементы Повторитель 8, Повторитель21, а также Задержка13 и Задержка 18 зависит от протяжённости освещаемого участка. Его можно определить следующим образом.
Время выдачи сигнала элементами Повторитель 8, Повторитель21:
, с
ПОВТ
уч
ср
где t -  время выдачи сигнала элементами Повторитель 8, Повторитель21, сек; S – протяжённость участка дороги между местами, размещения датчиков ДОФВ31 (ДОФВ15) и ДОФВы17 (ДОФВы33) (контролируемый участок автодороги), м; V – средняя скорость движения ТС30 на данном участке, м/с.
Время задержки выдачи сигнала элементами Задержка13 и Задержка 18:
, с
ЗАДЕРЖ
где t-  время задержки выдачи сигнала элементами Задержка13 и Задержка 18, с.
Оба интервала времени задаются равными времени проезда по указанному участку со средней скоростью. Это решение обосновывается следующим. После въезда на контролируемый участок первого ТС30 схема сработает и элемент Повторитель8 или Повторитель21 начнет выдачу сигнала, блокирующего возможность отключения ОП1. Если ТС30 двигается со скоростью меньше средней, то свет не будет отключен до выезда его с участка и появления, вследствие  воздействия света его фар на один из датчиков ДОФВы33, или ДОФВы17 с учётом задержки времени отключения, заданной в элементах Задержка13, или Задержка 18. То есть отключение ОП1 не произойдёт во время движения ТС30 по контролируемому участку.
Суммарное время работы ОП1 в этом случае можно определить:
, с                                              (1.3)
учХ
ТС
где  S – протяжённость  участка от того места, где находилось ТС30 в момент окончания отсчёта времени элементом Повторитель8 (или Повторитель21) до места, в котором фары ТС30 приводят в действие ДОФВы33, или ДОФВы17, м; V –скорость движения ТС30 на участке, м/с.
Если скорость движения ТС30 выше средней, то суммарное время работы ОП1 в этом случае можно определить:
, с
уч
ТС
где  S– протяжённость контролируемого участка, м; V –скорость движения ТС30 на участке, м/с.
Если же ТС30 движется по участку со средней скоростью, то:
, с
Если выполнить управление освещением так, чтобы ОП1 включался на заданное время и затем автоматически выключался, то ТС30 с малой скоростью движения могут не успеть покинуть освещаемый участок дороги до отключения ОП1, что может создать опасность ввиду воздействия резкого снижения светового потока на его зрение. Предлагаемая схема САЭУОД не имеет данного недостатка.
Обнуление же начала отсчёта элементов Повторители и Задержки обеспечивает правильность работы при движении нескольких ТС30 по контролируемому участку автодороги.
Таким образом, предлагаемая система автоматизированного энергосберегающего управления освещением участков автомобильных дорог обеспечивает энергосбережение в освещении участков автомобильных дорог за счёт автоматического управления освещением, а также позволяет сохранить ресурс осветительного оборудования, источников питания и оборудования системы электроснабжения осветительной установки.