基于杆载气象与声学感知的路灯自适应调光节能控制方法与流程

本发明涉及城市智慧照明与节能控制，具体为基于杆载气象与声学感知的路灯自适应调光节能控制方法。

背景技术：

1、城市道路照明是市政用电的主要耗能项之一。传统路灯控制方式以定时开关和固定亮度为主，无法根据环境条件与实际照明需求动态调节，导致大量无效照明能耗。随着智慧灯杆的推广，灯杆上已挂载或可低成本挂载气象传感器（能见度、降水量、风速等）和声学传感器，为路灯的智能化调光控制提供了新的感知手段。

2、现有技术中，已有将气象数据与声学数据分别用于路灯调光的方案。例如，发明专利公告号为cn118804446a的一种路灯照明节能控制方法及系统，通过对目标区域进行信息采集后分别进行环境分析、气象分析、交通分析和噪声分析，得到环境光感值、气象值、交通值和噪声分析结果，再根据预设策略进行整体联合分析后决定调控操作。该方案将气象与噪声作为并列的独立分析维度，各自产生分析结果后再进行决策层面的联合。又如，发明专利公告号为cn118973037a的一种自适应环境的太阳能路灯照明系统，通过处理模块处理环境噪声、天气和人流量等相关数据后，控制模块根据上述数据得出照明启动因子。该方案同样将噪声和天气作为独立输入参数进行加权处理。

3、上述现有技术均将气象数据与声学数据作为彼此独立的输入维度，在决策层进行简单的并列式融合。然而，在实际物理环境中，气象条件并非仅独立地影响照明需求，还会通过改变空气密度、湿度和风噪水平等物理因素直接影响声学信号的传播与采集特性，雨天时雨声会掩盖路面活动声，大风时风噪会抬高本底噪声水平。若不考虑这一物理耦合关系，在雨、雾、大风等气象条件下，声学传感器对路面活动强度的感知将产生系统性偏差，导致调光决策失准。现有技术中未见利用气象数据对声学感知进行物理层面校正的技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了弥补现有技术的不足，提供了基于杆载气象与声学感知的路灯自适应调光节能控制方法，通过建立气象-声学耦合校正模型，利用降水量、风速和相对湿度等气象数据对声学特征进行物理校正，消除气象因素对声学感知的干扰，使噪声活跃度评估在不同气象条件下保持一致性，从而实现准确的路面活动感知与合理的调光决策。

2、本发明为解决上述技术问题，提供如下技术方案：基于杆载气象与声学感知的路灯自适应调光节能控制方法，所述方法包括以下步骤：

3、s1、采集气象数据和环境噪声时域信号，所述气象数据包括能见度、降水量、风速和相对湿度；

4、s2、对所述环境噪声时域信号进行分帧、加窗和频域变换，提取等效连续a声级、频谱质心、频谱平坦度和短时能量方差；

5、s3、利用所述降水量对所述等效连续a声级进行雨噪声抑制校正，利用所述风速对所述等效连续a声级和所述频谱平坦度进行风噪校正，利用所述相对湿度对所述频谱质心进行高湿度补偿校正，得到校正等效连续a声级、校正频谱质心、校正频谱平坦度和校正短时能量方差；

6、s4、根据所述校正等效连续a声级、所述校正频谱质心、所述校正频谱平坦度和所述校正短时能量方差计算噪声活跃度评分；

7、s5、根据所述能见度、所述降水量、气温和所述风速计算气象照明需求因子；

8、s6、检测是否满足所述气象照明需求因子高于第一阈值且所述噪声活跃度评分低于第二阈值的矛盾场景条件，若满足则采用气象优先策略计算目标调光比，否则采用常规协同策略计算所述目标调光比；

9、s7、对所述目标调光比进行平滑处理后输出调光控制信号；

10、所述方法通过降水量、风速和相对湿度分别对等效声级、频谱平坦度和频谱质心进行物理校正，使校正后的声学特征在雨、风、雾等气象条件下仍能准确反映路面实际活动状态，为矛盾场景检测提供可靠的判断依据。

11、进一步地，所述s3中，所述雨噪声抑制校正包括：根据所述降水量p估计雨噪声贡献量，其中为雨噪声贡献系数，无量纲，取值范围0.10-0.20，表征单位降水量对声压级的贡献程度，通过实验室降水模拟标定获得，从所述等效连续a声级中减去得到所述校正等效连续a声级；

12、雨滴撞击路面和麦克风防风罩会产生附加声能，该公式通过降水量估算雨噪声的声压级贡献量，从实测声级中扣除后，剩余声级反映路面活动本身的声能量，避免将雨声误判为车流或人流活动。

13、更进一步地，所述s3中，所述风噪校正包括：当风速w超过3m/s时，估计风噪能量，其中为风噪贡献系数，无量纲，取值范围0.05-0.12，表征风速对声压级的贡献程度，通过现场实测标定获得，从当前等效声级中减去得到风噪校正后的等效连续a声级；

14、对所述频谱平坦度进行校正：，其中为平坦度风噪校正系数，无量纲，取值范围0.30-0.50，控制风噪对频谱平坦度的修正强度，15为强风风速阈值，单位m/s，当风速超过该值时风噪对频谱平坦度的影响趋于饱和，为风速饱和函数，表征风噪对平坦度的影响随风速增加而趋于饱和的物理特性，0.3为频谱平坦度下限基准值，表征路面活动信号在无风条件下的最小典型平坦度，为所述校正频谱平坦度；

15、风噪为宽带噪声，一方面整体抬高声压级，另一方面使频谱趋于平坦从而掩盖路面活动的频谱结构，该校正通过能量扣除使声级回归真实水平，同时通过平坦度回拨恢复路面活动信号的频谱起伏特征，避免将大风天气误判为无活动状态。

16、更进一步地，所述s3中，所述高湿度补偿校正包括：当所述相对湿度＞80%或所述能见度v＜1000m时，对所述频谱质心进行校正：，其中为湿度补偿系数，无量纲，取值范围0.03-0.08，表征单位相对湿度增量对频谱质心的校正强度，通过现场实测标定获得，0.8为高湿度触发阈值，对应相对湿度80%，此时空气中水汽含量显著增加，对高频声波的吸收作用开始影响频谱特征，0.2为归一化分母，对应从80%到100%的湿度增量范围，用于将相对湿度超阈值量映射到[0,1]区间，为所述校正频谱质心；

17、高湿度条件下空气中水汽增加会吸收中高频声波能量，使频谱质心向低频偏移，该校正通过湿度补偿将偏移后的频谱质心回拨至接近真实值，避免在人流活动为主的场景中因频谱质心偏低而误判为低频车流或安静状态。

18、更进一步地，所述s4中，所述噪声活跃度评分的计算公式为：，其中为所述校正等效连续a声级，为所述校正频谱质心，为所述校正频谱平坦度，为所述校正短时能量方差，norm为归一化函数，，其中和分别为该特征历史统计的5%分位数和95%分位数，将各特征值映射到[0,1]区间，、、、，分别为等效声级、频谱质心、频谱平坦度、短时能量方差的权重系数，反映各特征对活跃度评分的贡献程度，且；

19、将四个校正后的声学特征分别归一化至统一量纲后，按权重加权求和得到活跃度评分，使评分综合反映声能量大小、频谱分布位置、频谱起伏程度和活动断续性四个维度的信息，避免单一特征在特殊场景下导致误判。

20、更进一步地，所述s6中，所述矛盾场景条件为所述气象照明需求因子＞1.25且所述噪声活跃度评分＜0.20，所述气象优先策略为，其中为气象强制最低照度比，1.0为最高照度比上限，对应led驱动电源的满功率输出，0.5为气象强制最低照度比例系数，无量纲，表征在矛盾场景下气象照明需求因子对强制最低照度比的折算比例，为所述气象照明需求因子，，为分段线性映射函数，为取最大值函数，为取最小值函数，所述常规协同策略为，其中为道路类型决定的最低照度比，为最高照度比，取值为1.0；

21、当气象恶劣但感知活跃度极低时，存在两种可能：路面确无活动，或气象干扰导致声学感知被压制，该矛盾检测机制采用气象强制最低照度比作为保底值，使系统在无法准确判断路面状态时优先保障安全照明需求，避免因声学感知失效而导致照度不足，同时通过0.5的折算比例控制能耗增幅使其不超过满功率。

22、更进一步地，所述分段线性映射函数为：

23、

24、其中0.12为安静等级与低活跃等级的活跃度分界阈值，当低于该值时判定路面无活动，采用最低映射值0.25，0.30为低活跃与中活跃的分界阈值，0.60为中活跃与高活跃的分界阈值，0.80为高活跃与极高活跃的分界阈值，上述阈值通过对不同城市道路场景的实测数据聚类分析确定，0.25、0.55、0.75、0.90分别为安静、中活跃、高活跃、极高活跃等级起点的映射照度比，各分段分母0.18、0.30、0.20、0.20为该分段的活跃度区间长度，用于将活跃度偏差量映射到对应的照度增量范围；

25、该分段映射函数在活跃度极低时采用深度节能的0.25照度比，随活跃度提升照度阶梯上升但各段增速递减，体现“安静时段深度节能、活跃时段平缓提升至接近满功率但保留余量”的调光策略，避免照度随活动量线性增长导致过度照明和眩光。

26、更进一步地，所述s4中，还包括根据所述校正频谱质心和所述校正短时能量方差对声源类型进行分类标记：当所述校正频谱质心低于250hz且所述校正等效连续a声级高于52db时标记为车流主导类型，当所述校正频谱质心高于700hz且所述校正短时能量方差高于0.015时标记为人流主导类型；

27、车辆引擎和轮胎噪声能量集中在低频段，人声和脚步声能量集中在中高频段且具有断续性，通过校正后的频谱质心和能量方差两个维度联合判定声源类型，使调光策略能够根据路面主导活动类型做出差异化响应。

28、更进一步地，所述s7中，对所述目标调光比进行平滑处理之前还包括场景自适应微调：

29、当道路类型为主干道或快速路时将分段线性映射函数整体上移8%；

30、当道路类型为社区道路或步行街且声源类型标记为人流主导类型时，分段线性映射函数值增加0.05；

31、8%为上移比例，无量纲，表示将映射函数各档位的输出值乘以1.08，使主干道和快速路在各活跃度等级下的照度均高于普通道路，以保障高速行驶条件下的视觉安全，该取值根据cjj45-2015中主干道维持照度要求较次干道高约8%-10%确定，0.05为额外增加值，无量纲，用于社区道路或步行街在检测到人流主导时对映射值进行增量补偿，使行人活动区域获得更高的照度响应，取值依据夜间行人安全照度实验数据设定。

32、更进一步地，所述s7中，所述平滑处理包括变化率限制和时间滤波：相邻两次调光输出的变化量不超过0.08，采用一阶低通滤波器进行时间滤波，其中为当前时刻平滑后的调光比输出，为当前时刻目标调光比，为上一时刻平滑后的调光比输出，为平滑系数，无量纲，取值范围0.20-0.45，默认取0.30，控制当前时刻目标调光比在滤波结果中的权重，在车流主导场景下取0.45以快速跟随车流变化，在人流主导的社区道路取0.20以抑制照度频繁波动；

33、变化率限制0.08为最大单次调整步长，对应满功率的8%，避免照度突增或突减引起的视觉不适和灯具驱动电源的电流冲击，一阶低通滤波器通过值调节响应速度与平滑性的平衡，使调光输出既能够跟踪路面活动的变化趋势，又不会因瞬时噪声波动导致照度频繁抖动，延长灯具使用寿命。

34、与现有技术相比，该基于杆载气象与声学感知的路灯自适应调光节能控制方法具备如下有益效果：

35、一、本发明通过利用降水量对等效连续a声级进行雨噪声抑制校正、利用风速对等效连续a声级和频谱平坦度进行风噪校正、利用相对湿度对频谱质心进行高湿度补偿校正，建立了气象与声学之间的物理耦合校正模型，该校正机制能够消除降雨、大风和高湿度等气象条件对声学信号采集与特征提取的干扰，使校正后的声学特征真实反映路面实际活动状态，有效避免了雨声掩盖路面活动声、风噪抬高本底噪声以及高湿度导致频谱偏移等物理干扰引发的感知偏差，保障了噪声活跃度评估在不同气象条件下的评估一致性，从而提升了复杂气象环境下路灯调光决策的准确性。

36、二、本发明通过在气象照明需求因子高于第一阈值且噪声活跃度评分低于第二阈值时启动气象优先策略，以气象强制最低照度比作为保底值，在声学感知因恶劣气象条件可能失效的情况下优先保障道路基础照明安全，同时通过分段线性映射函数将噪声活跃度评分映射为照度需求，使调光比随路面活动强度阶梯式变化，在低活跃时段实现深度节能、在高活跃时段平缓提升照度，既避免了照度随活动量线性增长导致的过度照明与眩光问题，又兼顾了不同道路类型和活动场景的差异化照明需求，实现了安全照明与节能降耗的协同优化。

37、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。