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US DOT Intelligent Transportation Systems

Standards for Electrical and Lighting Management Systems

Control & Monitoring of Power & Lighting for Enhanced Safety, Reliability, Resource Allocation 

and Energy Savings

Speaker

2

Jim FrazerITS / Smart Grid Consulting Engineer

Chairman  ‐ US DOT Intelligent Transportation Systems Electrical Lighting and Management Systems Committee 

Chairman  ‐ Illuminating Engineering Society’s   Roadway Lighting Energy Management Committee

Contributor  ‐ IEEE P2030.1 Draft Guide for Electric‐Sourced Transportation Infrastructure

Agenda

• Goals of the US DOT & US DOE• Typical Roadway Lighting System Architecture• Case Studies• What is ITS & ELMS?• ELMS Features & Benefits• How to Specify ITS & ELMS Projects• What’s in the Future?• Resources for Learning More• The Big Picture: Global Competitiveness, Economic 

Development

Learning Objective # 1

© US DOT 2012

The USDOT Integrated Framework

4

5

The US Smart Grid Framework

Learning Objective # 1

Subhead (Arial Bold 28 PT Green)

Text (Arial 24 PT Black)

Bullets Bullet 1 Bullet 2 Bullet 2

Sub bullets

NTCIP 1213

Roadway Lighting System Architecture

Management Center

Data Collector

Field Devices

Interoperable System Architecture

Management Center

Data Collector Interface Standards

Field Device Interface Standards

Interoperable Standards Development Focus

8

Definition and Purpose of an ELMS

An ELMS is defined as any system or device capable of sensing 

and communicating near real‐time electrical and lighting 

parameters using the US DOT’s NTCIP communications 

protocol.

9

ELMS Case Study – Anytown, USA You’re the public works manager responsible for:

traffic signals, roadway lighting, and infrastructure.

Users the finance director field staff

You need to: deploy dimmable LED street lighting  prepare for adaptive dynamic roadway lighting systems          

of the future   minimize ground fault injuries

10

ELMS Case Study – Anytown, USAThe User Needs

Energy use must be controllable Power outages must be communicated in near real‐time Dimmable LED lighting must be deployed Adaptive control of lighting based on vehicular and pedestrian traffic must be deployed Ground fault conditions must be communicated in near real‐time

11

ELMS Case Study – Anytown, USA

You’ve reviewed ELMS standards‐based solutions You consider ELMS‐based solutions very promising  You then ask yourself

Can an ELMS system satisfy these five  wide ranging user needs?

The answer is YES

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ELMS Case Study – A City in MinnesotaThe User Needs

During a downtown reconstruction project, these user needs were identified:

Lighting system attributes must be monitored

Ground fault conditions must be communicated in near real‐time.

Selected lighting fixtures must be turned off during non‐peak periods

13

ELMS Case Study – A City in MinnesotaThe Results

Roadway lighting system attributes are monitored.

Ground fault conditions are communicated in near real‐time.

Selected lighting fixtures are turned off during non‐peak periods.

14

ELMS Case Study – A County in FloridaThe User Needs

Due to severe and fatal injuries of people and animals, these user needs were recognized:

Ground fault conditions must be communicated in near real‐time

Data must be logged Reports of alarms must be 

generated

15

ELMS Case Study – A County in FloridaThe Result

Ground fault conditions are communicated in near real‐time Data is logged Reports of alarms are generated

16

ELMS Case Study – Washington State DOTThe User Needs

During a tunnel and bridge project, these user needs were identified:

Energy use must be controlled Power outages must be 

communicated in near real‐time Adaptive control of lighting 

based on ambient light levels must be deployed

17

ELMS Case Study – Washington State DOTThe Results

Energy use is controlled Power outages are communicated in near real‐time Adaptive control of lighting based on ambient light levels is deployed

What are Intelligent Transportation Systems?

• The term intelligent transportation system (ITS) describes the process of adding control, monitoring and communications technology to transportation infrastructure and vehicles to improve safety, reduce energy consumption, and to reduce vehicle wear, and transportation time.

• Development and application of ITS technology is also driven by the need for homeland security, and many of the proposed ITS systems also involve surveillance of the roadways.

• Additionally, through coordination with the U.S. Department of Energy, many ITS applications are also supported, enhanced and on occasion, driven by the needs of the Smart Grid electrical distribution technologies.

What is an ELMS?• An ELMS is defined as any system that is able to automatically control and 

manage roadside electrical and lighting devices using the National Transportation Communications for Intelligent Transportation Systems (ITS) Protocol (NTCIP).   In general, an ELMS is composed of a set of field devices (luminaires, electric circuits, etc.), that are controlled by one or more management stations (computing platforms). 

• ELMS allows users to easily and intuitively interact with the wide range of functions and configuration parameters specified in the current Intelligent Transportation Systems (ITS) National Transportation Communications for ITS Protocol (NTCIP) Electrical Lighting and Management Systems (ELMS) standard (NTCIP 1213).

ELMS System Overview• E L M S is the acronym for Electrical Lighting and Management Systems • The effort to develop a standard for Electrical and Lighting Management Systems began with the 

formation of an ad‐hoc committee of the Illuminating Engineering Society of North America (IESNA). 

• It is now supported by:– ITE, NEMA, AASHTO and the US DOT / Federal Highway Administration

• Technically, the NTCIP Objects for Electrical and Lighting Management Systems defines data elements in ASN.1 using the SNMP Object Type Macro for field devices that monitor and control electrical and lighting systems.  These objects define the software interface at the field data logger.

• For more information about NTCIP standards, visit the NTCIP Web Site at http://www.ntcip.org.  For a hardcopy summary of NTCIP information, contact the NTCIP Coordinator at the following address.

NTCIP CoordinatorNational Electrical Manufacturers Association

1300 N.17th Street, Suite 1847Rosslyn, Virginia 22209‐3801

fax: (703) 841‐3331   e‐mail:ntcip@nema.org

ELMS Terminology• Management Station

– the host computing platform that controls the field Devices.  Each station may be installed 

– in a local Transportation Management Center (TMC), – or can be field based. 

• ELMS Device– A device, module, or piece of equipment which– contains an SNMP Agent,– and is the interface between a component of an illumination system and the NTCIP 

communication system. – The device may be integral to a component of the illumination system.

• Simple Network Management Protocol (SNMP) Agent – A logical entity that is hosted on an ELMS device (ex: a Data Logger) that manages the 

communications between the management station and other ELMS devices in the system.  

• Data Logger– Unit that collects and stores information on the state and operation of ELMS Devices.

ELMS Terminology• Electric Service 

– The conductors and equipment for delivering electric energy from the serving utility to the wiring system of the premises served.  

• Branch Circuit – Local electrical circuit that provides power to the Luminaires. 

• Pole – Roadside light pole.  Poles may be categorized by

• their constituent material types • and/or design configurations. 

• Luminaire  – The light fixture and possibly associated sensors– Luminaires may be organized into control zones– Management functions can be performed on individual Luminaires 

or on zones of Luminaires (ex: Scheduling, Dimming) 

ELMS System Architecture

Power Meter

NTCIP Supervisory StationManagement Center

NTCIPLocal

Data Logger

Electrical ServiceController

Ground FaultDetector

Electrical Service Controller

Branch CircuitController

Streetlight Controller

Branch CircuitController

StreetlightController

Local CommunicationsAmbient Light 

Sensor

NTCIP

Remote Communications Dedicated, Dial‐up, Wireless, BPL, Fiber, Microwave, etc.

ELMS Definitions• MIB – Management Information Base

– A hierarchical data table of system variables• SNMP – Simple Network Management Protocol 

– Networking language for computers– The “language” of MIBs

• NTCIP – National Transportation Communication for ITS Protocol – Supported by NEMA, AASHTO and ITE

• Management Station – Management Center– Operator’s User Interface– Data archiving capabilities– Possible data mining capabilities

Management Stations & SNMP Agents

SNMPStandardDynamic Message

SignMIB

Traffic Management

Center 1

SNMPStandardCamera

MIB

SNMPTraffic Flow

SensorsMIB

SNMPStandard

Electrical Lighting &

Management Systems

MIB

Finance Maintenance Emergency Operations

Center

Operations EMS

SNMPMany Other

StandardMIBs

Electric Usage

Hurricane Evacuation Routing

TCP/IP

for FTP

TMC 2

TMC 3UDP for Management Station to SNMP Agent Communications

Pole Knockdown

Homeland Security Event

What’s a “Standardized” MIB?Data table of values, with engineering units, in hierarchical order

System Components• Software for 

Management Station• NTCIP 1213 

Compliant Data Logger, standalone devices or embedded within streetlight, meter etc.

• Ground Fault Detector

• Streetlight Controller• Ambient Light Sensor• Power Meter• Pole Knockdown 

Other Features

• Lat/Lon or GPS• Mapping –

– Google Maps / ESRI / Bing etc.

• Data Mining– When will the fixture fail?– What combination of components 

offers the best performance?– Which offers the best payback?– Which lasts the longest?

Controllers: Streetlight, Branch Circuit & Electrical Service

• Reads Current and Voltage

• Switches Lighting Load• Monitors “Run Time”• Reports Status• Reports Power Usage

Revenue Grade Energy Meter• Reads Current and Voltage• Reports Status• Reports Power Usage• Revenue Grade Accuracy• Supports all NTCIP 1213 

Parameters• Hard Wired to Current 

Transformer

Ground Fault Detector• Reads Dangerous 

Current Leakage• Reports Status• Reports Alarms

ELMS Features & Benefits• Low operating costs: 

– No continuing subscription fees from telecommunications providers. • Energy Savings

– Through intelligent scheduling of, lighting and elimination of wasteful “dayburners”.

• Control any light, any meter, any ground fault sensor, and circuit: – Any terminal device can be controlled individually and in seconds from an 

Internet browser or a mobile phone• Modularity & Flexibility: 

– An ELMS system can at any time be expanded to new areas or cities, using existing servers, i.e. with only incremental costs. As the system is based on open standards it can easily be interfaced with other systems, for example GIS and management information systems 

• Reports: – The user interface offers fast and easy access to a number of 24‐hour 

reports including actual switch on/off times, burn‐hours, and other events

ELMS Features & Benefits• Minimizes errors and the costs of correcting them: 

– An efficient replacement program for maximum use of each luminaire can be based on precise burn‐hour data. 

– Faults in cabinets, luminaires or electrical circuits are reported automatically, eliminating the need of costly visual inspections 

• Complete reporting of system parameters: – generates all the reports needed in control and management, 

including reports on streetlight, branch circuit and electrical service settings, including event and fault reports. 

• Monitors & control power consumption: – Power meters and ground fault detectors can be deployed anywhere 

on the network

ELMS Features & Benefits• Blackout / Brownout protection

– Dimming or switching of individual streetlights can minimize the need for more intrusive actions, such as rolling brownouts 

• Compatible with ITS NTCIP 1213– ELMS system is compatible with the NTCIP 1213 software standards 

for Electrical Lighting and Management Systems– Federal Highway Grants for ITS NTCIP Applications

• Safety– Reporting of dangerous ground fault conditions– Saving of LIVES

• Real‐time  monitoring and logging: – Switch on/off, re‐programming, electricity consumption and faults. All 

events are reported and logged. 

How Do You Use ELMS NTCIP 1213?• The specification guides:

– Your project’s required user needs

– Your project’s functional requirements

– Your project’s test plan

• Through Use of the Protocol Requirements List

The ELMS Protocol Requirements List

The ELMS Protocol Requirements List1. Select Your User Needs

The ELMS Protocol Requirements List2. Based on Your User Needs, Select the Functional Requirements

The ELMS Protocol Requirements List3. Determine Conformance

The ELMS Protocol Requirements List3. Confirm the Project Requirements

How to Use the ELMS Standard

1. Identify your User Need

2. Select the  Dependent Project Requirements

3. Use the Completed Document as your Project Specification

44

Integrating the PRL into an ELMS Specification

ELMS Contract Documents

A completed ELMS PRL is part of the overall specification, in addition to the hardware and software specifications

Importance of the UN / FR Relationship

• User Needs describe what features are required • Functional Requirements refine the user needs into detailed, measurable specifications

• Within the PRL, the relationships between User Needs and Functional Requirements are standardized

• Promotes Interoperability

PRL ‐ User Needs ‐ FR Relationship

• Requirements associated with a User Need are found under that User Need

• Each user need will have at least one requirement associated with it

• Each requirement in the standard is associated with at least 1 user need

• Result: the standard has no unnecessary requirement, and all user needs are satisfied by at least one requirement

Conformance vs. Compliance

• Conformance: – Meets a specified standard– To claim "conformance" to NTCIP 1213, the vendor shall minimally satisfy the mandatory requirements without violating any rules

– Vendors that provide additional features beyond the completed PRL are still conformant

• Compliance – Meets a specification (e.g., for a specific project)

The PRL from an Agency Perspective

• A completed PRL must become part of the overall specification

• Completed PRL indicates the requirements for the communications interface, and, by extension, the user needs (and functional requirements) that the ELMS must support

• If the agency desires to utilize commercial off‐the‐shelf devices, then the agency should compare their list of selected needs and requirements with equipment that is available on the market to ensure that they are not specifying something that does not exist.

The PRL from an Agency Perspective

• Contract Documents:– The completed PRL has to be consistent with the hardware specification.

– The completed PRL shows the intent. – Interested vendors can view the PRL and understand the intent of the requirements.

50

Agency Use of the ELMS PRL

Learning Objective # 3  

The ELMS PRL can be used by:

A user or agency specification writer to indicate which requirements are to be implemented in a project specific implementation

The protocol implementer, as a checklist to reduce the risk of failure to conform to NTCIP 1213 

51

Supplier and User Use of the PRL

Learning Objective # 3  

The ELMS PRL can also be used by:

The supplier (vendor) and user, as a detailed indication of the capabilities of the implementation 

The user, as a basis for initially checking potential interoperability with another implementation

What’s Coming In the Version 3.0?

• Vehicle to Infrastructure Communications– Speed, direction, location, road friction, temperature, humidity and ambient light level

– Drives “Adaptive Roadway Lighting”

• Electric Vehicle Charging Support• Better Integration to the Smart Grid

– Energy Services Interface (ESI)

Adaptive Lighting in Version 3.0

• Adaptive Lighting ‐in support of Smart Grid applications in managing power for roadside lighting and is dependent on vehicle and pedestrian locations (V2I)

The ESI in Version 3.0Energy Services 

Interface • deals with security, 

time base, exchange of dollars for services, basically standardized grid interoperation signals

• buying and selling of energy 

• standardized grid interoperation signals

EV Support in Version 3.0• Electric Vehicle 

Support– Charging 

Management • used to communicate with a charging station to manage the efficient charging of electric vehicles.

– Charging Payment • used to pay for a charge taken at a pay‐by‐the‐charge station.

– Interoperability

SAE J2836 ™

Use casesScope

SAE J2847Detailed Info

Messages

/1 Utility Programs * /1 

/2 Off‐Board Charger  Communications 

/2

/3 Reverse Energy Flow /3

/4 Diagnostics /4

/5 Customer and HAN /5

/6 Wireless Charging /6

US DOT V2I Standards

ambient light level

ITS SAE J2735 SE

Adaptive Roadway Lighting, EV Charging, etc.

Driving The Vision 

AASHTO NEMA ITE US DOT US DOE Smart Grid US DOE MSSLC SAE ITSA IES IMSA UN ITU

Integration with the Larger Ecosystem Not a Standalone Solution US DOE 

NIST  Smart Grid

FHWA Adaptive Lighting Policies

ELMSNTCIP 1213

IES Adaptive Lighting Design Guide

DOE MSSLC Efforts

Roadway Lighting 

TechnicianIMSA 

ITS NTCIP 1213 

Courses

Roadway Lighting SpecialistIMSA 

IES RLC Education

Learn More: The ITS PCB Program

I101Using ITS Standards: An Overview

A101Introduction to Acquiring 

Standards‐based ITS Systems

A102Introduction to User Needs 

Identification

A201Details on Acquiring Standards‐

based ITS Systems

A306aUnderstanding 

User Needs for ELMS Based on NTCIP 1213 Standard

A306bSpecifying Requirements 

for ELMS Based on NTCIP 1213 Standard

http://www.pcb.its.dot.gov/

Current ITS PCB CoursesDescription Module Title Number Availability

MODULE 1 USING ITS STANDARDS: AN OVERVIEW I101 Available!MODULE 2 INTRODUCTION TO ACQUIRING STANDARDS-BASED ITS SYSTEMS A101 Available!MODULE 3 INTRODUCTION TO USER NEEDS IDENTIFICATION A102 Available!MODULE 4 INTRODUCTION TO ITS STANDARDS REQUIREMENTS DEVELOPMENT A103 Available! MODULE 5 INTRODUCTION TO ITS STANDARDS TESTING T101 Available!MODULE 6 DETAILS ON ACQUIRING STANDARDS-BASED ITS SYSTEMS A201 Available!MODULE 7 IDENTIFYING AND WRITING USER NEEDS WHEN ITS STANDARDS DO NOT HAVE SEP CONTENT A202 Available!MODULE 8 WRITING REQUIREMENTS WHEN ITS STANDARDS DO NOT HAVE SEP CONTENT A203 Available! MODULE 9 HOW TO WRITE A TEST PLAN T201 Available!MODULE 10 UNDERSTANDING USER NEEDS FOR DMS SYSTEMS BASED ON NTCIP 1203 STANDARD A311a Available!MODULE 11 UNDERSTANDING USER NEEDS FOR ESS SYSTEMS BASED ON NTCIP 1204 v03 STANDARD A313a Available!

MODULE 12 UNDERSTANDING USER NEEDS FOR TRAFFIC MANAGEMENT SYSTEMS BASED ON TMDD v3 STANDARD

A321a Available!

MODULE 13 OVERVIEW OF TEST DESIGN SPECIFICATIONS, TEST CASES, AND TEST PROCEDURES T202 Available!MODULE 14 SPECIFYING REQUIREMENTS FOR DMS SYSTEMS BASED ON NTCIP 1203 STANDARD A311b Available!MODULE 15 SPECIFYING REQUIREMENTS FOR ESS SYSTEMS BASED ON NTCIP 1204 v03 STANDARD A313b Available!

MODULE 16 SPECIFYING REQUIREMENTS FOR TRAFFIC MANAGEMENT SYSTEMS BASED ON TMDD v03 STANDARD

A321b Available!

MODULE 17 APPLYING YOUR TEST PLAN TO THE NTCIP 1203 v03 DMS STANDARD T311 Available!MODULE 18 APPLYING YOUR TEST PLAN TO THE NTCIP 1204 v03 ESS STANDARD T313 Available!

http://www.pcb.its.dot.gov/

US DOT ITS NTCIP 1213 ELMSThe US DOT, DOE & Commerce Departments want  you to:

Specify and design NTCIP compliant ELMS technology into your roadway infrastructure projects

What’s The Big Picture

• US DOT ELMS is but a small part of a BIG PICTURE• We live in a globally competitive world• Des Moines competes with Davenport

– but also Palo Alto, Shanghai, Tel Aviv & Berlin

• To compete the cities and counties must build the infrastructure that allows competiveness– Historically this was highways, ports and railroads– Today this is Wi‐Fi, fiber, LED, energy management

• Join the US DOT, US DOE, Commerce Department and NIST in this effort

Why? ‐ The Big Picture• To drive STEM jobs

– Science, Technology, Engineering, Mathematics– IT, Biomedical, Research…– High value added jobs

• Tax Ratables• Vibrant Economic Development• Influx of Population / Revitalize Downtown• Creation of an Green, High Tech Ecosystem• Get your EDC involved

Questions

For More Information

Jim Frazerjfrazer@gridaptive.com954 309 9514jfrazer@gridaptive.comwww.linkedin.com/in/jfrazer

Thank You