顧國昌 錢中悅 上海路輝智能系統(tǒng)股份有限公司 (上海 200233)

0 引言

隨著“美麗中國”戰(zhàn)略的提出，全國各地正穩(wěn)步推進城市精細化管理。道路照明作為城市管理中重要的一環(huán)，伴隨著LED技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，開始展現(xiàn)出“光”的魅力。文章從實踐出發(fā)，綜述了近年來在推動道路照明信息化過程中碰到的若干問題，點點滴滴成果顯示智慧照明來自于智能控制。

1 道路照明的發(fā)展

據(jù)說，世界上第一盞路燈出現(xiàn)在英國的海德公園，它是為了防止不良市民晚間犯罪。中國最早的路燈是1843年出現(xiàn)在上海街頭的煤油燈，這種路燈需專門有人在夜幕降臨前點燃，天亮后再熄滅，后改為地火(煤氣)。1879年，外商輪船碼頭用一臺7.3 kW的內(nèi)燃機發(fā)電，亮起了中國第一盞電燈，直到1883年，上海的主要馬路路燈才將煤氣燈改為電燈。初時的馬路電燈在每根電線桿上裝閘刀開關(guān)，仍需工人每天開啟關(guān)閉。3年后，改用若干路燈合用一個開關(guān)(回路控制的概念形成)，這種形式的路燈在全國各城市中一直沿用到20世紀50年代。

整個道路照明的發(fā)展，實際上就是燈具技術(shù)的發(fā)展，從白熾燈、汞燈、鈉燈到熒光燈，各種發(fā)明推動了行業(yè)的發(fā)展。第一代半導(dǎo)體材料Si點燃了信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的星星之火，以SiC為代表的第三代半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展推動了LED半導(dǎo)體照明的出現(xiàn)，LED半導(dǎo)體照明技術(shù)正在改寫整個照明行業(yè)。

隨著科技的進步，路燈的管理水平也得到了大幅的提升，管理的需求進一步推動了行業(yè)的發(fā)展。在道路照明領(lǐng)域，除了燈具本身技術(shù)的發(fā)展，控制技術(shù)的發(fā)展也成了其中的關(guān)鍵。

2 路燈監(jiān)控的發(fā)展

隨著城市的發(fā)展，路燈的數(shù)量越來越多。對于路燈管理者來說，路燈的合理開關(guān)和正常工作已經(jīng)成為路燈管理中重要的問題，路燈控制伴隨著路燈發(fā)明應(yīng)用而同步發(fā)展。路燈開關(guān)是第一需求，回顧歷史，在中國基本上可以分為三個階段[1-2]。

第一階段：現(xiàn)場自己做。該階段從最早的現(xiàn)場人工開關(guān)到時控鐘自動開關(guān)，再到后來的具有天亮天暗周期性變化的智能時控鐘 (包括經(jīng)緯度時鐘、可編程邏輯控制器等)，通過不斷優(yōu)化，使得路燈盡可能滿足日出關(guān)日落開的要求。該階段的特點是：現(xiàn)場自己做，管理者無法監(jiān)控，若現(xiàn)場出現(xiàn)故障導(dǎo)致無法開關(guān)燈，管理者只能通過后續(xù)的人工巡視、當?shù)厝罕娡▓?(投訴)等手段獲知。

第二階段：箱控階段。自動控制技術(shù)的發(fā)展，使得三遙系統(tǒng)開始應(yīng)用到道路照明行業(yè)。路燈箱內(nèi)安裝一個路燈箱遠程監(jiān)控設(shè)備(行業(yè)俗稱RTU)，實現(xiàn)自主按時對路燈供電回路進行開關(guān)燈操作，同時接受遠程室內(nèi)監(jiān)控。自20世紀90年代起，隨著城市建設(shè)的進一步推進，路燈控制箱自動化監(jiān)控系統(tǒng)開始逐步推行。該階段的特點是：管理者通過遠程 (室內(nèi)監(jiān)控)便能實時感知路燈的開關(guān)狀態(tài)。通過該階段的發(fā)展，管理者能夠?qū)ΜF(xiàn)場控制箱運行數(shù)據(jù)進行判斷，對于區(qū)域夜晚不亮燈或者白天亮燈事件進行搶修[1]。

第三階段：單燈控制階段。城市精細化管理的需求、路燈行業(yè)管理對亮燈率指標的要求以及路燈對城市亮化服務(wù)質(zhì)量的承諾，使得保持每一盞路燈處在正常狀態(tài)成為主要任務(wù)。該階段利用單燈控制器，實現(xiàn)對每一盞路燈的監(jiān)控。該階段的特點是：管理人員可以實時了解每一盞燈的運行狀態(tài)和數(shù)據(jù)，決策每一盞燈如何亮，通過引入調(diào)光執(zhí)行不同條件下的不同照明，實現(xiàn)照明與節(jié)能的協(xié)同。進一步，基于動態(tài)的路燈狀態(tài)，通過數(shù)據(jù)分析和決策服務(wù)于路燈運行管理，長期人工巡修管理模式便逐漸向定向按需運維管理方式發(fā)展。

圖1顯示了第一、第二階段的控制方式，圖2顯示了發(fā)展到每一盞路燈監(jiān)控的第三階段控制方式。

圖1 回路控制 (第一、第二階段)

圖2 單燈控制 (第三階段)

路燈控制的發(fā)展，也體現(xiàn)了城市管理中信息化應(yīng)用水平的發(fā)展。在第二階段，信息化到控制箱，可基于箱端的數(shù)據(jù)進行分析和決策，服務(wù)于路燈管理。目前箱控完成的主要工作見表1。

表1 箱控完成的主要工作

之前，為了解決道路照明的節(jié)能問題，很多地方(包括上海)在路燈控制箱端不但執(zhí)行對回路的控制，同時還實現(xiàn)對路燈供電的分檔調(diào)壓，實現(xiàn)對高壓鈉燈的節(jié)能。這里需要注意的是，隨著LED燈具的使用，應(yīng)盡快停用控制箱調(diào)壓功能。

箱控運行跟蹤中，一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場路燈控制箱控制未能正常操作，就會出現(xiàn)夜晚不開燈、白天區(qū)域大面積亮燈放光的情況。如果出現(xiàn)這種情況，系統(tǒng)應(yīng)立即報警，落實搶修工作。

發(fā)展到第三階段，等同于信息化到了末端，這是信息化發(fā)展的必然結(jié)果。之前的第二階段，信息化發(fā)展到區(qū)域中心，這是由于路燈分布廣，信息化手段不成熟，組網(wǎng)能力弱，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)不成熟以及成本等各種問題造成的。當前，各種低成本通信方案均已成熟，包括電力線載波通信技術(shù)、小區(qū)域無線組網(wǎng)技術(shù)等。近年來隨著LoWAN技術(shù)的不斷成熟，特別是國家投入巨資建設(shè)和發(fā)展三大運營商的無線通信網(wǎng)絡(luò)，并基于其上大力發(fā)展了授權(quán)頻段的 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)應(yīng)用大幅增速。在第三階段，路燈能夠?qū)崿F(xiàn)以下監(jiān)控技術(shù)，見表2。

表2 單燈監(jiān)控完成的工作

單燈監(jiān)控的目的在于對現(xiàn)場路燈的運行跟蹤和按需控制，這對于路燈的遠程管理具有重大意義。之前，路燈長期處在人工巡檢管理模型上，管理者在辦公室無法掌控現(xiàn)場路燈的運行情況。到了第三階段，人工巡修直接走向主動按需定修階段，住建部要求的亮燈率也將從之前的人工估算值走向?qū)崟r精準監(jiān)測的測量值[3]。

進一步，結(jié)合對運維隊伍現(xiàn)場運維管理和現(xiàn)場照明設(shè)施的聯(lián)動監(jiān)控和分析，可以得到維修率等大數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)，方便實現(xiàn)路燈精細化管理。圖3顯示了箱控和單燈控制的主要功能。

圖3 路燈箱控與單燈控制功能示意圖

3 照明監(jiān)控發(fā)展中的痛點

3.1 物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

遠程監(jiān)控的前提是連接，以確保兩端能夠進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。路燈分布在城市的每一個角落。最初，很多城市為了通信，構(gòu)建了無線電臺，然而效果差，成本高。隨著國家無線通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，路燈監(jiān)控(箱控)采用了GPRS網(wǎng)絡(luò)進行遠程通信。該模式長期存在于路燈監(jiān)控行業(yè)，全國路燈控制箱基本上處在這種模式下。

隨著國家全力發(fā)展3G、4G網(wǎng)絡(luò)，近期開始走向5G時代，原來的2G、2.5G時代開始進入后期的收官階段，很多地方開始不再支持2.5G網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，對于物聯(lián)設(shè)備也提出了要求。針對物聯(lián)要求，三大運營商開始提供基于NB-IoT技術(shù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)，這是一種全新的模式。對于物聯(lián)應(yīng)用，大多是小流量數(shù)據(jù)傳輸，同樣也適用于路燈箱監(jiān)控應(yīng)用。

在GPRS時代，為了保持平臺對現(xiàn)場設(shè)備的遠程監(jiān)控，需保持連接通道的在線確認。一般的做法是通過心跳數(shù)據(jù)包，設(shè)備和平臺分別確認對方是否“在線”。通過跟蹤分析，國內(nèi)大多數(shù)的路燈控制系統(tǒng)，在設(shè)備與平臺之間的通信上，90%以上能夠維持通道的鏈接。同時，2.5G網(wǎng)絡(luò)抗干擾能力差，穩(wěn)定性差，這些問題導(dǎo)致很多平臺在設(shè)備“在線”管理上存在瑕疵。

對于路燈監(jiān)控，在主要遠程通信上如何發(fā)展，從2.5G走向4G還是2.5G走向NB-IoT是值得商榷的。從路燈監(jiān)控應(yīng)用角度看，需要覆蓋面廣 (覆蓋整個城區(qū)、信號盲區(qū)要少，甚至沒有盲區(qū))，抗干擾能力強，通道穩(wěn)定，可靠傳輸?shù)耐ㄐ拧?/p>

4G是當前移動通信的主戰(zhàn)場，這主要是因為其通信速率快，服務(wù)于寬帶應(yīng)用，而 NB-IoT網(wǎng)是為物聯(lián)而生的窄帶網(wǎng)絡(luò)[4]，主要解決萬物互聯(lián)的問題。NBIoT網(wǎng)具有高靈敏度、低功耗、廣覆蓋 (覆蓋地下 2層)、大連接、長壽命等優(yōu)良特點。更重要的是，針對小數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c，移動運營商物聯(lián)網(wǎng)解決了雙向互聯(lián)的重要問題，實現(xiàn)雙向傳輸：用戶 (平臺)隨時隨地需要時，可詢問設(shè)備的狀態(tài)和數(shù)據(jù)；設(shè)備在故障時(或者設(shè)定條件觸發(fā)事件的情況下)，可主動實時向平臺發(fā)送數(shù)據(jù)。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通過按需連接傳輸機制，使得所有設(shè)備共享基站連接資源。圖4顯示了NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點，非常適用于路燈監(jiān)控，包括單燈監(jiān)控和路燈箱監(jiān)控。

3.2 系統(tǒng)的發(fā)展

路燈監(jiān)控是個系統(tǒng)問題，從照明設(shè)施到終端用戶的電腦界面 (或者手機等移動終端)，期間經(jīng)歷了多個環(huán)節(jié)，如圖5所示。路燈管理者在“6”終端要能擁有“天眼”實時看到現(xiàn)場路燈設(shè)施情況，至少需要經(jīng)歷1～5合計5個重要節(jié)點。這必須同時著力多個關(guān)鍵點，不僅包括“1”監(jiān)控設(shè)備，還包括“2”“3”物聯(lián)網(wǎng)端和“4”“5”監(jiān)控平臺端等事項。“2”“3”物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備接入公共無線網(wǎng)絡(luò)后，通過GPRS/4G設(shè)備找平臺，鏈接平臺后，需自主維護鏈接；掉線后，設(shè)備需自己重新建立新的鏈接，重連后，平臺還需考慮如何管理的問題?！?”“5”監(jiān)控平臺端接入管理后，設(shè)備在線管理非常重要。登錄后，需實時刷新平臺中設(shè)備的狀態(tài)(很多平臺僅僅按預(yù)設(shè)周期性進行設(shè)備在線狀態(tài)的更新，這是不合理的)；隨著設(shè)備數(shù)據(jù)的變化，在平臺中數(shù)據(jù)會發(fā)生變化，因此平臺數(shù)據(jù)需主動推送到用戶終端瀏覽器中，數(shù)據(jù)應(yīng)有時效性。因此，1～5任何一個環(huán)節(jié)處理不到位，會直接導(dǎo)致用戶終端設(shè)備中展現(xiàn)數(shù)據(jù)不正確。

圖4 NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的特點

圖5 路燈監(jiān)控數(shù)據(jù)流鏈

在整個監(jiān)控系統(tǒng)中，設(shè)備“在線”問題需要重視。對于傳統(tǒng)使用的GPRS網(wǎng)絡(luò)，包括4G網(wǎng)絡(luò)，由于屬于公共移動通信網(wǎng)絡(luò)，掉線本身是正?，F(xiàn)象，解決掉線的關(guān)鍵在于平臺對它的管理能力。一旦長時間掉線，那么設(shè)備就處在獨立自主運行狀態(tài)。對于平臺而言，只能知道掉線前該設(shè)備當時的狀態(tài)和數(shù)據(jù)，而對于掉線后的狀態(tài)和數(shù)據(jù)是不知道的。因此，除了在線時對照明設(shè)施的運行跟蹤外，對于設(shè)備的掉線管理也是非常重要的。

從路燈精細化管理的角度來看，針對路燈監(jiān)控系統(tǒng)，可解決以下痛點。

(1)燈開了，開了？燈開了，只是表明設(shè)備執(zhí)行了開關(guān)動作，開了不等于燈亮了，如果控制箱內(nèi)的接觸器等出現(xiàn)了故障，那么即使開了，也未必就開成功了。

(2)燈開了，亮了嗎？在箱控情況下，為了知道燈是否亮了，常規(guī)的做法是測量路燈出線電纜的用電情況。如果電流、功率數(shù)據(jù)基本達到預(yù)期，那么認為大面積的區(qū)域開燈工作做完了。箱控的應(yīng)用能第一時間了解到現(xiàn)場路燈的真實情況，它能第一時間了解到區(qū)域白天放光或者夜晚不開燈的重大事件，發(fā)現(xiàn)問題第一時間搶修，確保路燈對社會的服務(wù)。

(3)燈亮了，都亮了？這是行業(yè)管理中亮燈率需求，只有箱控是做不到該目標的，需通過單燈監(jiān)控來實現(xiàn)，當前行業(yè)管理中的第一目標就是亮燈率。

(4)燈亮了，如何亮的？這是細化管理中節(jié)能減排的需求，只有通過單燈控才能實現(xiàn)路燈的按需調(diào)光，包括初始調(diào)光、每晚的分時段調(diào)光等。

(5)燈亮了，安全嗎？這是安全的重要需求，發(fā)生漏電等安全事件時，箱控/單燈控應(yīng)能在第一時間最大限度地自主處理，例如切斷電源，同時立即向平臺報警等。

(6)電纜在嗎，在的？電纜偷盜或者斷線是個疼痛的問題，對于路燈管理部門來說，這是基礎(chǔ)設(shè)施保障的問題。如果電纜發(fā)送偷盜、挖斷等各種問題，特別在白天路燈不亮期間，平臺需要第一時間知道。

可以看出，監(jiān)控平臺是為管理服務(wù)的。進一步通過積累數(shù)據(jù)，進行大數(shù)據(jù)分析和決策，可獲得管理需要的更多信息。

3.3 規(guī)范的發(fā)展

城市管理是復(fù)雜的，精細化管理更難。道路照明是城市的一張名片，如何有效管理，特別是對中大型城市的管理，這是一個系統(tǒng)工程，而其中標準、規(guī)范的推行顯得尤為重要。例如，上海市在機制改革之際，大力推動地方標準的建立，從《道路照明工程建設(shè)技術(shù)規(guī)程》、《道路照明運行養(yǎng)護標準》到《道路照明設(shè)施監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》的建立，再到浦東新區(qū)先行先試時地方導(dǎo)則的建立，確保了道路照明管理的有序推進。

以浦東新區(qū)為例，在上海市密集發(fā)布系列標準的當下，為了有序推進工作，在全面研究國家、行業(yè)、地方標準的基礎(chǔ)上，針對浦東新區(qū)的定位，在全面符合行業(yè)發(fā)展標準要求的基礎(chǔ)上，提出了高標準建設(shè)和養(yǎng)護的要求，研究并建立了《道路照明設(shè)施技術(shù)導(dǎo)則》，為接管路燈的管理打下了扎實的基礎(chǔ)。在規(guī)范推行中，率先建立了優(yōu)化的、符合新地方標準的、統(tǒng)一接線的規(guī)范，例如路燈桿內(nèi)的接線規(guī)范，如圖6所示。通過接線規(guī)范的推行，大幅提高了路燈桿內(nèi)的安全性[5]。

圖6 路燈接線規(guī)范示意圖

(1)改變上海市原使用的接線盒體系，把之前三相交流電安全的“封起來”。采用滿足《道路照明工程建設(shè)技術(shù)規(guī)程》中技術(shù)要求的路燈電纜接線端子，在路燈桿內(nèi)僅引出一相供電，流過的電流也僅僅是本路燈桿內(nèi)的用電電流，大幅提高安全性。三相強電電極不再裸露在外，特別對于靠近路燈控制箱的路燈桿端，里面流過的電流較大，安全隱患大。

(2)現(xiàn)場安裝施工過程的不可控性，導(dǎo)致原有接線盒的外蓋大量安裝不到位，造成現(xiàn)場漏水，滲入的水流很容易進入電器腔內(nèi)，引起設(shè)備故障。

(3)路燈行業(yè)從傳統(tǒng)的高壓鈉燈走向LED路燈，這是一個巨大的行業(yè)革新，是時代的變革，使路燈從電氣時代走向了電子時代。為此，所有與電子時代關(guān)聯(lián)的問題必須解決，其中主要包括漏電與防雷問題。安全問題是一個根本的問題，在該問題上，上海首先建立完備的接地系統(tǒng)，除了在路燈控制箱側(cè)建立接地系統(tǒng)之外，供電電纜改4芯為5芯，加入PE接地線，同時在路燈桿內(nèi)依然保留獨立的接地體系，確保所有的路燈設(shè)施處在安全接地保護下，如圖7所示。

圖7 路燈接地系統(tǒng)示意圖

(4)在安全上，除了基礎(chǔ)設(shè)施保障外，進一步通過單燈控制器，執(zhí)行漏電監(jiān)測，一旦發(fā)生路燈漏電，路燈桿帶電時，單燈控制器第一時間切斷路燈供電，同時向上級平臺報警。

(5)防雷器的目的是對電子產(chǎn)品進行雷擊保護，但是在雷擊保護過程中，防雷器總是會失效的。一旦失效，再次發(fā)生雷擊時，路燈設(shè)施將會遭受雷擊的破壞。為此，在路燈桿內(nèi)增加防雷失效監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)防雷器失效，控制器主動報警，提示維修人員盡快落實更換工作。

4 節(jié)能減排與道路照明

“節(jié)能減排”已成國策，自“十二五”以來，國家每年3%的路燈節(jié)能減排目標，已作為城市道路照明節(jié)能的基本要求。同時，全面推行《城市照明節(jié)能評價標準》新體系，對城市道路照明的建設(shè)和節(jié)能給出量化的要求。

新型LED燈具自身具有巨大的節(jié)能能力，從高壓鈉燈到LED路燈，基本可實現(xiàn)40%～50%的節(jié)能。同時，鑒于燈具自身的光衰問題，在全國道路照明設(shè)計標準上，均對新建項目給予一定的維護系數(shù)。LED包括約30%的超亮提供，因此從控制角度，如果能把該30%的超亮節(jié)省下來，那么在壽命期間，等同于平均節(jié)能15%。路燈每次亮燈具有自主初始調(diào)光的能力，初始調(diào)光值的設(shè)定應(yīng)考慮與光衰的對沖，該控制不但實現(xiàn)節(jié)能，同時可以提升路燈的壽命。圖8顯示了該部分調(diào)光的方式。

圖8 LED燈具初始調(diào)光的方式（假設(shè)全功率時是450 mA電流）

很多城區(qū)，特別是開發(fā)區(qū)，夜晚人員稀少，后半夜可能根本無車無人。而且，對于道路照明而言，每晚的情況基本是一致的，或者每周是周期性變化的。比如工業(yè)區(qū)，在晚上下班時間段內(nèi)可能會出現(xiàn)較多的人流，因此，周期性地執(zhí)行調(diào)光可以節(jié)省能源，圖9顯示每晚的調(diào)光方式。通過簡單的分時段調(diào)光，可實現(xiàn)進一步的節(jié)能，也可在路燈桿端安裝感應(yīng)傳感器，實現(xiàn)按人流量的多少進行按需調(diào)光，以實現(xiàn)更多的節(jié)能和更好的智慧體驗。

后續(xù)，隨著智慧城市建設(shè)的深化，路測信息化采集的能力會進一步加強，在智能感知條件滿足的前提下，路燈可隨外部環(huán)境的變化而變化，通過智能實時控制，在確保對道路提供有效的照明服務(wù)的前提下，實現(xiàn)最佳的節(jié)能。

圖9 LED燈具每晚自定義調(diào)光方式

5 結(jié)論

隨著LED時代、物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，路燈行業(yè)正在煥發(fā)青春。同時對城市資源的挖掘，路燈桿資源被全社會所認同。在共享經(jīng)濟時代，在城市管理中，同樣存在資源的共享問題，路燈作為最忠實的路側(cè)設(shè)施，每隔30m左右一桿，均勻地分布在道路一側(cè)/兩側(cè)，且共同已經(jīng)實現(xiàn)了供電。近期，上海市科委創(chuàng)新項目《路燈桿資源共享體系研究及電子車牌等智能應(yīng)用示范課題》正在系統(tǒng)性地研究路燈桿資源共享標準體系建立，2018年上海市城市精細化管理工程“架空線入地和城市路面合桿”正在全力推進中，上海市相關(guān)部門也及時給出了《上海市道路合桿整治技術(shù)導(dǎo)則》，為路燈資源的挖掘和共享方式提供了指導(dǎo)。

物聯(lián)網(wǎng)時代，萬物互聯(lián)成為未來的方向，但是路燈自身的智慧化一定是其本質(zhì)的內(nèi)容，任何設(shè)施的共享應(yīng)在保證自身功能的前提下，才能談分享。文章未對共享模型下的運維方式進行分析。

路燈單燈監(jiān)控的引入，正在改變路燈管理的思維模型——傳統(tǒng)的路燈管理正在被大數(shù)據(jù)分析下主動、按需、全生命周期的管理方式所代替。因此，路燈的高效管理，一定來自于覆蓋到每一個路燈的物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控，智慧照明來自于智能控制。