鄧碧波，金 珠，王 俊

(1.同濟(jì)大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院，上海 200092；2.上海麥索照明設(shè)計(jì)咨詢有限公司，上海 201102)

引言

道路照明是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施。在5G網(wǎng)絡(luò)和“新基建”的推動(dòng)下，道路照明成為多功能燈桿的基本功能，而智慧道路智能照明系統(tǒng)則成為智慧城市建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)的重要載體。

從傳統(tǒng)道路照明到智慧道路照明系統(tǒng)，其核心在于將道路照明連接起來(lái)。通過(guò)多功能路燈桿整合監(jiān)控?cái)z像頭、微基站、媒體信息屏、充電樁、公共廣播以及無(wú)線Wi-Fi、報(bào)警求助等硬件功能，并通過(guò)信息感知、數(shù)據(jù)通信傳輸、燈光控制和計(jì)算機(jī)處理等技術(shù)將采集的數(shù)據(jù)和信息傳輸?shù)健爸腔壅彰鬈浖到y(tǒng)平臺(tái)”，進(jìn)而以之為管理后臺(tái)實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)交互環(huán)境下的智能照明、智慧交通、安防監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、信息發(fā)布、充電服務(wù)等功能，從而更有效地促進(jìn)智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施智能化、公共設(shè)施共享化、公共服務(wù)便捷化和城市管理精細(xì)化。

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things，基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng))由于高安全、廣覆蓋、低功耗、大連接、低成本以及穩(wěn)定性強(qiáng)、部署靈活等優(yōu)點(diǎn)，成為智慧道路照明連接協(xié)議的首選，可以構(gòu)建更穩(wěn)定、低耗能的路燈物聯(lián)網(wǎng)，同時(shí)提高單燈控制的靈活性、可靠性和實(shí)時(shí)性[1]。自2017年開(kāi)始，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)已在多個(gè)城市規(guī)模展開(kāi)。2020年7月3GPP又批準(zhǔn)NB-IoT成為5G eMTC標(biāo)準(zhǔn)，這無(wú)疑會(huì)進(jìn)一步推進(jìn)基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)建設(shè)。

1 NB-IoT智慧道路照明的控制系統(tǒng)架構(gòu)與功能要求

基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明控制系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，從上至下依次包括管理平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)(含NB-IoT網(wǎng)絡(luò)和IoT平臺(tái))和單燈(含單燈控制器，以及基于GIS系統(tǒng)的可視化管理方式[2])，從而組成云、管、端協(xié)同發(fā)展的智慧照明系統(tǒng)。

圖1 基于NB-IoT技術(shù)的道路照明控制系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Road lighting control system based on NB-IoT

管理平臺(tái)通過(guò)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)與單燈控制器進(jìn)行雙向通信。基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)道路照明智能控制系統(tǒng)以無(wú)線通信方式接入由運(yùn)營(yíng)商建設(shè)與維護(hù)的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，不再需要現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)關(guān)即可直接與監(jiān)控中心通信，減少通信環(huán)節(jié)，使網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)對(duì)單燈的控制更靈活[3]。

因此，NB-IoT模組應(yīng)符合YD/T 3337—2018《面向物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩窄帶接入(NB-IoT)終端設(shè)備技術(shù)要求》的規(guī)定?？蓪?shí)現(xiàn)單燈控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)管理等功能，以達(dá)到對(duì)道路照明單燈的全面監(jiān)測(cè)、智能控制和精準(zhǔn)管理，從而實(shí)現(xiàn)按需照明和節(jié)能減排的目標(biāo)。

當(dāng)然，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)在實(shí)際工程建設(shè)與應(yīng)用中也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，如：管理系統(tǒng)的建設(shè)、NB-IoT通信與照明需求的匹配、智慧道路照明控制的安裝和維護(hù)困難等。

2 NB-IoT智慧道路照明的管理系統(tǒng)建設(shè)及優(yōu)化

傳統(tǒng)的道路照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理中心架構(gòu)在路燈管理中心的機(jī)房?jī)?nèi)；而NB-IoT智慧道路照明系統(tǒng)則通過(guò)NB-IoT通信連接將單燈“終端”接入到運(yùn)營(yíng)商的“云端”管理平臺(tái)，照明管理系統(tǒng)再?gòu)奈锫?lián)網(wǎng)管理平臺(tái)獲取數(shù)據(jù)。

相比傳統(tǒng)的手動(dòng)管理或光感控制等路燈控制方式難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程與實(shí)時(shí)控制，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明控制可以在不同時(shí)段控制路燈使其呈現(xiàn)不同亮度，并且可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)亮暗調(diào)節(jié)，還可隨時(shí)查詢歷史操作數(shù)據(jù)，使路燈真正成為智慧城市的一部分[4]。

因此，不同于傳統(tǒng)的自建本地管理系統(tǒng)，NB-IoT智慧道路照明的管理系統(tǒng)需要著重考慮管理系統(tǒng)架構(gòu)在“云端”的需求與現(xiàn)狀，在設(shè)計(jì)之初就應(yīng)注意建設(shè)成本的總體擁有成本(TCO)和系統(tǒng)的安全性。

2.1 云計(jì)算的架構(gòu)可降低總體成本

總體擁有成本指使用服務(wù)的總體成本，包括硬件設(shè)備與軟件的購(gòu)買(mǎi)成本和能源消耗、硬件維護(hù)升級(jí)、軟件升級(jí)及技術(shù)支持等使用成本的總和。

1)云計(jì)算的服務(wù)供應(yīng)商多是阿里、亞馬遜、微軟、華為、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)移動(dòng)等超大型企業(yè)，他們可以通過(guò)其規(guī)模效應(yīng)提供較便宜和更優(yōu)質(zhì)的云計(jì)算服務(wù)和云儲(chǔ)存服務(wù)，因此硬件設(shè)備及軟件的采購(gòu)成本更低；而且使用云計(jì)算還可以節(jié)約電力、空調(diào)及機(jī)房等成本；

2)云計(jì)算采用云上虛擬化和多種備份技術(shù)，可以有效降低宕機(jī)率、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)宕機(jī)遷移，并支持大規(guī)模并發(fā)，從而有效地降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)和維護(hù)成本；

3)云計(jì)算可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算與存儲(chǔ)分離，從而通過(guò)靈活的虛擬化管理、彈性的技術(shù)資源分配以及集成彈性伸縮和限流降級(jí)的靈活縮容與擴(kuò)容，實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度和集群監(jiān)控，從而有效地降低數(shù)據(jù)備份、系統(tǒng)擴(kuò)容及數(shù)據(jù)遷移的成本。

綜上，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)通過(guò)“云端”及“云計(jì)算”技術(shù)可以有效降低道路照明系統(tǒng)的總體擁有成本。

2.2 云計(jì)算的架構(gòu)可提供更高的安全性

在基于NB-IoT技術(shù)智慧道路照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中，我們首先對(duì)數(shù)據(jù)接入與傳輸?shù)腟SL鏈路進(jìn)行加密，通過(guò)加密和安全機(jī)制保證計(jì)算過(guò)程中數(shù)據(jù)的物理安全；其次，針對(duì)存儲(chǔ)在云端的數(shù)據(jù)制定不碰用戶數(shù)據(jù)的“云服務(wù)”底線，并建立全方位的審計(jì)制度；同時(shí)，對(duì)存儲(chǔ)在云端的數(shù)據(jù)采用TDE數(shù)據(jù)加密、云盤(pán)落盤(pán)加密等多種加密方式，并由用戶自己掌握加密密鑰；此外，使用白名單訪問(wèn)控制以有效防止非法訪問(wèn)；最后，采用多副本同步復(fù)制技術(shù)及日志同步技術(shù)確保云端數(shù)據(jù)的一致性，從而提供更可靠的云計(jì)算服務(wù)。

上述技術(shù)的運(yùn)用，全方位地保障了NB-IoT智慧道路照明系統(tǒng)的安全性。

3 NB-IoT智慧道路照明通信系統(tǒng)的匹配與優(yōu)化

由于多功能智慧燈桿需要接入照明控制、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、汽車(chē)充電等不同功能的組件及數(shù)據(jù)，具有典型的多樣性特征[5]，因此通信系統(tǒng)、通信結(jié)構(gòu)和通信方式的設(shè)計(jì)是智慧道路照明系統(tǒng)的關(guān)鍵。

目前，智慧道路照明系統(tǒng)中采用的通信協(xié)議有電力載波PLC、RF無(wú)線(如ZigBee)、GPRS/3G、NB-IoT以及LoRa等其他協(xié)議。

NB-IoT網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)[6]等優(yōu)點(diǎn)；近年來(lái)政府和運(yùn)營(yíng)商也在大力推進(jìn)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。因此，NB-IoT技術(shù)相比之下更適合道路照明控制系統(tǒng)，目前該技術(shù)在常州、蘇州、鷹潭等地已有規(guī)模應(yīng)用。

1)智慧道路照明的控制系統(tǒng)要求。在實(shí)際工程應(yīng)用中，基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明控制系統(tǒng)要求如表1所示。

2)NB-IoT控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型。運(yùn)營(yíng)商提供的NB-IoT網(wǎng)絡(luò)在道路照明控制系統(tǒng)中的業(yè)務(wù)模型如表2所示。

表1 智慧道路照明控制系統(tǒng)要求Table 1 Requirement of intelligent road lighting control system

表2 NB-IoT道路照明控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型Table 2 Model of road lighting control system based on NB-IoT

由此可見(jiàn)，NB-IoT道路照明控制系統(tǒng)業(yè)務(wù)模型與智慧道路照明控制系統(tǒng)要求在功能及性能等方面還存在一些不匹配的現(xiàn)象。

3)對(duì)NB-IoT智慧道路照明通信系統(tǒng)的優(yōu)化。以上所述兩者的不匹配主要體現(xiàn)為路燈控制的組控與實(shí)時(shí)性等，因此NB-IoT智慧道路照明通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮連接、錯(cuò)峰、告警數(shù)據(jù)、心跳間隔以及軟件更新等問(wèn)題，如表3所示。

表3 NB-IoT道路控制系統(tǒng)NB-IoT通信的優(yōu)化Table 3 Optimization of NB-IoT communication of NB-IoT road lighting control system

4 NB-IoT智慧道路照明系統(tǒng)的控制器安裝優(yōu)化

4.1 以可插拔的照明控制器取代內(nèi)置式控制器

傳統(tǒng)的單燈控制器大多安裝于燈具內(nèi)部。這種內(nèi)置式的控制器多置于燈具內(nèi)部的電源腔內(nèi)，這種安裝方式接線復(fù)雜且維修不便，而且金屬制成的燈具會(huì)對(duì)無(wú)線信號(hào)造成很大的衰減與屏蔽。所以，這種安裝往往需要舍棄無(wú)線傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)而采用基于電力線的傳輸。此外，也可以將控制器內(nèi)置于燈桿檢修孔位置的電氣腔內(nèi)，這種安裝方式又會(huì)由于高度過(guò)低而受到地面樹(shù)蔭的遮擋或遭到人為的破壞。因此，內(nèi)置式單燈控制器的通信性能常常受到一定的影響。

如果采用可插拔的接插頭外殼單燈控制器，安裝維修方便；而且塑料外殼的內(nèi)置天線具有良好的無(wú)線信號(hào)穿透效果，可以避免延長(zhǎng)饋線的信號(hào)衰減問(wèn)題，從而更充分地發(fā)揮單燈控制器的通信性能。

4.2 外置式照明控制器的安裝接口優(yōu)化原則

1)數(shù)字化。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代是數(shù)字化的時(shí)代，因此控制協(xié)議和通信協(xié)議都應(yīng)支持?jǐn)?shù)字化能力。

2)即插即用原則。為了降低安裝、維護(hù)和調(diào)試成本，并提高設(shè)備更換維護(hù)的方便性，照明控制器的安裝接口應(yīng)滿足即插即用的設(shè)計(jì)原則。

3)安全原則。IEC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)都明確規(guī)定，直流插座和交流插座不能將直流插頭插入交流插座、交流插頭插入直流插座，不能將插頭插入任何其他的插頭插座系統(tǒng)的插座，不能將插頭能插入其他電壓額定值的插座。因此，插座插頭接口的設(shè)計(jì)要求保證高度的可標(biāo)識(shí)性，交流供電和直流供電的控制器接口應(yīng)該從外觀、尺寸和機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分，從而防止誤插。

4)互聯(lián)互通。不同設(shè)備之間的控制協(xié)議應(yīng)該是開(kāi)放，并制定標(biāo)準(zhǔn)化的照明控制協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與設(shè)備的互聯(lián)互通。

5)系統(tǒng)化。道路燈具和燈桿都安裝了電源、控制器、傳感器等設(shè)備，同時(shí)又需要控制器和智能電源以及傳感器等設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向交換數(shù)字化，因此應(yīng)控制協(xié)議的支持系統(tǒng)化能力，可以在系統(tǒng)內(nèi)的多個(gè)設(shè)備進(jìn)行雙向通信。

表4 兩種外置式可插拔照明控制器的比較Table 4 Comparison of the two kinds of lighting controller

4.3 道路照明控制器接口優(yōu)化實(shí)例

在實(shí)際工程應(yīng)用中，較常用的外置式可插拔道路照明控制器有NEMA接口連接模擬控制(0/1～10 V)智能電源和高壓供電控制器以及Zhaga接口連接帶輔助電源輸出數(shù)字控制(DALI)智能電源和直流供電控制器等兩種形式。

現(xiàn)階段道路照明控制器多采用內(nèi)置式的道路照明控制器，即通過(guò)連線或接線端子與模擬控制智能電源連接，但上述方式的安裝與維修成本較高。因此，推薦采用表4所述的外置可插拔式的道路照明控制器；其中：交流供電的道路照明控制器安裝接口推薦采用NEMA ANSI C136.41接口；直流供電的道路照明控制器安裝接口推薦采用Zhaga book18接口。

5 結(jié)語(yǔ)

5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)以及新基建積極地推進(jìn)了基于NB-IoT技術(shù)的智慧道路照明系統(tǒng)的建設(shè)與應(yīng)用。本文介紹了NB-IoT智慧道路照明系統(tǒng)的架構(gòu)與支持的功能，并結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)應(yīng)用對(duì)其中的管理系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及控制器安裝優(yōu)化等問(wèn)題進(jìn)行了探討：基于總體使用成本和系統(tǒng)安全性的考慮，推薦設(shè)計(jì)使用架構(gòu)在云端的道路照明管理系統(tǒng)；基于照明控制的實(shí)際需要，應(yīng)對(duì)NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，以滿足智慧道路照明系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性與并發(fā)性；基于安全性、系統(tǒng)性、便利性、開(kāi)放性及數(shù)字化等控制器安裝方式的優(yōu)化需要，推薦設(shè)計(jì)使用可插拔的智能道路控制器。