曾保權(quán) 楊琳芳

摘 要：智慧路燈管控系統(tǒng)是基于NB_IoT通信技術(shù)提出的物聯(lián)網(wǎng)采集傳輸一體化解決方案，系統(tǒng)采用現(xiàn)有城市路燈構(gòu)建的智慧城市物聯(lián)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)城市照明及附屬設(shè)施實(shí)現(xiàn)路燈遠(yuǎn)程控制及資產(chǎn)管理、運(yùn)維管理、能源管理、用電安全等功能，系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分布式、高性能的數(shù)據(jù)采集及分布存儲(chǔ)，采用深度學(xué)習(xí)相關(guān)模型及算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，為節(jié)能管理及市政管理者提供數(shù)據(jù)支撐及服務(wù)，推動(dòng)城市的智能化及智慧化、數(shù)字化。

關(guān)鍵詞： NB_IoT; 數(shù)據(jù)挖掘;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù);路燈控制;深度學(xué)習(xí)

文章編號(hào)： 2095-2163（2019）03-0282-04 中圖分類號(hào)： TP399 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 引 言

隨著現(xiàn)代化城市科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和經(jīng)濟(jì)實(shí)力的高速發(fā)展，城市綠色照明在改善城市環(huán)境和建設(shè)宜居城市，提升城市整體功能，拉動(dòng)內(nèi)需，推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展上起到了顯著的作用。

根據(jù)《“十三五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明：2015 年末，全國(guó) 1 064 個(gè)城市共有城市照明管理人員約5萬(wàn)人，道路照明燈較“十二五”時(shí)期新增833萬(wàn)盞，安裝功率總計(jì)407萬(wàn)千瓦;景觀照明燈較“十二五”時(shí)期新增1 076萬(wàn)盞，安裝功率總計(jì)21萬(wàn)千瓦?！笆濉逼陂g，中國(guó)城市綠色照明工作仍處于粗放式發(fā)展階段。

按照規(guī)劃要求：全國(guó)須全面建設(shè)智能化管理系統(tǒng)，提高城市照明信息化管理水平。全國(guó)地級(jí)及以上城市和東中部地區(qū)縣級(jí)市智能化控制覆蓋率應(yīng)達(dá)到80%，新、改（擴(kuò)）建照明項(xiàng)目智能化控制技術(shù)應(yīng)用率應(yīng)達(dá)到 100%。

基于NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)的智慧照明管控系統(tǒng)以路燈信息資源為中心，結(jié)合計(jì)算機(jī)、信息與通信、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等相關(guān)技術(shù)，推動(dòng)創(chuàng)建城市照明的“全資產(chǎn)、全過(guò)程、全生命周期”的管理模式，將城市照明資產(chǎn)管理、監(jiān)控管理、工程維護(hù)管理實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、規(guī)范化、智能化和科學(xué)化，以滿足日益發(fā)展的智慧城市管理需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)主要由系統(tǒng)管理層、通信傳輸層、設(shè)備感知層組成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖1所示。其中，系統(tǒng)管理層主要包括各類服務(wù)器、軟件平臺(tái)及相關(guān)附屬設(shè)備。通信傳輸層包括各類網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及云端網(wǎng)絡(luò)。設(shè)備感知層包括了路燈控制中所涉及的各類智能終端設(shè)備。以上設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)可經(jīng)集中控制終端上傳數(shù)據(jù)，而路燈控制則可由NB-IoT網(wǎng)絡(luò)直接通信或采用其他通信方式構(gòu)成雙通道，集中控制器主要完成采集、存儲(chǔ)路燈控制策略、數(shù)據(jù)上傳等任務(wù)。

1.2 系統(tǒng)平臺(tái)功能

1.2.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)

如圖2所示，系統(tǒng)軟件架構(gòu)分別由業(yè)務(wù)應(yīng)用層、業(yè)務(wù)邏輯層和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層組成。對(duì)此擬做設(shè)計(jì)分述如下。

（1）業(yè)務(wù)應(yīng)用層：主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各模塊的業(yè)務(wù)分析，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、照明管理、資產(chǎn)管理、安全分析、統(tǒng)計(jì)分析、報(bào)表管理、用戶管理、日志管理、告警管理、系統(tǒng)配置等。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層：主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與各類數(shù)據(jù)的訪問(wèn)及獲取操作，監(jiān)管數(shù)據(jù)的自動(dòng)歸檔，并綁定相關(guān)的數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)接口，提供數(shù)據(jù)庫(kù)的操作及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和相關(guān)業(yè)務(wù)邏輯處理等操作。

（3）數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)層：主要實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備的數(shù)據(jù)接入，可融合多種不同設(shè)備及不同協(xié)議類型的智能終端，如支持MODBUS 、DL/T645、MQTT、LWM2M、EDP、RGMP等其它協(xié)議。

1.2.2 IoT云平臺(tái)

本系統(tǒng)采用ONENET平臺(tái)，ONENET是中國(guó)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的PAAS物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)，可解決協(xié)議適配、海量連接、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、設(shè)備管理、規(guī)則引擎、事件告警等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的共性問(wèn)題，平臺(tái)能夠幫助開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)設(shè)備接入與設(shè)備連接，提供綜合性的物聯(lián)網(wǎng)解決方案。

g. 2 Software architecture diagram

平臺(tái)提供開(kāi)放的HTTP/HTTPS API接口，用戶可以使用API進(jìn)行設(shè)備管理、數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備命令交互等操作，在API的基礎(chǔ)上，根據(jù)自己的個(gè)性化需求指定搭建上層應(yīng)用。

本系統(tǒng)通過(guò)路燈控制器上傳數(shù)據(jù)到ONENET平臺(tái)，然后通過(guò)平臺(tái)開(kāi)放的API接口進(jìn)行設(shè)備及數(shù)據(jù)訪問(wèn)，融合到路燈控制管理系統(tǒng)中，提供給客戶端訪問(wèn)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 NB-IoT數(shù)據(jù)通信

當(dāng)前，智能照明系統(tǒng)中主要采用PLC（電力載波）、ZigBee和GPRS等通信方式。其中，PLC方式優(yōu)點(diǎn)是只要有電力線即可進(jìn)行傳輸，但信號(hào)易受干擾，通信成功率不高。ZigBee通信具有低功耗、低成本、大容量、應(yīng)用靈活等優(yōu)點(diǎn)。但采用樹(shù)形結(jié)構(gòu)時(shí)穩(wěn)定性較差，易受同頻無(wú)線電信號(hào)影響。

NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋（LPWA）物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。其具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構(gòu)優(yōu)等特點(diǎn)。是目前運(yùn)營(yíng)商的主流技術(shù)選擇，可很好地解決目前存在的路燈控制通信的相關(guān)矛盾及問(wèn)題。

2.2 路燈控制器

路燈控制器提供無(wú)線GPRS/4G/NB-IoT等通訊接口（可選）?？煽刂茊蝹€(gè)照明設(shè)備終端的開(kāi)/關(guān)操作;具有1路交流控制輸出;1路PWM調(diào)光輸出、調(diào)光等操作;0～10 V輸出：可設(shè)置DC0～10 V的電壓幅值調(diào)節(jié)路燈亮度;能測(cè)量電流、電壓、功率以及功率因數(shù)、電能等參數(shù);繼電器輸出： AC220 V電壓輸出，AC2.5（10）A電流輸出;并具有時(shí)鐘對(duì)時(shí)功能，以方便系統(tǒng)的校時(shí)。另具有經(jīng)緯度設(shè)置功能，可結(jié)合GIS進(jìn)行地圖可視化顯示。

2.3 多回路電量監(jiān)控裝置

監(jiān)控裝置具有測(cè)控1路進(jìn)線，4路出線的功能，可安裝于配電柜內(nèi)。適用于市政及公共建筑、譬如路燈控制箱體的電能計(jì)量、漏電監(jiān)測(cè)及開(kāi)關(guān)控制，具有拉合閘功能，可控制用電回路的通斷，配合系統(tǒng)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)路燈線路的“群策控制”。進(jìn)線中還可測(cè)量漏電功能，其中獨(dú)立式電氣火災(zāi)監(jiān)控探測(cè)器采用高速芯片，快速測(cè)量主干線剩余電流（漏電流）大小及溫度值，當(dāng)被保護(hù)線路中被測(cè)參數(shù)超過(guò)報(bào)警設(shè)定值時(shí)，能發(fā)出聲、光報(bào)警和控制信號(hào)，以便消除火災(zāi)隱患。

2.4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)支持多種工業(yè)及物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，可采集現(xiàn)場(chǎng)路燈控制器及相關(guān)智能終端的數(shù)據(jù)并做分析處理，可將數(shù)據(jù)提供給上層應(yīng)用系統(tǒng)，是一個(gè)高性能、高速度、高吞吐能力、可靠性強(qiáng)、跨網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的分布式實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。系統(tǒng)是一個(gè)完全的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，可任意構(gòu)建應(yīng)用模式;并能與Hadoop、Spark等主流的大數(shù)據(jù)平臺(tái)有機(jī)融合，幫助管理者洞察全局?jǐn)?shù)據(jù)趨勢(shì)，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，降低運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，控制成本提升效益。

2.5 深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)是機(jī)器學(xué)習(xí)研究中的一個(gè)新的領(lǐng)域，其動(dòng)機(jī)在于建立、模擬人腦進(jìn)行分析學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);根據(jù)路燈控制系統(tǒng)采集的海量數(shù)據(jù)，可以建立包括分類、聚類、關(guān)聯(lián)、時(shí)序及異常等相關(guān)數(shù)據(jù)挖掘算法與模型，對(duì)路燈管控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析，并自動(dòng)生成路燈控制、能耗管理、告警等統(tǒng)計(jì)分析及診斷報(bào)告。

3 應(yīng)用實(shí)例

某轄區(qū)下設(shè)6個(gè)街道，路燈所擬對(duì)其中的區(qū)域進(jìn)行路燈及附屬設(shè)施的智能化改造，改造內(nèi)容如下：改造燈具1.3萬(wàn)盞，每個(gè)燈具安裝智能路燈控制器;改造配電箱300多個(gè)，每個(gè)配電箱安裝計(jì)量終端、集中控制器、漏電監(jiān)測(cè)單元、輸入輸出監(jiān)控終端等設(shè)備;搭建數(shù)據(jù)中心、監(jiān)控中心;搭建智慧照明管控系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)軟件系統(tǒng)。

系統(tǒng)采用本文所述方案進(jìn)行建設(shè)，經(jīng)試點(diǎn)，目前系統(tǒng)運(yùn)行效果良好、通信可靠、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，特別是針對(duì)深度學(xué)習(xí)所生成的異常數(shù)據(jù)及相關(guān)節(jié)能診斷報(bào)告，對(duì)管理者的路燈節(jié)能管理具有重要的參考價(jià)值。

4 結(jié)束語(yǔ)

智慧路燈是智慧城市的一個(gè)子系統(tǒng)及智慧城市接入平臺(tái)，在節(jié)能方面，可降低能源消耗、降低碳排放，具有良好的社會(huì)效益;在成本上，可降低人員維護(hù)成本，能取得不錯(cuò)的經(jīng)濟(jì)效益;可實(shí)現(xiàn)城市及市政服務(wù)能力提升，促進(jìn)“智慧市政”的大力發(fā)展，智慧路燈系統(tǒng)后續(xù)作為一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)可與安防、警務(wù)、通信、城管等系統(tǒng)進(jìn)行交互，為智慧城市的大數(shù)據(jù)應(yīng)用提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

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