田守安,周永剛,李松翰

(中工武大設(shè)計(jì)研究有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，照明設(shè)施數(shù)量越來越多。如何有效管理城市照明設(shè)施，是行業(yè)主管部門所面臨的難題。由于維護(hù)工作量大、維護(hù)成本昂貴、安全隱患多且不易察覺等問題，給路燈管理帶來巨大困難。以往過于被動(dòng)、無監(jiān)控的傳統(tǒng)路燈管理模式已滿足不了現(xiàn)代化城市照明管理的需要。因此，建立一種全新的管理模式和平臺(tái)來推動(dòng)城市路燈照明管理工作的發(fā)展已迫在眉睫。

4G無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和集成電路的發(fā)展使路燈的智能管控成為可能。利用4G無線網(wǎng)絡(luò)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理和自動(dòng)化控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)路燈狀態(tài)、地理信息等數(shù)據(jù)。通過本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，將采集到的信息狀態(tài)很好地顯示在各種終端上，便于路燈管理部門進(jìn)行管理和決策，具備良好的可行性與實(shí)用性。

1 路燈智能管控系統(tǒng)建設(shè)的重要意義

1.1 提升科學(xué)管理能力

建立區(qū)域路燈智能化管控模式，通過系統(tǒng)集成，將日常的工作化繁為簡(jiǎn)?？蓪?shí)行單燈控制，根據(jù)管理需要和現(xiàn)場(chǎng)情況的變化，及時(shí)調(diào)整路燈開啟狀態(tài)和時(shí)間[1]，實(shí)現(xiàn)按需照明。

1.2 節(jié)約電能支出

路燈智能管控系統(tǒng),通過現(xiàn)地控制器對(duì)路燈開關(guān)燈時(shí)間、功率等進(jìn)行調(diào)整,滿足不同區(qū)域或同一區(qū)域不同時(shí)段照度需求變化的要求,節(jié)約電能,實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。

1.3 降低運(yùn)維成本

采用智能化監(jiān)控模式，以智能化監(jiān)測(cè)平臺(tái)取代傳統(tǒng)巡查，實(shí)現(xiàn)故障自動(dòng)報(bào)警。平臺(tái)自動(dòng)生成報(bào)表并通知相關(guān)責(zé)任人，以實(shí)現(xiàn)故障路燈精準(zhǔn)定位，大大提高了工作效率，降低了維護(hù)成本。

1.4 減少經(jīng)濟(jì)損失，降低安全隱患

當(dāng)發(fā)生燈桿漏電、線路破損、電纜盜割等現(xiàn)象時(shí)，值班工作人員會(huì)在第一時(shí)間接到短信報(bào)警通知，方便工作人員及時(shí)處理，也避免了裸露電線對(duì)行人造成的安全隱患。

2 系統(tǒng)組成

路燈智能綜合管控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、集中控制箱及現(xiàn)地控制器等組成，形成了一個(gè)樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[2]。系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件應(yīng)符合城市路燈工程的要求，滿足所要求的各項(xiàng)指標(biāo)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 監(jiān)控系統(tǒng)配置

監(jiān)控系統(tǒng)主要由工作站、服務(wù)器、防火墻、計(jì)算機(jī)端管理軟件、集中控制器、終端(單燈)控制器等組成[3]，工作站、服務(wù)器、防火墻等位于中控室內(nèi)，集中控制器安裝在戶外路燈專用控制柜(或箱變)內(nèi)，終端控制器安裝在路燈燈桿上。服務(wù)器與集中控制器之間、集中控制器與終端控制器之間均利用通信基站，通過4G無線網(wǎng)路技術(shù)進(jìn)行通信，服務(wù)器通過RS-485方式接入路由，與監(jiān)控中心工作站進(jìn)行通信。如果把監(jiān)控系統(tǒng)比作學(xué)校，集中控制器則充當(dāng)著“班主任”的作用。它主要負(fù)責(zé)接收并執(zhí)行工作站管理人員利用管理軟件發(fā)布的指令，對(duì)每個(gè)終端(單燈)控制器進(jìn)行控制，從而控制其對(duì)應(yīng)路燈的開閉狀態(tài)[4]，同時(shí)收集整理路燈定位信息、耗電量、開閉狀態(tài)信號(hào)及其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，上傳至服務(wù)器，供管理者和工作人員及時(shí)查看。

后臺(tái)系統(tǒng)由服務(wù)器、工控機(jī)、顯示系統(tǒng)等組成局域網(wǎng)。其中，兩臺(tái)工控機(jī)采用1+1備份工作方式，并外接打印機(jī)、全球定位系統(tǒng)(global positioning system,GPS)校時(shí)、監(jiān)控軟件、光照度儀以及其他通信設(shè)備等。該系統(tǒng)由不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)供電。

后臺(tái)系統(tǒng)配套專業(yè)信息管理系統(tǒng)(management information system,MIS)和路燈管控自動(dòng)化軟件系統(tǒng)(office automation system,OAS)。數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)采用常規(guī)的SQLServer數(shù)據(jù)庫(kù)[5]，以便不同權(quán)限、不同級(jí)別的管理人員操作。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，同步處理，對(duì)路燈實(shí)施各種指令控制并接受遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。

搭載地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)平臺(tái)，創(chuàng)建區(qū)域范圍內(nèi)道路及路燈布置地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)，統(tǒng)一編碼，精準(zhǔn)掌握路燈地理位置。一旦接收到故障信號(hào)或其他異常信息，系統(tǒng)能迅速準(zhǔn)確定位路燈所在位置，實(shí)現(xiàn)時(shí)報(bào)時(shí)修的維護(hù)管理機(jī)制。

2.1.3 控制系統(tǒng)配置

①集中控制器。

集中控制器是智能路燈照明系統(tǒng)中的重要中間單元，向下收集各點(diǎn)數(shù)據(jù)并傳達(dá)控制指令，向上與監(jiān)控中心通信，接收指令以及反饋相關(guān)數(shù)據(jù)信息。對(duì)照明線路進(jìn)行回路控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控線路的電量信息；同時(shí)，通過電力線寬帶載波通信方式與線路上的終端進(jìn)行通信，控制終端的開關(guān)燈操作，并接收終端上傳的燈具狀態(tài)和電量數(shù)據(jù)信息。集中控制器提供了以太網(wǎng)連接和無線通信，方便監(jiān)控中心遠(yuǎn)程對(duì)其監(jiān)控和操作[6]。

集中控制器能測(cè)量電力數(shù)據(jù)和后臺(tái)遙控開關(guān)燈，并具有多路控制輸出。每路控制操作及時(shí)間設(shè)置均相互獨(dú)立。

②單燈控制器。

單燈控制器通過電力線寬帶載波通信技術(shù)與智能監(jiān)控終端進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)每一盞燈的監(jiān)控。單燈控制器在燈桿門內(nèi)安裝，無需布線，安裝方便。燈具到路燈控制柜端的通信采用電力線寬帶載波通信，路燈電源線作為電力線寬帶載波通信的載體，無需另設(shè)電纜[7]。

單燈控制是由單燈控制器對(duì)具備可調(diào)光路燈進(jìn)行控制的方式。其采用高性能單片機(jī)硬件平臺(tái)，以先進(jìn)的電能計(jì)量芯片和微控制器為核心[8]，結(jié)合寬帶電力線載波通信技術(shù)研制而成。這樣可實(shí)現(xiàn)電量測(cè)量、開關(guān)燈控制、亮度控制、狀態(tài)檢測(cè)、載波通信等功能。

2.2 智慧路燈綜合管控平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.2.1 功能結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由設(shè)備監(jiān)控、管理配置、報(bào)警預(yù)警、GIS管理、數(shù)據(jù)管理、短信管理等功能組成。功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 功能結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 設(shè)備監(jiān)控

①實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)：對(duì)每個(gè)回路、每盞路燈的開閉狀態(tài)、電量、異常狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)可通過指定客戶端分級(jí)查看數(shù)據(jù)。

②遙控：對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的所有照明控制點(diǎn)能按預(yù)定程序進(jìn)行區(qū)域控制、回路控制、單燈控制。

③遙測(cè)：增設(shè)光檢模塊電路、紅外檢測(cè)模塊電路等智能化模塊[9]，采集系統(tǒng)內(nèi)的所有照明控制點(diǎn)包括回路電流、回路電壓、有功功率、功率因數(shù)等運(yùn)行數(shù)據(jù)，供管理人員隨時(shí)查閱。

④遙信:監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的各照明控制點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)及接收?qǐng)?bào)警信息。

⑤手/自動(dòng)遙控：不同區(qū)域?qū)φ彰骺刂频囊蟛槐M相同，在區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)群控和組控。

⑥自動(dòng)巡檢和抽檢：能按設(shè)定的時(shí)間周期自動(dòng)，進(jìn)行定時(shí)/不定時(shí)巡檢照明監(jiān)控點(diǎn)的狀態(tài)和主要參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)及時(shí)反饋至監(jiān)控中心。

2.2.3 管理配置

(1)終端參數(shù)管理。

①終端參數(shù)設(shè)置。

終端參數(shù)設(shè)置實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端的基礎(chǔ)參數(shù)、測(cè)量參數(shù)置、開關(guān)量參數(shù)等的設(shè)置功能。

②終端參數(shù)讀取。

終端參數(shù)讀取實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端的基礎(chǔ)參數(shù)、報(bào)警參數(shù)、控制回路參數(shù)、測(cè)量參數(shù)等讀取功能。

(2)時(shí)間管理。

①開關(guān)燈時(shí)間預(yù)案管理。

對(duì)日常開關(guān)燈、節(jié)日開關(guān)燈、政務(wù)要求開關(guān)燈時(shí)間管理并形成預(yù)案模式，為日常維護(hù)管理提供準(zhǔn)確、快捷的操作方式。

②終端開關(guān)燈時(shí)間管理。

終端開關(guān)燈時(shí)間管理實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理終端全時(shí)域、等亮度開關(guān)燈時(shí)間管理。

③開關(guān)燈控制管理

開關(guān)燈控制管理對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制，并具備集中控制、單點(diǎn)、單回路控制、設(shè)定預(yù)案控制等功能。

2.2.4 報(bào)警預(yù)警

①報(bào)警告知。

系統(tǒng)報(bào)警的原因可能包括：路燈白天開啟、夜間熄滅的異亮狀態(tài)、線路故障等。

②智能預(yù)警。

系統(tǒng)硬件自定義報(bào)警項(xiàng)，用戶在創(chuàng)建燈桿或控制柜模板時(shí)可對(duì)其開閉規(guī)律等進(jìn)行設(shè)置，也可根據(jù)所采集數(shù)據(jù)，由用戶進(jìn)行軟件配置生成智能預(yù)警項(xiàng)。

③緊急求救報(bào)警。

在每盞燈桿處適當(dāng)位置增設(shè)緊急按鈕[9-10]，一旦發(fā)生事故，按下該按鈕，信號(hào)可直接傳至監(jiān)控中心，便于相關(guān)管理人員及時(shí)處理。

2.2.5 GIS管理

從城市發(fā)展的需要出發(fā)，通過構(gòu)建一個(gè)以GIS技術(shù)為基礎(chǔ)的城市照明管理系統(tǒng)，共享實(shí)時(shí)信息和數(shù)據(jù)，優(yōu)化管理流程，可有效解決城市照明管理中的諸多問題，提高維護(hù)工作效率。

①定位與快速查找。

箱變、路燈控制箱、各饋線回路、燈桿、燈具、鎮(zhèn)流器、控制器等設(shè)施均能在GIS上直觀體現(xiàn)，相應(yīng)設(shè)施均能夠?qū)崿F(xiàn)獨(dú)立分層顯示。

②物理從屬關(guān)系體現(xiàn)。

按照變壓器、配電箱、供電線路、燈桿、燈具的順序體現(xiàn)相應(yīng)從屬關(guān)系，當(dāng)相應(yīng)設(shè)施或供電回路發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

③狀態(tài)直觀顯示。

設(shè)施的基本信息以及狀態(tài)信息均能夠直觀展現(xiàn),對(duì)于告警類信息能夠及時(shí)突出顯示。

④GIS統(tǒng)計(jì)與分析。

按照區(qū)域、道路等進(jìn)行設(shè)施及狀態(tài)的分類統(tǒng)計(jì)及匯總。分析故障高發(fā)路段，有利于迅速查處問題、減少故障發(fā)生。

2.2.6 數(shù)據(jù)管理

①自動(dòng)計(jì)算亮燈率。

在每盞路燈基座處設(shè)有單燈狀態(tài)監(jiān)測(cè)模塊，能夠自動(dòng)識(shí)別開閉狀態(tài)。

②查詢終端運(yùn)行狀態(tài)。

監(jiān)控中心可通過后臺(tái)查詢路燈及控制箱、控制器等設(shè)施各種實(shí)時(shí)狀態(tài)，包括路燈的開閉狀態(tài)、手/自動(dòng)開關(guān)的位置、箱變及控制箱的溫度、各饋線回路的電氣參數(shù)是否正常等。

③查詢分析及報(bào)表。

查詢分析的主要內(nèi)容包括：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的電氣參數(shù)、故障報(bào)警信號(hào)、路燈亮燈率、系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)效率分析等；對(duì)照明監(jiān)控點(diǎn)每個(gè)饋線回路、每個(gè)時(shí)間段的數(shù)據(jù)進(jìn)行分級(jí)分權(quán)限查詢、分析；對(duì)每天路燈的開閉時(shí)間、環(huán)境因素(溫度、濕度、照度等)和日照長(zhǎng)度時(shí)間等進(jìn)行記錄，供管理人員隨時(shí)查詢、分析。查詢分析的結(jié)果可以以報(bào)表的方式輸出[11]。

④遠(yuǎn)程抄表。

監(jiān)控中心可以遠(yuǎn)程抄回照明監(jiān)控站的數(shù)字電表數(shù)據(jù)并保存?zhèn)洳?。子站能根?jù)主站的指令，自動(dòng)對(duì)具有遠(yuǎn)程抄表功能的數(shù)字電能表進(jìn)行抄表。

⑤實(shí)時(shí)監(jiān)控匯總。

對(duì)監(jiān)控管理平臺(tái)內(nèi)各控制點(diǎn)的開關(guān)量、開燈時(shí)間、開閉次數(shù)、終端運(yùn)行信號(hào)、終端溫度等進(jìn)行匯總管理。

2.2.7 歷史數(shù)據(jù)分析

①歷史參數(shù)分析。

在歷史參數(shù)分析平臺(tái)，對(duì)各控制點(diǎn)的參數(shù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)專業(yè)數(shù)據(jù)分析功能，歷史參數(shù)確保為連續(xù)的數(shù)據(jù)。

②歷史參數(shù)數(shù)據(jù)查詢導(dǎo)出。

歷史參數(shù)數(shù)據(jù)查詢導(dǎo)出可查詢分析平臺(tái)內(nèi)的所有控制點(diǎn)在一定時(shí)間內(nèi)保存的數(shù)據(jù)，隨時(shí)導(dǎo)出并打印報(bào)表，方便查閱。

③歷史參數(shù)管理。

通過城市路燈管控平臺(tái)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端通信一次即可采集到終端內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，確保后臺(tái)歷史數(shù)據(jù)的連續(xù)。

④歷史亮燈率分析。

歷史亮燈率分析形成平臺(tái)內(nèi)各控制點(diǎn)的亮燈率分析管理，實(shí)現(xiàn)專業(yè)數(shù)據(jù)分析功能。

2.2.8 短信管理

①短信值班管理。

通過短信值班管理，在無人值守的情況下，現(xiàn)場(chǎng)終端能主動(dòng)把當(dāng)前的報(bào)警、報(bào)告狀態(tài)通過短信的形式發(fā)送到值班人員手機(jī)上。

②短信報(bào)表管理。

短信報(bào)表管理對(duì)平臺(tái)內(nèi)的短信報(bào)警、報(bào)告、收發(fā)信息分類型進(jìn)行報(bào)表管理。

2.2.9 移動(dòng)端管理

該功能基于手機(jī)操作系統(tǒng)，集單燈控制、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、線路檢測(cè)、故障報(bào)警、人員定位等功能為一體[12]。

3 應(yīng)用及效果

3.1 應(yīng)用

2019年初，武漢市某區(qū)進(jìn)行了4G網(wǎng)絡(luò)路燈智能管控系統(tǒng)改造，對(duì)18 000余盞區(qū)管路燈進(jìn)行集中控制改造，以滿足遠(yuǎn)程集中控制要求；另對(duì)部分道路的高壓鈉燈進(jìn)行發(fā)光二極管(light emitting diode,LED)單燈控制改造，滿足單燈控制功能；新建智能路燈照明監(jiān)控中心；對(duì)路燈加裝號(hào)碼牌。

3.1.1 照明監(jiān)控中心建設(shè)

①安裝一組12塊液晶拼接大屏作為顯示系統(tǒng)，用于城市照明設(shè)備的管理、集中調(diào)度及監(jiān)控指揮。

②建設(shè)監(jiān)控指揮中心，包括計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、機(jī)房服務(wù)器、UPS設(shè)備等。

③對(duì)路燈監(jiān)控中心辦公室進(jìn)行裝修，配備滿足需要的音響系統(tǒng)、指揮操作臺(tái)、座椅以及電氣、線材等辦公設(shè)施。

3.1.2 路燈集中控制管理器

在每臺(tái)路燈箱變附近，新建安裝路燈集中控制柜終端。電源取自路燈箱變，控制箱采用落地式安裝，實(shí)現(xiàn)路燈的集中控制、監(jiān)控功能，進(jìn)行遠(yuǎn)程本地設(shè)防、撤防，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。集中控制器與后續(xù)安裝的單燈控制器通過電力線寬帶載波進(jìn)行通信。

3.1.3 單燈控制器

對(duì)部分道路的高壓鈉燈進(jìn)行單燈控制改造，在每盞路燈內(nèi)安裝單燈控制器。

3.1.4 智能路燈綜合管控平臺(tái)

通過前端智能傳感器對(duì)路燈照明設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，并通過計(jì)算機(jī)管理軟件平臺(tái)，結(jié)合節(jié)能減排指標(biāo)，實(shí)施“照明能源管理”戰(zhàn)略布置，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、智能、靈活的節(jié)能規(guī)劃。

3.2 效果

武漢市某區(qū)進(jìn)行了4G網(wǎng)絡(luò)路燈智能綜合管控系統(tǒng)的建設(shè),并于2019年6月投入運(yùn)行，運(yùn)行正常有效；提高了路燈管理水平；使路燈擁有唯一的“身份證”；平均節(jié)省電費(fèi)約30%；運(yùn)維人員由“人工巡檢”改為“值班等待報(bào)警”，節(jié)約了路燈管理維護(hù)成本；降低能耗；降低二氧化碳排放；響應(yīng)了國(guó)家提倡的節(jié)能減排號(hào)召。

運(yùn)行中實(shí)現(xiàn)了國(guó)慶節(jié)、軍運(yùn)會(huì)等重大節(jié)日根據(jù)需要進(jìn)行了亮燈情況的調(diào)整和重要路段單燈進(jìn)行控制的需求。智能管控系統(tǒng)50次實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到路燈故障，并實(shí)現(xiàn)故障路燈精準(zhǔn)定位。工作人員根據(jù)報(bào)警及時(shí)對(duì)故障進(jìn)行了處理，避免了路燈大面積停電。其中，5次監(jiān)測(cè)到燈桿漏電、線路破損、電纜盜割等情況，系統(tǒng)報(bào)警及時(shí)，減少了經(jīng)濟(jì)損失，降低了安全隱患。

4 結(jié)論

路燈是保障人們安全出行和展示城市形象的重要設(shè)施，如何有效地管控好路燈是行業(yè)主管部門關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)的4G網(wǎng)絡(luò)的路燈智能綜合管控系統(tǒng)，利用4G無線網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集處理和自動(dòng)化控制，并通過計(jì)算機(jī)終端將路燈狀態(tài)、地理

信息等數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，為路燈的正常運(yùn)轉(zhuǎn)、系統(tǒng)維護(hù)及在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的緊急處理提供依據(jù)顯示，縮短故障處理時(shí)間，提升行業(yè)服務(wù)水平。

結(jié)合4G網(wǎng)絡(luò)的路燈智能綜合管控系統(tǒng)的成功應(yīng)用實(shí)例，在路燈工程中，尤其是在自然環(huán)境條件差、范圍廣的城市路燈工程中非常實(shí)用，采用無線網(wǎng)路技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸方式，減少敷設(shè)光纜和因埋管而需開挖的工程量，節(jié)省了投資。該系統(tǒng)為城市的智能化建設(shè)提供了參考，具有重要的意義。