左偉

（甘肅省建筑設計研究院有限公司）

1 引言

城市照明系統是社會公共服務的基礎配套設施，城市化進程的加快使得城市照明系統的能源消耗量急劇增加，與能源日益短缺、溫室效應明顯的現實情況下提出的節(jié)能減排、綠色照明等號召背道而馳。同時，城市照明系統在管理方面存在如人工運維成本高、供電線纜盜竊現象屢禁不止等問題，增加了城市照明設施運維與管理的成本[1]。當前，城市更新行動計劃、智慧城市建設、城市智慧大腦平臺構建等諸多項目與方案的推進、落實，使得城區(qū)范圍內高度集成了5G基站、電子警察、高清攝像頭等諸多智能化設備設施，成為推動城市照明系統運維、管理方式智慧化、智能化的重要發(fā)展契機。當前城市照明系統的節(jié)能化與智慧化尚未由量變進入到質變狀態(tài)，節(jié)能與智慧化管控升級改造工作也尚未得到廣泛普及與全面鋪開[2]。有必要對城市照明節(jié)能及智慧化管控升級改造方案以及相關技術應用進行研究，推動大數據、物聯網、遠程控制技術在城市照明系統建設與管控中的應用落地，依托節(jié)能及智慧化管控系統實現對城市照明系統的燈光亮度進行遠程調節(jié)與集中控制、照明設施故障自動報警、燈具線纜防盜報警等，高度適配城市照明的動態(tài)需求，有效控制能源消耗，提高照明設施的使用壽命，降低城市照明設施的運維與管理成本。

2 城市照明節(jié)能及智慧化管控需求

當前大部分城市道路沿線的公共基礎設施多以單桿專用的方式布設，如電子警察、高清攝像頭、路燈、路標與警示牌、通信設施等均有相對獨立的線桿，線桿中公共基礎設施設備的集成度較低，致使線桿重復建設，各公共設施之間存在信息孤島，各類建設成本與運維成本成倍增加[3]?！笆奈濉币?guī)劃綱要中對智慧城市建設與治理模式提出了具體指示，強調應充分運用數字化、信息化技術提高城市管理的效率、提升城市環(huán)境的宜居度。在城市照明系統中，已然出現了多桿合一的智慧燈桿，其上集成了照明燈具、通信設備、監(jiān)控設施、交安設施、環(huán)境監(jiān)測及標識標牌等，多功能設備設施的掛載與集約化使得城市照明系統的照明、通信、故障報警、遠程監(jiān)控等成為可能，為城市照明節(jié)能及智慧化管控提供軟硬件基礎。在智慧燈桿的現實前提下，對城市照明節(jié)能及智慧化管控升級改造的需求進行剖析，具體如下：

1）統一供電規(guī)劃設計

城市道路沿線布設的智慧燈桿是一個高度集成的硬件裝置，其上通常集約化部署照明燈具、電子警察、高清攝像頭、通信設施、電子標志標牌、環(huán)境監(jiān)測傳感器等，上述公共基礎設備設施的運行均有賴于電力資源的穩(wěn)定供應。因此，在對城市照明節(jié)能及智慧化管控進行升級改造時，需要對智慧燈桿上各類設備設施的用電需求進行匯總、統籌，根據用電設施的工作電壓、功率、接口形式、防護等級等，規(guī)劃設計用電設施的供電接口。

2）分路用電計量采集

智慧燈桿中集成了交通、通信、監(jiān)控等不同功能的諸多設備，為便于不同部門對各自管轄的公共設備設施用電情況與節(jié)能情況進行獨立分析，需采用分路用電計量方式對智慧燈桿上集成的、不同權屬單位的用電設備設施進行獨立計量，以便各權屬單位根據用電量數據來統計相應設備的能耗情況，并分析城市照明設施的節(jié)能性。

3）統一供電用電保障

智慧燈桿中集成的各類設備設施在軟件上共聯共享，在硬件上應相互獨立，以保證各自的供電與用電安全。城市照明節(jié)能及智慧化升級改造時，應在燈桿各掛載設備上布設浪涌防護裝置與漏電保護裝置，并設計獨立的過流、過載、短路保護措施，以免燈桿中的某一用電設施出現故障而導致整個燈桿的公共設施無法供電，影響城市照明節(jié)能及智慧化管控的力度[4]。

4）遠程控制管理照明設施

遠程控制是城市照明節(jié)能及智慧化管理升級改造的關鍵功能需求，也是智慧化管控的重要目標。城市照明系統應根據當地經緯度及實時光照度等參數自動調整照明設施啟閉時間，同時遠程控制系統應自動采集與傳輸空間離散分布的照明設施的運行狀態(tài)和用電參數等，以便對照明設施的運行故障加以預警，包括照明設施過流、短路等用電故障預警以及人為暴力破壞預警等。

5）動態(tài)監(jiān)測照明系統運行狀態(tài)

為提高城市照明系統的監(jiān)管效率，需在箱體內布設大量的傳感器，包括溫度傳感器、濕度傳感器、感煙器、振動監(jiān)測傳感器等，對箱體的溫度、濕度、煙霧、風力、桿體傾斜振動數據進行實時采集、傳輸，為智慧燈桿以及照明系統的運行狀態(tài)監(jiān)測提供數據支撐，為智慧燈桿防風、降溫、防側傾等問題作出動態(tài)預警[5]。

3 城市照明節(jié)能及智慧化管控改造

3.1 綜合機箱供電設計

城市照明系統的節(jié)能及智慧化管控升級改造中，面向集成監(jiān)控、通信、燈具等諸多用電設備設施的綜合機箱供電設計是首要步驟?？紤]到城市智慧燈桿綜合機箱的高度集成性，采用五倉體設計對綜合機箱供電體系加以構建，包括綜合配電倉、信號機控制倉、交通匯聚設施倉、公安匯聚設施倉、其他匯聚設施倉。同時，為綜合機箱配備智能型三相斷路器，一部分回路通過電纜引至智慧燈桿，給燈桿中集成的各類用電設備供電；一部分則至其他匯聚倉體，給倉體內用電設備供電。采用回路測控終端對回路中的電壓、電流、功率等數據進行實時監(jiān)測，智能分析與評判綜合機箱的供電穩(wěn)定性以及供電狀態(tài)，若是回路測控終端監(jiān)測到回路有過壓、漏電等情況，則瞬時斷開回路接觸器，并將上述監(jiān)測到的故障情況上報至城市照明系統控制中心，以良好的回路監(jiān)測與靈敏的回路接觸器通斷提高綜合機箱回路供電的安全性，為城市照明節(jié)能及智慧化管控升級改造奠定良好的供電、用電基礎。同時，綜合配電倉中的溫度傳感器、濕度傳感器、感煙器等可在穩(wěn)定、安全供電條件下有序運轉、實時采集綜合機箱的動態(tài)運行數據，由回路控制終端對各類傳感器的數據分析研判結果加以動態(tài)響應，控制排風扇等設備的啟閉。

3.2 基于大數據的智慧照明節(jié)能管控系統設計

基于大數據的智慧照明節(jié)能管控系統是城市照明節(jié)能及智慧化管控升級改造的中樞，其區(qū)別于傳統城市照明系統改造之處在于，傳統城市照明系統的改造大多從路燈、電纜線路等方面進行節(jié)能選材與優(yōu)化布局，而基于大數據的智慧照明節(jié)能管控系統則是充分利用大數據、傳感器、物聯網、遠程控制技術等對城市照明設施的運行狀態(tài)進行動態(tài)監(jiān)管與控制，充分利用自然光，高度適配城市照明需求，減少城市照明設施運行的能源消耗?；诖髷祿闹腔壅彰鞴?jié)能管控系統主要構成包括當地光照度等參數實時采集模塊、信號傳輸模塊、數據中心、照明系統節(jié)能管控平臺等，其中實時采集模塊是指綜合機箱中布設的光照度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等對智慧燈桿所在地的光照度、溫度、濕度、風向、風力、燈桿傾斜振動幅度等參數進行實時采集；信號傳輸模塊是指依托GPRS網絡或Wi-Fi網絡搭建信號傳輸網絡體系，對綜合機箱中實時采集的各類數據進行傳輸，確保數字信號在傳輸過程中不失真、無丟失；數據中心用于對實時采集與傳輸的綜合機箱實時環(huán)境數據、用電設備運行狀態(tài)數據等進行高效存儲、組織與管理，為城市照明系統的節(jié)能化、智慧化管控提供充足的數據支撐；照明系統節(jié)能管控平臺則是在數據中心的基礎上，引入照明設施智能管控決策研判方法，結合當前照明設備的運行狀態(tài)、當地的光照度、交通流量、道路等級以及照明設施的耗電情況等，自動化控制與調節(jié)城市照明設施的照明亮度，使得城市照明設施既能滿足城市居民的出行需要，也能最大限度地減少照明設施的能源消耗[6]。城市照明系統通過數據實時統一化收集、編碼、壓縮、傳輸等技術實現模擬信號的收集、數字化以及高保真?zhèn)鬏敚跀底中盘柌杉c傳輸中保障信號的穩(wěn)定性。同時，城市照明節(jié)能及智慧化管控升級改造以信息自動化采集、組織、管理為核心，將原本人工機械化的數據采集管理模式甚至純定性化的研判分析模式轉變?yōu)樽詣踊?、智能化、定量化的數據采集與應用分析模式，減少了業(yè)務應用中的人力資源投入，提高了業(yè)務數據收集、處理、分析應用的效率。

3.3 城市照明設施升級改造

城市照明設施的升級改造是城市照明節(jié)能及智慧化管控升級改造的重要環(huán)節(jié)之一，針對城市市政照明設施節(jié)能性差、故障率高等問題，市政工程管理處等職能部門應對城市照明設施進行升級改造。如將原先相對陳舊的落后的高壓鈉燈、LED燈替換為節(jié)能性更佳的新型LED燈，利用新型LED燈的高光效、抗光衰等優(yōu)點提高城市照明設施運行的綠色節(jié)能性，積極響應城市照明系統節(jié)能降耗的號召。在具體實施時，應以群眾需求為核心，針對居民群眾反映的“照度不足”的路段及區(qū)域，增補和完善照明設施；針對故障頻率高，使用壽命到期、光通量降低的路段及區(qū)域，普及使用綠色節(jié)能型LED光源；針對重要窗口與交通樞紐區(qū)域，集中改造運行缺陷的燈（鋼）桿、線纜和箱變設備，消除道路照明設備安全隱患；同時，加強智慧燈桿應用和5G設備搭載等，確保民生道路照得亮，主干道路靚眼眸，重點片區(qū)有特色。同時，在城市照明設施管理層面，應充分利用基于大數據的智慧照明節(jié)能管控系統對城市照明設施進行運維與管理，及時響應系統發(fā)出的照明設施故障預警并做出應急維護措施。

3.4 城市物聯網建設

城市照明系統的智慧燈桿上搭載了眾多用電設備設施，包括高清攝像頭、環(huán)境監(jiān)測傳感器、燈具等，上述用電設備利用智能監(jiān)控終端進行統籌管理，實現對環(huán)境數據、交通流量數據、設備運行數據等的實時采集。構建高度集成以太網、RS232、RS485等多種接口的智能網關，更好地適配城市照明節(jié)能與智慧化管控系統中各類設備設施的聯網傳輸與共享，以便于各類前端用電設施設備高效接入到有線網絡或無線網絡場景中，實現信息傳輸與資源共享。同時，依托物聯網對城市照明系統中采集的各類實時數據傳輸到數據中心，以供節(jié)能管控平臺分析、研判并做出設備啟閉、光照度調節(jié)以及故障應急響應等。

4 結語

由于照明設施與照明控制技術限制，傳統城市照明系統缺乏現代化、信息化技術，照明路燈啟閉、亮度調節(jié)、路燈運維養(yǎng)護等作業(yè)均有賴于人工或半機械，城市市政照明設施運行過程中涉及的運行狀態(tài)數據、運維過程數據等均無法實時、準確獲得，更無法以動態(tài)反饋驅動照明設施節(jié)能化、智慧化管控。數字化技術依托物聯網、軟件系統、大數據平臺等對城市照明系統的環(huán)境數據與設備運行狀態(tài)數據采集、數據傳輸、數據組織與管理、照明設施智能化控制等流程進行自動化升級，為城市照明的節(jié)能效果提升、節(jié)能型城市建設奠定技術基礎。