城市路燈無線監控網絡的應用分析報告

薛 波，俞 睿

(寧波市政管理處, 浙江 寧波 315010)

1 引言

隨著我國經濟的快速發展，城市的規模越來越大，群眾對城市的要求也越來越高，城市照明作為城市智能化的一個重要組成部分也日益受到重視。城市照明可以分為功能性照明和景觀性照明兩種，功能性照明一般整夜亮燈，亮燈時間較長，而景觀性照明一般在需要的時候才開啟，亮燈時間較短。但是城市越來越大，照明燈具也越來越多，傳統的手動拉閘方式不僅費時費力，而且不太可靠，集中通斷電對電網沖擊也比較大。城市照明管理單位急需一種科學有效的方式來管理和控制城市的戶外照明。

除無線網絡控制外，還有光控、時控等多種照明控制方式，各種方式各有優缺點。光控主要問題在于控制單元容易損壞，受戶外環境光干擾較大。而時控主要是不夠靈活，可靠性較差，運行一段時間后容易出現時間誤差。無線網絡控制的獨特好處在于可以實時傳輸電參數和光參數，方便管理單位掌握和監控全市燈光的運行狀況，對故障快速作出反應。寧波市照明管理單位從2000年起開始采用GPRS無線網絡控制的方式，逐步試驗推廣至今，網絡運行狀態良好。

2 路燈網應用簡介

2.1 路燈網的沿革

寧波市的城市照明控制管理系統目前共經歷了四代。第一代可以稱之為“一把閘刀，一條線路”，自1915年有城市供電以來一直沿用至上世紀八十年代中期。它是由供電部門值班人員手動控制操作的。該系統的缺點就是一旦發生故障，全市路燈都會受到影響，即有可能白天亮燈或夜晚滅燈。

二十世紀八十年代中后期，我們開始采用第二代分段光控系統，該系統的設計理念在當時比較先進，但是在實際應用中很容易受到環境光的影響。如閃電、爆竹、車燈，甚至樹葉、飛鳥都會對它的正常運行造成干擾。

1995年起，我們啟用了第三代時間預置式的控制系統。它的工作原理是將一年內的日出日落數據寫入芯片，配合時控開關自動運行。但是該系統的缺點是不能與自然光同步變化，遇到陰雨天氣就會發生開燈滯后的現象。對下班高峰交通效率造成很大的影響。

第四代無線監控系統也就是我們現在使用的系統，始建于2000年，其后于2003年和2006年2次進行升級擴容，其后成立寧波市城市照明監控中心標志著其無線監控效果得到了認可，可以進行大范圍推廣。推廣至今，無線監控系統網絡已覆蓋了寧波市三區85%的照明設施。

2.2 無線監控網的原理和功能

寧波市城市照明監控中心的無線監控系統網絡可稱其為寧波城市燈光無線監控網(簡稱路燈網)。路燈網的無線技術是基于GPRS網絡的，雖然GPRS骨干網支持IP協議[1]，但其運營商中國移動目前的主營業務還是GSM，同時為方便與手機終端通信，能夠方便地接入GSM網絡確實會方便不少，所以本質上講，路燈網還是屬于2G網。

GPRS與GSM的區別是加入了服務支持節點(SGSN)和GPRS網關支持節點(GGSN)。就路燈網的數據傳輸流程而言，首先是各表箱中的無線信號收發裝置將采集到的電參數用GPRS分組數據表示，然后將其發送給附近的移動基站，基站將其轉發給SGSN，SGSN可與多個MSC(移動交換中心)相連，將路燈網與移動電話網互通，同時SGSN與GGSN通信，GGSN將收到的分組進行處理，主要是協議的轉換，然后將分組數據包轉發到基于IP協議的GPRS骨干網或因特網上，因特網上的各路由器進行分組轉發，最終達到監控中心的電腦主機上。在這個流程中，無線信號收發裝置就相當于一個不會移動的移動站。電腦主機發出的命令，也通過反向路徑到達各無線信號收發裝置[2]。另外，還可以通過手機短信的方式，從移動終端發出控制信息，通過SGSN節點轉發，到達表箱中的無線收發裝置，就好像2個手機之間發短信一樣。值得一提的是，GPRS網絡是利用GTP隧道協議使外部的IP數據包通過節點的，而多結點同時傳輸沖突是采用沖突檢測機制來進行應對[3]。

無線監控系統既可以使用專網也可以使用公網，目前寧波路燈網使用的是專網，監控系統主要實現了的功能有：

1)自動或手動遙控全夜燈、半夜燈和景觀燈的開燈和關燈；自動、手動巡測、選測控制箱電壓、電流、有功功率、功率因數和接觸器狀態等參數。

2)根據需要分為不同的功能組(如工作日模式、周末模式、重大節假日模式等)實現多樣化控制。主要應用于區分重大節假日和平時的不同亮燈方案，以及根據日出日落時間和各區域具體照度、亮度情況確定的不同亮燈方案，節能減排新技術的應用實驗方案等。

3)系統報警功能，系統報警采用的是終端主動報警和調度端報警相結合的報警方案。主要是故障的及時發現和防盜的需要，特別是語音警報功能，可以及時發現諸如供電停電、線路中斷、電纜偷盜、亮燈率低等問題，方便第一時間通知相關部門進行搶修，履行“亮燈承諾”。

4)查詢打印各照明控制箱的定時數據與統計數據；查詢、計算、統計亮燈率等數據。

2.3 在寧波城市照明設施管理中的應用

城市照明設施可以分為功能性照明設施和景觀性照明設施兩個大類，兩類設施的亮燈需求并不一致。針對功能性照明設施，我們首先在監控中心大樓頂部平臺安裝自然光采集器，然后將采集到的自然光照信號轉化成數據傳輸至系統計算機，計算機中有預設好的開關燈條件，當光照數值變化滿足預設條件時，計算機就會通過中國移動或電信的網絡向終端控制箱發出指令，相應的功能性照明設施就會自動打開或關閉。而針對景觀性照明設施，我們是直接在計算機上預設開關燈時間，主要是重大活動、周末和平時三種不同的開關燈方案，由計算機通過專用無線信道向終端控制箱發出指令。為保證信號傳輸更加穩定，我們還在位于市中心的建設大廈頂部設置了中繼站對信號進行加強。

第四代無線監控系統自投入運行以來，大大提高了寧波市城市照明運行管理的效率。2013年，我們為寧波市重大活動保障開燈72天次，無一疏漏。準確有效的開燈方式不但使全市人民告別了陰雨天氣路燈滯后，市民摸黑路的現象，還將全年開燈時間從4250小時，縮短到了4080小時(見表1)，提高了有效亮燈率，節省電費200多萬元，實現了一定的節能效益。

表1 2013年寧波城區開燈時間Table 1 Ningbo lighting time of 2013

從表1中可以看到，寧波城區日出一般在5點至6點50分之間，日落一般在17點至19點之間，隨著日出日落時間的變化，系統開關燈時間會自動調整。由于全年日出日落和開關燈數據較多，表格過大，所以本文僅列出每月均值進行說明，也未列出采用預置功率鎮流器的路燈的具體耗電數值，表中運行時間為當月累計的準確值。需要說明的是，關燈時間與日出時間差距較開燈時間與日落時間大是因為開燈需求的光照度值比關燈需求的光照度值高的緣故，這是由于城市清晨對路燈照明需求很小，所以確應提前關燈，以提高有效亮燈率。

另外，我們正在利用路燈網積極探索嘗試單燈控制，已在姚隘路一段安裝了29盞路燈作為試驗，運行至今，雖然單燈控制裝置還存在不穩定、容易壞的問題，但路燈網無線控制沒有出現問題。

3 特點分析

目前寧波市的燈光無線控制裝置是安裝在各燈光控制箱內的，由于每個無線控制單元都只具備向單個目標傳輸和接受信息的功能，從這一點上來說，路燈網有點類似于無線傳感器網絡，但本質上和無線傳感器網絡還是有很大的不同。

路燈網的特點可以歸納如下：

1)網絡節點無移動。因為各無線收發單元都安裝在固定的城市燈光控制表箱內，節點不存在移動性，所以不存在基站切換小區重選等問題。

2)網絡規模很大。寧波市三區截止2013年5月已有無線控制終端共1766臺，尚未完全覆蓋。未來若實行單燈控制，即每盞燈安裝一個無線控制單元，則節點數量會更加龐大。目前寧波市三區已有功能性照明71562盞。景觀性照明175854盞，巨大的網絡規模會造成一定的管理難度。

3)網絡拓撲不斷改變。主要是在外圍不斷增加節點。因為城市總是在不斷的發展、擴大，但每個表箱所控制的范圍卻是有限的。另外，隨著寧波城市背街小巷的不斷改造疏通，城區里也會不斷新增加一些節點，節點密度是在加大的。

4)通信元件應具有高可靠性。路燈網的最大特點就是每個節點每天都要與監控中心不斷的通信，而且出于經濟考慮，燈光控制表箱一般安裝在戶外，僅由鋁制或鐵制的箱板保護，無線控制單元要在承受室外比較惡劣的環境變化的前提下，保障信號傳輸的有效。實踐證明，室外環境對電子產品的壽命有很大的影響，室內檢測沒有任何問題的產品應用于室外，一般每隔一段時間就要對部分的通信元件進行維修或更換。但總體上，路燈網的節點比較可靠，全年出現的故障率在0.5%以下。

5)對傳輸速率要求不高。雖然節點數量龐大，通信頻繁，但每個單元每次只需發送很短的信息，各節點之間也不需要互相通信，為避免對電網造成過大的擾動，全市亮燈時間一般是錯開的，瞬時通信量不會很大，所以路燈網對網絡帶寬的要求不高。目前使用的GPRS網絡上行速率不超過13.4kbps，下行不超過40kbps，也已能滿足目前的應用需要。

6)成本可以接受。照明管理單位畢竟不是負責通信的，不可能去建基站，也不會在無線通信模塊和軟件商投入太大成本，只能依賴于已經建成并運營良好的骨干網絡。所以要求其網絡軟硬件技術成熟，運營成本低廉，性價比高。

7)機動靈活。正因為路燈網是基于中國移動提供的服務，所以其很容易接入GSM網絡，與手機等移動終端通信。目前已可以做到發一條短信控制亮燈，異常滅燈自動發短信至指定手機號等功能。這項服務使城市照明管理迅速機動靈活起來，大大降低了管理部門的運行成本，也降低了巡邏的密度和排查的難度。

4 對未來的展望

目前的路燈網雖然運行良好，但也有一些需要改進的地方，主要可以歸納為兩方面的需求。

1)網絡基礎升級換代的需求。帶寬和移動資源是相互矛盾的，隨著科技的進步發展，GPRS網絡已經越來越難以承擔大流量高速的移動業務需要，語音通信網逐漸向3G甚至4G過渡已經成為了事實，可以預見到不遠的將來GPRS技術會被新技術所替代，那么基于GPRS網絡的路燈網也勢必要進行升級換代。因為路燈是和百姓民生息息相關的，所以管理單位對全城范圍的路燈網改造會相對比較保守謹慎。目前比較看好的是WCDMA技術，因為系統能架設在現有的GSM網絡之上，改造的成本和難度都比較小。

2)新技術新理念應用的需求。現在的城市網絡已經越來越發達，各種探測器和監控器遍布大街小巷，既不美觀也占用了大量的信道資源。目前有一種思路是利用道路上的基礎設施將這些各種各樣的裝置整合到一起，節省投資的同時也提高了網絡的利用率，使無線信道不再那么緊張。例如用路燈作為物理支架和供電源，將單燈控制，視頻監控，衛星定位，環境探測等多種功能整合到路燈網的架構內，實現城市無線監控網絡的一體化。另外，大型LED顯示屏、高層建筑外墻立面組合屏等城市動態夜景，也希望能通過無線的方式統一管理，播放一些公益廣告和城市宣傳片，以提高城市的形象和檔次。這些也都需要對網絡進行改造，特別是要支持多媒體的傳輸，對網絡帶寬提出了比較高的要求。

5 結語

城市照明管理技術的進步是城市發展的需要，也是市民對優美、和諧的城市光環境的需要，城市路燈無線監控網絡七年的成功應用正是滿足了這種需要。路燈網自建成以來一直得到各級領導的關心和重視，每年都投入資金進行更新、改造、擴容。目前的路燈網具有可靠性高、機動靈活等優點，將來隨著技術進步還可能有更多的優點。城市照明管理發展的趨勢是智能控制管理，作為城市照明管理者，我們不僅希望第四代無線監控系統繼續發展進步，而且希望在第四代無線監控系統的基礎上可以開發出更先進的第五代、甚至第六代照明管理系統，既為照明行業管理者帶來方便，更重要的是為市民帶來好處。寧波百年的城市照明發展的歷程背后是歷代照明人不懈努力的汗水，在智能市建設逐漸完善的今天，我們將繼承照明人燃燒自己、照亮他人的精神，不斷創新管理模式，提高工作效率，為城市的美麗夜景做出更多的貢獻。

[1] 韓斌杰.GPRS原理及其網絡優化[M].北京：機械工業出版社,2003,6:1～19.

[2] 文志成.GPRS網絡技術[M].北京：電子工業出版社，2005,6：138～142.

[3] 王涵韻, 溫文波. 基于GPRS技術的配電網通訊解決方案[J]. 電力科學與工程,2003(4).

[4] 呂捷. GPRS技術[M]. 北京: 北京郵電大學出版社, 2001.