智慧照明來自智能控制

顧國昌 錢中悅 上海路輝智能系統股份有限公司 (上海 200233)

0 引言

隨著“美麗中國”戰略的提出，全國各地正穩步推進城市精細化管理。道路照明作為城市管理中重要的一環，伴隨著LED技術和物聯網技術的發展，開始展現出“光”的魅力。文章從實踐出發，綜述了近年來在推動道路照明信息化過程中碰到的若干問題，點點滴滴成果顯示智慧照明來自于智能控制。

1 道路照明的發展

據說，世界上第一盞路燈出現在英國的海德公園，它是為了防止不良市民晚間犯罪。中國最早的路燈是1843年出現在上海街頭的煤油燈，這種路燈需專門有人在夜幕降臨前點燃，天亮后再熄滅，后改為地火(煤氣)。1879年，外商輪船碼頭用一臺7.3 kW的內燃機發電，亮起了中國第一盞電燈，直到1883年，上海的主要馬路路燈才將煤氣燈改為電燈。初時的馬路電燈在每根電線桿上裝閘刀開關，仍需工人每天開啟關閉。3年后，改用若干路燈合用一個開關(回路控制的概念形成)，這種形式的路燈在全國各城市中一直沿用到20世紀50年代。

整個道路照明的發展，實際上就是燈具技術的發展，從白熾燈、汞燈、鈉燈到熒光燈，各種發明推動了行業的發展。第一代半導體材料Si點燃了信息產業發展的星星之火，以SiC為代表的第三代半導體技術的發展推動了LED半導體照明的出現，LED半導體照明技術正在改寫整個照明行業。

隨著科技的進步，路燈的管理水平也得到了大幅的提升，管理的需求進一步推動了行業的發展。在道路照明領域，除了燈具本身技術的發展，控制技術的發展也成了其中的關鍵。

2 路燈監控的發展

隨著城市的發展，路燈的數量越來越多。對于路燈管理者來說，路燈的合理開關和正常工作已經成為路燈管理中重要的問題，路燈控制伴隨著路燈發明應用而同步發展。路燈開關是第一需求，回顧歷史，在中國基本上可以分為三個階段[1-2]。

第一階段：現場自己做。該階段從最早的現場人工開關到時控鐘自動開關，再到后來的具有天亮天暗周期性變化的智能時控鐘 (包括經緯度時鐘、可編程邏輯控制器等)，通過不斷優化，使得路燈盡可能滿足日出關日落開的要求。該階段的特點是：現場自己做，管理者無法監控，若現場出現故障導致無法開關燈，管理者只能通過后續的人工巡視、當地群眾通報 (投訴)等手段獲知。

第二階段：箱控階段。自動控制技術的發展，使得三遙系統開始應用到道路照明行業。路燈箱內安裝一個路燈箱遠程監控設備(行業俗稱RTU)，實現自主按時對路燈供電回路進行開關燈操作，同時接受遠程室內監控。自20世紀90年代起，隨著城市建設的進一步推進，路燈控制箱自動化監控系統開始逐步推行。該階段的特點是：管理者通過遠程 (室內監控)便能實時感知路燈的開關狀態。通過該階段的發展，管理者能夠對現場控制箱運行數據進行判斷，對于區域夜晚不亮燈或者白天亮燈事件進行搶修[1]。

第三階段：單燈控制階段。城市精細化管理的需求、路燈行業管理對亮燈率指標的要求以及路燈對城市亮化服務質量的承諾，使得保持每一盞路燈處在正常狀態成為主要任務。該階段利用單燈控制器，實現對每一盞路燈的監控。該階段的特點是：管理人員可以實時了解每一盞燈的運行狀態和數據，決策每一盞燈如何亮，通過引入調光執行不同條件下的不同照明，實現照明與節能的協同。進一步，基于動態的路燈狀態，通過數據分析和決策服務于路燈運行管理，長期人工巡修管理模式便逐漸向定向按需運維管理方式發展。

圖1顯示了第一、第二階段的控制方式，圖2顯示了發展到每一盞路燈監控的第三階段控制方式。

圖1 回路控制 (第一、第二階段)

圖2 單燈控制 (第三階段)

路燈控制的發展，也體現了城市管理中信息化應用水平的發展。在第二階段，信息化到控制箱，可基于箱端的數據進行分析和決策，服務于路燈管理。目前箱控完成的主要工作見表1。

表1 箱控完成的主要工作

之前，為了解決道路照明的節能問題，很多地方(包括上海)在路燈控制箱端不但執行對回路的控制，同時還實現對路燈供電的分檔調壓，實現對高壓鈉燈的節能。這里需要注意的是，隨著LED燈具的使用，應盡快停用控制箱調壓功能。

箱控運行跟蹤中，一旦發現現場路燈控制箱控制未能正常操作，就會出現夜晚不開燈、白天區域大面積亮燈放光的情況。如果出現這種情況，系統應立即報警，落實搶修工作。

發展到第三階段，等同于信息化到了末端，這是信息化發展的必然結果。之前的第二階段，信息化發展到區域中心，這是由于路燈分布廣，信息化手段不成熟，組網能力弱，物聯網技術不成熟以及成本等各種問題造成的。當前，各種低成本通信方案均已成熟，包括電力線載波通信技術、小區域無線組網技術等。近年來隨著LoWAN技術的不斷成熟，特別是國家投入巨資建設和發展三大運營商的無線通信網絡，并基于其上大力發展了授權頻段的 NB-IoT網絡，物聯應用大幅增速。在第三階段，路燈能夠實現以下監控技術，見表2。

表2 單燈監控完成的工作

單燈監控的目的在于對現場路燈的運行跟蹤和按需控制，這對于路燈的遠程管理具有重大意義。之前，路燈長期處在人工巡檢管理模型上，管理者在辦公室無法掌控現場路燈的運行情況。到了第三階段，人工巡修直接走向主動按需定修階段，住建部要求的亮燈率也將從之前的人工估算值走向實時精準監測的測量值[3]。

進一步，結合對運維隊伍現場運維管理和現場照明設施的聯動監控和分析，可以得到維修率等大數據分析數據，方便實現路燈精細化管理。圖3顯示了箱控和單燈控制的主要功能。

圖3 路燈箱控與單燈控制功能示意圖

3 照明監控發展中的痛點

3.1 物聯網發展

遠程監控的前提是連接，以確保兩端能夠進行數據交互，實現遠程監控。路燈分布在城市的每一個角落。最初，很多城市為了通信，構建了無線電臺，然而效果差，成本高。隨著國家無線通信網絡的建設，路燈監控(箱控)采用了GPRS網絡進行遠程通信。該模式長期存在于路燈監控行業，全國路燈控制箱基本上處在這種模式下。

隨著國家全力發展3G、4G網絡，近期開始走向5G時代，原來的2G、2.5G時代開始進入后期的收官階段，很多地方開始不再支持2.5G網絡。網絡的發展，對于物聯設備也提出了要求。針對物聯要求，三大運營商開始提供基于NB-IoT技術的窄帶物聯網，這是一種全新的模式。對于物聯應用，大多是小流量數據傳輸，同樣也適用于路燈箱監控應用。

在GPRS時代，為了保持平臺對現場設備的遠程監控，需保持連接通道的在線確認。一般的做法是通過心跳數據包，設備和平臺分別確認對方是否“在線”。通過跟蹤分析，國內大多數的路燈控制系統，在設備與平臺之間的通信上，90%以上能夠維持通道的鏈接。同時，2.5G網絡抗干擾能力差，穩定性差，這些問題導致很多平臺在設備“在線”管理上存在瑕疵。

對于路燈監控，在主要遠程通信上如何發展，從2.5G走向4G還是2.5G走向NB-IoT是值得商榷的。從路燈監控應用角度看，需要覆蓋面廣 (覆蓋整個城區、信號盲區要少，甚至沒有盲區)，抗干擾能力強，通道穩定，可靠傳輸的通信。

4G是當前移動通信的主戰場，這主要是因為其通信速率快，服務于寬帶應用，而 NB-IoT網是為物聯而生的窄帶網絡[4]，主要解決萬物互聯的問題。NBIoT網具有高靈敏度、低功耗、廣覆蓋 (覆蓋地下 2層)、大連接、長壽命等優良特點。更重要的是，針對小數據傳輸的特點，移動運營商物聯網解決了雙向互聯的重要問題，實現雙向傳輸：用戶 (平臺)隨時隨地需要時，可詢問設備的狀態和數據；設備在故障時(或者設定條件觸發事件的情況下)，可主動實時向平臺發送數據。NB-IoT網絡通過按需連接傳輸機制，使得所有設備共享基站連接資源。圖4顯示了NB-IoT物聯網技術的特點，非常適用于路燈監控，包括單燈監控和路燈箱監控。

3.2 系統的發展

路燈監控是個系統問題，從照明設施到終端用戶的電腦界面 (或者手機等移動終端)，期間經歷了多個環節，如圖5所示。路燈管理者在“6”終端要能擁有“天眼”實時看到現場路燈設施情況，至少需要經歷1～5合計5個重要節點。這必須同時著力多個關鍵點，不僅包括“1”監控設備，還包括“2”“3”物聯網端和“4”“5”監控平臺端等事項。“2”“3”物聯網設備接入公共無線網絡后，通過GPRS/4G設備找平臺，鏈接平臺后，需自主維護鏈接；掉線后，設備需自己重新建立新的鏈接，重連后，平臺還需考慮如何管理的問題。“4”“5”監控平臺端接入管理后，設備在線管理非常重要。登錄后，需實時刷新平臺中設備的狀態(很多平臺僅僅按預設周期性進行設備在線狀態的更新，這是不合理的)；隨著設備數據的變化，在平臺中數據會發生變化，因此平臺數據需主動推送到用戶終端瀏覽器中，數據應有時效性。因此，1～5任何一個環節處理不到位，會直接導致用戶終端設備中展現數據不正確。

圖4 NB-IoT物聯網技術的特點

圖5 路燈監控數據流鏈

在整個監控系統中，設備“在線”問題需要重視。對于傳統使用的GPRS網絡，包括4G網絡，由于屬于公共移動通信網絡，掉線本身是正常現象，解決掉線的關鍵在于平臺對它的管理能力。一旦長時間掉線，那么設備就處在獨立自主運行狀態。對于平臺而言，只能知道掉線前該設備當時的狀態和數據，而對于掉線后的狀態和數據是不知道的。因此，除了在線時對照明設施的運行跟蹤外，對于設備的掉線管理也是非常重要的。

從路燈精細化管理的角度來看，針對路燈監控系統，可解決以下痛點。

(1)燈開了，開了？燈開了，只是表明設備執行了開關動作，開了不等于燈亮了，如果控制箱內的接觸器等出現了故障，那么即使開了，也未必就開成功了。

(2)燈開了，亮了嗎？在箱控情況下，為了知道燈是否亮了，常規的做法是測量路燈出線電纜的用電情況。如果電流、功率數據基本達到預期，那么認為大面積的區域開燈工作做完了。箱控的應用能第一時間了解到現場路燈的真實情況，它能第一時間了解到區域白天放光或者夜晚不開燈的重大事件，發現問題第一時間搶修，確保路燈對社會的服務。

(3)燈亮了，都亮了？這是行業管理中亮燈率需求，只有箱控是做不到該目標的，需通過單燈監控來實現，當前行業管理中的第一目標就是亮燈率。

(4)燈亮了，如何亮的？這是細化管理中節能減排的需求，只有通過單燈控才能實現路燈的按需調光，包括初始調光、每晚的分時段調光等。

(5)燈亮了，安全嗎？這是安全的重要需求，發生漏電等安全事件時，箱控/單燈控應能在第一時間最大限度地自主處理，例如切斷電源，同時立即向平臺報警等。

(6)電纜在嗎，在的？電纜偷盜或者斷線是個疼痛的問題，對于路燈管理部門來說，這是基礎設施保障的問題。如果電纜發送偷盜、挖斷等各種問題，特別在白天路燈不亮期間，平臺需要第一時間知道。

可以看出，監控平臺是為管理服務的。進一步通過積累數據，進行大數據分析和決策，可獲得管理需要的更多信息。

3.3 規范的發展

城市管理是復雜的，精細化管理更難。道路照明是城市的一張名片，如何有效管理，特別是對中大型城市的管理，這是一個系統工程，而其中標準、規范的推行顯得尤為重要。例如，上海市在機制改革之際，大力推動地方標準的建立，從《道路照明工程建設技術規程》、《道路照明運行養護標準》到《道路照明設施監控系統技術規程》的建立，再到浦東新區先行先試時地方導則的建立，確保了道路照明管理的有序推進。

以浦東新區為例，在上海市密集發布系列標準的當下，為了有序推進工作，在全面研究國家、行業、地方標準的基礎上，針對浦東新區的定位，在全面符合行業發展標準要求的基礎上，提出了高標準建設和養護的要求，研究并建立了《道路照明設施技術導則》，為接管路燈的管理打下了扎實的基礎。在規范推行中，率先建立了優化的、符合新地方標準的、統一接線的規范，例如路燈桿內的接線規范，如圖6所示。通過接線規范的推行，大幅提高了路燈桿內的安全性[5]。

圖6 路燈接線規范示意圖

(1)改變上海市原使用的接線盒體系，把之前三相交流電安全的“封起來”。采用滿足《道路照明工程建設技術規程》中技術要求的路燈電纜接線端子，在路燈桿內僅引出一相供電，流過的電流也僅僅是本路燈桿內的用電電流，大幅提高安全性。三相強電電極不再裸露在外，特別對于靠近路燈控制箱的路燈桿端，里面流過的電流較大，安全隱患大。

(2)現場安裝施工過程的不可控性，導致原有接線盒的外蓋大量安裝不到位，造成現場漏水，滲入的水流很容易進入電器腔內，引起設備故障。

(3)路燈行業從傳統的高壓鈉燈走向LED路燈，這是一個巨大的行業革新，是時代的變革，使路燈從電氣時代走向了電子時代。為此，所有與電子時代關聯的問題必須解決，其中主要包括漏電與防雷問題。安全問題是一個根本的問題，在該問題上，上海首先建立完備的接地系統，除了在路燈控制箱側建立接地系統之外，供電電纜改4芯為5芯，加入PE接地線，同時在路燈桿內依然保留獨立的接地體系，確保所有的路燈設施處在安全接地保護下，如圖7所示。

圖7 路燈接地系統示意圖

(4)在安全上，除了基礎設施保障外，進一步通過單燈控制器，執行漏電監測，一旦發生路燈漏電，路燈桿帶電時，單燈控制器第一時間切斷路燈供電，同時向上級平臺報警。

(5)防雷器的目的是對電子產品進行雷擊保護，但是在雷擊保護過程中，防雷器總是會失效的。一旦失效，再次發生雷擊時，路燈設施將會遭受雷擊的破壞。為此，在路燈桿內增加防雷失效監測，一旦發現防雷器失效，控制器主動報警，提示維修人員盡快落實更換工作。

4 節能減排與道路照明

“節能減排”已成國策，自“十二五”以來，國家每年3%的路燈節能減排目標，已作為城市道路照明節能的基本要求。同時，全面推行《城市照明節能評價標準》新體系，對城市道路照明的建設和節能給出量化的要求。

新型LED燈具自身具有巨大的節能能力，從高壓鈉燈到LED路燈，基本可實現40%～50%的節能。同時，鑒于燈具自身的光衰問題，在全國道路照明設計標準上，均對新建項目給予一定的維護系數。LED包括約30%的超亮提供，因此從控制角度，如果能把該30%的超亮節省下來，那么在壽命期間，等同于平均節能15%。路燈每次亮燈具有自主初始調光的能力，初始調光值的設定應考慮與光衰的對沖，該控制不但實現節能，同時可以提升路燈的壽命。圖8顯示了該部分調光的方式。

圖8 LED燈具初始調光的方式（假設全功率時是450 mA電流）

很多城區，特別是開發區，夜晚人員稀少，后半夜可能根本無車無人。而且，對于道路照明而言，每晚的情況基本是一致的，或者每周是周期性變化的。比如工業區，在晚上下班時間段內可能會出現較多的人流，因此，周期性地執行調光可以節省能源，圖9顯示每晚的調光方式。通過簡單的分時段調光，可實現進一步的節能，也可在路燈桿端安裝感應傳感器，實現按人流量的多少進行按需調光，以實現更多的節能和更好的智慧體驗。

后續，隨著智慧城市建設的深化，路測信息化采集的能力會進一步加強，在智能感知條件滿足的前提下，路燈可隨外部環境的變化而變化，通過智能實時控制，在確保對道路提供有效的照明服務的前提下，實現最佳的節能。

圖9 LED燈具每晚自定義調光方式

5 結論

隨著LED時代、物聯網時代的到來，路燈行業正在煥發青春。同時對城市資源的挖掘，路燈桿資源被全社會所認同。在共享經濟時代，在城市管理中，同樣存在資源的共享問題，路燈作為最忠實的路側設施，每隔30m左右一桿，均勻地分布在道路一側/兩側，且共同已經實現了供電。近期，上海市科委創新項目《路燈桿資源共享體系研究及電子車牌等智能應用示范課題》正在系統性地研究路燈桿資源共享標準體系建立，2018年上海市城市精細化管理工程“架空線入地和城市路面合桿”正在全力推進中，上海市相關部門也及時給出了《上海市道路合桿整治技術導則》，為路燈資源的挖掘和共享方式提供了指導。

物聯網時代，萬物互聯成為未來的方向，但是路燈自身的智慧化一定是其本質的內容，任何設施的共享應在保證自身功能的前提下，才能談分享。文章未對共享模型下的運維方式進行分析。

路燈單燈監控的引入，正在改變路燈管理的思維模型——傳統的路燈管理正在被大數據分析下主動、按需、全生命周期的管理方式所代替。因此，路燈的高效管理，一定來自于覆蓋到每一個路燈的物聯網監控，智慧照明來自于智能控制。