4G網(wǎng)絡的路燈智能綜合管控系統(tǒng)研究與應用

田守安,周永剛,李松翰

(中工武大設計研究有限公司，湖北 武漢 430074)

0 引言

隨著城市的發(fā)展，照明設施數(shù)量越來越多。如何有效管理城市照明設施，是行業(yè)主管部門所面臨的難題。由于維護工作量大、維護成本昂貴、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、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來推動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，能夠?qū)崿F(xiàn)遠端現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理和自動化控制，實時監(jiān)測路燈狀態(tài)、地理信息等數(shù)據(jù)。通過本文設計的系統(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行管理和決策，具備良好的可行性與實用性。

1 路燈智能管控系統(tǒng)建設的重要意義

1.1 提升科學管理能力

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。可實行單燈控制，根據(jù)管理需要和現(xiàn)場情況的變化，及時調(diào)整路燈開啟狀態(tài)和時間[1]，實現(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)地控制器對路燈開關(guān)燈時間、功率等進行調(diào)整,滿足不同區(qū)域或同一區(qū)域不同時段照度需求變化的要求,節(jié)約電能,實現(xiàn)節(jié)能減排。

1.3 降低運維成本

采用智能化監(jiān)控模式，以智能化監(jiān)測平臺取代傳統(tǒng)巡查，實現(xiàn)故障自動報警。平臺自動生成報表并通知相關(guān)責任人，以實現(xiàn)故障路燈精準定位，大大提高了工作效率，降低了維護成本。

1.4 減少經(jīng)濟損失，降低安全隱患

當發(fā)生燈桿漏電、線路破損、電纜盜割等現(xiàn)象時，值班工作人員會在第一時間接到短信報警通知，方便工作人員及時處理，也避免了裸露電線對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，形成了一個樹型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)[2]。系統(tǒng)拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)拓撲圖

2.1 系統(tǒng)硬件設計

2.1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)硬件應符合城市路燈工程的要求，滿足所要求的各項指標。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、服務器、防火墻、計算機端管理軟件、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)進行通信，服務器通過RS-485方式接入路由，與監(jiān)控中心工作站進行通信。如果把監(jiān)控系統(tǒng)比作學校，集中控制器則充當著“班主任”的作用。它主要負責接收并執(zhí)行工作站管理人員利用管理軟件發(fā)布的指令，對每個終端(單燈)控制器進行控制，從而控制其對應路燈的開閉狀態(tài)[4]，同時收集整理路燈定位信息、耗電量、開閉狀態(tài)信號及其他監(jiān)測數(shù)據(jù)，上傳至服務器，供管理者和工作人員及時查看。

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

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

搭載地理信息系統(tǒng)(geographic information system,GIS)平臺，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，統(tǒng)一編碼，精準掌握路燈地理位置。一旦接收到故障信號或其他異常信息，系統(tǒng)能迅速準確定位路燈所在位置，實現(xiàn)時報時修的維護管理機制。

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，向下收集各點數(shù)據(jù)并傳達控制指令，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。對照明線路進行回路控制，實時監(jiān)控線路的電量信息；同時，通過電力線寬帶載波通信方式與線路上的終端進行通信，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)控中心遠程對其監(jiān)控和操作[6]。

集中控制器能測量電力數(shù)據(jù)和后臺遙控開關(guān)燈，并具有多路控制輸出。每路控制操作及時間設置均相互獨立。

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)控終端進行通信，實現(xiàn)對每一盞燈的監(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，無需另設電纜[7]。

單燈控制是由單燈控制器對具備可調(diào)光路燈進行控制的方式。其采用高性能單片機硬件平臺，以先進的電能計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。這樣可實現(xiàn)電量測量、開關(guān)燈控制、亮度控制、狀態(tài)檢測、載波通信等功能。

2.2 智慧路燈綜合管控平臺設計

2.2.1 功能結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)主要由設備監(jiān)控、管理配置、報警預警、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 設備監(jiān)控

①實時運行狀態(tài)監(jiān)測：對每個回路、每盞路燈的開閉狀態(tài)、電量、異常狀態(tài)進行實時監(jiān)控，隨時可通過指定客戶端分級查看數(shù)據(jù)。

②遙控：對系統(tǒng)內(nèi)的所有照明控制點能按預定程序進行區(qū)域控制、回路控制、單燈控制。

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

④遙信:監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的各照明控制點的當前狀態(tài)及接收報警信息。

⑤手/自動遙控：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)實現(xiàn)群控和組控。

⑥自動巡檢和抽檢：能按設定的時間周期自動，進行定時/不定時巡檢照明監(jiān)控點的狀態(tài)和主要參數(shù)，發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)及時反饋至監(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)設置。

終端參數(shù)設置實現(xiàn)遠程對現(xiàn)場監(jiān)控終端的基礎參數(shù)、測量參數(shù)置、開關(guān)量參數(shù)等的設置功能。

②終端參數(shù)讀取。

終端參數(shù)讀取實現(xiàn)遠程對現(xiàn)場監(jiān)控終端的基礎參數(shù)、報警參數(shù)、控制回路參數(shù)、測量參數(shù)等讀取功能。

(2)時間管理。

①開關(guān)燈時間預案管理。

對日常開關(guān)燈、節(jié)日開關(guān)燈、政務要求開關(guān)燈時間管理并形成預案模式，為日常維護管理提供準確、快捷的操作方式。

②終端開關(guān)燈時間管理。

終端開關(guān)燈時間管理實現(xiàn)遠程管理終端全時域、等亮度開關(guān)燈時間管理。

③開關(guān)燈控制管理

開關(guān)燈控制管理對現(xiàn)場的自動化監(jiān)控系統(tǒng)遠程控制，并具備集中控制、單點、單回路控制、設定預案控制等功能。

2.2.4 報警預警

①報警告知。

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

②智能預警。

系統(tǒng)硬件自定義報警項，用戶在創(chuàng)建燈桿或控制柜模板時可對其開閉規(guī)律等進行設置，也可根據(jù)所采集數(shù)據(jù)，由用戶進行軟件配置生成智能預警項。

③緊急求救報警。

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

2.2.5 GIS管理

從城市發(fā)展的需要出發(fā)，通過構(gòu)建一個以GIS技術(shù)為基礎的城市照明管理系統(tǒng)，共享實時信息和數(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、控制器等設施均能在GIS上直觀體現(xiàn)，相應設施均能夠?qū)崿F(xiàn)獨立分層顯示。

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)相應從屬關(guān)系，當相應設施或供電回路發(fā)生變化時，系統(tǒng)進行相應調(diào)整。

③狀態(tài)直觀顯示。

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

④GIS統(tǒng)計與分析。

按照區(qū)域、道路等進行設施及狀態(tài)的分類統(tǒng)計及匯總。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自動計算亮燈率。

在每盞路燈基座處設有單燈狀態(tài)監(jiān)測模塊，能夠自動識別開閉狀態(tài)。

②查詢終端運行狀態(tài)。

監(jiān)控中心可通過后臺查詢路燈及控制箱、控制器等設施各種實時狀態(tài)，包括路燈的開閉狀態(tài)、手/自動開關(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查詢分析及報表。

查詢分析的主要內(nèi)容包括：實時監(jiān)測的電氣參數(shù)、故障報警信號、路燈亮燈率、系統(tǒng)運營效率分析等；對照明監(jiān)控點每個饋線回路、每個時間段的數(shù)據(jù)進行分級分權(quán)限查詢、分析；對每天路燈的開閉時間、環(huán)境因素(溫度、濕度、照度等)和日照長度時間等進行記錄，供管理人員隨時查詢、分析。查詢分析的結(jié)果可以以報表的方式輸出[11]。

④遠程抄表。

監(jiān)控中心可以遠程抄回照明監(jiān)控站的數(shù)字電表數(shù)據(jù)并保存?zhèn)洳椤Ｗ诱灸芨鶕?jù)主站的指令，自動對具有遠程抄表功能的數(shù)字電能表進行抄表。

⑤實時監(jiān)控匯總。

對監(jiān)控管理平臺內(nèi)各控制點的開關(guān)量、開燈時間、開閉次數(shù)、終端運行信號、終端溫度等進行匯總管理。

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，對各控制點的參數(shù)進行管理，實現(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)查詢導出。

歷史參數(shù)數(shù)據(jù)查詢導出可查詢分析平臺內(nèi)的所有控制點在一定時間內(nèi)保存的數(shù)據(jù)，隨時導出并打印報表，方便查閱。

③歷史參數(shù)管理。

通過城市路燈管控平臺，對現(xiàn)場監(jiān)控終端的歷史數(shù)據(jù)進行管理，實現(xiàn)現(xiàn)場監(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內(nèi)各控制點的亮燈率分析管理，實現(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)場終端能主動把當前的報警、報告狀態(tài)通過短信的形式發(fā)送到值班人員手機上。

②短信報表管理。

短信報表管理對平臺內(nèi)的短信報警、報告、收發(fā)信息分類型進行報表管理。

2.2.9 移動端管理

該功能基于手機操作系統(tǒng)，集單燈控制、設備運行監(jiān)控、線路檢測、故障報警、人員定位等功能為一體[12]。

3 應用及效果

3.1 應用

2019年初，武漢市某區(qū)進行了4G網(wǎng)絡路燈智能管控系統(tǒng)改造，對18 000余盞區(qū)管路燈進行集中控制改造，以滿足遠程集中控制要求；另對部分道路的高壓鈉燈進行發(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；對路燈加裝號碼牌。

3.1.1 照明監(jiān)控中心建設

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

②建設監(jiān)控指揮中心，包括計算機、網(wǎng)絡設備、機房服務器、UPS設備等。

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

3.1.2 路燈集中控制管理器

在每臺路燈箱變附近，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，實現(xiàn)路燈的集中控制、監(jiān)控功能，進行遠程本地設防、撤防，實現(xiàn)報警功能。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行通信。

3.1.3 單燈控制器

對部分道路的高壓鈉燈進行單燈控制改造，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

通過前端智能傳感器對路燈照明設備的運行狀態(tài)進行監(jiān)控，并通過計算機管理軟件平臺，結(jié)合節(jié)能減排指標，實施“照明能源管理”戰(zhàn)略布置，實現(xiàn)動態(tài)、智能、靈活的節(jié)能規(guī)劃。

3.2 效果

武漢市某區(qū)進行了4G網(wǎng)絡路燈智能綜合管控系統(tǒng)的建設,并于2019年6月投入運行，運行正常有效；提高了路燈管理水平；使路燈擁有唯一的“身份證”；平均節(jié)省電費約30%；運維人員由“人工巡檢”改為“值班等待報警”，節(jié)約了路燈管理維護成本；降低能耗；降低二氧化碳排放；響應了國家提倡的節(jié)能減排號召。

運行中實現(xiàn)了國慶節(jié)、軍運會等重大節(jié)日根據(jù)需要進行了亮燈情況的調(diào)整和重要路段單燈進行控制的需求。智能管控系統(tǒng)50次實時監(jiān)測到路燈故障，并實現(xiàn)故障路燈精準定位。工作人員根據(jù)報警及時對故障進行了處理，避免了路燈大面積停電。其中，5次監(jiān)測到燈桿漏電、線路破損、電纜盜割等情況，系統(tǒng)報警及時，減少了經(jīng)濟損失，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。

本文設計的4G網(wǎng)絡的路燈智能綜合管控系統(tǒng)，利用4G無線網(wǎng)絡能夠?qū)崿F(xiàn)遠端現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集處理和自動化控制，并通過計算機終端將路燈狀態(tài)、地理

信息等數(shù)據(jù)進行顯示，為路燈的正常運轉(zhuǎn)、系統(tǒng)維護及在突發(fā)事件發(fā)生時的緊急處理提供依據(jù)顯示，縮短故障處理時間，提升行業(yè)服務水平。

結(jié)合4G網(wǎng)絡的路燈智能綜合管控系統(tǒng)的成功應用實例，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用，采用無線網(wǎng)路技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸方式，減少敷設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提供了參考，具有重要的意義。