節(jié)能型智慧路燈的模型構建研究

蘇 維

（中國建筑西南設計研究院有限公司，四川 成都 610041）

路燈是城市公共基礎設施的重要組成部分，不僅起著照亮街道、便捷出行和美化市容市貌的作用，更是一個城市的明信片[1]。隨著新的節(jié)能理念、技術的發(fā)展，傳統(tǒng)路燈的短板逐漸暴露出來，開展綠色路燈建設開始具有現(xiàn)實意義。同時，社會活動多元、科技飛速發(fā)展的今天，社會需求增長在路燈提供照明的基礎功能上，也對路燈衍生功能提出了新要求，路燈已經(jīng)逐步扮演起智慧城市的入口，承載著萬物的感知、信息數(shù)據(jù)的采集傳輸、多方資源的載體等角色。

智慧路燈是指在路燈燈桿上增設各種傳感設備，如無線WIFI、LED 信息發(fā)布屏、充電樁、井蓋及積水監(jiān)測主機、城市廣播、高清攝像頭、環(huán)境監(jiān)測組件、5G 基站搭載網(wǎng)絡、應急報警等，利用物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)技術，使路燈成為便民服務終端和智慧城市信息采集終端，各功能桿件的整合也有利于節(jié)約城市空間、土地資源，降低建設成本。智慧路燈是智慧城市的重要基礎設施，對智慧城市的可持續(xù)和綠色低碳發(fā)展、城市智能化發(fā)展具有重要意義。

1 傳統(tǒng)路燈弊端

1.1 管理和監(jiān)視方式落后

傳統(tǒng)路燈的監(jiān)控系統(tǒng)只能實現(xiàn)供電回路級別的采集和控制，并不能對單燈運行情況進行精準的控制。同時，對故障工況也不能實時跟蹤并分析，燈具一旦出現(xiàn)故障，監(jiān)控系統(tǒng)無法定位故障位置，不能實現(xiàn)精細化管理和智能化監(jiān)控。

1.2 能源消耗大

傳統(tǒng)路燈缺少實時有效的節(jié)能管理措施，照明不足和過度照明的問題非常突出，無法根據(jù)不同場景和時間對照明亮度要求不同而實現(xiàn)亮度動態(tài)調整，從而在保障照明質量的前提下降低能耗。

1.3 運行維護成本高、效率低

我國路燈數(shù)量大、分布廣的特點決定了當前人工巡邏的模式具有投入大、效率低、巡視周期長、故障檢出率低、有盲區(qū)等短板；在實際運行維護過程中，由于缺乏對備品備件的精細化、標準化統(tǒng)計與管理，常常造成采購的備品備件數(shù)量和形式不合適，進而額外占用資金形成浪費。

1.4 功能單一

傳統(tǒng)路燈通常只具備照明定時開啟功能，已不能滿足急劇增長的多元的社會需求。

2 國內外研究現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

美國洛杉磯將聲波傳感器和環(huán)境噪聲監(jiān)測傳感器與路燈結合，并將路燈智能聯(lián)網(wǎng)，通過傳感器識別出車輛是否發(fā)生碰撞，發(fā)生事故時可將事故信息及時上傳至控制中心。此外，洛杉磯計劃將電動汽車充電樁與智慧路燈結合，將智慧路燈節(jié)省下的電能用于充電樁[2]。

在巴黎設計人員將座椅、WiFi、路燈結合在一起，座椅供路人休息，太陽能電池板安裝在路燈拱頂一側，路燈除了具備照明功能外，還能成為汽車、手機的充電電源，集成的WiFi 功能也為人們提供了便利。

2.2 國內現(xiàn)狀

“雙杰集團第二總部暨智能電網(wǎng)高端裝備研發(fā)制造基地”是安徽省首個園區(qū)智慧路燈示范項目，園區(qū)共安裝154 套智慧路燈，集智慧照明、智慧安防、信息發(fā)布、公共廣播等功能。石家莊卓越中學的芙蓉智慧路燈集智慧照明、安防監(jiān)控、氛圍燈、應急求助、信息發(fā)布等5 大功能，并配置一套智慧路燈云控制平臺；南通大學校園里的智慧路燈，從遠處看猶如一朵盛開的蓮花，充滿著濃厚的文化氣息。在功能上，它還具備智慧照明、5G 通信、智慧安防、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等多種功能。廣鋼新城智慧燈桿試點項目是廣鋼新城智慧社區(qū)的一期建設部分，在廣鋼新城智慧社區(qū)共安裝了62 盞智慧燈桿，具有智慧照明、環(huán)境監(jiān)測、led屏、智慧安防、智慧井蓋等功能。泉州鯉城區(qū)智慧體育公園是泉州中心市區(qū)首個智慧公園，以“智慧體育”為主題，不僅有可人臉識別的跑道，還有可自動識別人臉的人臉識別桿。

3 系統(tǒng)設計

3.1 功能模塊配置

（1）照明模塊。因智慧路燈搭載各種功能設備，加上照明線路一般需要全天候供電，故路燈照明需要單獨的電源模塊。目前較成熟的單燈控制系統(tǒng)采用PLC(電力線載波)或ZIGBEE 無線通訊方式，最新的技術發(fā)展趨勢是采用NB-Iot 通訊方式?？蓪崿F(xiàn)管理到每一盞燈的開關、亮度調節(jié)、狀態(tài)查詢、故障反饋等功能；（2）4G、5G 微基站。未來5G 基站建設將逐步推廣，燈桿將成為5G 微基站建設中重要的組成部分，智慧路燈設計并預留5G 微基站的空間和接口，實現(xiàn)基站裝載功能；（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。路燈具有相當高度這一天然優(yōu)勢，可據(jù)此安裝集成監(jiān)控。集成監(jiān)控攝像頭可廣泛應用于平臺城市、智慧停車、智慧交通、智慧城管等智慧城市應用系統(tǒng)；（4）無線WiFi。路燈數(shù)量大、覆蓋面廣、點位多，根據(jù)這些優(yōu)勢在路燈燈桿集成無線WiFi 模塊作為寬帶互聯(lián)網(wǎng)的接入點，實現(xiàn)城市道路的WiFi 信號無盲點覆蓋；（5）信息發(fā)布系統(tǒng)。智慧路燈信息發(fā)布系統(tǒng)集成了LED 顯示屏，內嵌5G、WiFi6 等模塊，通過公共信息發(fā)布平臺，可遠程發(fā)布時政新聞、政務信息、區(qū)域地圖、公益廣告、商業(yè)廣告等；（6）城市微環(huán)境監(jiān)測。利用路燈在城市內分布密度大的特點可集成安裝環(huán)境監(jiān)測模塊用于監(jiān)測溫度、濕度、噪聲、空氣質量（PM2.5 等）、風速、風向等環(huán)境指標；（7）路燈充電樁。路燈有天然的供電優(yōu)勢和點位優(yōu)勢，集成新能源汽車充電樁，是建設道路上分布式新能源汽車充電站的最佳方式。目前集成的新能源車充電樁一般為交流充電樁，功率7kW，充電速度較慢，主要為停在路燈邊上的新能源車進行補電；（8）市政數(shù)據(jù)監(jiān)測。市政建設涵蓋專業(yè)廣、設備數(shù)量多管理工作量大，數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊傳感器模塊可有效監(jiān)測如井蓋狀態(tài)，積水等數(shù)據(jù)，可快速、精確感知城市基礎設施狀態(tài)和信息；（9）應急報警模塊。應急報警模塊可將警訊迅速傳輸至管理中心，工作人員可通過視頻觀察現(xiàn)場情況，并可與報警人實時溝通，及時處理突發(fā)惡性事件，防止危險擴大，有效解決公共場所安全問題，做到平安城市。

3.2 智慧路燈系統(tǒng)控制構架

智慧路燈系統(tǒng)構成龐大，各功能模塊的運行單位之間既相互獨立又相互配合共同構成功能完備的智慧路燈系統(tǒng)[3]；路燈系統(tǒng)覆蓋面積廣，往往涉及多個路段片區(qū)，這些特點都需要智慧路燈系統(tǒng)具備一個統(tǒng)一的能源管理平臺。

（1）能源管理平臺。能源管理平臺既是智慧路燈系統(tǒng)的發(fā)動機又是該系統(tǒng)的大腦，它為整個路燈提供能源的同時也對系統(tǒng)進行運行優(yōu)化與智能控制。當智慧路燈系統(tǒng)運行時，管理平臺根據(jù)各模塊自身運行實時狀況（人流量、天氣、季節(jié)、時段等）對其進行運行狀況評估后發(fā)出相應的控制命令，各模塊接收到控制命令并執(zhí)行之后再將執(zhí)行結果返回控制平臺；（2）LoRaWAN 通信技術。LoRaWAN 通信技術具有抗干擾能力強、通信距離遠、成本低、容量大等優(yōu)點，目前已廣泛用于城市智慧路燈系統(tǒng)建設。LoRaWAN 通信系統(tǒng)由基站、終端、應用服務器和網(wǎng)絡服務器（NS）組成。基站和終端之間采用星型網(wǎng)絡拓撲連接，LoRa 的長距離特性使得兩者間可以單跳傳輸。基站可以轉發(fā)NS 和終端之間的LoRaWAN 協(xié)議數(shù)據(jù)，同時將LoRaWAN 數(shù)據(jù)分別承載在LoRa 射頻傳輸和TCP/IP 上。LoRaWAN技術模式保證了其遠距離傳輸能力，與其他無線通信方式相比，在同樣的功耗條件下采用LoRaWAN 技術傳播的距離更遠，可以實現(xiàn)低功耗和遠距離的統(tǒng)一。綜上所述，LoRaWAN 技術非常適用于采集點分散、采集環(huán)境惡劣，但又對實時性和可靠性要求比較高的場合[4]。

3.3 設計原則

（1）綠色低碳原則。為達到智慧城市可持續(xù)發(fā)展的目標，智慧路燈設計應采用先進工藝并使用經(jīng)濟環(huán)保材料；（2）可擴展模塊化原則。因我國幅員遼闊、各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不均衡、居民生活需求各不相同等因素，在實際設計應用中除智慧路燈電源控制、照明節(jié)能等基本功能實行預裝外，其余各功能采用模塊化設計，便于各地區(qū)根據(jù)自身需求選擇相應功能進行組合裝備。為方便后期功能擴充，各燈桿還應留有支持擴展的預留接口；（3）標準化原則。多功能路燈并非一個純粹的功能集合，它是一個類似于微型協(xié)同處理器的設備[5]。為提高后期運行維護效率、節(jié)約材料成本以及避免壟斷形成，智慧路燈的接口設計和模塊配置應遵循標準化原則；（4）設計合理原則。路燈本身具有一定高度，各功能模塊應根據(jù)自身適用特性裝配至相對應高度。

4 效益評估

4.1 建設期

本文以西南地區(qū)某省會數(shù)字新城項目為例，該項目建設涉及5 個路口、4 處標志指示、8 處路名指示、56 套2×250W 單桿路燈。傳統(tǒng)單桿建設方式需要單懸臂信號燈5 套、人行信號燈10 套、單懸臂式標志桿4 根、路名牌標志桿8根、單桿單挑路燈56套，各桿費用如表1。

表1

該項目采用智慧路燈合桿方式建設，共需合桿型路燈10 套、單桿單挑路燈46 套，各桿費用如表2。

表2

由表2 可知，該項目合桿建設方式比傳統(tǒng)分桿建設方式節(jié)約費用94994.42 元，節(jié)約率11.7%。

4.2 運行維護期

該項目用2×250W 的LED 燈替換原2×400W 的高壓鈉燈，按日照明時長12h 計算，年節(jié)約電量為365×12×（2×0.4-2×0.25）=1314kWh；通過能源管理平臺對路燈系統(tǒng)進行節(jié)能智能控制，將在此基礎上再節(jié)約32%的電能。按照一度電1 元計算則年節(jié)約電費（1314+0.32×365×12×2×0.25）×1=2014.8 元。

由于智慧路燈系統(tǒng)裝備了故障反饋模塊，能源管理平臺可通過信息采集識別并分析故障類型及故障點，相比于人工巡視路燈系統(tǒng)檢測更精準及時，故故障巡視可完成全智能化替代人工巡視，在維護期可節(jié)約故障的人工巡視費用。

5 結語

智慧路燈系統(tǒng)不僅能在建設期減少建設費用支出，還能在運行期減少運維成本、提高運維效率、減少人力消耗。在提倡建設節(jié)能環(huán)保、智慧城市的當下，構建智慧路燈系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。