城市照明節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造分析

左偉

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 引言

城市照明系統(tǒng)是社會(huì)公共服務(wù)的基礎(chǔ)配套設(shè)施，城市化進(jìn)程的加快使得城市照明系統(tǒng)的能源消耗量急劇增加，與能源日益短缺、溫室效應(yīng)明顯的現(xiàn)實(shí)情況下提出的節(jié)能減排、綠色照明等號(hào)召背道而馳。同時(shí)，城市照明系統(tǒng)在管理方面存在如人工運(yùn)維成本高、供電線纜盜竊現(xiàn)象屢禁不止等問題，增加了城市照明設(shè)施運(yùn)維與管理的成本[1]。當(dāng)前，城市更新行動(dòng)計(jì)劃、智慧城市建設(shè)、城市智慧大腦平臺(tái)構(gòu)建等諸多項(xiàng)目與方案的推進(jìn)、落實(shí)，使得城區(qū)范圍內(nèi)高度集成了5G基站、電子警察、高清攝像頭等諸多智能化設(shè)備設(shè)施，成為推動(dòng)城市照明系統(tǒng)運(yùn)維、管理方式智慧化、智能化的重要發(fā)展契機(jī)。當(dāng)前城市照明系統(tǒng)的節(jié)能化與智慧化尚未由量變進(jìn)入到質(zhì)變狀態(tài)，節(jié)能與智慧化管控升級(jí)改造工作也尚未得到廣泛普及與全面鋪開[2]。有必要對(duì)城市照明節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造方案以及相關(guān)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行研究，推動(dòng)大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)在城市照明系統(tǒng)建設(shè)與管控中的應(yīng)用落地，依托節(jié)能及智慧化管控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)城市照明系統(tǒng)的燈光亮度進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)與集中控制、照明設(shè)施故障自動(dòng)報(bào)警、燈具線纜防盜報(bào)警等，高度適配城市照明的動(dòng)態(tài)需求，有效控制能源消耗，提高照明設(shè)施的使用壽命，降低城市照明設(shè)施的運(yùn)維與管理成本。

2 城市照明節(jié)能及智慧化管控需求

當(dāng)前大部分城市道路沿線的公共基礎(chǔ)設(shè)施多以單桿專用的方式布設(shè)，如電子警察、高清攝像頭、路燈、路標(biāo)與警示牌、通信設(shè)施等均有相對(duì)獨(dú)立的線桿，線桿中公共基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的集成度較低，致使線桿重復(fù)建設(shè)，各公共設(shè)施之間存在信息孤島，各類建設(shè)成本與運(yùn)維成本成倍增加[3]。“十四五”規(guī)劃綱要中對(duì)智慧城市建設(shè)與治理模式提出了具體指示，強(qiáng)調(diào)應(yīng)充分運(yùn)用數(shù)字化、信息化技術(shù)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(tǒng)中，已然出現(xiàn)了多桿合一的智慧燈桿，其上集成了照明燈具、通信設(shè)備、監(jiān)控設(shè)施、交安設(shè)施、環(huán)境監(jiān)測(cè)及標(biāo)識(shí)標(biāo)牌等，多功能設(shè)備設(shè)施的掛載與集約化使得城市照明系統(tǒng)的照明、通信、故障報(bào)警、遠(yuǎn)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(chǔ)。在智慧燈桿的現(xiàn)實(shí)前提下，對(duì)城市照明節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造的需求進(jìn)行剖析，具體如下：

1）統(tǒng)一供電規(guī)劃設(shè)計(jì)

城市道路沿線布設(shè)的智慧燈桿是一個(gè)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(shè)施、電子標(biāo)志標(biāo)牌、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器等，上述公共基礎(chǔ)設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行均有賴于電力資源的穩(wěn)定供應(yīng)。因此，在對(duì)城市照明節(jié)能及智慧化管控進(jìn)行升級(jí)改造時(shí)，需要對(duì)智慧燈桿上各類設(shè)備設(shè)施的用電需求進(jìn)行匯總、統(tǒng)籌，根據(jù)用電設(shè)施的工作電壓、功率、接口形式、防護(hù)等級(jí)等，規(guī)劃設(shè)計(jì)用電設(shè)施的供電接口。

2）分路用電計(jì)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(shè)備，為便于不同部門對(duì)各自管轄的公共設(shè)備設(shè)施用電情況與節(jié)能情況進(jìn)行獨(dú)立分析，需采用分路用電計(jì)量方式對(duì)智慧燈桿上集成的、不同權(quán)屬單位的用電設(shè)備設(shè)施進(jìn)行獨(dú)立計(jì)量，以便各權(quán)屬單位根據(jù)用電量數(shù)據(jù)來統(tǒng)計(jì)相應(yīng)設(shè)備的能耗情況，并分析城市照明設(shè)施的節(jié)能性。

3）統(tǒng)一供電用電保障

智慧燈桿中集成的各類設(shè)備設(shè)施在軟件上共聯(lián)共享，在硬件上應(yīng)相互獨(dú)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(jí)改造時(shí)，應(yīng)在燈桿各掛載設(shè)備上布設(shè)浪涌防護(hù)裝置與漏電保護(hù)裝置，并設(shè)計(jì)獨(dú)立的過流、過載、短路保護(hù)措施，以免燈桿中的某一用電設(shè)施出現(xiàn)故障而導(dǎo)致整個(gè)燈桿的公共設(shè)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(yuǎn)程控制管理照明設(shè)施

遠(yuǎn)程控制是城市照明節(jié)能及智慧化管理升級(jí)改造的關(guān)鍵功能需求，也是智慧化管控的重要目標(biāo)。城市照明系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度及實(shí)時(shí)光照度等參數(shù)自動(dòng)調(diào)整照明設(shè)施啟閉時(shí)間，同時(shí)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)應(yīng)自動(dòng)采集與傳輸空間離散分布的照明設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)和用電參數(shù)等，以便對(duì)照明設(shè)施的運(yùn)行故障加以預(yù)警，包括照明設(shè)施過流、短路等用電故障預(yù)警以及人為暴力破壞預(yù)警等。

5）動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)照明系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

為提高城市照明系統(tǒng)的監(jiān)管效率，需在箱體內(nèi)布設(shè)大量的傳感器，包括溫度傳感器、濕度傳感器、感煙器、振動(dòng)監(jiān)測(cè)傳感器等，對(duì)箱體的溫度、濕度、煙霧、風(fēng)力、桿體傾斜振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、傳輸，為智慧燈桿以及照明系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供數(shù)據(jù)支撐，為智慧燈桿防風(fēng)、降溫、防側(cè)傾等問題作出動(dòng)態(tài)預(yù)警[5]。

3 城市照明節(jié)能及智慧化管控改造

3.1 綜合機(jī)箱供電設(shè)計(jì)

城市照明系統(tǒng)的節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造中，面向集成監(jiān)控、通信、燈具等諸多用電設(shè)備設(shè)施的綜合機(jī)箱供電設(shè)計(jì)是首要步驟?？紤]到城市智慧燈桿綜合機(jī)箱的高度集成性，采用五倉體設(shè)計(jì)對(duì)綜合機(jī)箱供電體系加以構(gòu)建，包括綜合配電倉、信號(hào)機(jī)控制倉、交通匯聚設(shè)施倉、公安匯聚設(shè)施倉、其他匯聚設(shè)施倉。同時(shí)，為綜合機(jī)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(shè)備供電；一部分則至其他匯聚倉體，給倉體內(nèi)用電設(shè)備供電。采用回路測(cè)控終端對(duì)回路中的電壓、電流、功率等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，智能分析與評(píng)判綜合機(jī)箱的供電穩(wěn)定性以及供電狀態(tài)，若是回路測(cè)控終端監(jiān)測(cè)到回路有過壓、漏電等情況，則瞬時(shí)斷開回路接觸器，并將上述監(jiān)測(cè)到的故障情況上報(bào)至城市照明系統(tǒng)控制中心，以良好的回路監(jiān)測(cè)與靈敏的回路接觸器通斷提高綜合機(jī)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(jí)改造奠定良好的供電、用電基礎(chǔ)。同時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)、實(shí)時(shí)采集綜合機(jī)箱的動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)，由回路控制終端對(duì)各類傳感器的數(shù)據(jù)分析研判結(jié)果加以動(dòng)態(tài)響應(yīng)，控制排風(fēng)扇等設(shè)備的啟閉。

3.2 基于大數(shù)據(jù)的智慧照明節(jié)能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于大數(shù)據(jù)的智慧照明節(jié)能管控系統(tǒng)是城市照明節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造的中樞，其區(qū)別于傳統(tǒng)城市照明系統(tǒng)改造之處在于，傳統(tǒng)城市照明系統(tǒng)的改造大多從路燈、電纜線路等方面進(jìn)行節(jié)能選材與優(yōu)化布局，而基于大數(shù)據(jù)的智慧照明節(jié)能管控系統(tǒng)則是充分利用大數(shù)據(jù)、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制技術(shù)等對(duì)城市照明設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)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(shè)施運(yùn)行的能源消耗?；诖髷?shù)據(jù)的智慧照明節(jié)能管控系統(tǒng)主要構(gòu)成包括當(dāng)?shù)毓庹斩鹊葏?shù)實(shí)時(shí)采集模塊、信號(hào)傳輸模塊、數(shù)據(jù)中心、照明系統(tǒng)節(jié)能管控平臺(tái)等，其中實(shí)時(shí)采集模塊是指綜合機(jī)箱中布設(shè)的光照度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等對(duì)智慧燈桿所在地的光照度、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)力、燈桿傾斜振動(dòng)幅度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；信號(hào)傳輸模塊是指依托GPRS網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)搭建信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)體系，對(duì)綜合機(jī)箱中實(shí)時(shí)采集的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，確保數(shù)字信號(hào)在傳輸過程中不失真、無丟失；數(shù)據(jù)中心用于對(duì)實(shí)時(shí)采集與傳輸?shù)木C合機(jī)箱實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)、用電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等進(jìn)行高效存儲(chǔ)、組織與管理，為城市照明系統(tǒng)的節(jié)能化、智慧化管控提供充足的數(shù)據(jù)支撐；照明系統(tǒng)節(jié)能管控平臺(tái)則是在數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)上，引入照明設(shè)施智能管控決策研判方法，結(jié)合當(dāng)前照明設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)?shù)氐墓庹斩?、交通流量、道路等?jí)以及照明設(shè)施的耗電情況等，自動(dòng)化控制與調(diào)節(jié)城市照明設(shè)施的照明亮度，使得城市照明設(shè)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(shè)施的能源消耗[6]。城市照明系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)統(tǒng)一化收集、編碼、壓縮、傳輸?shù)燃夹g(shù)實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的收集、數(shù)字化以及高保真?zhèn)鬏?，在?shù)字信號(hào)采集與傳輸中保障信號(hào)的穩(wěn)定性。同時(shí)，城市照明節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造以信息自動(dòng)化采集、組織、管理為核心，將原本人工機(jī)械化的數(shù)據(jù)采集管理模式甚至純定性化的研判分析模式轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化、智能化、定量化的數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用分析模式，減少了業(yè)務(wù)應(yīng)用中的人力資源投入，提高了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收集、處理、分析應(yīng)用的效率。

3.3 城市照明設(shè)施升級(jí)改造

城市照明設(shè)施的升級(jí)改造是城市照明節(jié)能及智慧化管控升級(jí)改造的重要環(huán)節(jié)之一，針對(duì)城市市政照明設(shè)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(yīng)對(duì)城市照明設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造。如將原先相對(duì)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(diǎn)提高城市照明設(shè)施運(yùn)行的綠色節(jié)能性，積極響應(yīng)城市照明系統(tǒng)節(jié)能降耗的號(hào)召。在具體實(shí)施時(shí)，應(yīng)以群眾需求為核心，針對(duì)居民群眾反映的“照度不足”的路段及區(qū)域，增補(bǔ)和完善照明設(shè)施；針對(duì)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(duì)重要窗口與交通樞紐區(qū)域，集中改造運(yùn)行缺陷的燈（鋼）桿、線纜和箱變?cè)O(shè)備，消除道路照明設(shè)備安全隱患；同時(shí)，加強(qiáng)智慧燈桿應(yīng)用和5G設(shè)備搭載等，確保民生道路照得亮，主干道路靚眼眸，重點(diǎn)片區(qū)有特色。同時(shí)，在城市照明設(shè)施管理層面，應(yīng)充分利用基于大數(shù)據(jù)的智慧照明節(jié)能管控系統(tǒng)對(duì)城市照明設(shè)施進(jìn)行運(yùn)維與管理，及時(shí)響應(yīng)系統(tǒng)發(fā)出的照明設(shè)施故障預(yù)警并做出應(yīng)急維護(hù)措施。

3.4 城市物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)

城市照明系統(tǒng)的智慧燈桿上搭載了眾多用電設(shè)備設(shè)施，包括高清攝像頭、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器、燈具等，上述用電設(shè)備利用智能監(jiān)控終端進(jìn)行統(tǒng)籌管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)、交通流量數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等的實(shí)時(shí)采集。構(gòu)建高度集成以太網(wǎng)、RS232、RS485等多種接口的智能網(wǎng)關(guān)，更好地適配城市照明節(jié)能與智慧化管控系統(tǒng)中各類設(shè)備設(shè)施的聯(lián)網(wǎng)傳輸與共享，以便于各類前端用電設(shè)施設(shè)備高效接入到有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)信息傳輸與資源共享。同時(shí)，依托物聯(lián)網(wǎng)對(duì)城市照明系統(tǒng)中采集的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，以供節(jié)能管控平臺(tái)分析、研判并做出設(shè)備啟閉、光照度調(diào)節(jié)以及故障應(yīng)急響應(yīng)等。

4 結(jié)語

由于照明設(shè)施與照明控制技術(shù)限制，傳統(tǒng)城市照明系統(tǒng)缺乏現(xiàn)代化、信息化技術(shù)，照明路燈啟閉、亮度調(diào)節(jié)、路燈運(yùn)維養(yǎng)護(hù)等作業(yè)均有賴于人工或半機(jī)械，城市市政照明設(shè)施運(yùn)行過程中涉及的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)維過程數(shù)據(jù)等均無法實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確獲得，更無法以動(dòng)態(tài)反饋驅(qū)動(dòng)照明設(shè)施節(jié)能化、智慧化管控。數(shù)字化技術(shù)依托物聯(lián)網(wǎng)、軟件系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)平臺(tái)等對(duì)城市照明系統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)與設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)組織與管理、照明設(shè)施智能化控制等流程進(jìn)行自動(dòng)化升級(jí)，為城市照明的節(jié)能效果提升、節(jié)能型城市建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。