城市照明與能源管理系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)深度應(yīng)用研究

葛振清

（鄭州市城市照明燈飾管理處，河南 鄭州 450000）

1 城市照明與能源精細(xì)化節(jié)點(diǎn)管理需求

1.1 城市照明的節(jié)能降耗需求

另外由于城市照明線路的供電線路電壓是波動(dòng)的，在市民活動(dòng)相對(duì)頻繁的前半夜，由于城市用電總負(fù)荷較重，城市照明線路的電壓偏低，而在市民活動(dòng)不頻繁的后半夜，城市用電總負(fù)荷降低，照明線路的電壓上升明顯，燈具在高于額定電壓狀態(tài)下工作，將導(dǎo)致能耗大幅度上升和燈具加速老化的不良后果。調(diào)光控制具有恒壓恒功率控制的功能，適應(yīng)輸入電壓范圍從160V至260V，可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)50%～100%的可調(diào)功率無(wú)級(jí)變頻輸出，節(jié)約大量能源。

與此同時(shí)由于傳統(tǒng)的照明技術(shù)只有不到0.6的功率因數(shù)，而基于單燈的恒壓恒功率控制技術(shù)將大大改善照明系統(tǒng)的電源品質(zhì)，將功率因數(shù)精確修正到0.97以上，能效大幅度提升。

1.2 城市照明的精細(xì)管理需求

我國(guó)城市照明大都是采用粗放型的管理模式，即使是經(jīng)過(guò)最近十幾年的發(fā)展有不少城市不同程度地建成了路燈無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，也只是實(shí)現(xiàn)了基于配電管理的遠(yuǎn)程控制和數(shù)據(jù)采集，無(wú)法對(duì)分布在城市各處的照明設(shè)施其工作狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和精確分析，而照明管理部門的主要工作就是能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)和修復(fù)老化和損壞的燈具，保證城市照明系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

基于單燈控制技術(shù)的城市照明調(diào)光監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)老化和損壞的燈具及其它照明設(shè)施，并提交精確的空間地理定位信息和燈具信息，明顯提高管理效率，降低管理成本。

精細(xì)管理同時(shí)也具有進(jìn)一步的節(jié)能效果，管理者可以在系統(tǒng)中設(shè)置滿足需要的照明控制預(yù)案，并且可以不斷地對(duì)控制預(yù)案進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到一個(gè)既能滿足動(dòng)態(tài)變化的照明需求同時(shí)又具有最佳節(jié)約效果的照明控制方式。

1.3 城市照明的設(shè)施防盜需求

隨著有色金屬價(jià)格的日益上漲和城市照明系統(tǒng)的覆蓋不斷向城市邊沿拓展，照明設(shè)施被盜的風(fēng)險(xiǎn)在不斷增加，盜損日益嚴(yán)重，以至于有不少城市不惜花費(fèi)巨資來(lái)安裝各種各樣的照明設(shè)施防盜系統(tǒng)。

2 城市照明物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)的概念

2.1 城市照明與能源管理系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)定義

城市級(jí)別照明與能源管理物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)、傳統(tǒng)電信網(wǎng)、協(xié)議控制網(wǎng)絡(luò)等的信息承載體，讓所有能夠被獨(dú)立尋址的普通物理對(duì)象實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通的網(wǎng)絡(luò)。它具有普通對(duì)象設(shè)備化、自治終端互聯(lián)化和普適服務(wù)智能化3個(gè)重要特征。

2.2 城市照明物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2.1 照明私有物聯(lián)網(wǎng)（Private IoT）：一般面向單一機(jī)構(gòu)內(nèi)部提供照明管理服務(wù)。

2.2.2 照明公有物聯(lián)網(wǎng)（Public IoT）：基于互聯(lián)網(wǎng)（Internet）向公眾或大型用戶群體提供照明管理服務(wù)。

2.2.3 照明社區(qū)物聯(lián)網(wǎng)（Community IoT）：向一個(gè)關(guān)聯(lián)的“社區(qū)”或機(jī)構(gòu)群體（如一個(gè)城市政府下屬的各委辦局：如公安局、交通局、環(huán)保局、城管局等）提供照明管理服務(wù)。

2.2.4 城市照明混合物聯(lián)網(wǎng)（Hybrid IoT）：是上述的兩種或以上的物聯(lián)網(wǎng)的組合，但后臺(tái)有統(tǒng)一的城市級(jí)別照明運(yùn)維實(shí)體。

2.3 城市照明與能源管理物聯(lián)網(wǎng)單節(jié)點(diǎn)中“物”的涵義

這里的“物”要滿足以下條件才能夠被納入“物聯(lián)網(wǎng)”的范圍：

2.3.1 照明終端我們指的是每一盞路燈要有數(shù)據(jù)傳輸通路。

2.3.2 照明終端控制設(shè)備要有一定的存儲(chǔ)功能。

2.3.3 照明終端控制設(shè)備要有處理器。

2.3.4 照明終端控制設(shè)備需要有后臺(tái)統(tǒng)一的操作系統(tǒng)。

2.3.5 照明終端控制設(shè)備要有專門的管理單節(jié)點(diǎn)控制應(yīng)用程序。

2.3.6 城市級(jí)別照明能源管理必須遵循物聯(lián)網(wǎng)的通信協(xié)議。

2.3.7 城市級(jí)別照明控制設(shè)備在世界網(wǎng)絡(luò)中有可被識(shí)別的唯一編號(hào)。

2.4 城市照明與能源管理系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，城市照明物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)一方面可以提高經(jīng)濟(jì)效益，大大節(jié)約成本，另目前，美國(guó)、歐盟等都在投入巨資深入研究探索物聯(lián)網(wǎng)。我國(guó)也正在高度關(guān)注、重視物聯(lián)網(wǎng)的研究，工業(yè)和信息化部會(huì)同有關(guān)部門，在新一代信息技術(shù)方面正在開(kāi)展研究，以形成支持新一代信息技術(shù)發(fā)展的政策措施。

此外，普及以后，用于動(dòng)物、植物和機(jī)器、物品的傳感器與電子標(biāo)簽及配套的接口裝置的數(shù)量將大大超過(guò)手機(jī)的數(shù)量。物聯(lián)網(wǎng)的推廣將會(huì)成為推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的又一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，為產(chǎn)業(yè)開(kāi)拓了又一個(gè)潛力無(wú)窮的發(fā)展機(jī)會(huì)。按照目前對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的需求，在近年內(nèi)就需要按億計(jì)的傳感器和電子標(biāo)簽，這將大大推進(jìn)信息技術(shù)元件的生產(chǎn)，同時(shí)增加大量的就業(yè)機(jī)會(huì)。

要真正建立一個(gè)有效的城市照明物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)，有兩個(gè)重要因素。一是規(guī)模性，只有具備了規(guī)模，才能使物品的智能發(fā)揮作用。二是穩(wěn)定性，城市照明設(shè)施通常都是在室外露天的，必須保持設(shè)備在露天的各種嚴(yán)酷環(huán)境狀態(tài)的正常運(yùn)行，甚至氣候極端環(huán)境下?tīng)顟B(tài)下都能隨時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)話。

2.5 城市照明與能源管理系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

2.5.1 系統(tǒng)容量

主控中心：1個(gè)。

監(jiān)控終端：無(wú)數(shù)量限制（使用GSM模塊組串列號(hào)做為設(shè)備ID，全球唯一標(biāo)識(shí)，系統(tǒng)規(guī)模超過(guò)5000點(diǎn)時(shí)需要建立服務(wù)器群來(lái)保障通信效率）。

子網(wǎng)容量：每一個(gè)監(jiān)控終端下轄一個(gè)子網(wǎng)，每個(gè)子網(wǎng)可以接入最多384個(gè)單燈信息裝置，最多控制1152個(gè)調(diào)光模塊。

子網(wǎng)防區(qū)：每個(gè)子網(wǎng)最多設(shè)置8個(gè)獨(dú)立防區(qū)進(jìn)行防盜監(jiān)控。

2.5.2 性能指標(biāo)

遙控誤動(dòng)率：≤10－110（動(dòng)態(tài)加密的數(shù)字認(rèn)證，CRC校驗(yàn)，出錯(cuò)率極低。）

遙控拒動(dòng)率：≤10－40（偶爾因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)據(jù)未能安全到達(dá)造成）

遙信正確率：≥99.5%

遙測(cè)合格率：≥99.5%

遙測(cè)綜合誤差：≤0.5%

開(kāi)關(guān)控制響應(yīng)時(shí)間：≤3S

系統(tǒng)誤碼率：≤10-11

GPRS無(wú)線設(shè)備無(wú)故障時(shí)間：≥5萬(wàn)小時(shí)

終端設(shè)備無(wú)故障時(shí)間：≥5萬(wàn)小時(shí)

調(diào)光輸出功率范圍：50～100%（低于50%功率輸出轉(zhuǎn)換成熄燈指令）

2.5.3 工作環(huán)境溫度

監(jiān)控終端的工作環(huán)境溫度范圍滿足－35℃～+75℃，相對(duì)濕度：＜95%，中心計(jì)算機(jī)設(shè)備：0℃～+40℃。

2.5.4 模擬量采集精度

主電源交流電流/電壓/有功功率/功率因數(shù)/負(fù)載電流∶優(yōu)于1.0%。

3 我市城市照明與能源管理物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)的發(fā)展

3.1 基本介紹

城市照明與能源管理物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)方面的幾大優(yōu)勢(shì)。

第一，我市早在2005年就啟動(dòng)了GPRS控制設(shè)備終端的改造；第二，城市照明智能化領(lǐng)域，擁有量高技術(shù)水平的服務(wù)企業(yè)；第三，我市無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)和寬帶覆蓋率高，為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)設(shè)施支持；第四，我市已經(jīng)成為中院經(jīng)濟(jì)區(qū)核心城市，有較為雄厚的經(jīng)濟(jì)實(shí)力支持物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展。

目前，我市的城市照明與能源管理子系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋了城市，下一步從繁華的城市到偏僻的農(nóng)村，城市周邊都有城市級(jí)別照明管理物聯(lián)網(wǎng)的覆蓋。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)“物聯(lián)網(wǎng)”必不可少的基礎(chǔ)設(shè)施，安置在每一盞路燈、每一個(gè)箱變、維護(hù)人員隨身攜帶的電子介質(zhì)產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)可隨時(shí)隨地通過(guò)無(wú)處不在的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送出去接收回來(lái)。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)“云”計(jì)算存儲(chǔ)概念推動(dòng)著城市照明與能源管理

“云計(jì)算”技術(shù)的出現(xiàn)和運(yùn)用，使數(shù)以億計(jì)的各類物品的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管理變得可能。

業(yè)內(nèi)專家表示，掌握“物聯(lián)網(wǎng)”的世界話語(yǔ)權(quán)，不僅僅體現(xiàn)在技術(shù)領(lǐng)先，更在于我國(guó)是世界上少數(shù)能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的國(guó)家之一。這使我市在信息技術(shù)領(lǐng)域迎頭趕上甚至占領(lǐng)產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈的高端成為可能。

多種傳感通信手段組成一個(gè)協(xié)同的城市照明管理系統(tǒng)后，可以防止網(wǎng)絡(luò)的攻擊性入侵。物聯(lián)網(wǎng)的智能處理依靠先進(jìn)的信息處理技術(shù)，如云計(jì)算、模式識(shí)別等技術(shù)，云計(jì)算可以從兩個(gè)方面促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和智慧地球的實(shí)現(xiàn)：首先，云計(jì)算是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的核心。其次，云計(jì)算促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的智能融合。

3.3 產(chǎn)品的研發(fā)及政府的支持

我市政府將采取四大措施支持電信運(yùn)營(yíng)企業(yè)開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用。這些措施支持著城市照明與能源管理系統(tǒng)的應(yīng)用及研發(fā)：

3.3.1 突破物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵核心技術(shù)，實(shí)現(xiàn)科技創(chuàng)新。同時(shí)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)特點(diǎn)，在突破關(guān)鍵共性技術(shù)時(shí)，研發(fā)和推廣應(yīng)用技術(shù)，加強(qiáng)照明管理行業(yè)和領(lǐng)域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)解決方案的研發(fā)和公共服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，以應(yīng)用技術(shù)為支撐突破應(yīng)用創(chuàng)新。

3.3.2 制訂城市照明與能源管理物聯(lián)網(wǎng)子系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃，全面布局。重點(diǎn)發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)終端和設(shè)備以及軟件和信息服務(wù)。

3.3.3 推動(dòng)典型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用示范，帶動(dòng)發(fā)展。通過(guò)應(yīng)用引導(dǎo)和技術(shù)研發(fā)的互動(dòng)式發(fā)展，帶動(dòng)城市級(jí)別照明管理的發(fā)展。消除制約傳感網(wǎng)規(guī)模發(fā)展的瓶頸。深度開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)采集來(lái)的城市照明信息資源，提升物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用過(guò)程產(chǎn)業(yè)鏈的整體價(jià)值。

3.3.4 城市照明與能源管理系統(tǒng)需加強(qiáng)物聯(lián)網(wǎng)國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，保障發(fā)展。做好頂層設(shè)計(jì)，滿足產(chǎn)業(yè)需要，形成技術(shù)創(chuàng)新、標(biāo)準(zhǔn)和知識(shí)產(chǎn)權(quán)協(xié)調(diào)互動(dòng)機(jī)制。城市照明與能源管理系統(tǒng)屬于重點(diǎn)業(yè)務(wù)應(yīng)用，加強(qiáng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證、測(cè)試和仿真等標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)，加快關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)的制定、實(shí)施和應(yīng)用。積極參與國(guó)國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)制定。

3.4 主要任務(wù)

物理網(wǎng)領(lǐng)域在企業(yè)和政府之間屬于橋梁作用，協(xié)助政府對(duì)行業(yè)進(jìn)行指導(dǎo)、協(xié)調(diào)、咨詢和服務(wù)。

通過(guò)先進(jìn)研發(fā)單位間的信息溝通交流、技術(shù)產(chǎn)品合作、資源共享、資本運(yùn)作等，推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和產(chǎn)品的應(yīng)用，推動(dòng)中國(guó)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化、協(xié)同化發(fā)展。

[1]張麗君，李明.實(shí)現(xiàn)樓宇群整體節(jié)能控制管理—博瑞建筑節(jié)能管理中心系統(tǒng)解決方案[J].建設(shè)科技，2010（08）.