4G網絡的路燈智能綜合管控系統研究與應用

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

隨著城市的發展，照明設施數量越來越多。如何有效管理城市照明設施，是行業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、無監控的傳統路燈管理模式已滿足不了現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展已迫在眉睫。

4G無線網絡技術和集成電路的發展使路燈的智能管控成為可能。利用4G無線網絡，能夠實現遠端現場數據采集處理和自動化控制，實時監測路燈狀態、地理信息等數據。通過本文設計的系統，將采集到的信息狀態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 路燈智能管控系統建設的重要意義

1.1 提升科學管理能力

建立區域路燈智能化管控模式，通過系統集成，將日常的工作化繁為簡。可實行單燈控制，根據管理需要和現場情況的變化，及時調整路燈開啟狀態和時間[1]，實現按需照明。

1.2 節約電能支出

路燈智能管控系統,通過現地控制器對路燈開關燈時間、功率等進行調整,滿足不同區域或同一區域不同時段照度需求變化的要求,節約電能,實現節能減排。

1.3 降低運維成本

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

1.4 減少經濟損失，降低安全隱患

當發生燈桿漏電、線路破損、電纜盜割等現象時，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 系統組成

路燈智能綜合管控系統主要由監控中心、集中控制箱及現地控制器等組成，形成了一個樹型網絡拓撲結構[2]。系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 系統拓撲圖

2.1 系統硬件設計

2.1.1 系統硬件結構

系統硬件應符合城市路燈工程的要求，滿足所要求的各項指標。系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件結構圖

2.1.2 監控系統配置

監控系統主要由工作站、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，集中控制器安裝在戶外路燈專用控制柜(或箱變)內，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無線網路技術進行通信，服務器通過RS-485方式接入路由，與監控中心工作站進行通信。如果把監控系統比作學校，集中控制器則充當著“班主任”的作用。它主要負責接收并執行工作站管理人員利用管理軟件發布的指令，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[4]，同時收集整理路燈定位信息、耗電量、開閉狀態信號及其他監測數據，上傳至服務器，供管理者和工作人員及時查看。

后臺系統由服務器、工控機、顯示系統等組成局域網。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(global positioning system,GPS)校時、監控軟件、光照度儀以及其他通信設備等。該系統由不間斷電源(uninterruptible power supply,UPS)供電。

后臺系統配套專業信息管理系統(management information system,MIS)和路燈管控自動化軟件系統(office automation system,OAS)。數據庫系統采用常規的SQLServer數據庫[5]，以便不同權限、不同級別的管理人員操作。系統可實時采集數據，同步處理，對路燈實施各種指令控制并接受遠程監測。

搭載地理信息系統(geographic information system,GIS)平臺，創建區域范圍內道路及路燈布置地理信息數據庫，統一編碼，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，系統能迅速準確定位路燈所在位置，實現時報時修的維護管理機制。

2.1.3 控制系統配置

①集中控制器。

集中控制器是智能路燈照明系統中的重要中間單元，向下收集各點數據并傳達控制指令，向上與監控中心通信，接收指令以及反饋相關數據信息。對照明線路進行回路控制，實時監控線路的電量信息；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，控制終端的開關燈操作，并接收終端上傳的燈具狀態和電量數據信息。集中控制器提供了以太網連接和無線通信，方便監控中心遠程對其監控和操作[6]。

集中控制器能測量電力數據和后臺遙控開關燈，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與智能監控終端進行通信，實現對每一盞燈的監控。單燈控制器在燈桿門內安裝，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]，結合寬帶電力線載波通信技術研制而成。這樣可實現電量測量、開關燈控制、亮度控制、狀態檢測、載波通信等功能。

2.2 智慧路燈綜合管控平臺設計

2.2.1 功能結構

監控系統主要由設備監控、管理配置、報警預警、GIS管理、數據管理、短信管理等功能組成。功能結構如圖3所示。

圖3 功能結構圖

2.2.2 設備監控

①實時運行狀態監測：對每個回路、每盞路燈的開閉狀態、電量、異常狀態進行實時監控，隨時可通過指定客戶端分級查看數據。

②遙控：對系統內的所有照明控制點能按預定程序進行區域控制、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]，采集系統內的所有照明控制點包括回路電流、回路電壓、有功功率、功率因數等運行數據，供管理人員隨時查閱。

④遙信:監測系統內的各照明控制點的當前狀態及接收報警信息。

⑤手/自動遙控：不同區域對照明控制的要求不盡相同，在區域范圍內實現群控和組控。

⑥自動巡檢和抽檢：能按設定的時間周期自動，進行定時/不定時巡檢照明監控點的狀態和主要參數，發現異常狀態及時反饋至監控中心。

2.2.3 管理配置

(1)終端參數管理。

①終端參數設置。

終端參數設置實現遠程對現場監控終端的基礎參數、測量參數置、開關量參數等的設置功能。

②終端參數讀取。

終端參數讀取實現遠程對現場監控終端的基礎參數、報警參數、控制回路參數、測量參數等讀取功能。

(2)時間管理。

①開關燈時間預案管理。

對日常開關燈、節日開關燈、政務要求開關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終端開關燈時間管理。

終端開關燈時間管理實現遠程管理終端全時域、等亮度開關燈時間管理。

③開關燈控制管理

開關燈控制管理對現場的自動化監控系統遠程控制，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。

系統報警的原因可能包括：路燈白天開啟、夜間熄滅的異亮狀態、線路故障等。

②智能預警。

系統硬件自定義報警項，用戶在創建燈桿或控制柜模板時可對其開閉規律等進行設置，也可根據所采集數據，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]，一旦發生事故，按下該按鈕，信號可直接傳至監控中心，便于相關管理人員及時處理。

2.2.5 GIS管理

從城市發展的需要出發，通過構建一個以GIS技術為基礎的城市照明管理系統，共享實時信息和數據，優化管理流程，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、鎮流器、控制器等設施均能在GIS上直觀體現，相應設施均能夠實現獨立分層顯示。

②物理從屬關系體現。

按照變壓器、配電箱、供電線路、燈桿、燈具的順序體現相應從屬關系，當相應設施或供電回路發生變化時，系統進行相應調整。

③狀態直觀顯示。

設施的基本信息以及狀態信息均能夠直觀展現,對于告警類信息能夠及時突出顯示。

④GIS統計與分析。

按照區域、道路等進行設施及狀態的分類統計及匯總。分析故障高發路段，有利于迅速查處問題、減少故障發生。

2.2.6 數據管理

①自動計算亮燈率。

在每盞路燈基座處設有單燈狀態監測模塊，能夠自動識別開閉狀態。

②查詢終端運行狀態。

監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，包括路燈的開閉狀態、手/自動開關的位置、箱變及控制箱的溫度、各饋線回路的電氣參數是否正常等。

③查詢分析及報表。

查詢分析的主要內容包括：實時監測的電氣參數、故障報警信號、路燈亮燈率、系統運營效率分析等；對照明監控點每個饋線回路、每個時間段的數據進行分級分權限查詢、分析；對每天路燈的開閉時間、環境因素(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。查詢分析的結果可以以報表的方式輸出[11]。

④遠程抄表。

監控中心可以遠程抄回照明監控站的數字電表數據并保存備查。子站能根據主站的指令，自動對具有遠程抄表功能的數字電能表進行抄表。

⑤實時監控匯總。

對監控管理平臺內各控制點的開關量、開燈時間、開閉次數、終端運行信號、終端溫度等進行匯總管理。

2.2.7 歷史數據分析

①歷史參數分析。

在歷史參數分析平臺，對各控制點的參數進行管理，實現專業數據分析功能，歷史參數確保為連續的數據。

②歷史參數數據查詢導出。

歷史參數數據查詢導出可查詢分析平臺內的所有控制點在一定時間內保存的數據，隨時導出并打印報表，方便查閱。

③歷史參數管理。

通過城市路燈管控平臺，對現場監控終端的歷史數據進行管理，實現現場監控終端通信一次即可采集到終端內的歷史數據，確保后臺歷史數據的連續。

④歷史亮燈率分析。

歷史亮燈率分析形成平臺內各控制點的亮燈率分析管理，實現專業數據分析功能。

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，現場終端能主動把當前的報警、報告狀態通過短信的形式發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的短信報警、報告、收發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，集單燈控制、設備運行監控、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，武漢市某區進行了4G網絡路燈智能管控系統改造，對18 000余盞區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控中心；對路燈加裝號碼牌。

3.1.1 照明監控中心建設

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

②建設監控指揮中心，包括計算機、網絡設備、機房服務器、UPS設備等。

③對路燈監控中心辦公室進行裝修，配備滿足需要的音響系統、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，實現路燈的集中控制、監控功能，進行遠程本地設防、撤防，實現報警功能。集中控制器與后續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進行監控，并通過計算機管理軟件平臺，結合節能減排指標，實施“照明能源管理”戰略布置，實現動態、智能、靈活的節能規劃。

3.2 效果

武漢市某區進行了4G網絡路燈智能綜合管控系統的建設,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”；平均節省電費約30%；運維人員由“人工巡檢”改為“值班等待報警”，節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能減排號召。

運行中實現了國慶節、軍運會等重大節日根據需要進行了亮燈情況的調整和重要路段單燈進行控制的需求。智能管控系統50次實時監測到路燈故障，并實現故障路燈精準定位。工作人員根據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次監測到燈桿漏電、線路破損、電纜盜割等情況，系統報警及時，減少了經濟損失，降低了安全隱患。

4 結論

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主管部門關注的焦點。

本文設計的4G網絡的路燈智能綜合管控系統，利用4G無線網絡能夠實現遠端現場數據采集處理和自動化控制，并通過計算機終端將路燈狀態、地理

信息等數據進行顯示，為路燈的正常運轉、系統維護及在突發事件發生時的緊急處理提供依據顯示，縮短故障處理時間，提升行業服務水平。

結合4G網絡的路燈智能綜合管控系統的成功應用實例，在路燈工程中，尤其是在自然環境條件差、范圍廣的城市路燈工程中非常實用，采用無線網路技術的數據傳輸方式，減少敷設光纜和因埋管而需開挖的工程量，節省了投資。該系統為城市的智能化建設提供了參考，具有重要的意義。