單燈通信模式在路燈精細化管理中的應用研究

姚 莉

上海市浦東新區公用事業管理事務中心，上海 200120

0 引言

1843年，中國上海有了第一盞煤油路燈；1873年，電燈代替了汽燈，這兩種路燈的控制方式均為手動控制。1953年，上海電力公司受托管理路燈，開始采用現場自控的路燈管理方式。1980—2000年，路燈光源經歷了汞燈、鈉燈、金鹵燈，逐步實現控制箱回路遠程自動化控制的方式（區域控制器ACU）。路燈的單燈監控從2008年開始試點。

路燈最初只是傳統道路附屬設施之一，只具備單一的夜間照明功能。隨著城市的快速發展，道路基礎設施、各類桿件數量大幅增加。如今，為了提升城市公共空間的利用率，保持城市人居環境的美觀，路燈設施與新建基礎設施相融合，形成可多元搭載的綜合桿件。綜合桿件在城市道路、街區、人口密集地區廣泛布局，成為5G基站大規模深度部署的最優選擇，成為具有復合功能的新一代城市基礎設施[1]。

路燈正在向智慧桿件發展，綜合桿件散布在城市各個角落，為城市照明、視頻監控、交通管理、環境監測等多維度信息交互提供可能，從單一照明單元轉變為智慧城市的神經元[2]。通過物聯網賦能，采集和交換城市道路、交通、車輛、行人、安防等綜合信息，使智慧神經元高密度聯結，逐步構建城市智慧神經網絡，為數字化經濟時代提供有力支撐。

發展至今，路燈的管理仍然以粗放型的管理居多。為此，文章從路燈末端（終端控制器TCU）的管理著手，結合路燈數量大、分布區域分散的特性，摸索更適合的通信模式，以提高路燈精細化管理水平。

1 路燈精細化管理可以解決的問題

（1）管理難。使用粗放型的管理模式較難監控遠程終端、精確獲取能耗情況和及時獲取路燈狀態等，對路燈實施科學管理、動態規劃，可提升路燈管理效率。

（2）監控難。精細化管理可以解決納入管理平臺的路燈設施數量占比低的問題。使用單燈終端遠程監控，不用依賴管理部門巡查和信訪等原始手段排查故障，而是直接通過電腦或手機定點維修。

（3）能耗高。單燈控制器的調光功能結合LED光源，可在車流量高峰期開啟全部光源，在車流量低谷時（如凌晨時段）通過調光降低能耗。

2 路燈精細化管理的要求

路燈設施的精細化管理依托于一體化的管理系統，進行精細化管理時需要滿足以下要求。

（1）全面性。路燈設施應全面覆蓋控制箱、燈桿、燈具等，并將全口徑納入管理。

（2）系統性。將路燈規范設計、基礎建設、通信連接、多元搭載、移交接管、養護作業、應急處置的全流程納入監管。

（3）精準性。建立管理云平臺，將路燈設施納入云平臺，以精準遠程管控燈具的開啟和亮度，重點區域可通過單燈控制完成智能開關燈和智能調光來應對惡劣天氣和應急狀態。

（4）前瞻性。優先選擇領先技術進行通信模式設置、融合搭載等工作，為后續智慧燈桿建設預留空間。路燈的精細化管理要從箱體延伸到末端，同時需要確保數據傳輸的實時性、可靠性。

3 單燈通信模式的應用現狀

在物聯網中可使用不同的通信技術滿足不同的通信帶寬需求，目前比較主流的通信模式有NB-IoT（窄帶物聯網）、eMTC（Cat0, CatM）、Cat.1，以上技術均為4G技術的延伸，分別對應低速率、中低速率、中高速率應用場景（見圖1）。

圖1 主流通信模式比較

單燈通信模式可以分為有線模式、無線模式兩種模式，無線模式又可以分為自組網模式、公網模式。當前，常見的單燈通信模式有PLC（電力載波）模式、ZigBee無線模式、2G公網模式、NB-IoT公網模式、LoRA自組網模式[3]（見表1）。

表1 常見單燈通信模式比較

目前，最常用于路燈數據上傳平臺的通信模式是2G和4G，而路燈終端的控制主要使用PLC（電力載波）。因為電力載波帶寬很窄、通信不穩、信號品質差，并且檢修時要停止數據傳送，再加上低壓電力線自身的介質因素，載波信號很容易受到結構和負荷干擾而受影響，所以對于路燈的精細化管理，電力載波的可靠性教差。

國家工業和信息化部于2020年5月7日印發了《工業和信息化部辦公廳關于深入推進移動物聯網全面發展的通知》。文件明確提出要準確把握全球移動物聯網技術標準和產業格局的進化趨勢，逐步推進2G/3G物聯網服務業務的過渡，同時要逐步建立NB-IoT（窄帶物聯網）、4G（含Cat.1，即速率類別1的4G網絡，也稱LTE-Cat.1）和5G協同發展的移動物聯網綜合生態體系，深化4G網絡覆蓋，快速構建5G網絡。采用NB-IoT滿足低速率的場景需求，采用Cat.1滿足中等速率的物聯需要和話音需求，采用5G技術滿足更高速率和低時延聯網需求[4]。

4 NB-IoT網絡與Cat.1網絡的對比

4.1 傳輸特性對比

（1）NB-IoT網絡。NB-IoT主要面向低功耗廣域物聯網承載能力的需求，具備超窄帶、可反復傳輸、精簡網絡協議等特性，但犧牲了一定的速率、時延和移動優勢。在開啟路燈時電纜帶電，單燈控制器一直處于通電狀態，NB-IoT的傳輸速率僅為160～250 kbps，在路燈中沒有應用優勢。

（2）Cat.1網絡。Cat.1是4G的標準類別之一，低速4G的上行速率達5 Mbps，下行速率達10 Mbps。相比NB-IoT，Cat.1網絡在速度、延時、網絡覆蓋方面都具有優勢，可以很好地利用當前國內的4G網絡，是國內信號覆蓋最全面的網絡。

4.2 智能控制對比

（1）NB-IoT網絡。NB-IoT的并發用戶數有限，其使用的是15 kHz的終端接入，理論并發數只有12個。如果多個設備同時連接到NB-IoT網絡，會增加底噪，使設備難以接入網絡，多余的設備需要排隊訪問網絡。NB-IoT可用于對數據、速率要求較低的抄表場景，如在每個月某一天抄取、上傳水表讀數，不需要實時反饋的場景。但路燈的使用場景不一樣，每當需要開關燈時，所有設備需要同時上線并將每一盞路燈狀態上傳至系統平臺。根據規模達到幾萬的NB-IoT燈控項目的落地管理情況，當前NB-IoT不能較好地支持城市級別路燈數量的同時上線，只能采取依次排隊延時上線的方式。

（2）Cat.1網絡。與NB-IoT僅為十幾臺的并發用戶數相比，Cat.1可以支持的并發用戶數為1 000以上，能夠較好地支撐城市級別路燈數量的同時上線，滿足城市道路路燈設施管理需求。

4.3 智能管理對比

（1）NB-IoT網絡。由于NB-IoT網絡的并發用戶數理論上是12個，因此無法將每一盞路燈的狀態同步上傳至系統平臺。即使在信號、速率都滿足的情況下，大面積的路燈狀態也無法及時反饋至平臺，不能滿足道路照明設施平臺智能運行管理精細化和智能化的需要。

（2）Cat.1網絡。Cat.1可以支持1 000以上的并發用戶，并且平均時延在20～40 ms，因此其能夠較好地響應城市道路照明設施應用場景平臺研發需求，無論是在日常運行、管理、策略控制，還是在故障報警、數據匯總、配電箱監控、安全管理、設備維護等功能模塊中，都能更好地提供網絡響應支撐。

4.4 智慧拓展對比

（1）NB-IoT網絡。截至2019年，全國NB-IoT基站數量約為800 000個，由于NB-IoT網絡的特性，運營商很難在現在的業務模式下收回網絡建設投入成本，故均不會在NB-IoT網絡覆蓋上作過多優化投資。如果當地NB-IoT信號不好，也易導致路燈數據上傳、平臺指令下發堵塞，造成控制器無法上線響應指令的情況。

（2）Cat.1網絡。截至2019年，全國4G基站數量有5 500 000個。4G信號有巨大優勢，并且設備適用性擴展性大，如綜合桿上的視頻攝像頭、環境監控、LED顯示屏、充電樁等功能均已使用或可使用4G網絡，便于在平臺上根據網絡特性統一調整業務參數和規則。NB-IoT網絡顯然不具備此適用性。

目前，Cat.1產業蓬勃發展，包括紫光展銳、ASR等芯片廠商，廣和通、有方、移遠、芯訊通等主流模組廠商快速跟進發布相關產品，帶動POS終端、公網對講、工業DTU、共享硬件、環境監測等終端的研發面市。Cat.1的廣泛應用是物聯網行業的主要發展趨勢，隨著產業的迅速發展，目前，Cat.1模組成本已經大幅降低，市場上主流廠商生產的Cat.1單燈控制器的成本與NB-IoT單燈控制器幾乎無差異。

5 Cat.1試點情況與實施效果

據了解，國內三大運營商在上海浦東新區內已完成無線網絡布局覆蓋，4G網絡覆蓋率已達100%。2021年，在浦東新區進行了Cat.1通信模式的單燈控制器試點，選擇三個不同區域安裝設備百余個。通過近半年的數據跟蹤、采集，經過平臺與現場設備的功能聯動等多項測試后，Cat.1在設備上下線、應急開關燈、應急調光、數據召測、校時、重啟、報警準確率、調光策略執行等方面均表面優秀。

采用Cat.1通信模式的路燈單燈控制將路燈物聯網構架由原先的三級變為二級，從安全角度看，原先的三級構架是串聯模式，即單燈到箱體再到控制平臺，而二級架構是并聯模式，即單燈到平臺與箱體到平臺的雙軌道管理。這種模式提高了路燈運行的安全，并且實現了路燈運維的可控可達、定點維修（見圖2、圖3）。

圖2 區域控制器（ACU）與平臺的物聯架構

圖3 終端控制器（TCU）與平臺的通信架構

6 結論

綜上所述，Cat.1通信技術彌補了PLC和NB-IoT的信號覆蓋不全面、數據并發受限、響應速度慢等短板。在建設成本差異不大的前提下，Cat.1的高并發、低延時特性，可靠性，時效性均優于PLC和NB-IoT。鑒于路燈智能化發展的趨勢、應用場景的建設、技術前瞻性及合理性的考量，采用Cat.1通信模式的路燈終端控制將提升路燈的精細化管理水平。