物聯(lián)網(wǎng)下的智慧照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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【摘要】文章從智慧照明的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)談起，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的功能架構(gòu)，并對(duì)智慧照明物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)的智能監(jiān)控管理、數(shù)據(jù)管理、業(yè)務(wù)管理和系統(tǒng)管理模塊進(jìn)行了詳細(xì)闡述。智慧照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了城市照明的智能化管理，減少了能源消耗，減少了維護(hù)成本，滿足了城市照明的需求，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。
【關(guān)鍵詞】城市照明系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；智慧照明
1引言
城市道路照明系統(tǒng)是城市發(fā)展建設(shè)的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施，承擔(dān)著城市照明、夜晚城市居民出行的需求。但是，長期以來，城市照明系統(tǒng)存在設(shè)備維護(hù)成本高、能源浪費(fèi)大等問題。截至目前，全國現(xiàn)有約1億盞路燈，占照明耗電30%，達(dá)到全國耗電總量的10%，大約35%的電能被浪費(fèi)，嚴(yán)重制約著城市照明系統(tǒng)的發(fā)展。隨著當(dāng)前科技水平的飛速發(fā)展，“移、大、物、智、云”概念的提出，建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大數(shù)據(jù)處理、云計(jì)算模式的“城市照明管理系統(tǒng)”已經(jīng)成為可能。智慧照明[1]系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)[2]傳輸和感知技術(shù)，對(duì)路燈、電纜、配電柜等部件進(jìn)行監(jiān)控和遠(yuǎn)程管理，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)路燈亮度、遠(yuǎn)程照明控制、故障主動(dòng)報(bào)警、燈具線纜防盜、遠(yuǎn)程抄表等功能，能夠大幅節(jié)省電力資源、節(jié)省維護(hù)成本，提升公共照明管理水平。根據(jù)城市照明系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市智慧照明系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了城市照明的自動(dòng)調(diào)節(jié)、智慧化的管理和智能化的監(jiān)控，減少了城市能源消耗，減少了設(shè)備維護(hù)成本，滿足了城市照明的需求，提高了政府服務(wù)水平。
2智慧照明物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)
智慧照明系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施、云計(jì)算中心、地理空間基礎(chǔ)設(shè)施等新一代信息技術(shù)以及移動(dòng)通信終端等工具和方法，實(shí)現(xiàn)了全面透徹的感知、寬帶泛在的互聯(lián)、智能融合的應(yīng)用。智慧照明系統(tǒng)由終端燈具、單燈控制器、集中控制器、IoT核心網(wǎng)和智慧照明物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)組成。其物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。其中單燈控制器是照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程調(diào)光終端接口，負(fù)責(zé)燈具電流、電壓、電量等參數(shù)的采集、異常自動(dòng)監(jiān)控等功能。集中控制器連接智慧路燈物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)，用于集中控制網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備。IoT核心網(wǎng)是智慧照明系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)通信系統(tǒng)，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的上傳和控制信息的下發(fā)。由于NB-IoT[3]技術(shù)是一種3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義的LPWA（低功耗廣域網(wǎng)）解決方案，具有海量連接、超低功耗、安全性和穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，且可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，即可與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基站復(fù)用，因此在本系統(tǒng)中采取該協(xié)議作為物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠傳輸。智慧照明物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的智能監(jiān)控、業(yè)務(wù)管理、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和參數(shù)設(shè)置等功能，實(shí)現(xiàn)照明系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制、智慧化管理和服務(wù)。
3智慧照明物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)
智慧照明物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)通過互聯(lián)網(wǎng)+模式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)城市路燈的遠(yuǎn)程控制、設(shè)備管理、故障報(bào)修以及大數(shù)據(jù)分析等功能。智慧照明物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)可以分為智能監(jiān)控管理、安全管理、業(yè)務(wù)管理和數(shù)據(jù)管理四個(gè)功能模塊。其功能架構(gòu)如圖2所示。
3.1智能監(jiān)控管理
1）遠(yuǎn)程開關(guān)可按光照度智能開關(guān)，采用時(shí)控與光控相結(jié)合的控制方案，由后臺(tái)自動(dòng)智能控制開關(guān)燈、分時(shí)段調(diào)光。2）調(diào)光控制根據(jù)不同類型的路燈控制要求，可對(duì)照明設(shè)施按照管理區(qū)域、照明類型（全夜燈、半夜燈、景觀燈、其他等）任意控制終端的任意控制回路進(jìn)行分組設(shè)置、控制、查詢、顯示。控制系統(tǒng)對(duì)整個(gè)城市、某一區(qū)、某條路、某一RTU（集中控制器）、某一支路、甚至單盞燈都可以方便地進(jìn)行時(shí)控、光控、強(qiáng)制開關(guān)燈、巡檢、實(shí)測、遙視及參數(shù)設(shè)置等操作。也可對(duì)RTU或某支路進(jìn)行自定義靈活分組、混合編組，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制的多樣化，如整體控制（城控）、分區(qū)控制（面控）、線控、點(diǎn)控等。3）GIS地圖以空間數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，將集中控制器、單燈等各部件與地理位置的圖形信息有機(jī)結(jié)合，根據(jù)需要將這些信息真實(shí)并圖文并茂的展示出來。GIS地圖包括地圖矢量縮放功能、燈設(shè)備部件管理功能、查找地址功能和地理統(tǒng)計(jì)功能，可顯示電參數(shù)、開關(guān)狀態(tài)、故障狀態(tài)、燈具狀態(tài)、線纜狀態(tài)等信息。地理統(tǒng)計(jì)可以根據(jù)區(qū)域統(tǒng)計(jì)、道路統(tǒng)計(jì)、分組統(tǒng)計(jì)；通過地圖模式還可用框選功能直觀的選擇需要操作的道路。4）故障報(bào)警當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)終端能夠立即自動(dòng)搶占信道，將報(bào)警數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)送到控制中心，供值班人員判斷故障，并及時(shí)處理。故障報(bào)警是以“報(bào)警報(bào)表”、“報(bào)警分心”、“報(bào)警類型分析”和“區(qū)域報(bào)警分析”的形式，并按照?qǐng)?bào)警的時(shí)間、區(qū)域、類型等，歸納所有設(shè)備（RTU或單燈）的報(bào)警情況。報(bào)警內(nèi)容包括意外亮燈、意外滅燈、燈具故障、過流、過壓、門開、進(jìn)水、控制柜缺相、電源故障、線纜斷路、交流接觸器故障等，可實(shí)現(xiàn)警報(bào)跟蹤、定位、回溯及統(tǒng)計(jì)功能。5）策略管理根據(jù)不同類型的路燈亮化控制要求，可以把路燈按單燈分別設(shè)置成若干個(gè)不同的功能組進(jìn)行策略控制，可以實(shí)現(xiàn)單控、組控、群控及組策略管理。根據(jù)城市需求，可在系統(tǒng)設(shè)置不同的開關(guān)燈策略，包括開關(guān)燈時(shí)間及有效期設(shè)置，如假日策略，周策略等。6）數(shù)據(jù)召測系統(tǒng)通過手動(dòng)或者自動(dòng)的方式定時(shí)或?qū)崟r(shí)遙測全市路燈的工作狀態(tài)。監(jiān)測的數(shù)據(jù)包括總回路、支回路和單燈的電流、電壓、接觸器狀態(tài)、功率、功率因數(shù)、用電量等等，從而反映出亮燈率等路燈運(yùn)行情況和故障情況。7）區(qū)域管理系統(tǒng)可對(duì)路燈控制區(qū)域的省市、縣區(qū)、街道進(jìn)行分級(jí)管理，可隨時(shí)新增及刪除指定區(qū)域。
3.2數(shù)據(jù)管理模塊
1）設(shè)備資產(chǎn)管理設(shè)備資產(chǎn)管理包含但不限于以下設(shè)備：光源、燈桿、電源、電纜、光源附屬設(shè)備（如：觸發(fā)器、補(bǔ)償電容、鎮(zhèn)流器）、監(jiān)控設(shè)備（如：RTU、節(jié)能設(shè)備、防盜設(shè)施）等。系統(tǒng)能根據(jù)設(shè)施類型進(jìn)行設(shè)施量登記、增加、減少、變更、查詢、匯總、報(bào)表等。2）報(bào)表統(tǒng)計(jì)該模塊具有亮燈時(shí)長統(tǒng)計(jì)和能耗統(tǒng)計(jì)功能。其中時(shí)長統(tǒng)計(jì)功能具有亮燈時(shí)長統(tǒng)計(jì)、故障時(shí)長統(tǒng)計(jì)和電能累計(jì)遠(yuǎn)程讀取功能；能耗統(tǒng)計(jì)具有對(duì)所有數(shù)據(jù)能夠按照操作人員的要求進(jìn)行查詢、支持燈具能耗報(bào)表生成功能。可按年/月/日進(jìn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表，列出所有控制柜的用電量、本月亮燈率、本月耗電明細(xì)、本月節(jié)能率等，為用戶提供能源消耗結(jié)構(gòu)和能源消耗成本分析，并評(píng)估節(jié)能效果和關(guān)聯(lián)影響。3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)記錄系統(tǒng)可記錄至少一年的各種數(shù)據(jù)內(nèi)容備索，以利于故障分析和領(lǐng)導(dǎo)決策。系統(tǒng)具有歷史電參量記錄、歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)查詢、單燈和回路的參數(shù)定時(shí)保存、每天用電時(shí)間（亮燈時(shí)間）和亮燈率存儲(chǔ)、歷史報(bào)警信息存儲(chǔ)的功能，方便用戶查詢統(tǒng)計(jì)。同時(shí)，系統(tǒng)按照設(shè)定時(shí)間自動(dòng)將歷史數(shù)據(jù)備份成其它可導(dǎo)入格式，并按年/月/日自動(dòng)定置文件名備份到指定位置，當(dāng)重裝系統(tǒng)后可導(dǎo)入歷史紀(jì)錄。4）電量分析電量分析分為電量管理、電量報(bào)表、節(jié)能分析和時(shí)長分析等部分。系統(tǒng)能夠能夠存儲(chǔ)并根據(jù)時(shí)間對(duì)路燈用電量做統(tǒng)計(jì)分析，并以列表、柱形圖、餅圖等多種方式進(jìn)行顯示。系統(tǒng)電量分析結(jié)果如圖3所示。5）亮燈率亮燈率反映了某一RTU下全部單燈的亮滅比率。被監(jiān)測到的單燈如果亮燈率是100%則表示每條回路中的單燈都亮燈，如果是0%則表示回路中的燈都滅或者已失聯(lián)；通過該模塊即可查看某RTU的實(shí)時(shí)亮燈率，也可以查看歷史亮燈率。
3.3業(yè)務(wù)管理
在業(yè)務(wù)管理模塊包括在線派工、故障定位、維修調(diào)度和責(zé)任劃分等功能。當(dāng)控制中心接收到故障報(bào)警后，通過在控制中心安裝短信群發(fā)設(shè)備，調(diào)度端因特殊原因無人值守時(shí)，系統(tǒng)可以預(yù)置若干個(gè)手機(jī)號(hào)碼，以短消息方式，按照預(yù)先設(shè)定的模式，把故障類型、發(fā)生時(shí)間、故障部位等相關(guān)信息發(fā)送相關(guān)人員的手機(jī)上。根據(jù)大量應(yīng)用案例，系統(tǒng)對(duì)故障報(bào)警進(jìn)行了分級(jí)設(shè)置。系統(tǒng)對(duì)故障發(fā)生地點(diǎn)，故障類型分別設(shè)置了不同的參數(shù)，從而計(jì)算出報(bào)警的級(jí)別，然后根據(jù)不同的報(bào)警級(jí)別，以短信的方式通知不同的管理人員，包括不同級(jí)別的領(lǐng)導(dǎo)、值班人員、巡查人員以及維修人員等。
3.4系統(tǒng)管理
1）用戶管理系統(tǒng)可將操作人員劃分等級(jí)和權(quán)限，分別設(shè)定自己的密碼及值班記錄，操作人員只能完成權(quán)限范圍內(nèi)的操作，并將每項(xiàng)操作的具體內(nèi)容及時(shí)間存入數(shù)據(jù)庫中，非超級(jí)用戶不能修改。用戶管理分為個(gè)人用戶和巡更用戶，通過該模塊實(shí)現(xiàn)用戶人員的授權(quán)、增加和刪除功能。具有根據(jù)對(duì)應(yīng)權(quán)限對(duì)策略進(jìn)行查看、添加、編輯，刪除功能；對(duì)不同權(quán)限用戶，顯示內(nèi)容不同（訪客、操作員、管理員、超級(jí)管理員）。2）操作日志通過該模塊可以實(shí)現(xiàn)查詢用戶登錄記錄，操作記錄等功能。
4結(jié)語
隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和中國城鎮(zhèn)化進(jìn)程，城市人口越來越大，城市規(guī)模越來越大。城市道路照明系統(tǒng)作為城市的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施其規(guī)模越來越大，越來越復(fù)雜。但傳統(tǒng)的城市照明系統(tǒng)存在能源浪費(fèi)大、維護(hù)成本高、維護(hù)不便利等缺點(diǎn)，無法滿足現(xiàn)代城市照明的需求。物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息與通信技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有力的推動(dòng)了城市智慧照明系統(tǒng)的發(fā)展，減少照明系統(tǒng)能源的消耗，降低了維護(hù)成本，提高了城市公共照明的服務(wù)水平。
參考文獻(xiàn)
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作者：呂輝 車輝 楊波 單位：湖州星興工程咨詢有限公司