城市路燈無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分析報(bào)告

薛 波，俞 睿

(寧波市政管理處, 浙江 寧波 315010)

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市的規(guī)模越來越大，群眾對(duì)城市的要求也越來越高，城市照明作為城市智能化的一個(gè)重要組成部分也日益受到重視。城市照明可以分為功能性照明和景觀性照明兩種，功能性照明一般整夜亮燈，亮燈時(shí)間較長，而景觀性照明一般在需要的時(shí)候才開啟，亮燈時(shí)間較短。但是城市越來越大，照明燈具也越來越多，傳統(tǒng)的手動(dòng)拉閘方式不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且不太可靠，集中通斷電對(duì)電網(wǎng)沖擊也比較大。城市照明管理單位急需一種科學(xué)有效的方式來管理和控制城市的戶外照明。

除無線網(wǎng)絡(luò)控制外，還有光控、時(shí)控等多種照明控制方式，各種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。光控主要問題在于控制單元容易損壞，受戶外環(huán)境光干擾較大。而時(shí)控主要是不夠靈活，可靠性較差，運(yùn)行一段時(shí)間后容易出現(xiàn)時(shí)間誤差。無線網(wǎng)絡(luò)控制的獨(dú)特好處在于可以實(shí)時(shí)傳輸電參數(shù)和光參數(shù)，方便管理單位掌握和監(jiān)控全市燈光的運(yùn)行狀況，對(duì)故障快速作出反應(yīng)。寧波市照明管理單位從2000年起開始采用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)控制的方式，逐步試驗(yàn)推廣至今，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)良好。

2 路燈網(wǎng)應(yīng)用簡介

2.1 路燈網(wǎng)的沿革

寧波市的城市照明控制管理系統(tǒng)目前共經(jīng)歷了四代。第一代可以稱之為“一把閘刀，一條線路”，自1915年有城市供電以來一直沿用至上世紀(jì)八十年代中期。它是由供電部門值班人員手動(dòng)控制操作的。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)就是一旦發(fā)生故障，全市路燈都會(huì)受到影響，即有可能白天亮燈或夜晚滅燈。

二十世紀(jì)八十年代中后期，我們開始采用第二代分段光控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念在當(dāng)時(shí)比較先進(jìn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中很容易受到環(huán)境光的影響。如閃電、爆竹、車燈，甚至樹葉、飛鳥都會(huì)對(duì)它的正常運(yùn)行造成干擾。

1995年起，我們啟用了第三代時(shí)間預(yù)置式的控制系統(tǒng)。它的工作原理是將一年內(nèi)的日出日落數(shù)據(jù)寫入芯片，配合時(shí)控開關(guān)自動(dòng)運(yùn)行。但是該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是不能與自然光同步變化，遇到陰雨天氣就會(huì)發(fā)生開燈滯后的現(xiàn)象。對(duì)下班高峰交通效率造成很大的影響。

第四代無線監(jiān)控系統(tǒng)也就是我們現(xiàn)在使用的系統(tǒng)，始建于2000年，其后于2003年和2006年2次進(jìn)行升級(jí)擴(kuò)容，其后成立寧波市城市照明監(jiān)控中心標(biāo)志著其無線監(jiān)控效果得到了認(rèn)可，可以進(jìn)行大范圍推廣。推廣至今，無線監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)已覆蓋了寧波市三區(qū)85%的照明設(shè)施。

2.2 無線監(jiān)控網(wǎng)的原理和功能

寧波市城市照明監(jiān)控中心的無線監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可稱其為寧波城市燈光無線監(jiān)控網(wǎng)(簡稱路燈網(wǎng))。路燈網(wǎng)的無線技術(shù)是基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的，雖然GPRS骨干網(wǎng)支持IP協(xié)議[1]，但其運(yùn)營商中國移動(dòng)目前的主營業(yè)務(wù)還是GSM，同時(shí)為方便與手機(jī)終端通信，能夠方便地接入GSM網(wǎng)絡(luò)確實(shí)會(huì)方便不少，所以本質(zhì)上講，路燈網(wǎng)還是屬于2G網(wǎng)。

GPRS與GSM的區(qū)別是加入了服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)和GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)。就路燈網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸流程而言，首先是各表箱中的無線信號(hào)收發(fā)裝置將采集到的電參數(shù)用GPRS分組數(shù)據(jù)表示，然后將其發(fā)送給附近的移動(dòng)基站，基站將其轉(zhuǎn)發(fā)給SGSN，SGSN可與多個(gè)MSC(移動(dòng)交換中心)相連，將路燈網(wǎng)與移動(dòng)電話網(wǎng)互通，同時(shí)SGSN與GGSN通信，GGSN將收到的分組進(jìn)行處理，主要是協(xié)議的轉(zhuǎn)換，然后將分組數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到基于IP協(xié)議的GPRS骨干網(wǎng)或因特網(wǎng)上，因特網(wǎng)上的各路由器進(jìn)行分組轉(zhuǎn)發(fā)，最終達(dá)到監(jiān)控中心的電腦主機(jī)上。在這個(gè)流程中，無線信號(hào)收發(fā)裝置就相當(dāng)于一個(gè)不會(huì)移動(dòng)的移動(dòng)站。電腦主機(jī)發(fā)出的命令，也通過反向路徑到達(dá)各無線信號(hào)收發(fā)裝置[2]。另外，還可以通過手機(jī)短信的方式，從移動(dòng)終端發(fā)出控制信息，通過SGSN節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，到達(dá)表箱中的無線收發(fā)裝置，就好像2個(gè)手機(jī)之間發(fā)短信一樣。值得一提的是，GPRS網(wǎng)絡(luò)是利用GTP隧道協(xié)議使外部的IP數(shù)據(jù)包通過節(jié)點(diǎn)的，而多結(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸沖突是采用沖突檢測機(jī)制來進(jìn)行應(yīng)對(duì)[3]。

無線監(jiān)控系統(tǒng)既可以使用專網(wǎng)也可以使用公網(wǎng)，目前寧波路燈網(wǎng)使用的是專網(wǎng)，監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了的功能有：

1)自動(dòng)或手動(dòng)遙控全夜燈、半夜燈和景觀燈的開燈和關(guān)燈；自動(dòng)、手動(dòng)巡測、選測控制箱電壓、電流、有功功率、功率因數(shù)和接觸器狀態(tài)等參數(shù)。

2)根據(jù)需要分為不同的功能組(如工作日模式、周末模式、重大節(jié)假日模式等)實(shí)現(xiàn)多樣化控制。主要應(yīng)用于區(qū)分重大節(jié)假日和平時(shí)的不同亮燈方案，以及根據(jù)日出日落時(shí)間和各區(qū)域具體照度、亮度情況確定的不同亮燈方案，節(jié)能減排新技術(shù)的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)方案等。

3)系統(tǒng)報(bào)警功能，系統(tǒng)報(bào)警采用的是終端主動(dòng)報(bào)警和調(diào)度端報(bào)警相結(jié)合的報(bào)警方案。主要是故障的及時(shí)發(fā)現(xiàn)和防盜的需要，特別是語音警報(bào)功能，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)諸如供電停電、線路中斷、電纜偷盜、亮燈率低等問題，方便第一時(shí)間通知相關(guān)部門進(jìn)行搶修，履行“亮燈承諾”。

4)查詢打印各照明控制箱的定時(shí)數(shù)據(jù)與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；查詢、計(jì)算、統(tǒng)計(jì)亮燈率等數(shù)據(jù)。

2.3 在寧波城市照明設(shè)施管理中的應(yīng)用

城市照明設(shè)施可以分為功能性照明設(shè)施和景觀性照明設(shè)施兩個(gè)大類，兩類設(shè)施的亮燈需求并不一致。針對(duì)功能性照明設(shè)施，我們首先在監(jiān)控中心大樓頂部平臺(tái)安裝自然光采集器，然后將采集到的自然光照信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)中有預(yù)設(shè)好的開關(guān)燈條件，當(dāng)光照數(shù)值變化滿足預(yù)設(shè)條件時(shí)，計(jì)算機(jī)就會(huì)通過中國移動(dòng)或電信的網(wǎng)絡(luò)向終端控制箱發(fā)出指令，相應(yīng)的功能性照明設(shè)施就會(huì)自動(dòng)打開或關(guān)閉。而針對(duì)景觀性照明設(shè)施，我們是直接在計(jì)算機(jī)上預(yù)設(shè)開關(guān)燈時(shí)間，主要是重大活動(dòng)、周末和平時(shí)三種不同的開關(guān)燈方案，由計(jì)算機(jī)通過專用無線信道向終端控制箱發(fā)出指令。為保證信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定，我們還在位于市中心的建設(shè)大廈頂部設(shè)置了中繼站對(duì)信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)。

第四代無線監(jiān)控系統(tǒng)自投入運(yùn)行以來，大大提高了寧波市城市照明運(yùn)行管理的效率。2013年，我們?yōu)閷幉ㄊ兄卮蠡顒?dòng)保障開燈72天次，無一疏漏。準(zhǔn)確有效的開燈方式不但使全市人民告別了陰雨天氣路燈滯后，市民摸黑路的現(xiàn)象，還將全年開燈時(shí)間從4250小時(shí)，縮短到了4080小時(shí)(見表1)，提高了有效亮燈率，節(jié)省電費(fèi)200多萬元，實(shí)現(xiàn)了一定的節(jié)能效益。

表1 2013年寧波城區(qū)開燈時(shí)間Table 1 Ningbo lighting time of 2013

從表1中可以看到，寧波城區(qū)日出一般在5點(diǎn)至6點(diǎn)50分之間，日落一般在17點(diǎn)至19點(diǎn)之間，隨著日出日落時(shí)間的變化，系統(tǒng)開關(guān)燈時(shí)間會(huì)自動(dòng)調(diào)整。由于全年日出日落和開關(guān)燈數(shù)據(jù)較多，表格過大，所以本文僅列出每月均值進(jìn)行說明，也未列出采用預(yù)置功率鎮(zhèn)流器的路燈的具體耗電數(shù)值，表中運(yùn)行時(shí)間為當(dāng)月累計(jì)的準(zhǔn)確值。需要說明的是，關(guān)燈時(shí)間與日出時(shí)間差距較開燈時(shí)間與日落時(shí)間大是因?yàn)殚_燈需求的光照度值比關(guān)燈需求的光照度值高的緣故，這是由于城市清晨對(duì)路燈照明需求很小，所以確應(yīng)提前關(guān)燈，以提高有效亮燈率。

另外，我們正在利用路燈網(wǎng)積極探索嘗試單燈控制，已在姚隘路一段安裝了29盞路燈作為試驗(yàn)，運(yùn)行至今，雖然單燈控制裝置還存在不穩(wěn)定、容易壞的問題，但路燈網(wǎng)無線控制沒有出現(xiàn)問題。

3 特點(diǎn)分析

目前寧波市的燈光無線控制裝置是安裝在各燈光控制箱內(nèi)的，由于每個(gè)無線控制單元都只具備向單個(gè)目標(biāo)傳輸和接受信息的功能，從這一點(diǎn)上來說，路燈網(wǎng)有點(diǎn)類似于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，但本質(zhì)上和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是有很大的不同。

路燈網(wǎng)的特點(diǎn)可以歸納如下：

1)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)無移動(dòng)。因?yàn)楦鳠o線收發(fā)單元都安裝在固定的城市燈光控制表箱內(nèi)，節(jié)點(diǎn)不存在移動(dòng)性，所以不存在基站切換小區(qū)重選等問題。

2)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模很大。寧波市三區(qū)截止2013年5月已有無線控制終端共1766臺(tái)，尚未完全覆蓋。未來若實(shí)行單燈控制，即每盞燈安裝一個(gè)無線控制單元，則節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)更加龐大。目前寧波市三區(qū)已有功能性照明71562盞。景觀性照明175854盞，巨大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模會(huì)造成一定的管理難度。

3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳粩喔淖儭Ｖ饕窃谕鈬粩嘣黾庸?jié)點(diǎn)。因?yàn)槌鞘锌偸窃诓粩嗟陌l(fā)展、擴(kuò)大，但每個(gè)表箱所控制的范圍卻是有限的。另外，隨著寧波城市背街小巷的不斷改造疏通，城區(qū)里也會(huì)不斷新增加一些節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)密度是在加大的。

4)通信元件應(yīng)具有高可靠性。路燈網(wǎng)的最大特點(diǎn)就是每個(gè)節(jié)點(diǎn)每天都要與監(jiān)控中心不斷的通信，而且出于經(jīng)濟(jì)考慮，燈光控制表箱一般安裝在戶外，僅由鋁制或鐵制的箱板保護(hù)，無線控制單元要在承受室外比較惡劣的環(huán)境變化的前提下，保障信號(hào)傳輸?shù)挠行?。?shí)踐證明，室外環(huán)境對(duì)電子產(chǎn)品的壽命有很大的影響，室內(nèi)檢測沒有任何問題的產(chǎn)品應(yīng)用于室外，一般每隔一段時(shí)間就要對(duì)部分的通信元件進(jìn)行維修或更換。但總體上，路燈網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)比較可靠，全年出現(xiàn)的故障率在0.5%以下。

5)對(duì)傳輸速率要求不高。雖然節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，通信頻繁，但每個(gè)單元每次只需發(fā)送很短的信息，各節(jié)點(diǎn)之間也不需要互相通信，為避免對(duì)電網(wǎng)造成過大的擾動(dòng)，全市亮燈時(shí)間一般是錯(cuò)開的，瞬時(shí)通信量不會(huì)很大，所以路燈網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求不高。目前使用的GPRS網(wǎng)絡(luò)上行速率不超過13.4kbps，下行不超過40kbps，也已能滿足目前的應(yīng)用需要。

6)成本可以接受。照明管理單位畢竟不是負(fù)責(zé)通信的，不可能去建基站，也不會(huì)在無線通信模塊和軟件商投入太大成本，只能依賴于已經(jīng)建成并運(yùn)營良好的骨干網(wǎng)絡(luò)。所以要求其網(wǎng)絡(luò)軟硬件技術(shù)成熟，運(yùn)營成本低廉，性價(jià)比高。

7)機(jī)動(dòng)靈活。正因?yàn)槁窡艟W(wǎng)是基于中國移動(dòng)提供的服務(wù)，所以其很容易接入GSM網(wǎng)絡(luò)，與手機(jī)等移動(dòng)終端通信。目前已可以做到發(fā)一條短信控制亮燈，異常滅燈自動(dòng)發(fā)短信至指定手機(jī)號(hào)等功能。這項(xiàng)服務(wù)使城市照明管理迅速機(jī)動(dòng)靈活起來，大大降低了管理部門的運(yùn)行成本，也降低了巡邏的密度和排查的難度。

4 對(duì)未來的展望

目前的路燈網(wǎng)雖然運(yùn)行良好，但也有一些需要改進(jìn)的地方，主要可以歸納為兩方面的需求。

1)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)升級(jí)換代的需求。帶寬和移動(dòng)資源是相互矛盾的，隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，GPRS網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來越難以承擔(dān)大流量高速的移動(dòng)業(yè)務(wù)需要，語音通信網(wǎng)逐漸向3G甚至4G過渡已經(jīng)成為了事實(shí)，可以預(yù)見到不遠(yuǎn)的將來GPRS技術(shù)會(huì)被新技術(shù)所替代，那么基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的路燈網(wǎng)也勢必要進(jìn)行升級(jí)換代。因?yàn)槁窡羰呛桶傩彰裆⑾⑾嚓P(guān)的，所以管理單位對(duì)全城范圍的路燈網(wǎng)改造會(huì)相對(duì)比較保守謹(jǐn)慎。目前比較看好的是WCDMA技術(shù)，因?yàn)橄到y(tǒng)能架設(shè)在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)之上，改造的成本和難度都比較小。

2)新技術(shù)新理念應(yīng)用的需求。現(xiàn)在的城市網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)越來越發(fā)達(dá)，各種探測器和監(jiān)控器遍布大街小巷，既不美觀也占用了大量的信道資源。目前有一種思路是利用道路上的基礎(chǔ)設(shè)施將這些各種各樣的裝置整合到一起，節(jié)省投資的同時(shí)也提高了網(wǎng)絡(luò)的利用率，使無線信道不再那么緊張。例如用路燈作為物理支架和供電源，將單燈控制，視頻監(jiān)控，衛(wèi)星定位，環(huán)境探測等多種功能整合到路燈網(wǎng)的架構(gòu)內(nèi)，實(shí)現(xiàn)城市無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的一體化。另外，大型LED顯示屏、高層建筑外墻立面組合屏等城市動(dòng)態(tài)夜景，也希望能通過無線的方式統(tǒng)一管理，播放一些公益廣告和城市宣傳片，以提高城市的形象和檔次。這些也都需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，特別是要支持多媒體的傳輸，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬提出了比較高的要求。

5 結(jié)語

城市照明管理技術(shù)的進(jìn)步是城市發(fā)展的需要，也是市民對(duì)優(yōu)美、和諧的城市光環(huán)境的需要，城市路燈無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)七年的成功應(yīng)用正是滿足了這種需要。路燈網(wǎng)自建成以來一直得到各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)心和重視，每年都投入資金進(jìn)行更新、改造、擴(kuò)容。目前的路燈網(wǎng)具有可靠性高、機(jī)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，將來隨著技術(shù)進(jìn)步還可能有更多的優(yōu)點(diǎn)。城市照明管理發(fā)展的趨勢是智能控制管理，作為城市照明管理者，我們不僅希望第四代無線監(jiān)控系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展進(jìn)步，而且希望在第四代無線監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以開發(fā)出更先進(jìn)的第五代、甚至第六代照明管理系統(tǒng)，既為照明行業(yè)管理者帶來方便，更重要的是為市民帶來好處。寧波百年的城市照明發(fā)展的歷程背后是歷代照明人不懈努力的汗水，在智能市建設(shè)逐漸完善的今天，我們將繼承照明人燃燒自己、照亮他人的精神，不斷創(chuàng)新管理模式，提高工作效率，為城市的美麗夜景做出更多的貢獻(xiàn)。

[1] 韓斌杰.GPRS原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2003,6:1～19.

[2] 文志成.GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005,6：138～142.

[3] 王涵韻, 溫文波. 基于GPRS技術(shù)的配電網(wǎng)通訊解決方案[J]. 電力科學(xué)與工程,2003(4).

[4] 呂捷. GPRS技術(shù)[M]. 北京: 北京郵電大學(xué)出版社, 2001.