淺析城市照明單燈監(jiān)控體系的建設(shè)與運(yùn)營

周 靜，王鵬展

(南京市路燈管理處 ，南京 210013)

淺析城市照明單燈監(jiān)控體系的建設(shè)與運(yùn)營

周 靜，王鵬展

(南京市路燈管理處 ，南京 210013)

單燈控制是智慧城市建設(shè)的延伸，對提高城市照明管理具有重要意義。本文結(jié)合江蘇南京首批單燈建設(shè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)與理論研究，從架構(gòu)設(shè)計(jì)、與現(xiàn)有箱控體系的兼容、現(xiàn)場問題的處理，對單燈監(jiān)控體系進(jìn)行分析；同時(shí)介紹了單燈建成后對照明運(yùn)維產(chǎn)生的影響等主要問題，并對如何正確發(fā)揮單燈體系效益做出了建議。

單燈控制；架構(gòu)；建設(shè)；運(yùn)營

引言

單燈監(jiān)控體系“更豐富、更精確、更智能”的現(xiàn)代化監(jiān)控系統(tǒng)，以其較傳統(tǒng)箱控體系更顯著的優(yōu)勢，逐步深入地應(yīng)用到城市照明中。如何做到單燈監(jiān)控體系與城市照明建設(shè)維護(hù)發(fā)展相得益彰，使其滿足規(guī)?；瘧?yīng)用條件？本文將從以下幾個(gè)關(guān)鍵方面進(jìn)行詳細(xì)解析。

1 系統(tǒng)架構(gòu)的選型

體系架構(gòu)，作為整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的頂層，不同的建設(shè)方式帶來的是截然不同的運(yùn)營效果，因此在單燈體系建設(shè)設(shè)計(jì)階段就應(yīng)將該問題進(jìn)行充分分析，并結(jié)合各地實(shí)際情況進(jìn)行合理選型。目前各大城市單燈監(jiān)控系統(tǒng)主要存在兩大類，即“兩層體系”和“一層體系”，其中以“兩層體系”為主要方式。

1)“兩層體系”(圖1)。即通過在箱變處加裝“集中器”的方式，以其作為上傳下達(dá)的中間設(shè)備。往下，為現(xiàn)場燈桿內(nèi)單燈終端建成局域網(wǎng)，并收集各單燈終端數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理；往上，通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)(GPRS等)，將經(jīng)過處理的現(xiàn)場各燈桿運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳至城市照明監(jiān)控平臺。“單燈終端”與“集中器”之間為第一層通訊，“集中器”與“城市照明監(jiān)控平臺”為第二層通訊。目前，“兩層體系”與成熟的“電力線載波”技術(shù)相結(jié)合，成為目前業(yè)內(nèi)較為普遍的單燈監(jiān)控體系架構(gòu)。

圖1 “兩層體系”單燈監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 “Two tier” single lamp monitoring system

其主要優(yōu)勢有：①施工安裝方便。無論是集中器安裝還是單燈終端安裝，均比其他方式便捷。集中器方面，僅需將通訊信號接入箱變總進(jìn)線處即可通過各電纜回路，組成現(xiàn)場單燈終端與集中器通訊網(wǎng)絡(luò)；單燈終端方面，無需桿上打孔與天線安裝，節(jié)約了人力與機(jī)械投入。②監(jiān)控平臺運(yùn)行壓力相對較小。因單燈數(shù)據(jù)已經(jīng)過集中器前端處理，剔除了部分無效數(shù)據(jù)后再向平臺發(fā)送。因此監(jiān)控平臺處理量減小，后臺運(yùn)行壓力降低。

其局限性有：①對路燈電纜線路環(huán)境要求較高。新建照明項(xiàng)目電纜環(huán)境純凈，具備使用條件；但老舊線路因分支多、接頭多、絕緣老化、跳閘故障多發(fā)等問題的普遍存在，直接兼做通訊線路易致信號不穩(wěn)影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。②系統(tǒng)兼容開放性受限?！皟蓪芋w系”需以“集中器”作為中間設(shè)備，“集中器”向監(jiān)控平臺通訊層采用公網(wǎng)方式，較易實(shí)現(xiàn)通用性；而“單燈終端”與“集中器”通訊層卻難以統(tǒng)一語言。

2)“一層體系”(圖2)。即“單燈終端”具備公網(wǎng)通訊能力，直接與城市照明監(jiān)控平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。因該體系下，不再受到“集中器”的限制，因此較“二層體系”具有明顯優(yōu)勢。

圖2 “一層體系”單燈監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.2 “One tier” single lamp monitoring system

其具體優(yōu)勢如下：①通訊效率得到提高。由于無需集中器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，“單燈終端”狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、主動報(bào)警數(shù)據(jù)將直接通過公網(wǎng)發(fā)送至監(jiān)控中心，減少了數(shù)據(jù)周轉(zhuǎn)時(shí)間。②獲得更穩(wěn)定通訊通道。單燈與中心的通訊通道由專業(yè)運(yùn)營商提供，與民用手機(jī)通用網(wǎng)絡(luò)同級，且?guī)捫枨蟾停虼烁鼮榉€(wěn)定的通道給單燈數(shù)據(jù)傳輸提供了理想載體。③“單燈終端”高度互換性的實(shí)現(xiàn)給管理部門帶來經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的雙贏?！耙粚芋w系”給“單燈終端”的互換性創(chuàng)造了先決條件，在公網(wǎng)與統(tǒng)一語言的結(jié)合之下，“單燈終端”從類似于“LED模組”的專用件就非常容易的升級為類似于“鈉燈燈泡”的通用件。而“單燈終端”在成為通用件之后，可用其他廠家的產(chǎn)品更換現(xiàn)有故障設(shè)備，維護(hù)備貨更加簡單，帶來了經(jīng)濟(jì)效益；故障的及時(shí)修復(fù)符合了市民的需求，又實(shí)現(xiàn)了社會效益。

其主要問題包括：①通訊資費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)有待降低。若按照每盞燈通訊流量費(fèi)30元/年計(jì)算，1個(gè)中等城市3萬套“單燈終端”年通訊費(fèi)用約為90萬元。②后臺數(shù)據(jù)處理壓力大，需要不斷擴(kuò)展硬件投入，升級平臺軟件支撐龐大的運(yùn)維數(shù)據(jù)。

由此可見，“兩層體系”和“一層體系”各具優(yōu)勢，但隨著通訊資費(fèi)的降低、云服務(wù)等后臺專業(yè)分工模式的發(fā)展，單燈監(jiān)控系統(tǒng)會具有更為廣闊的推廣空間。

2 單燈監(jiān)控與現(xiàn)有箱控系統(tǒng)之間的關(guān)系

單燈監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)有箱控系統(tǒng)的升級版，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)更精細(xì)、更豐富、更準(zhǔn)確。從理論角度來看，單燈體系實(shí)現(xiàn)了原有箱控系統(tǒng)的所有功能并且更加強(qiáng)大。因此，是否以單燈替代箱控成為照明行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。經(jīng)驗(yàn)表明，單燈與箱控體系并存的監(jiān)控體系更符合照明設(shè)施實(shí)際管理需求。

1)單燈監(jiān)控技術(shù)仍存在較大提升空間。替代箱控的條件是建立在單燈技術(shù)成熟穩(wěn)定的基礎(chǔ)上的。電力載波技術(shù)升級換代、單燈產(chǎn)品質(zhì)量提升、單燈監(jiān)控平平臺軟件功能的更新均給整個(gè)單燈體系帶來了諸多不確定性因素。

2)短期內(nèi)替代需求不明顯。目前各地均建有“三遙”箱控系統(tǒng)，且該技術(shù)經(jīng)過近二十多年的深度運(yùn)用已經(jīng)非常成熟，能夠承載所有開關(guān)燈、線路監(jiān)測等功能。同時(shí)，變功率鎮(zhèn)流器、LED等新技術(shù)的應(yīng)用，也已實(shí)現(xiàn)了部分節(jié)能功能。

3)單燈體系與箱控系統(tǒng)具備良好兼容的條件。硬件方面，單燈無論是“兩層體系”在箱變處安裝“集中器”，還是“一層體系”在燈桿安裝天線，均不會對現(xiàn)有箱控系統(tǒng)產(chǎn)生干擾和影響；軟件方面，可以通過重新布局的方式，將單燈與箱控監(jiān)控界面、數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，進(jìn)行統(tǒng)一展示和操作。

4)箱控系統(tǒng)可輔助單燈系統(tǒng)規(guī)避現(xiàn)存缺陷問題。箱控為一級控制，單燈為二級控制，將單燈終端由“常開”設(shè)置為“常閉”。若出現(xiàn)單燈終端故障不能正常開關(guān)燈時(shí)，則箱控系統(tǒng)能替代單燈終端執(zhí)行該功能。既能實(shí)現(xiàn)精確到每盞燈的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，又能滿足整齊劃一的開關(guān)燈效果。

5)單燈替換箱控系統(tǒng)將帶來安全習(xí)慣的改變。一方面，單燈監(jiān)控體系必須對電纜進(jìn)行24 h送電，再通過單燈終端在白天將燈具關(guān)閉。這存在“有電當(dāng)無電”的安全隱患。將給政府管理部門帶來不小的挑戰(zhàn)。

6)替換模式給線路故障排查帶來困難。若無箱控系統(tǒng)，則電纜中的電流、電壓等參數(shù)無法遠(yuǎn)程獲知，需要在現(xiàn)場進(jìn)行檢測，單燈終端目前還不具備該故障監(jiān)測的功能。經(jīng)驗(yàn)表明，電纜故障通常會導(dǎo)致大面積滅燈，即使單燈終端正常也無法亮燈；若該故障若出現(xiàn)在城市主要路段且不能及時(shí)獲知，將帶來重大社會影響。

3 建設(shè)與運(yùn)維過程中主要問題的處理

3.1 提升投運(yùn)效率的方法

南京2016年首批單燈監(jiān)控系統(tǒng)試點(diǎn)期間，日安裝峰值達(dá)到了50套設(shè)備。對于專項(xiàng)改造項(xiàng)目來說，每天晚間必須正常亮燈；那么當(dāng)天安裝的單燈必須完工，同時(shí)上線運(yùn)行。而如何將投運(yùn)效率從原有的箱控個(gè)位量級向單燈十位量級躍升，并保證準(zhǔn)確無誤，是單燈建設(shè)過程面臨的主要問題之一。我們的做法是“批量導(dǎo)入、聯(lián)調(diào)核查”，具體為：①制定標(biāo)準(zhǔn)的單燈安裝基礎(chǔ)信息表，由現(xiàn)場人員變安裝、邊填寫，在每晚完工前報(bào)送至監(jiān)控中心；②開發(fā)監(jiān)控平臺單燈基礎(chǔ)信息一鍵導(dǎo)入功能，當(dāng)天提交的信息表直接批量進(jìn)入系統(tǒng)；③當(dāng)晚亮燈后聯(lián)調(diào)，通過遠(yuǎn)程開關(guān)燈、現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方式，修正單燈編號與桿號位置信息，最終在單燈終端基礎(chǔ)安裝信息完全正確的情況下，直接納入城市監(jiān)控平臺。“當(dāng)天完工、當(dāng)天投運(yùn)”的建設(shè)機(jī)制，避免了工期拖延，消除了隔天安裝交接問題，為大規(guī)模單燈的建成提供了技術(shù)保障。當(dāng)然，這與強(qiáng)大的軟件開發(fā)和支持能力、現(xiàn)場施工安裝管控能力等重要因素有關(guān)。

3.2 降低誤報(bào)的措施

單燈體系建設(shè)的初衷是更精細(xì)地掌握每盞燈具的運(yùn)行狀態(tài)，但卻產(chǎn)生了新的問題，即燈具的運(yùn)行是動態(tài)變化的，易受外部環(huán)境影響的，這些變化被單燈終端捕捉到了，大量的信息涌向監(jiān)控平臺和值班人員，甄選信息成為首要問題。除了建立“一燈一檔”、分類管理電流電壓參數(shù)監(jiān)測、故障報(bào)警監(jiān)測信息外，最關(guān)鍵的甄選方向是要確保正確數(shù)據(jù)的攝取和錯誤數(shù)據(jù)的丟棄，這是單燈體系在城市照明中發(fā)展的主要因素之一。

為解決這一難題，江蘇南京市結(jié)合長期以來對燈具特性的了解，在監(jiān)控軟件中進(jìn)行合理設(shè)置，取得了較為準(zhǔn)確的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

1)定制化開發(fā)平臺軟件，監(jiān)控體系具備單燈報(bào)警閾值遠(yuǎn)程設(shè)置、數(shù)據(jù)抓取時(shí)間設(shè)定等功能，創(chuàng)造了單燈終端與燈具特性的靈活匹配的技術(shù)條件。

2)對各類光源特性進(jìn)行分析，并將鈉燈與LED燈具區(qū)別對待。其中最為突出的問題是鈉燈啟動過程中燈具故障的誤報(bào)。我們要做的就是丟棄啟動期間單燈終端主動上傳的報(bào)警數(shù)據(jù)；或者通過遠(yuǎn)程指令，要求單燈終端開燈后，短時(shí)間內(nèi)不再主動上報(bào)錯誤報(bào)警。我們設(shè)定，鈉燈開燈半小時(shí)內(nèi)的主動報(bào)警數(shù)據(jù)不做使用，僅存儲于備份數(shù)據(jù)庫；而LED燈開燈后出現(xiàn)報(bào)警即設(shè)定為有效。例如，江蘇南京首批6 000套單燈終端，在未進(jìn)行該設(shè)置前，燈具報(bào)警達(dá)1 500處；而經(jīng)設(shè)置后，下降到百余處。經(jīng)過現(xiàn)場設(shè)施巡查確認(rèn)，報(bào)警準(zhǔn)確率大幅提升。

圖3 報(bào)警數(shù)據(jù)抓取時(shí)間設(shè)置前后的“燈具故障”走勢Fig.3 Lamp fault trend of before and after grasping time setting of alarm data

3)數(shù)據(jù)抓取時(shí)間的設(shè)置(圖3)。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，燈具運(yùn)行易受外部環(huán)境影響存在大量暫態(tài)故障，這些故障還不能達(dá)到修燈標(biāo)準(zhǔn)，為無效信息，如2016年7月7日凌晨2點(diǎn)40分，南京市監(jiān)控平臺接到高廟路30處，約2 h后自行消失，經(jīng)查為雷擊造成的瞬間故障。因此僅在燈具點(diǎn)亮期間持續(xù)報(bào)出的故障才可認(rèn)定為真實(shí)故障，則若在次日關(guān)燈前抓取單燈主動報(bào)警數(shù)據(jù)，更為準(zhǔn)確有效。才能不斷接近理想狀態(tài)。

3.3 故障界定的方法

能否正確地將單燈終端“自身故障”與正常存在的“燈具故障”區(qū)分開來，是單燈監(jiān)控體系推廣的重要條件。為此，我們將單燈主動故障報(bào)警進(jìn)行分類，并針對不同類型故障進(jìn)行處理。

1)通訊故障(圖4)。它表現(xiàn)為單燈終端無遠(yuǎn)程指令響應(yīng)、無數(shù)據(jù)上傳。通常該類故障的排查定為最高級別。發(fā)生該類故障有2種情況，情況一：單燈終端設(shè)備損壞，主要表現(xiàn)為通訊模塊故障；情況二：燈具進(jìn)線電源無電，包括熔斷器斷路、電纜故障或被盜等。

圖4 “通訊故障”報(bào)警-進(jìn)線無電Fig.4 Communication fault alarm:input line without electricity

2)燈具故障(圖5、表1)。單燈監(jiān)控是在原有燈具進(jìn)線側(cè)串接微型開關(guān)、電流電壓參數(shù)監(jiān)測單元的。燈具損壞則電流電壓參數(shù)異常，向平臺報(bào)警；若單燈終端內(nèi)微型開關(guān)出現(xiàn)故障，不能及時(shí)吸合或斷開，則亦會引起向平臺的主動報(bào)警；單燈出現(xiàn)誤報(bào)。在現(xiàn)場故障排查時(shí)，仍然是先行觀測亮燈情況。若亮燈正常，則為單燈誤報(bào)；若燈不亮，則使用電筆等工具檢測單燈輸出端。如輸出電壓正常，則為燈具故障；如輸出異常，則為單燈終端故障。對于其他單燈報(bào)警類型，則需要通過平臺監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行對應(yīng)驗(yàn)證的方式來進(jìn)行故障排查。

由此看來，只要將故障進(jìn)行分類、掌握現(xiàn)場檢測技巧，單燈終端“自身故障”與“燈具故障”區(qū)分不難實(shí)現(xiàn)，在排查了單燈故障后，就可參照正確的報(bào)警數(shù)據(jù)順利進(jìn)入正常修燈環(huán)節(jié)。

表 1 “燈具故障”報(bào)警故障排查情況明細(xì)Table 1 Trouble shooting details of lamp fault alarm

圖5 “燈具故障”報(bào)警-單燈終端損壞Fig.5 Lamp fault alarm:single lamp terminal damage

4 單燈對于城市照明發(fā)展的影響

1)“巡修”向“定修”的變革成為可能。在精確到每盞燈的監(jiān)控體系下，不再需要人巡來確?！傲翢袈省?，而是等待平臺指令進(jìn)行燈具故障的“定點(diǎn)清除”；當(dāng)故障燈具數(shù)量達(dá)到設(shè)定比率后，才需進(jìn)行修燈計(jì)劃、線路、材料清單的統(tǒng)一編制與配備，從而最大限度地降低了人力、物力的投入。若將節(jié)約的資源投入到電纜、箱變維護(hù)等重要環(huán)節(jié)，則可進(jìn)一步提高城市照明設(shè)施運(yùn)維管理水平。

2)維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)從“亮與不亮”向“好與不好”發(fā)展。與傳統(tǒng)箱控模式不同，單燈體系海量數(shù)據(jù)的抓取將徹底改變原有的維護(hù)理念。除了亮燈的要求外，燈具運(yùn)行參數(shù)是否正常、是否達(dá)到主動更換標(biāo)準(zhǔn)、是否存在漏電情況等問題，都將在監(jiān)控臺得到充分顯露。單燈運(yùn)行大數(shù)據(jù)分析體系建成后，隨之而來的是工作習(xí)慣和認(rèn)識的轉(zhuǎn)變、工作內(nèi)容的豐富性和復(fù)雜性，需要更高水平的維護(hù)隊(duì)伍來發(fā)揮單燈信息價(jià)值。

3)資源配置從“前端”向“后臺”傾斜。就目前單燈監(jiān)控體系而言，在“前端”，監(jiān)控平臺展示的數(shù)據(jù)詳實(shí)，APP軟件、移動手持設(shè)備等技術(shù)手段的運(yùn)用，又使現(xiàn)場人員維護(hù)作業(yè)變得越來越便捷；同時(shí)，在“后臺”，設(shè)施維護(hù)作業(yè)(如拆除、被盜、遷移等)過程中一旦引起桿號、位置變化，其系統(tǒng)內(nèi)信息應(yīng)立即隨之變更，除了信息化平臺自身應(yīng)具備運(yùn)維數(shù)據(jù)互通的強(qiáng)大功能外，還需要大量的人力投入進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。因此，“前端”的便捷性需要“后臺”的努力付出；“前端”人力物力資源的投入將轉(zhuǎn)向“后臺”。

5 結(jié)束語

在體系架構(gòu)的正確選型、與現(xiàn)有箱控系統(tǒng)的兼容、現(xiàn)場問題的處理做3類主要問題得到解決后，單燈控制規(guī)?；瘧?yīng)用將成為可能。當(dāng)然，這是一個(gè)龐大的系統(tǒng)化工程，作為城市照明設(shè)施管理部門，應(yīng)做好承接單燈體系運(yùn)用的能力；供貨商應(yīng)不斷提高產(chǎn)品質(zhì)量，并提出技術(shù)優(yōu)化方案；軟件開發(fā)部門應(yīng)根據(jù)實(shí)際需求及時(shí)更新程序功能；同時(shí)我們還應(yīng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控體系向運(yùn)維全過程的擴(kuò)展和數(shù)據(jù)管理等等。我們相信，隨著終端產(chǎn)品的技術(shù)進(jìn)步、應(yīng)用規(guī)模的擴(kuò)大、平臺功能的強(qiáng)大，單燈監(jiān)控體系必將對現(xiàn)有的城市照明設(shè)施運(yùn)維管理產(chǎn)生重大影響。

[1] 陳大華. 綠色照明LED實(shí)用技術(shù)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2009.

[2] 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：CJJ 45—2015[S].

[3] 城市道路照明技術(shù)規(guī)范：DGJ 32/TC 06—2011[S].

[4] SYSMAC CS/CJ Series Programmable Controllers Programming Manual[Z].Shanghai:OMRON,2004.

[5] International Rectifier.IRS2530D(s)DIM8TMDimming Ballast Control IC Datasheet[DB/OL].http://www.irf.com.

Brief Analysis on the Construction and Operation of Single Lamp Control Urban Lighting System

ZHOU Jing,WANG Pengzhan

(NanjingStreetLightsOffice,Nanjing210013，China)

The single lamp control is an extension of the wisdom of urban construction, it has great significance to improve the management of urban lighting. Combine with the practice experience of Nanjing the first batch of single lamp construction and the theoretical research, this article will analyze from architecture design, the compatibility with the existing box control system, and the problem of the on-site handling; at the same time, it will introduces the main problems of operating the single lamp lighting effects, and then give some suggestions that how to make single lamp system of benefit right.

single lamp control; architecture; construction; operation

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.024