智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)分析

李鵬云

（良業(yè)集團(tuán)科技股份有限公司，北京 100020）

1 現(xiàn)階段城市照明中存在的主要問(wèn)題

據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，如今國(guó)內(nèi)安設(shè)的城市照明燈總數(shù)達(dá)到2600萬(wàn)盞，僅照明耗電量占社會(huì)總耗電量的1/10以上，而城市照明用量已接近照明耗電總數(shù)的一半。2018年全年，國(guó)內(nèi)城市照明用電總數(shù)達(dá)到了3000億kWh，為供給照明用電，發(fā)電廠每年因發(fā)電產(chǎn)生的二氧化碳、二氧化硫等有害氣體量分別達(dá)到9000萬(wàn)t、360萬(wàn)t。此外，政府需為城市照明支付巨額電費(fèi)。由此可見，照明系統(tǒng)過(guò)度發(fā)展不僅破壞環(huán)境，且不利于城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展。

如今，國(guó)內(nèi)越來(lái)越多的城市重視起城市美化工作，將其作為提升城市對(duì)外形象、改善人們生活水平的重要方式。人們的日常生活離不開市政照明系統(tǒng)，是各個(gè)城市的關(guān)鍵公共設(shè)施之一，因此提升市政照明系統(tǒng)性能、研發(fā)經(jīng)濟(jì)效益更好的智能化照明系統(tǒng)非常重要，這將大大減少政府財(cái)政壓力。同時(shí)，隨著城市發(fā)展進(jìn)程的加快，照明系統(tǒng)需求不斷攀升，隨之出現(xiàn)了資源過(guò)度消耗、破壞自然環(huán)境等問(wèn)題。所以，政府在追求更優(yōu)質(zhì)的亮化效果時(shí)，必須堅(jiān)持低碳環(huán)保的原則，努力提升資源使用效率，節(jié)省資源消耗量，減小對(duì)環(huán)境的破壞，逐漸過(guò)渡至綠色照明。

綜上所述，大力發(fā)展智慧照明與亮化節(jié)能至關(guān)重要，對(duì)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境的發(fā)展有著重大影響[1]。

2 智慧照明及亮化工程

如今，越來(lái)越多的地區(qū)開始著力發(fā)展智慧照明及亮化工程，其具有以下特點(diǎn)：

（1）減少人力物力，降低運(yùn)維成本。路燈照明控制系統(tǒng)將“定期巡查故障”改為“自動(dòng)接收?qǐng)?bào)警”，減少巡檢人員數(shù)量和巡檢車輛損耗，降低了維護(hù)成本。通過(guò)減少開燈時(shí)間延長(zhǎng)燈具的使用壽命，降低運(yùn)行成本，進(jìn)一步提高了經(jīng)濟(jì)效益。

（2）節(jié)電節(jié)能。路燈照明控制系統(tǒng)對(duì)開關(guān)燈狀態(tài)具有可檢查性，避免白天亮燈的情況，可配置半夜燈。系統(tǒng)能依據(jù)一年四季的季節(jié)變化情況預(yù)置合理的開關(guān)燈時(shí)間方案，在滿足對(duì)城市照明的需求時(shí)減少開燈時(shí)間，節(jié)約大量電能[2]。

（3）卓越的穩(wěn)定性。先進(jìn)的云技術(shù)、工業(yè)級(jí)部件和專業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)保證路燈照明控制系統(tǒng)軟硬件穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）良好的安全性。安全保障主要是防止來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外的有意和無(wú)意的破環(huán)，網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)措施包括信道加密、信源加密、登錄防護(hù)、訪問(wèn)防護(hù)、接入防護(hù)、防火墻等。

3 研究智慧照明及亮化工程控制系統(tǒng)

（1）遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)路燈照明控制系統(tǒng)，用戶可使用手機(jī)、電腦、PAD及微信等手段遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控路燈、控制器的工作狀態(tài)，隨時(shí)隨地遠(yuǎn)程干預(yù)照明系統(tǒng)。系統(tǒng)操控界面采用人性化的響應(yīng)式設(shè)計(jì)，具有易學(xué)易用的特點(diǎn)。

（2）支持GPRS、以太網(wǎng)、WIFI三種通信方式，便捷接入云平臺(tái)，為系統(tǒng)部署提供選擇性方案。

（3）超級(jí)定時(shí)機(jī)制。支持每日方案、周方案、節(jié)假日方案、特殊時(shí)間方案、超級(jí)天文鐘，包括半夜燈時(shí)間規(guī)則。用戶可遠(yuǎn)程預(yù)設(shè)開關(guān)燈時(shí)間規(guī)則并實(shí)時(shí)查看照明狀態(tài)。

（4）場(chǎng)景模式預(yù)設(shè)。用戶可根據(jù)實(shí)際需要遠(yuǎn)程配置燈光場(chǎng)景，例如普通模式、臨時(shí)模式、節(jié)假日模式、節(jié)能模式等。

（5）運(yùn)行方案的存儲(chǔ)及調(diào)用。支持包括場(chǎng)景模式及定時(shí)設(shè)置在內(nèi)的整套運(yùn)行方案的存儲(chǔ)功能，并在需要時(shí)一鍵調(diào)用。

（6）回路擴(kuò)展。支持回路擴(kuò)展功能，同一配電箱繼電器輸出回路最多可擴(kuò)展至36個(gè)，大大降低投入成本。

（7）電量采集。支持接入電流電壓采集模塊和能源監(jiān)測(cè)模塊，實(shí)時(shí)采集各個(gè)回路的電流電壓和配電箱的能耗數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程設(shè)置電量越限報(bào)警參數(shù)，使系統(tǒng)具備短路、斷路、過(guò)載、能耗預(yù)警等報(bào)警功能。

（8）自動(dòng)故障報(bào)警。支持接觸器故障報(bào)警、設(shè)備掉電報(bào)警、通訊故障報(bào)警、線路故障報(bào)警以及配電箱門開、雨水、溫度越限等開關(guān)量報(bào)警。當(dāng)報(bào)警發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)將及時(shí)向指定用戶的手機(jī)發(fā)送報(bào)警信息，并做相應(yīng)記錄。

4 智慧照明系統(tǒng)框架

智慧照明系統(tǒng)下主要包含以下幾大子系統(tǒng)，即信號(hào)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、分析計(jì)算系統(tǒng)以及決策支持系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)相互配合、各司其職，能夠在第一時(shí)間掌握區(qū)域范圍內(nèi)城市照明系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)，進(jìn)而分析其工作是否存在異常，以便在第一時(shí)間找出問(wèn)題并處理，保證照明系統(tǒng)長(zhǎng)期處于平穩(wěn)工作狀態(tài)。

這一系統(tǒng)主要運(yùn)用集中式控制的方法控制城市照明系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于能夠適應(yīng)季節(jié)轉(zhuǎn)換、氣候變化以及特殊時(shí)段的需求，單獨(dú)調(diào)整系統(tǒng)中的部分線路開關(guān)，既保障了整體亮化效果，又起到了節(jié)約能源的效果，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、適度照明。

系統(tǒng)主要包含應(yīng)用層、通訊層以及執(zhí)行層。其中應(yīng)用層屬于整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控中心，主要依托于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下數(shù)據(jù)庫(kù)、控制、WEB服務(wù)等內(nèi)容進(jìn)行工作。該系統(tǒng)依托于光纖與2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)傳輸信息數(shù)據(jù)并管理設(shè)備；應(yīng)用層還能實(shí)時(shí)反應(yīng)照明系統(tǒng)實(shí)際工作狀況、運(yùn)行狀態(tài)，第一時(shí)間獲取到真實(shí)可靠的信息數(shù)據(jù)，提供給管理人員，便于其調(diào)整。

通訊層主要借助光纖、2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)以及WIFI等將系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備與應(yīng)用層連接起來(lái)，以便前段設(shè)備的真實(shí)數(shù)據(jù)信息得以傳輸?shù)綉?yīng)用層。

執(zhí)行層主要指的是前端的所有設(shè)備，例如集中控制器、單燈控制器以及擴(kuò)展設(shè)備，這些設(shè)備能夠直接控制城市道路系統(tǒng)，第一時(shí)間找出故障并及時(shí)將其交由通訊層傳輸至應(yīng)用層。

在智慧城市物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈系統(tǒng)下，所有的城市照明都被覆蓋在內(nèi)，管理人員只需通過(guò)系統(tǒng)即可直接控制所有路燈設(shè)備、視頻監(jiān)控、交通監(jiān)控以及環(huán)境監(jiān)控，提高工作效率，進(jìn)一步推動(dòng)城市智慧化發(fā)展。因此，該系統(tǒng)主要包含如下特征：

（1）開放的終端：即開放平臺(tái)，設(shè)計(jì)者將第三方傳感器設(shè)置在集成開放模塊中，將不同廠家生產(chǎn)的設(shè)備連接起來(lái)。

（2）開放的網(wǎng)關(guān)：系統(tǒng)設(shè)計(jì)在無(wú)線通信協(xié)議下運(yùn)行，保持對(duì)外開放，全面檢測(cè)周圍環(huán)境，同時(shí)支持對(duì)智能垃圾桶等設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)控。

（3）開放控制：系統(tǒng)主要選用SDN結(jié)構(gòu)，其優(yōu)勢(shì)在于使用者能夠參考客戶真實(shí)需求針對(duì)性調(diào)節(jié)照明控制方案，還能集成智能交通、實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境的監(jiān)控，全面構(gòu)建智慧城市。

5 智慧照明系統(tǒng)具體構(gòu)成

5.1 LED智慧路燈系統(tǒng)

LED智慧路燈系統(tǒng)下主要包含智能調(diào)光路燈、控制系統(tǒng)以及燈桿等內(nèi)容，該系統(tǒng)能夠參照當(dāng)?shù)氐乩砦恢?、時(shí)間以及季節(jié)的轉(zhuǎn)變等進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，根據(jù)真實(shí)狀況需求自主調(diào)節(jié)路燈開關(guān)、亮度等，維持最佳光效的同時(shí)節(jié)省能源，提升能源使用效率。

5.2 監(jiān)控中心的組成

監(jiān)控中心決定了整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，智慧照明下監(jiān)控系統(tǒng)主要包含服務(wù)器、工作站、路由器以及各個(gè)監(jiān)控軟件等。其中，服務(wù)器借助無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將前段路燈設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息傳輸至系統(tǒng)內(nèi)。因此監(jiān)控中心結(jié)構(gòu)包含：①服務(wù)端：即借助服務(wù)器維持系統(tǒng)平臺(tái)的有序運(yùn)行；②客戶端：主要基于B/S結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，其優(yōu)勢(shì)在于無(wú)須設(shè)計(jì)專門的客戶端軟件，可通過(guò)瀏覽器配合運(yùn)行；③移動(dòng)客戶端：即選用筆記本、IPAD以及智能手機(jī)等設(shè)備，借助網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心系統(tǒng)保持連接；④網(wǎng)絡(luò)接入：監(jiān)控中心借助運(yùn)行商光纖實(shí)現(xiàn)接入，同時(shí)維持整個(gè)系統(tǒng)的平穩(wěn)工作。

5.3 通訊系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要借助如下部分實(shí)現(xiàn)通訊：①設(shè)計(jì)者借助光纖保障監(jiān)控中心的通訊，給予其固定IP地址，實(shí)現(xiàn)無(wú)線通訊；②集中控制器則主要借助2G/3G/4G網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心保持通信；③系統(tǒng)中剩余的拓展設(shè)備主要依賴于內(nèi)置RS485和以太網(wǎng)接口保持通訊；④集中控制器以及系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)終端設(shè)備主要依賴于電力載波進(jìn)行通訊，完成遠(yuǎn)程控制、調(diào)光，并在第一時(shí)間收集相關(guān)數(shù)據(jù)。

5.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目系統(tǒng)軟件基于大數(shù)據(jù)、云平臺(tái)等新興技術(shù)基礎(chǔ)上，選用具備B/S架構(gòu)的系統(tǒng)商業(yè)軟件，并采取模塊化結(jié)構(gòu)。其設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)城市照明的遠(yuǎn)程控制，是一套智慧型的監(jiān)控、管理設(shè)備，巧妙融合了通訊、信息管理以及電氣組態(tài)控制等內(nèi)容。

（1）支持多國(guó)語(yǔ)言系統(tǒng)。為了滿足不同國(guó)家用戶的需求，設(shè)計(jì)者在系統(tǒng)中融入了獨(dú)立語(yǔ)言包以便靈活切換語(yǔ)言，使用者只需導(dǎo)入相應(yīng)的語(yǔ)言即可修改語(yǔ)言。

（2）支持2D/3D照明地理信息系統(tǒng)（GIS）。云平臺(tái)系統(tǒng)融入了GIS地理信息技術(shù)，使實(shí)際亮化照明設(shè)施地點(diǎn)直接在Google地圖中呈現(xiàn)出來(lái)，同步反映照明設(shè)施分布情況。由于該系統(tǒng)還融入了集中控制器、景觀燈、電纜地理位置等內(nèi)容，使設(shè)備收集到的信息能夠在第一時(shí)間傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫(kù)中，以便使用者查閱、分析、管理，提升管理效率。

（3）支持設(shè)備按照經(jīng)緯度定位、顯示功能。設(shè)計(jì)者將系統(tǒng)下各個(gè)設(shè)備的對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度輸入至控制系統(tǒng)內(nèi)，GIS地圖則參照經(jīng)緯度將設(shè)備定位至相應(yīng)的位置，以便用戶查詢與管理。

（4）支持控制設(shè)備快速布局功能。使用者能直接在GIS地圖上輸入終端設(shè)備首尾大致進(jìn)行定位，該終端內(nèi)其他設(shè)備系統(tǒng)將自動(dòng)呈現(xiàn)出其分布狀況，使用者只需點(diǎn)擊單個(gè)設(shè)備即可對(duì)局部進(jìn)行調(diào)整。

（5）顯示燈具設(shè)備同線纜的隸屬關(guān)系。工作人員選定某個(gè)燈具，系統(tǒng)中能直接呈現(xiàn)該燈具所屬線路，以便精準(zhǔn)找到故障具體位置，方便修理。

（6）電參數(shù)查詢統(tǒng)計(jì)功能。管理人員可根據(jù)實(shí)際需求選擇特定的時(shí)間段，獲取該時(shí)間段下照明系統(tǒng)的真實(shí)耗電情況。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，“燈、網(wǎng)、云”物聯(lián)網(wǎng)等新興產(chǎn)物得以產(chǎn)生，推動(dòng)了整個(gè)照明系統(tǒng)的升級(jí)，提升了照明設(shè)備的光效，真正意義上實(shí)現(xiàn)了智慧照明、智慧生活，本文詳細(xì)研究了智慧照明控制系統(tǒng)的組織結(jié)構(gòu)及相關(guān)功能，望日后為業(yè)內(nèi)所參考。