單燈通信模式在路燈精細(xì)化管理中的應(yīng)用研究

姚 莉

上海市浦東新區(qū)公用事業(yè)管理事務(wù)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(xiàn)場自控的路燈管理方式。1980—2000年，路燈光源經(jīng)歷了汞燈、鈉燈、金鹵燈，逐步實現(xiàn)控制箱回路遠(yuǎn)程自動化控制的方式（區(qū)域控制器ACU）。路燈的單燈監(jiān)控從2008年開始試點。

路燈最初只是傳統(tǒng)道路附屬設(shè)施之一，只具備單一的夜間照明功能。隨著城市的快速發(fā)展，道路基礎(chǔ)設(shè)施、各類桿件數(shù)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(huán)境的美觀，路燈設(shè)施與新建基礎(chǔ)設(shè)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(qū)、人口密集地區(qū)廣泛布局，成為5G基站大規(guī)模深度部署的最優(yōu)選擇，成為具有復(fù)合功能的新一代城市基礎(chǔ)設(shè)施[1]。

路燈正在向智慧桿件發(fā)展，綜合桿件散布在城市各個角落，為城市照明、視頻監(jiān)控、交通管理、環(huán)境監(jiān)測等多維度信息交互提供可能，從單一照明單元轉(zhuǎn)變?yōu)橹腔鄢鞘械纳窠?jīng)元[2]。通過物聯(lián)網(wǎng)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(jīng)元高密度聯(lián)結(jié)，逐步構(gòu)建城市智慧神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)字化經(jīng)濟時代提供有力支撐。

發(fā)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(jié)合路燈數(shù)量大、分布區(qū)域分散的特性，摸索更適合的通信模式，以提高路燈精細(xì)化管理水平。

1 路燈精細(xì)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(jiān)控遠(yuǎn)程終端、精確獲取能耗情況和及時獲取路燈狀態(tài)等，對路燈實施科學(xué)管理、動態(tài)規(guī)劃，可提升路燈管理效率。

（2）監(jiān)控難。精細(xì)化管理可以解決納入管理平臺的路燈設(shè)施數(shù)量占比低的問題。使用單燈終端遠(yuǎn)程監(jiān)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(diào)光功能結(jié)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(diào)光降低能耗。

2 路燈精細(xì)化管理的要求

路燈設(shè)施的精細(xì)化管理依托于一體化的管理系統(tǒng)，進(jìn)行精細(xì)化管理時需要滿足以下要求。

（1）全面性。路燈設(shè)施應(yīng)全面覆蓋控制箱、燈桿、燈具等，并將全口徑納入管理。

（2）系統(tǒng)性。將路燈規(guī)范設(shè)計、基礎(chǔ)建設(shè)、通信連接、多元搭載、移交接管、養(yǎng)護(hù)作業(yè)、應(yīng)急處置的全流程納入監(jiān)管。

（3）精準(zhǔn)性。建立管理云平臺，將路燈設(shè)施納入云平臺，以精準(zhǔn)遠(yuǎn)程管控?zé)艟叩拈_啟和亮度，重點區(qū)域可通過單燈控制完成智能開關(guān)燈和智能調(diào)光來應(yīng)對惡劣天氣和應(yīng)急狀態(tài)。

（4）前瞻性。優(yōu)先選擇領(lǐng)先技術(shù)進(jìn)行通信模式設(shè)置、融合搭載等工作，為后續(xù)智慧燈桿建設(shè)預(yù)留空間。路燈的精細(xì)化管理要從箱體延伸到末端，同時需要確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、可靠性。

3 單燈通信模式的應(yīng)用現(xiàn)狀

在物聯(lián)網(wǎng)中可使用不同的通信技術(shù)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(lián)網(wǎng)）、eMTC（Cat0, CatM）、Cat.1，以上技術(shù)均為4G技術(shù)的延伸，分別對應(yīng)低速率、中低速率、中高速率應(yīng)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(wǎng)模式、公網(wǎng)模式。當(dāng)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(wǎng)模式、NB-IoT公網(wǎng)模式、LoRA自組網(wǎng)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(shù)據(jù)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(wěn)、信號品質(zhì)差，并且檢修時要停止數(shù)據(jù)傳送，再加上低壓電力線自身的介質(zhì)因素，載波信號很容易受到結(jié)構(gòu)和負(fù)荷干擾而受影響，所以對于路燈的精細(xì)化管理，電力載波的可靠性教差。

國家工業(yè)和信息化部于2020年5月7日印發(fā)了《工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于深入推進(jìn)移動物聯(lián)網(wǎng)全面發(fā)展的通知》。文件明確提出要準(zhǔn)確把握全球移動物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)業(yè)格局的進(jìn)化趨勢，逐步推進(jìn)2G/3G物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)業(yè)務(wù)的過渡，同時要逐步建立NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)）、4G（含Cat.1，即速率類別1的4G網(wǎng)絡(luò)，也稱LTE-Cat.1）和5G協(xié)同發(fā)展的移動物聯(lián)網(wǎng)綜合生態(tài)體系，深化4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，快速構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)。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(lián)需要和話音需求，采用5G技術(shù)滿足更高速率和低時延聯(lián)網(wǎng)需求[4]。

4 NB-IoT網(wǎng)絡(luò)與Cat.1網(wǎng)絡(luò)的對比

4.1 傳輸特性對比

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

（2）Cat.1網(wǎng)絡(luò)。Cat.1是4G的標(biāo)準(zhǔn)類別之一，低速4G的上行速率達(dá)5 Mbps，下行速率達(dá)10 Mbps。相比NB-IoT，Cat.1網(wǎng)絡(luò)在速度、延時、網(wǎng)絡(luò)覆蓋方面都具有優(yōu)勢，可以很好地利用當(dāng)前國內(nèi)的4G網(wǎng)絡(luò)，是國內(nèi)信號覆蓋最全面的網(wǎng)絡(luò)。

4.2 智能控制對比

（1）NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT的并發(fā)用戶數(shù)有限，其使用的是15 kHz的終端接入，理論并發(fā)數(shù)只有12個。如果多個設(shè)備同時連接到NB-IoT網(wǎng)絡(luò)，會增加底噪，使設(shè)備難以接入網(wǎng)絡(luò)，多余的設(shè)備需要排隊訪問網(wǎng)絡(luò)。NB-IoT可用于對數(shù)據(jù)、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(shù)，不需要實時反饋的場景。但路燈的使用場景不一樣，每當(dāng)需要開關(guān)燈時，所有設(shè)備需要同時上線并將每一盞路燈狀態(tài)上傳至系統(tǒng)平臺。根據(jù)規(guī)模達(dá)到幾萬的NB-IoT燈控項目的落地管理情況，當(dāng)前NB-IoT不能較好地支持城市級別路燈數(shù)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(wǎng)絡(luò)。與NB-IoT僅為十幾臺的并發(fā)用戶數(shù)相比，Cat.1可以支持的并發(fā)用戶數(shù)為1 000以上，能夠較好地支撐城市級別路燈數(shù)量的同時上線，滿足城市道路路燈設(shè)施管理需求。

4.3 智能管理對比

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

（2）Cat.1網(wǎng)絡(luò)。Cat.1可以支持1 000以上的并發(fā)用戶，并且平均時延在20～40 ms，因此其能夠較好地響應(yīng)城市道路照明設(shè)施應(yīng)用場景平臺研發(fā)需求，無論是在日常運行、管理、策略控制，還是在故障報警、數(shù)據(jù)匯總、配電箱監(jiān)控、安全管理、設(shè)備維護(hù)等功能模塊中，都能更好地提供網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)支撐。

4.4 智慧拓展對比

（1）NB-IoT網(wǎng)絡(luò)。截至2019年，全國NB-IoT基站數(shù)量約為800 000個，由于NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的特性，運營商很難在現(xiàn)在的業(yè)務(wù)模式下收回網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投入成本，故均不會在NB-IoT網(wǎng)絡(luò)覆蓋上作過多優(yōu)化投資。如果當(dāng)?shù)豊B-IoT信號不好，也易導(dǎo)致路燈數(shù)據(jù)上傳、平臺指令下發(fā)堵塞，造成控制器無法上線響應(yīng)指令的情況。

（2）Cat.1網(wǎng)絡(luò)。截至2019年，全國4G基站數(shù)量有5 500 000個。4G信號有巨大優(yōu)勢，并且設(shè)備適用性擴展性大，如綜合桿上的視頻攝像頭、環(huán)境監(jiān)控、LED顯示屏、充電樁等功能均已使用或可使用4G網(wǎng)絡(luò)，便于在平臺上根據(jù)網(wǎng)絡(luò)特性統(tǒng)一調(diào)整業(yè)務(wù)參數(shù)和規(guī)則。NB-IoT網(wǎng)絡(luò)顯然不具備此適用性。

目前，Cat.1產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，包括紫光展銳、ASR等芯片廠商，廣和通、有方、移遠(yuǎn)、芯訊通等主流模組廠商快速跟進(jìn)發(fā)布相關(guān)產(chǎn)品，帶動POS終端、公網(wǎng)對講、工業(yè)DTU、共享硬件、環(huán)境監(jiān)測等終端的研發(fā)面市。Cat.1的廣泛應(yīng)用是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的主要發(fā)展趨勢，隨著產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，目前，Cat.1模組成本已經(jīng)大幅降低，市場上主流廠商生產(chǎn)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(jù)了解，國內(nèi)三大運營商在上海浦東新區(qū)內(nèi)已完成無線網(wǎng)絡(luò)布局覆蓋，4G網(wǎng)絡(luò)覆蓋率已達(dá)100%。2021年，在浦東新區(qū)進(jìn)行了Cat.1通信模式的單燈控制器試點，選擇三個不同區(qū)域安裝設(shè)備百余個。通過近半年的數(shù)據(jù)跟蹤、采集，經(jīng)過平臺與現(xiàn)場設(shè)備的功能聯(lián)動等多項測試后，Cat.1在設(shè)備上下線、應(yīng)急開關(guān)燈、應(yīng)急調(diào)光、數(shù)據(jù)召測、校時、重啟、報警準(zhǔn)確率、調(diào)光策略執(zhí)行等方面均表面優(yōu)秀。

采用Cat.1通信模式的路燈單燈控制將路燈物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架由原先的三級變?yōu)槎?，從安全角度看，原先的三級?gòu)架是串聯(lián)模式，即單燈到箱體再到控制平臺，而二級架構(gòu)是并聯(lián)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(xiàn)了路燈運維的可控可達(dá)、定點維修（見圖2、圖3）。

圖2 區(qū)域控制器（ACU）與平臺的物聯(lián)架構(gòu)

圖3 終端控制器（TCU）與平臺的通信架構(gòu)

6 結(jié)論

綜上所述，Cat.1通信技術(shù)彌補了PLC和NB-IoT的信號覆蓋不全面、數(shù)據(jù)并發(fā)受限、響應(yīng)速度慢等短板。在建設(shè)成本差異不大的前提下，Cat.1的高并發(fā)、低延時特性，可靠性，時效性均優(yōu)于PLC和NB-IoT。鑒于路燈智能化發(fā)展的趨勢、應(yīng)用場景的建設(shè)、技術(shù)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(xì)化管理水平。