節(jié)能型智慧路燈的模型構(gòu)建研究

蘇 維

（中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610041）

路燈是城市公共基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，不僅起著照亮街道、便捷出行和美化市容市貌的作用，更是一個城市的明信片[1]。隨著新的節(jié)能理念、技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)路燈的短板逐漸暴露出來，開展綠色路燈建設(shè)開始具有現(xiàn)實意義。同時，社會活動多元、科技飛速發(fā)展的今天，社會需求增長在路燈提供照明的基礎(chǔ)功能上，也對路燈衍生功能提出了新要求，路燈已經(jīng)逐步扮演起智慧城市的入口，承載著萬物的感知、信息數(shù)據(jù)的采集傳輸、多方資源的載體等角色。

智慧路燈是指在路燈燈桿上增設(shè)各種傳感設(shè)備，如無線WIFI、LED 信息發(fā)布屏、充電樁、井蓋及積水監(jiān)測主機、城市廣播、高清攝像頭、環(huán)境監(jiān)測組件、5G 基站搭載網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)急報警等，利用物聯(lián)網(wǎng)及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使路燈成為便民服務(wù)終端和智慧城市信息采集終端，各功能桿件的整合也有利于節(jié)約城市空間、土地資源，降低建設(shè)成本。智慧路燈是智慧城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，對智慧城市的可持續(xù)和綠色低碳發(fā)展、城市智能化發(fā)展具有重要意義。

1 傳統(tǒng)路燈弊端

1.1 管理和監(jiān)視方式落后

傳統(tǒng)路燈的監(jiān)控系統(tǒng)只能實現(xiàn)供電回路級別的采集和控制，并不能對單燈運行情況進行精準(zhǔn)的控制。同時，對故障工況也不能實時跟蹤并分析，燈具一旦出現(xiàn)故障，監(jiān)控系統(tǒng)無法定位故障位置，不能實現(xiàn)精細(xì)化管理和智能化監(jiān)控。

1.2 能源消耗大

傳統(tǒng)路燈缺少實時有效的節(jié)能管理措施，照明不足和過度照明的問題非常突出，無法根據(jù)不同場景和時間對照明亮度要求不同而實現(xiàn)亮度動態(tài)調(diào)整，從而在保障照明質(zhì)量的前提下降低能耗。

1.3 運行維護成本高、效率低

我國路燈數(shù)量大、分布廣的特點決定了當(dāng)前人工巡邏的模式具有投入大、效率低、巡視周期長、故障檢出率低、有盲區(qū)等短板；在實際運行維護過程中，由于缺乏對備品備件的精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化統(tǒng)計與管理，常常造成采購的備品備件數(shù)量和形式不合適，進而額外占用資金形成浪費。

1.4 功能單一

傳統(tǒng)路燈通常只具備照明定時開啟功能，已不能滿足急劇增長的多元的社會需求。

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國外現(xiàn)狀

美國洛杉磯將聲波傳感器和環(huán)境噪聲監(jiān)測傳感器與路燈結(jié)合，并將路燈智能聯(lián)網(wǎng)，通過傳感器識別出車輛是否發(fā)生碰撞，發(fā)生事故時可將事故信息及時上傳至控制中心。此外，洛杉磯計劃將電動汽車充電樁與智慧路燈結(jié)合，將智慧路燈節(jié)省下的電能用于充電樁[2]。

在巴黎設(shè)計人員將座椅、WiFi、路燈結(jié)合在一起，座椅供路人休息，太陽能電池板安裝在路燈拱頂一側(cè)，路燈除了具備照明功能外，還能成為汽車、手機的充電電源，集成的WiFi 功能也為人們提供了便利。

2.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

“雙杰集團第二總部暨智能電網(wǎng)高端裝備研發(fā)制造基地”是安徽省首個園區(qū)智慧路燈示范項目，園區(qū)共安裝154 套智慧路燈，集智慧照明、智慧安防、信息發(fā)布、公共廣播等功能。石家莊卓越中學(xué)的芙蓉智慧路燈集智慧照明、安防監(jiān)控、氛圍燈、應(yīng)急求助、信息發(fā)布等5 大功能，并配置一套智慧路燈云控制平臺；南通大學(xué)校園里的智慧路燈，從遠(yuǎn)處看猶如一朵盛開的蓮花，充滿著濃厚的文化氣息。在功能上，它還具備智慧照明、5G 通信、智慧安防、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測等多種功能。廣鋼新城智慧燈桿試點項目是廣鋼新城智慧社區(qū)的一期建設(shè)部分，在廣鋼新城智慧社區(qū)共安裝了62 盞智慧燈桿，具有智慧照明、環(huán)境監(jiān)測、led屏、智慧安防、智慧井蓋等功能。泉州鯉城區(qū)智慧體育公園是泉州中心市區(qū)首個智慧公園，以“智慧體育”為主題，不僅有可人臉識別的跑道，還有可自動識別人臉的人臉識別桿。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 功能模塊配置

（1）照明模塊。因智慧路燈搭載各種功能設(shè)備，加上照明線路一般需要全天候供電，故路燈照明需要單獨的電源模塊。目前較成熟的單燈控制系統(tǒng)采用PLC(電力線載波)或ZIGBEE 無線通訊方式，最新的技術(shù)發(fā)展趨勢是采用NB-Iot 通訊方式?？蓪崿F(xiàn)管理到每一盞燈的開關(guān)、亮度調(diào)節(jié)、狀態(tài)查詢、故障反饋等功能；（2）4G、5G 微基站。未來5G 基站建設(shè)將逐步推廣，燈桿將成為5G 微基站建設(shè)中重要的組成部分，智慧路燈設(shè)計并預(yù)留5G 微基站的空間和接口，實現(xiàn)基站裝載功能；（3）視頻監(jiān)控系統(tǒng)。路燈具有相當(dāng)高度這一天然優(yōu)勢，可據(jù)此安裝集成監(jiān)控。集成監(jiān)控攝像頭可廣泛應(yīng)用于平臺城市、智慧停車、智慧交通、智慧城管等智慧城市應(yīng)用系統(tǒng)；（4）無線WiFi。路燈數(shù)量大、覆蓋面廣、點位多，根據(jù)這些優(yōu)勢在路燈燈桿集成無線WiFi 模塊作為寬帶互聯(lián)網(wǎng)的接入點，實現(xiàn)城市道路的WiFi 信號無盲點覆蓋；（5）信息發(fā)布系統(tǒng)。智慧路燈信息發(fā)布系統(tǒng)集成了LED 顯示屏，內(nèi)嵌5G、WiFi6 等模塊，通過公共信息發(fā)布平臺，可遠(yuǎn)程發(fā)布時政新聞、政務(wù)信息、區(qū)域地圖、公益廣告、商業(yè)廣告等；（6）城市微環(huán)境監(jiān)測。利用路燈在城市內(nèi)分布密度大的特點可集成安裝環(huán)境監(jiān)測模塊用于監(jiān)測溫度、濕度、噪聲、空氣質(zhì)量（PM2.5 等）、風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境指標(biāo)；（7）路燈充電樁。路燈有天然的供電優(yōu)勢和點位優(yōu)勢，集成新能源汽車充電樁，是建設(shè)道路上分布式新能源汽車充電站的最佳方式。目前集成的新能源車充電樁一般為交流充電樁，功率7kW，充電速度較慢，主要為停在路燈邊上的新能源車進行補電；（8）市政數(shù)據(jù)監(jiān)測。市政建設(shè)涵蓋專業(yè)廣、設(shè)備數(shù)量多管理工作量大，數(shù)據(jù)監(jiān)測模塊傳感器模塊可有效監(jiān)測如井蓋狀態(tài)，積水等數(shù)據(jù)，可快速、精確感知城市基礎(chǔ)設(shè)施狀態(tài)和信息；（9）應(yīng)急報警模塊。應(yīng)急報警模塊可將警訊迅速傳輸至管理中心，工作人員可通過視頻觀察現(xiàn)場情況，并可與報警人實時溝通，及時處理突發(fā)惡性事件，防止危險擴大，有效解決公共場所安全問題，做到平安城市。

3.2 智慧路燈系統(tǒng)控制構(gòu)架

智慧路燈系統(tǒng)構(gòu)成龐大，各功能模塊的運行單位之間既相互獨立又相互配合共同構(gòu)成功能完備的智慧路燈系統(tǒng)[3]；路燈系統(tǒng)覆蓋面積廣，往往涉及多個路段片區(qū)，這些特點都需要智慧路燈系統(tǒng)具備一個統(tǒng)一的能源管理平臺。

（1）能源管理平臺。能源管理平臺既是智慧路燈系統(tǒng)的發(fā)動機又是該系統(tǒng)的大腦，它為整個路燈提供能源的同時也對系統(tǒng)進行運行優(yōu)化與智能控制。當(dāng)智慧路燈系統(tǒng)運行時，管理平臺根據(jù)各模塊自身運行實時狀況（人流量、天氣、季節(jié)、時段等）對其進行運行狀況評估后發(fā)出相應(yīng)的控制命令，各模塊接收到控制命令并執(zhí)行之后再將執(zhí)行結(jié)果返回控制平臺；（2）LoRaWAN 通信技術(shù)。LoRaWAN 通信技術(shù)具有抗干擾能力強、通信距離遠(yuǎn)、成本低、容量大等優(yōu)點，目前已廣泛用于城市智慧路燈系統(tǒng)建設(shè)。LoRaWAN 通信系統(tǒng)由基站、終端、應(yīng)用服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器（NS）組成?；竞徒K端之間采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接，LoRa 的長距離特性使得兩者間可以單跳傳輸?；究梢赞D(zhuǎn)發(fā)NS 和終端之間的LoRaWAN 協(xié)議數(shù)據(jù)，同時將LoRaWAN 數(shù)據(jù)分別承載在LoRa 射頻傳輸和TCP/IP 上。LoRaWAN技術(shù)模式保證了其遠(yuǎn)距離傳輸能力，與其他無線通信方式相比，在同樣的功耗條件下采用LoRaWAN 技術(shù)傳播的距離更遠(yuǎn)，可以實現(xiàn)低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一。綜上所述，LoRaWAN 技術(shù)非常適用于采集點分散、采集環(huán)境惡劣，但又對實時性和可靠性要求比較高的場合[4]。

3.3 設(shè)計原則

（1）綠色低碳原則。為達到智慧城市可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，智慧路燈設(shè)計應(yīng)采用先進工藝并使用經(jīng)濟環(huán)保材料；（2）可擴展模塊化原則。因我國幅員遼闊、各地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展不均衡、居民生活需求各不相同等因素，在實際設(shè)計應(yīng)用中除智慧路燈電源控制、照明節(jié)能等基本功能實行預(yù)裝外，其余各功能采用模塊化設(shè)計，便于各地區(qū)根據(jù)自身需求選擇相應(yīng)功能進行組合裝備。為方便后期功能擴充，各燈桿還應(yīng)留有支持?jǐn)U展的預(yù)留接口；（3）標(biāo)準(zhǔn)化原則。多功能路燈并非一個純粹的功能集合，它是一個類似于微型協(xié)同處理器的設(shè)備[5]。為提高后期運行維護效率、節(jié)約材料成本以及避免壟斷形成，智慧路燈的接口設(shè)計和模塊配置應(yīng)遵循標(biāo)準(zhǔn)化原則；（4）設(shè)計合理原則。路燈本身具有一定高度，各功能模塊應(yīng)根據(jù)自身適用特性裝配至相對應(yīng)高度。

4 效益評估

4.1 建設(shè)期

本文以西南地區(qū)某省會數(shù)字新城項目為例，該項目建設(shè)涉及5 個路口、4 處標(biāo)志指示、8 處路名指示、56 套2×250W 單桿路燈。傳統(tǒng)單桿建設(shè)方式需要單懸臂信號燈5 套、人行信號燈10 套、單懸臂式標(biāo)志桿4 根、路名牌標(biāo)志桿8根、單桿單挑路燈56套，各桿費用如表1。

表1

該項目采用智慧路燈合桿方式建設(shè)，共需合桿型路燈10 套、單桿單挑路燈46 套，各桿費用如表2。

表2

由表2 可知，該項目合桿建設(shè)方式比傳統(tǒng)分桿建設(shè)方式節(jié)約費用94994.42 元，節(jié)約率11.7%。

4.2 運行維護期

該項目用2×250W 的LED 燈替換原2×400W 的高壓鈉燈，按日照明時長12h 計算，年節(jié)約電量為365×12×（2×0.4-2×0.25）=1314kWh；通過能源管理平臺對路燈系統(tǒng)進行節(jié)能智能控制，將在此基礎(chǔ)上再節(jié)約32%的電能。按照一度電1 元計算則年節(jié)約電費（1314+0.32×365×12×2×0.25）×1=2014.8 元。

由于智慧路燈系統(tǒng)裝備了故障反饋模塊，能源管理平臺可通過信息采集識別并分析故障類型及故障點，相比于人工巡視路燈系統(tǒng)檢測更精準(zhǔn)及時，故故障巡視可完成全智能化替代人工巡視，在維護期可節(jié)約故障的人工巡視費用。

5 結(jié)語

智慧路燈系統(tǒng)不僅能在建設(shè)期減少建設(shè)費用支出，還能在運行期減少運維成本、提高運維效率、減少人力消耗。在提倡建設(shè)節(jié)能環(huán)保、智慧城市的當(dāng)下，構(gòu)建智慧路燈系統(tǒng)具有現(xiàn)實意義。