借助节能改造过程实现路灯设施基础地理信息采集

吴贵才，胡明明，杨 彤

(1.深圳市灯光环境管理中心，广东 深圳 518033；2.深圳市致烨科技有限公司，广东 深圳 518000)

引言

城市照明是城市基础设施的一个重要组成部分，不仅为亮化城市、美化环境发挥积极作用，还为交通安全、社会治安提供了有力保障，同时在提升城市档次、提高城市形象、改善城市环境发挥了极其重要的作用。[1]国家对于城市道路运输业和城市公共交通业的投资连续多年增长，年末道路实有长度和面积的持续增加，带动了城市道路照明灯数量的稳定增加。根据国家统计局的数据显示，我国城市道路照明灯已持续多年增长。从2003年的8731.1千盏上升到2011年的19492.1千盏，[2]年均复合增长率达到了10.56%。

城市道路照明的建设蓬勃发展，路灯越来越多，道路越来越亮，由此也给路灯管理工作带来了巨大挑战。在满足城市照明基本功能的前提下降低照明的单位能耗，提高城市照明的质量和节能水平，实现城市照明发展方式的转变势在必行[3]。另外，大规模的建设使需要管理和维护的路灯数量越来越多，大量的照明设施和资料需要管理和处理，传统的手绘制图、靠维护员的记忆管理和人工统计、分析的手工卡片等管理方式效率低下，很难适应这种快速发展的海量数据管理要求，造成大量的资源浪费，并阻碍了维护效率和服务水平的进一步提高。[4]

本文旨在阐述路灯节能改造的过程中，通过建立路灯设施地理信息库以及设施信息采集手段，实现对整个节能改造过程的监督与进度控制，并以此同步建立为路灯管理和决策部门的日常管理、分析统计的路灯基础地理信息平台。

1 路灯节能改造与过程

1.1 路灯节能改造概述

目前国内路灯照明光源一般采用高压钠灯、高压汞灯和金属卤化物灯。常用的功率为150W、250W、400W。路灯照明能耗主要在以下几个方面，光源发光所带来的能耗，也就是电能转化为光能的部分，从光源相对供电电压的特性曲线可以看出，随着电压的升高，光源的功率、光通量和光效也相对增加，但是光效的增加幅度要小于功率和光通量。器件能耗，主要为路灯辅助器件的能耗， 包括补偿电容、镇流器、起辉环节的能耗。其他能耗，主要包括供电线路损耗等能耗。

就路灯节能的技术路线来讲，大致可以分为“采用节能控制技术”和“更换新型照明灯具”两条路线。前者主要是在不更换原有高压钠灯的前提下，通过加装节能控制设备，实现对路灯电压、功率、照度的调节，达到节能的目的。而后者则是采取新型照明技术，通过更换比高压钠灯更加节能的照明灯具来实现路灯节能，其中最为典型的就是更换为LED路灯。

就路灯节能实施的阶段来讲，也可以分为前期设计和后期改造。设计是节能的源头，城市照明工程设计应由专业设计人员进行，在设计时应严格遵循道路的性质、功能对照相应的照度和能耗密度标准，确定最节能的合理布灯间距、光源的选择、供电路线的设计、控制系统等等。这就要求道路照明工程师不但有良好的职业责任感，较全面的技术素质，能掌握科学的照明设计方法。对于全国数量庞大的既有路灯，后期改造是唯一的选择。在针对既有路灯的节能改造中，布灯间距和供电线路优化由于施工难度高、投资大并不被采用，选择新型节能灯具和智能控制系统成为必然的选择。

1.2 照明设施管理与维护

对于任何一个城市来说，路灯设施都无疑是不可或缺的重要基础设施，而今，城市路灯设施与系统的合理配置和有效运行，已经成为衡量一个城市市容、市貌的重要标志。为了使路灯设施在使用过程中持续有效，就需要路灯管理部门对其进行不断的维护和管理，需要通过法制化、科学化的手段，对城市照明设施进行组织、检查、监督、协调和控制，以体现出重大的经济价值和社会效益。

近几年城市照明发展迅猛带来路灯设施的大量增加，以至有限的人力、物力、财力跟不上城市路灯设施的维护管理的工作量，随着社会对城市照明的要求不断提高，路灯设施的维护管理也面临更大的挑战：设施分布范围广、点多、线长，种类繁多；市民对城市照明的数量和质量需求迅速提升；路灯设施的基础资料不全，无法为维护管理工作提供有效的信息支撑，降低维护的工作效率；城市照明节能要求的不断提高，对路灯设施节能改造成为维护和管理的主要工作内容；

针对这种情况，除长期不懈坚持精细化管理、有效的监督和评价外，也必须向科技要效益，以应用和需求为导向，建立健全路灯设施建设、施工、运行维护等信息技术为主的数字化管理系统。开展对城市路灯设施普查，将路灯(设施名称、数量、型号规格、制造或供应商、保修期限、地理信息等基础数据)尽可能详细、准确的录入信息系统中，严格日常动态管理工作，及时更新照明设施新装、变更、拆除、巡查、维修等一系列信息，采取实时控制、跟踪考核及有效监督[5]。

1.3 节能改造过程的控制与管理

针对庞大数量的既有路灯进行节能改造，无论采用节能控制技术或者更换新型节能灯具，都必然面临着对现有照明设施进行加装、变更、拆除等工作，也必然面临着后续巡查、维修等信息的调整与改变。而在不可能大幅增加人力的情况下，如果面对大范围、短时间的节能改造，工程质量控制、进度协调、监督考核也面临巨大的挑战。

当然，从另外一个角度，节能改造过程其实是一个有详细计划、阶段性集中突击的路灯设施更新维护过程，如果能够通过简单有效的信息采集手段获取改造过程的设施信息，不光能够有效监督改造过程的效率、进度、状态、效果，也能借此机会完成对改造区域、路段的详细设施普查和数据更新，借助地理信息技术通过专业数据与基础地理数据的结合，把路灯设施分布情况直观形象的展现在电子地图上，并通过后台数据库将日益增多的专业数据信息高效可靠的存储，能够为路灯的规划、设计、施工、抢修、监察等工作提供一个有效的操作平台和执行依据。

2 路灯设施地理信息系统与数据采集

2.1 路灯设施地理信息系统

地理信息系统(GIS，Geographic Information System)是结合地理学、地图学以及计算机科学，并用于输入、存储、查询、分析和显示地理数据的计算机系统。GIS 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的数据库操作(例如查询和统计分析等)集成在一起[6]。GIS技术在空间数据采集、管理、查询、分析、可视化输出等方面具有明显的优越性，利用GIS技术对路灯设施的图形信息、属性信息以及拓扑信息进行统一管理，实现路灯设施的台账信息与其地理位置的无缝结合，发挥综合效应，达到图文并茂，简便直观的效果，解决路灯设施数量大，线路错综复杂、布局分散、管理不便等困难，对日益快速发展的城市道路照明实行科学管理，使行业部门的管理和服务水平更上一个台阶。

在路灯设施地理信息系统中，路灯设施主要包含配电设施、供电设施、灯杆、灯具等分布在路面上的设备设施。路灯设备可以看成是空间点实体，除了包含空间坐标和图形信息外，还有其自身的要素信息。

配电设备构造比较复杂，内部有大量的开关、计量设备和线路，因此配电设备具有很多信息，比如：编号、规格、安装时间、支线数、供电方式、前级配电编号等。

而在道路上的路灯，是包含了灯杆和灯具的整体，它具有很多要素，比如，灯杆编号、路灯编号、回路编号、所在道路名称、灯型类型、灯具数量、安装日期等。而灯具又包含名称、光源类型、额定功率、理论寿命、配套电器等多种信息。灯杆也包含材质、高度、杆型、挑臂长度等信息。

如此多的详尽信息的现场采集、整理、录入是建设路灯设施地理信息系统的关键性基础，在通常情况下，借助路灯管理中心的数据，也需要组织专门队伍进行长时间、高强度的现场采集工作，加上缺乏有效的现场采集工具和采集规范，采集过程的人力组织、监督执行、数据准确性方面也面临巨大挑战。

在这种情况下，如果能借助节能改造这样一种阶段性集中突击的路灯设施更新维护过程，并提供一种简单有效的信息采集手段获取改造过程的设施信息，就能借此机会完成对改造区域、路段的详细设施普查和数据采集工作。

2.2 借助便携式设备的照明设施信息采集

手机作为目前使用最广、最成熟的便携式设备，具有便于携带、使用方便等优点，而目前的很多智能手机均内置GPS、电子罗盘、摄像头等多种传感设备，配合通过手机的3G或GPRS网络，非常适合作为路灯设施信息的数据采集终端使用。而借助手机等便携式设备实现照明设施信息采集，其系统主要包含两个部分，路灯信息采集服务平台和信息采集终端，其架构见图1。

图1 基于便携式设备的照明信息采集系统架构Fig.1 Architecture of the lighting information collection system based on portable devices

作为信息采集终端，其配套软件当具备数据下载、信息提示、图片采集、表单填写、位置定位、地图浏览、数据同步等多项功能后，就将很好的解决现场信息实时采集与传递问题。现场数据采集人员可以在现场很短时间内将路灯现场图片、表单、位置等信息进行采集，通过无线网络快速传递到服务平台，相关责任单位都能够通过信息平台获取现场信息。由于使用方便，在节能改造过程中，数据采集人员可以是工程施工人员，减少了专门采集人员的投入，且对于整个改造进度也同样具备了跟踪与监督的条件。

在整个采集系统设计上，充分发挥手机等便携式设备内置传感器的丰富性，通过内置GPS采集灯杆经纬度，通过内置罗盘采集灯臂方向，通过摄像头拍取现场灯杆及灯具照片，与服务平台的数据交互以获取标准信息(见图2)，内置表单使得现场的各类信息能够获得有效录入。

图2 按照标准流程的数据采集Fig.2 Data collection according to the standard process

其主要采集工作流程如下：

① 服务平台配置灯具供应商、品牌、型号、功率、设计寿命、光通量、调光类型、道路等基本而标准的数据；

② 信息采集终端进入软件后，自动更新平台上的标准基础数据，并保存到采集终端内。而采集终端内在所有数据在重启后依然存在；

③ 以道路或路灯配电设施为单位新建工单，工单的作用在于便于日后分批审核、校对采集的数据；

④ 按照软件标准的录入顺序，获取相关信息，并获取灯杆经纬度、灯臂方向等地理信息，并按照要求拍取灯杆照片、灯具照片、灯杆编号照片。

⑤ 上传信息采集终端中的数据到服务平台，可采用每个灯杆单独录入，也可以采用批量上传的方式。相应数据上传到服务平台后，相关责任单位都能够通过服务平台获取现场信息(见图3)。

图3 服务平台的现场信息获取Fig.3 Data acquisition of the service platform

2.3 信息采集对于节能改造的监督

由于借助节能改造这样阶段性集中突击的路灯设施更新维护过程来同时完成路灯设施的基础信息采集工作，同样也能够对其施工计划、进度、质量进行全面管控(见图4)。

图4 节能改造进度管控Fig.4 Progress control of the energy-saving renovation

3 结语

城市道路照明的建设蓬勃发展，在满足城市照明基本功能的前提下降低照明的单位能耗，提高城市照明的质量和节能水平，已经成为路灯管理可持续发展的关键。针对路灯的节能势在必行，节能改造也成为常态化工作。借助这样一个阶段性集中的路灯设施更新维护过程，通过采用路灯信息采集终端来同时完成路灯设施的基础信息采集工作，既能够在节省大量人力的情况下，完成路灯设施地理信息系统的基础数据采集工作，也能够有效的监督节能改造的进程和质量，不啻为一举两得的好方法，也是一个值得推广的新形势下的管理和科技创新。

[1] 杨旭.浅谈城市道路照明设计与节能[J].科技创新与应用，2012，12.

[2] 国家统计局.《中国统计年鉴(2004—2012)》11-10各地区城市市政建设.

[3] 中华人民共和国住房和城乡建设部.“十二五”城市绿色照明规划纲要.http://www.gov.cn/gzdt/2011-11/15/content_1993931.htm.

[4] 甘泉.路灯维护管理地理信息系统构建初想.〔2009-03-27〕.http://www.cdsz.org.cn/show.asp?id=140.

[5] 祁怡.浅析城市照明设施维护与管理问题[J].城市照明,2011,15(3):3-4.

[6] 李月臣.地理信息系统：正确时间出现的正确技术[J].地理教育,2012,4.