城市路灯无线监控网络的应用分析报告

薛 波，俞 睿

(宁波市政管理处, 浙江 宁波 315010)

1 引言

随着我国经济的快速发展，城市的规模越来越大，群众对城市的要求也越来越高，城市照明作为城市智能化的一个重要组成部分也日益受到重视。城市照明可以分为功能性照明和景观性照明两种，功能性照明一般整夜亮灯，亮灯时间较长，而景观性照明一般在需要的时候才开启，亮灯时间较短。但是城市越来越大，照明灯具也越来越多，传统的手动拉闸方式不仅费时费力，而且不太可靠，集中通断电对电网冲击也比较大。城市照明管理单位急需一种科学有效的方式来管理和控制城市的户外照明。

除无线网络控制外，还有光控、时控等多种照明控制方式，各种方式各有优缺点。光控主要问题在于控制单元容易损坏，受户外环境光干扰较大。而时控主要是不够灵活，可靠性较差，运行一段时间后容易出现时间误差。无线网络控制的独特好处在于可以实时传输电参数和光参数，方便管理单位掌握和监控全市灯光的运行状况，对故障快速作出反应。宁波市照明管理单位从2000年起开始采用GPRS无线网络控制的方式，逐步试验推广至今，网络运行状态良好。

2 路灯网应用简介

2.1 路灯网的沿革

宁波市的城市照明控制管理系统目前共经历了四代。第一代可以称之为“一把闸刀，一条线路”，自1915年有城市供电以来一直沿用至上世纪八十年代中期。它是由供电部门值班人员手动控制操作的。该系统的缺点就是一旦发生故障，全市路灯都会受到影响，即有可能白天亮灯或夜晚灭灯。

二十世纪八十年代中后期，我们开始采用第二代分段光控系统，该系统的设计理念在当时比较先进，但是在实际应用中很容易受到环境光的影响。如闪电、爆竹、车灯，甚至树叶、飞鸟都会对它的正常运行造成干扰。

1995年起，我们启用了第三代时间预置式的控制系统。它的工作原理是将一年内的日出日落数据写入芯片，配合时控开关自动运行。但是该系统的缺点是不能与自然光同步变化，遇到阴雨天气就会发生开灯滞后的现象。对下班高峰交通效率造成很大的影响。

第四代无线监控系统也就是我们现在使用的系统，始建于2000年，其后于2003年和2006年2次进行升级扩容，其后成立宁波市城市照明监控中心标志着其无线监控效果得到了认可，可以进行大范围推广。推广至今，无线监控系统网络已覆盖了宁波市三区85%的照明设施。

2.2 无线监控网的原理和功能

宁波市城市照明监控中心的无线监控系统网络可称其为宁波城市灯光无线监控网(简称路灯网)。路灯网的无线技术是基于GPRS网络的，虽然GPRS骨干网支持IP协议[1]，但其运营商中国移动目前的主营业务还是GSM，同时为方便与手机终端通信，能够方便地接入GSM网络确实会方便不少，所以本质上讲，路灯网还是属于2G网。

GPRS与GSM的区别是加入了服务支持节点(SGSN)和GPRS网关支持节点(GGSN)。就路灯网的数据传输流程而言，首先是各表箱中的无线信号收发装置将采集到的电参数用GPRS分组数据表示，然后将其发送给附近的移动基站，基站将其转发给SGSN，SGSN可与多个MSC(移动交换中心)相连，将路灯网与移动电话网互通，同时SGSN与GGSN通信，GGSN将收到的分组进行处理，主要是协议的转换，然后将分组数据包转发到基于IP协议的GPRS骨干网或因特网上，因特网上的各路由器进行分组转发，最终达到监控中心的电脑主机上。在这个流程中，无线信号收发装置就相当于一个不会移动的移动站。电脑主机发出的命令，也通过反向路径到达各无线信号收发装置[2]。另外，还可以通过手机短信的方式，从移动终端发出控制信息，通过SGSN节点转发，到达表箱中的无线收发装置，就好像2个手机之间发短信一样。值得一提的是，GPRS网络是利用GTP隧道协议使外部的IP数据包通过节点的，而多结点同时传输冲突是采用冲突检测机制来进行应对[3]。

无线监控系统既可以使用专网也可以使用公网，目前宁波路灯网使用的是专网，监控系统主要实现了的功能有：

1)自动或手动遥控全夜灯、半夜灯和景观灯的开灯和关灯；自动、手动巡测、选测控制箱电压、电流、有功功率、功率因数和接触器状态等参数。

2)根据需要分为不同的功能组(如工作日模式、周末模式、重大节假日模式等)实现多样化控制。主要应用于区分重大节假日和平时的不同亮灯方案，以及根据日出日落时间和各区域具体照度、亮度情况确定的不同亮灯方案，节能减排新技术的应用实验方案等。

3)系统报警功能，系统报警采用的是终端主动报警和调度端报警相结合的报警方案。主要是故障的及时发现和防盗的需要，特别是语音警报功能，可以及时发现诸如供电停电、线路中断、电缆偷盗、亮灯率低等问题，方便第一时间通知相关部门进行抢修，履行“亮灯承诺”。

4)查询打印各照明控制箱的定时数据与统计数据；查询、计算、统计亮灯率等数据。

2.3 在宁波城市照明设施管理中的应用

城市照明设施可以分为功能性照明设施和景观性照明设施两个大类，两类设施的亮灯需求并不一致。针对功能性照明设施，我们首先在监控中心大楼顶部平台安装自然光采集器，然后将采集到的自然光照信号转化成数据传输至系统计算机，计算机中有预设好的开关灯条件，当光照数值变化满足预设条件时，计算机就会通过中国移动或电信的网络向终端控制箱发出指令，相应的功能性照明设施就会自动打开或关闭。而针对景观性照明设施，我们是直接在计算机上预设开关灯时间，主要是重大活动、周末和平时三种不同的开关灯方案，由计算机通过专用无线信道向终端控制箱发出指令。为保证信号传输更加稳定，我们还在位于市中心的建设大厦顶部设置了中继站对信号进行加强。

第四代无线监控系统自投入运行以来，大大提高了宁波市城市照明运行管理的效率。2013年，我们为宁波市重大活动保障开灯72天次，无一疏漏。准确有效的开灯方式不但使全市人民告别了阴雨天气路灯滞后，市民摸黑路的现象，还将全年开灯时间从4250小时，缩短到了4080小时(见表1)，提高了有效亮灯率，节省电费200多万元，实现了一定的节能效益。

表1 2013年宁波城区开灯时间Table 1 Ningbo lighting time of 2013

从表1中可以看到，宁波城区日出一般在5点至6点50分之间，日落一般在17点至19点之间，随着日出日落时间的变化，系统开关灯时间会自动调整。由于全年日出日落和开关灯数据较多，表格过大，所以本文仅列出每月均值进行说明，也未列出采用预置功率镇流器的路灯的具体耗电数值，表中运行时间为当月累计的准确值。需要说明的是，关灯时间与日出时间差距较开灯时间与日落时间大是因为开灯需求的光照度值比关灯需求的光照度值高的缘故，这是由于城市清晨对路灯照明需求很小，所以确应提前关灯，以提高有效亮灯率。

另外，我们正在利用路灯网积极探索尝试单灯控制，已在姚隘路一段安装了29盏路灯作为试验，运行至今，虽然单灯控制装置还存在不稳定、容易坏的问题，但路灯网无线控制没有出现问题。

3 特点分析

目前宁波市的灯光无线控制装置是安装在各灯光控制箱内的，由于每个无线控制单元都只具备向单个目标传输和接受信息的功能，从这一点上来说，路灯网有点类似于无线传感器网络，但本质上和无线传感器网络还是有很大的不同。

路灯网的特点可以归纳如下：

1)网络节点无移动。因为各无线收发单元都安装在固定的城市灯光控制表箱内，节点不存在移动性，所以不存在基站切换小区重选等问题。

2)网络规模很大。宁波市三区截止2013年5月已有无线控制终端共1766台，尚未完全覆盖。未来若实行单灯控制，即每盏灯安装一个无线控制单元，则节点数量会更加庞大。目前宁波市三区已有功能性照明71562盏。景观性照明175854盏，巨大的网络规模会造成一定的管理难度。

3)网络拓扑不断改变。主要是在外围不断增加节点。因为城市总是在不断的发展、扩大，但每个表箱所控制的范围却是有限的。另外，随着宁波城市背街小巷的不断改造疏通，城区里也会不断新增加一些节点，节点密度是在加大的。

4)通信元件应具有高可靠性。路灯网的最大特点就是每个节点每天都要与监控中心不断的通信，而且出于经济考虑，灯光控制表箱一般安装在户外，仅由铝制或铁制的箱板保护，无线控制单元要在承受室外比较恶劣的环境变化的前提下，保障信号传输的有效。实践证明，室外环境对电子产品的寿命有很大的影响，室内检测没有任何问题的产品应用于室外，一般每隔一段时间就要对部分的通信元件进行维修或更换。但总体上，路灯网的节点比较可靠，全年出现的故障率在0.5%以下。

5)对传输速率要求不高。虽然节点数量庞大，通信频繁，但每个单元每次只需发送很短的信息，各节点之间也不需要互相通信，为避免对电网造成过大的扰动，全市亮灯时间一般是错开的，瞬时通信量不会很大，所以路灯网对网络带宽的要求不高。目前使用的GPRS网络上行速率不超过13.4kbps，下行不超过40kbps，也已能满足目前的应用需要。

6)成本可以接受。照明管理单位毕竟不是负责通信的，不可能去建基站，也不会在无线通信模块和软件商投入太大成本，只能依赖于已经建成并运营良好的骨干网络。所以要求其网络软硬件技术成熟，运营成本低廉，性价比高。

7)机动灵活。正因为路灯网是基于中国移动提供的服务，所以其很容易接入GSM网络，与手机等移动终端通信。目前已可以做到发一条短信控制亮灯，异常灭灯自动发短信至指定手机号等功能。这项服务使城市照明管理迅速机动灵活起来，大大降低了管理部门的运行成本，也降低了巡逻的密度和排查的难度。

4 对未来的展望

目前的路灯网虽然运行良好，但也有一些需要改进的地方，主要可以归纳为两方面的需求。

1)网络基础升级换代的需求。带宽和移动资源是相互矛盾的，随着科技的进步发展，GPRS网络已经越来越难以承担大流量高速的移动业务需要，语音通信网逐渐向3G甚至4G过渡已经成为了事实，可以预见到不远的将来GPRS技术会被新技术所替代，那么基于GPRS网络的路灯网也势必要进行升级换代。因为路灯是和百姓民生息息相关的，所以管理单位对全城范围的路灯网改造会相对比较保守谨慎。目前比较看好的是WCDMA技术，因为系统能架设在现有的GSM网络之上，改造的成本和难度都比较小。

2)新技术新理念应用的需求。现在的城市网络已经越来越发达，各种探测器和监控器遍布大街小巷，既不美观也占用了大量的信道资源。目前有一种思路是利用道路上的基础设施将这些各种各样的装置整合到一起，节省投资的同时也提高了网络的利用率，使无线信道不再那么紧张。例如用路灯作为物理支架和供电源，将单灯控制，视频监控，卫星定位，环境探测等多种功能整合到路灯网的架构内，实现城市无线监控网络的一体化。另外，大型LED显示屏、高层建筑外墙立面组合屏等城市动态夜景，也希望能通过无线的方式统一管理，播放一些公益广告和城市宣传片，以提高城市的形象和档次。这些也都需要对网络进行改造，特别是要支持多媒体的传输，对网络带宽提出了比较高的要求。

5 结语

城市照明管理技术的进步是城市发展的需要，也是市民对优美、和谐的城市光环境的需要，城市路灯无线监控网络七年的成功应用正是满足了这种需要。路灯网自建成以来一直得到各级领导的关心和重视，每年都投入资金进行更新、改造、扩容。目前的路灯网具有可靠性高、机动灵活等优点，将来随着技术进步还可能有更多的优点。城市照明管理发展的趋势是智能控制管理，作为城市照明管理者，我们不仅希望第四代无线监控系统继续发展进步，而且希望在第四代无线监控系统的基础上可以开发出更先进的第五代、甚至第六代照明管理系统，既为照明行业管理者带来方便，更重要的是为市民带来好处。宁波百年的城市照明发展的历程背后是历代照明人不懈努力的汗水，在智能市建设逐渐完善的今天，我们将继承照明人燃烧自己、照亮他人的精神，不断创新管理模式，提高工作效率，为城市的美丽夜景做出更多的贡献。

[1] 韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社,2003,6:1～19.

[2] 文志成.GPRS网络技术[M].北京：电子工业出版社，2005,6：138～142.

[3] 王涵韵, 温文波. 基于GPRS技术的配电网通讯解决方案[J]. 电力科学与工程,2003(4).

[4] 吕捷. GPRS技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2001.