浅析城市照明单灯监控体系的建设与运营

周 静，王鹏展

(南京市路灯管理处 ，南京 210013)

浅析城市照明单灯监控体系的建设与运营

周 静，王鹏展

(南京市路灯管理处 ，南京 210013)

单灯控制是智慧城市建设的延伸，对提高城市照明管理具有重要意义。本文结合江苏南京首批单灯建设实践经验与理论研究，从架构设计、与现有箱控体系的兼容、现场问题的处理，对单灯监控体系进行分析；同时介绍了单灯建成后对照明运维产生的影响等主要问题，并对如何正确发挥单灯体系效益做出了建议。

单灯控制；架构；建设；运营

引言

单灯监控体系“更丰富、更精确、更智能”的现代化监控系统，以其较传统箱控体系更显著的优势，逐步深入地应用到城市照明中。如何做到单灯监控体系与城市照明建设维护发展相得益彰，使其满足规模化应用条件？本文将从以下几个关键方面进行详细解析。

1 系统架构的选型

体系架构，作为整个监控系统的顶层，不同的建设方式带来的是截然不同的运营效果，因此在单灯体系建设设计阶段就应将该问题进行充分分析，并结合各地实际情况进行合理选型。目前各大城市单灯监控系统主要存在两大类，即“两层体系”和“一层体系”，其中以“两层体系”为主要方式。

1)“两层体系”(图1)。即通过在箱变处加装“集中器”的方式，以其作为上传下达的中间设备。往下，为现场灯杆内单灯终端建成局域网，并收集各单灯终端数据进行分析整理；往上，通过无线通讯网络(GPRS等)，将经过处理的现场各灯杆运行数据统一上传至城市照明监控平台。“单灯终端”与“集中器”之间为第一层通讯，“集中器”与“城市照明监控平台”为第二层通讯。目前，“两层体系”与成熟的“电力线载波”技术相结合，成为目前业内较为普遍的单灯监控体系架构。

图1 “两层体系”单灯监控系统架构图Fig.1 “Two tier” single lamp monitoring system

其主要优势有：①施工安装方便。无论是集中器安装还是单灯终端安装，均比其他方式便捷。集中器方面，仅需将通讯信号接入箱变总进线处即可通过各电缆回路，组成现场单灯终端与集中器通讯网络；单灯终端方面，无需杆上打孔与天线安装，节约了人力与机械投入。②监控平台运行压力相对较小。因单灯数据已经过集中器前端处理，剔除了部分无效数据后再向平台发送。因此监控平台处理量减小，后台运行压力降低。

其局限性有：①对路灯电缆线路环境要求较高。新建照明项目电缆环境纯净，具备使用条件；但老旧线路因分支多、接头多、绝缘老化、跳闸故障多发等问题的普遍存在，直接兼做通讯线路易致信号不稳影响系统正常运行。②系统兼容开放性受限。“两层体系”需以“集中器”作为中间设备，“集中器”向监控平台通讯层采用公网方式，较易实现通用性；而“单灯终端”与“集中器”通讯层却难以统一语言。

2)“一层体系”(图2)。即“单灯终端”具备公网通讯能力，直接与城市照明监控平台进行数据传输。因该体系下，不再受到“集中器”的限制，因此较“二层体系”具有明显优势。

图2 “一层体系”单灯监控系统架构图Fig.2 “One tier” single lamp monitoring system

其具体优势如下：①通讯效率得到提高。由于无需集中器进行数据处理，“单灯终端”状态监测数据、主动报警数据将直接通过公网发送至监控中心，减少了数据周转时间。②获得更稳定通讯通道。单灯与中心的通讯通道由专业运营商提供，与民用手机通用网络同级，且带宽需求更低，因此更为稳定的通道给单灯数据传输提供了理想载体。③“单灯终端”高度互换性的实现给管理部门带来经济效益与社会效益的双赢。“一层体系”给“单灯终端”的互换性创造了先决条件，在公网与统一语言的结合之下，“单灯终端”从类似于“LED模组”的专用件就非常容易的升级为类似于“钠灯灯泡”的通用件。而“单灯终端”在成为通用件之后，可用其他厂家的产品更换现有故障设备，维护备货更加简单，带来了经济效益；故障的及时修复符合了市民的需求，又实现了社会效益。

其主要问题包括：①通讯资费标准有待降低。若按照每盏灯通讯流量费30元/年计算，1个中等城市3万套“单灯终端”年通讯费用约为90万元。②后台数据处理压力大，需要不断扩展硬件投入，升级平台软件支撑庞大的运维数据。

由此可见，“两层体系”和“一层体系”各具优势，但随着通讯资费的降低、云服务等后台专业分工模式的发展，单灯监控系统会具有更为广阔的推广空间。

2 单灯监控与现有箱控系统之间的关系

单灯监控系统是现有箱控系统的升级版，监控数据更精细、更丰富、更准确。从理论角度来看，单灯体系实现了原有箱控系统的所有功能并且更加强大。因此，是否以单灯替代箱控成为照明行业关注的焦点。经验表明，单灯与箱控体系并存的监控体系更符合照明设施实际管理需求。

1)单灯监控技术仍存在较大提升空间。替代箱控的条件是建立在单灯技术成熟稳定的基础上的。电力载波技术升级换代、单灯产品质量提升、单灯监控平平台软件功能的更新均给整个单灯体系带来了诸多不确定性因素。

2)短期内替代需求不明显。目前各地均建有“三遥”箱控系统，且该技术经过近二十多年的深度运用已经非常成熟，能够承载所有开关灯、线路监测等功能。同时，变功率镇流器、LED等新技术的应用，也已实现了部分节能功能。

3)单灯体系与箱控系统具备良好兼容的条件。硬件方面，单灯无论是“两层体系”在箱变处安装“集中器”，还是“一层体系”在灯杆安装天线，均不会对现有箱控系统产生干扰和影响；软件方面，可以通过重新布局的方式，将单灯与箱控监控界面、数据进行整合，进行统一展示和操作。

4)箱控系统可辅助单灯系统规避现存缺陷问题。箱控为一级控制，单灯为二级控制，将单灯终端由“常开”设置为“常闭”。若出现单灯终端故障不能正常开关灯时，则箱控系统能替代单灯终端执行该功能。既能实现精确到每盏灯的运行状态监控，又能满足整齐划一的开关灯效果。

5)单灯替换箱控系统将带来安全习惯的改变。一方面，单灯监控体系必须对电缆进行24 h送电，再通过单灯终端在白天将灯具关闭。这存在“有电当无电”的安全隐患。将给政府管理部门带来不小的挑战。

6)替换模式给线路故障排查带来困难。若无箱控系统，则电缆中的电流、电压等参数无法远程获知，需要在现场进行检测，单灯终端目前还不具备该故障监测的功能。经验表明，电缆故障通常会导致大面积灭灯，即使单灯终端正常也无法亮灯；若该故障若出现在城市主要路段且不能及时获知，将带来重大社会影响。

3 建设与运维过程中主要问题的处理

3.1 提升投运效率的方法

南京2016年首批单灯监控系统试点期间，日安装峰值达到了50套设备。对于专项改造项目来说，每天晚间必须正常亮灯；那么当天安装的单灯必须完工，同时上线运行。而如何将投运效率从原有的箱控个位量级向单灯十位量级跃升，并保证准确无误，是单灯建设过程面临的主要问题之一。我们的做法是“批量导入、联调核查”，具体为：①制定标准的单灯安装基础信息表，由现场人员变安装、边填写，在每晚完工前报送至监控中心；②开发监控平台单灯基础信息一键导入功能，当天提交的信息表直接批量进入系统；③当晚亮灯后联调，通过远程开关灯、现场观测相结合的方式，修正单灯编号与杆号位置信息，最终在单灯终端基础安装信息完全正确的情况下，直接纳入城市监控平台。“当天完工、当天投运”的建设机制，避免了工期拖延，消除了隔天安装交接问题，为大规模单灯的建成提供了技术保障。当然，这与强大的软件开发和支持能力、现场施工安装管控能力等重要因素有关。

3.2 降低误报的措施

单灯体系建设的初衷是更精细地掌握每盏灯具的运行状态，但却产生了新的问题，即灯具的运行是动态变化的，易受外部环境影响的，这些变化被单灯终端捕捉到了，大量的信息涌向监控平台和值班人员，甄选信息成为首要问题。除了建立“一灯一档”、分类管理电流电压参数监测、故障报警监测信息外，最关键的甄选方向是要确保正确数据的摄取和错误数据的丢弃，这是单灯体系在城市照明中发展的主要因素之一。

为解决这一难题，江苏南京市结合长期以来对灯具特性的了解，在监控软件中进行合理设置，取得了较为准确的监控数据。

1)定制化开发平台软件，监控体系具备单灯报警阈值远程设置、数据抓取时间设定等功能，创造了单灯终端与灯具特性的灵活匹配的技术条件。

2)对各类光源特性进行分析，并将钠灯与LED灯具区别对待。其中最为突出的问题是钠灯启动过程中灯具故障的误报。我们要做的就是丢弃启动期间单灯终端主动上传的报警数据；或者通过远程指令，要求单灯终端开灯后，短时间内不再主动上报错误报警。我们设定，钠灯开灯半小时内的主动报警数据不做使用，仅存储于备份数据库；而LED灯开灯后出现报警即设定为有效。例如，江苏南京首批6 000套单灯终端，在未进行该设置前，灯具报警达1 500处；而经设置后，下降到百余处。经过现场设施巡查确认，报警准确率大幅提升。

图3 报警数据抓取时间设置前后的“灯具故障”走势Fig.3 Lamp fault trend of before and after grasping time setting of alarm data

3)数据抓取时间的设置(图3)。实践发现，灯具运行易受外部环境影响存在大量暂态故障，这些故障还不能达到修灯标准，为无效信息，如2016年7月7日凌晨2点40分，南京市监控平台接到高庙路30处，约2 h后自行消失，经查为雷击造成的瞬间故障。因此仅在灯具点亮期间持续报出的故障才可认定为真实故障，则若在次日关灯前抓取单灯主动报警数据，更为准确有效。才能不断接近理想状态。

3.3 故障界定的方法

能否正确地将单灯终端“自身故障”与正常存在的“灯具故障”区分开来，是单灯监控体系推广的重要条件。为此，我们将单灯主动故障报警进行分类，并针对不同类型故障进行处理。

1)通讯故障(图4)。它表现为单灯终端无远程指令响应、无数据上传。通常该类故障的排查定为最高级别。发生该类故障有2种情况，情况一：单灯终端设备损坏，主要表现为通讯模块故障；情况二：灯具进线电源无电，包括熔断器断路、电缆故障或被盗等。

图4 “通讯故障”报警-进线无电Fig.4 Communication fault alarm:input line without electricity

2)灯具故障(图5、表1)。单灯监控是在原有灯具进线侧串接微型开关、电流电压参数监测单元的。灯具损坏则电流电压参数异常，向平台报警；若单灯终端内微型开关出现故障，不能及时吸合或断开，则亦会引起向平台的主动报警；单灯出现误报。在现场故障排查时，仍然是先行观测亮灯情况。若亮灯正常，则为单灯误报；若灯不亮，则使用电笔等工具检测单灯输出端。如输出电压正常，则为灯具故障；如输出异常，则为单灯终端故障。对于其他单灯报警类型，则需要通过平台监控数据与现场检测数据进行对应验证的方式来进行故障排查。

由此看来，只要将故障进行分类、掌握现场检测技巧，单灯终端“自身故障”与“灯具故障”区分不难实现，在排查了单灯故障后，就可参照正确的报警数据顺利进入正常修灯环节。

表 1 “灯具故障”报警故障排查情况明细Table 1 Trouble shooting details of lamp fault alarm

图5 “灯具故障”报警-单灯终端损坏Fig.5 Lamp fault alarm:single lamp terminal damage

4 单灯对于城市照明发展的影响

1)“巡修”向“定修”的变革成为可能。在精确到每盏灯的监控体系下，不再需要人巡来确保“亮灯率”，而是等待平台指令进行灯具故障的“定点清除”；当故障灯具数量达到设定比率后，才需进行修灯计划、线路、材料清单的统一编制与配备，从而最大限度地降低了人力、物力的投入。若将节约的资源投入到电缆、箱变维护等重要环节，则可进一步提高城市照明设施运维管理水平。

2)维护标准从“亮与不亮”向“好与不好”发展。与传统箱控模式不同，单灯体系海量数据的抓取将彻底改变原有的维护理念。除了亮灯的要求外，灯具运行参数是否正常、是否达到主动更换标准、是否存在漏电情况等问题，都将在监控台得到充分显露。单灯运行大数据分析体系建成后，随之而来的是工作习惯和认识的转变、工作内容的丰富性和复杂性，需要更高水平的维护队伍来发挥单灯信息价值。

3)资源配置从“前端”向“后台”倾斜。就目前单灯监控体系而言，在“前端”，监控平台展示的数据详实，APP软件、移动手持设备等技术手段的运用，又使现场人员维护作业变得越来越便捷；同时，在“后台”，设施维护作业(如拆除、被盗、迁移等)过程中一旦引起杆号、位置变化，其系统内信息应立即随之变更，除了信息化平台自身应具备运维数据互通的强大功能外，还需要大量的人力投入进行数据管理。因此，“前端”的便捷性需要“后台”的努力付出；“前端”人力物力资源的投入将转向“后台”。

5 结束语

在体系架构的正确选型、与现有箱控系统的兼容、现场问题的处理做3类主要问题得到解决后，单灯控制规模化应用将成为可能。当然，这是一个庞大的系统化工程，作为城市照明设施管理部门，应做好承接单灯体系运用的能力；供货商应不断提高产品质量，并提出技术优化方案；软件开发部门应根据实际需求及时更新程序功能；同时我们还应实现监控体系向运维全过程的扩展和数据管理等等。我们相信，随着终端产品的技术进步、应用规模的扩大、平台功能的强大，单灯监控体系必将对现有的城市照明设施运维管理产生重大影响。

[1] 陈大华. 绿色照明LED实用技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 2009.

[2] 城市道路照明设计标准：CJJ 45—2015[S].

[3] 城市道路照明技术规范：DGJ 32/TC 06—2011[S].

[4] SYSMAC CS/CJ Series Programmable Controllers Programming Manual[Z].Shanghai:OMRON,2004.

[5] International Rectifier.IRS2530D(s)DIM8TMDimming Ballast Control IC Datasheet[DB/OL].http://www.irf.com.

Brief Analysis on the Construction and Operation of Single Lamp Control Urban Lighting System

ZHOU Jing,WANG Pengzhan

(NanjingStreetLightsOffice,Nanjing210013，China)

The single lamp control is an extension of the wisdom of urban construction, it has great significance to improve the management of urban lighting. Combine with the practice experience of Nanjing the first batch of single lamp construction and the theoretical research, this article will analyze from architecture design, the compatibility with the existing box control system, and the problem of the on-site handling; at the same time, it will introduces the main problems of operating the single lamp lighting effects, and then give some suggestions that how to make single lamp system of benefit right.

single lamp control; architecture; construction; operation

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.02.024