港口智慧照明技术及改造方案

袁飚　刘履震　郭璟　张旭仁　王建

摘要 智慧港口是我国港口未来的主要发展方向，通过采用先进的照明自动化控制系统，来实现港口照明亮化设备一体化管理与实施监控，确保照明功能稳定高效的同时，减少照明设备的电能消耗。文章首先對港口照明技术改造的必要性和意义进行分析，详细分析智慧照明技术，最后提出港口照明技术具体改造方案，以期为推动港口照明系统的智慧化提升带来可参考的建议。

关键词 港口;改造;智慧照明;智能系统;方案

中图分类号 U653.95 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）11-0019-03

引言

照明亮化设备作为港口建设数量最多的基础设施之一，是港口朝照明节能化、网络化、智慧化的“智慧港口”建设的重要改造区域，进一步带动港口经济的发展。该文以文献综合的方式深入探究现阶段港口智慧照明技术的发展及应用，为港口照明系统的优化运作给予重要的理论支持。

1 港口照明技术改造的必要性

尽管我国港口系统相关技术获得了长足的进步，但是与建设节能化、网络化、智慧化的“智慧港口”发展目标相差甚远。港口有关部门必须对照明技术和设备采取有效改造措施，来满足现代化港口智慧照明的要求。

1.1 提升港口经营效率

值班人员依然沿用人工手动开关照明亮化设备来控制港口照明功能。在面对天气变化以及港口装卸环境变化时，缺乏远程的操控和集中化管理，对于应急突发事件的照明亮度需求无法满足;在港口照明管控工作中，所使用的灯具以及管控范围相对较多且宽广，会消耗大量的能源，导致港口的经营运作效率降低[1]。

1.2 提升照明设备安全性

港口照明亮化设备中的电缆、照明灯、电闸、变电器等设备，依然借助值班人员人工巡查的方式来实现设备状态的检测与管理。路灯设备出现损坏或被盗等情况时，有关部门无法及时派遣维修人员进行照明设备的维修，对港口运输和正常工作运行造成极大的影响，也给港口附近居民带来安全风险。

1.3 提升运维效率与品质

人工巡查是港口照明功能的主要故障排查方式，值班人员需要耗费大量的时间和精力来对港口全部照明设备进行巡查。同时，故障问题、隐藏风险、检查盲区等问题仅靠人工巡查也难以得到解决。

我国许多港口仍采用250 W高压钠灯来作为照明工具，这类高压钠灯在港口使用多年后，用电量会增至400 W。港口照明设备所消耗的电力资源巨大，与建设节能化的“智慧港口”所追求的绿色环保目标冲突。由于无法远程操控路灯，导致无法根据港口的实际照明需求来控制照明时间，易造成严重的电能消耗和设备磨损。

港口照明设备因使用时间过长，已经出现设备脱落或是爆炸等导致的高空坠物事件。同时也存在港口许多路段照明设备集中故障的状况，严重影响夜间工作人员的正常工作。因此，对港口照明技术改造管理工作需要充分关注。在当今数字化、信息化时代，我国港口照明系统也需与时俱进，不断革新，将节能、数字、智慧等相关发展理念融入港口长远稳定的发展战略计划中，依托现有的人工智能技术、大数据技术实现对港口智能化照明的优化改善[2]。

2 智慧照明技术

2.1 基本内容

以新一代半导体照明光源及光具为照明核心，利用云平台、人工智能、大数据等技术来实现系统化智能控制。

在基本的智能控制中融入创新技术（光传感器、调光调色模块、光通信Li-Fi等）和物联网功能（人员定位、信息采集、气象监测、交通控制、公共安全等），来形成一套由感知层、应用层、传输层自下而上的系统模型[3]。

2.2 主要通信方式

Plc、Zigbee、Lora、Nb-Iot是组成智慧路灯主要的通信方式。

Plc通信方式主要是利用现有的电力线，模拟或是数字信号以载波方式耦合到电力线，最后完成模拟或数字信号的传输。该通信方式的最大特点是在有电线的情况下，不需要重新架设网络就能进行数据传递。但是存在数据传输速率慢、误报率高、受路况影响较大等技术缺点，所以在面对电力抄表市场饱和的情况下，技术发展推动力较差。该通信方式推广主力和推广优势为控制设备生产商。

Zigbee通信方式是基于IEEE 802.15.4标准的局域网通信协议（紫蜂协议）。该通信方式协议自下而上的流程为：物理层→媒体访问控制层→传输层→网络层→应用层。其中IEEE 802.15.4标准是物理层与媒体访问控制层必须遵守的规定，物理层和媒体访问控制层主要用于传感控制应用。该通信方式主要的特点：近距离、低功耗、自配置、自管理、自修复、低复杂度、低数据速率。但也存在稳定性能易受到外界环境影响等技术缺点，导致在市场的应用受到影响。推广主力、推广优势分别为控制设备生产商、成熟的技术标准且开放性好。

Lora通信方式主要是使用线性调频扩频调制技术，在保持低功耗特性的基础上，增加了新的特性（通信距离增加、消除干扰、提高网络效率）。该通信方式最大的技术缺点在于经常会受到外界环境因素的影响。

Nb-Iot通信方式因待机时间长、低功耗、覆盖面广、海量连接、较高的设备要求等特点，也被称作为低功耗广域网。但是存在过分依赖运营商基站布局、模块费用高等技术缺点。推广主力、优势分别为华为公司、通信运营商和适合智慧城市。

2.3 智能管理系统

整个智慧系统内部设置有大数据集成系统、人工智能分析系统，其充分借用外部的传感器元件，参考港口码头的实际经营状况，通过光感元件以及港口码头的市场生产管理计划实施对相关区域局部以及整体精确的照明布局管控，以更好实现对整个港口区域粗放式管理的优化改善[4]。

在当今智能化技术快速发展的时代，港口智慧节能技术的使用也需要得到相应的重视，智能化技术以及相关设备需要具备自动化运行的特征，结合专家数据系统，借助大数据资源库，实现模糊分析、模糊管理，而通过贸易量以及日常的工作数据信息，也可实现对港口照明灯具的宏观调控和管理。整个智慧照明系统需要以传感器、大数据以及人工智能系统作为基础的管理层级，采取层次化的管控策略，并且为了提高相关系统运行的稳定性、可靠性，在设置相关系统时工作人员也需要结合人工操作的元素，此外也可以结合终端智能App，实现对智能灯具的集约化控制，满足现场工作开展的实际需求。3F4D561E-6830-4FCC-94F8-7D62C8F0591F

3 具体改造方案

3.1 系统设计

通过使用照明自动化控制系统、“后台+PLC”控制模式，取代港口传统人工照明控制系统和就地时控器控制模式。

照明自动化控制系统按功能分为现场采集控制层、后台软件控管层、网络通信层。照明自动化控制系统配备有高性能、高可靠性的标准设备，可实现对港口全部照明亮化设备进行快速、高频率地运行状态收集与处理。值班人员可通过网络通信层及时地获取各区域照明亮化设备的实时信号，而由值班人员向现场采集层下达远程操作指令，也可实现后台软件控制层远程控制照明设备的运行状态。自动化控制系统实时状态数据刷新≤5 s，值班员操作指令执行≤2 s，设备重要报警响应≤1 s。

现场采集控制层，主要包括安装在变电所和箱式变压器内的监控仪表、中间继电器等电气设备。所有电气设备具备功能独立、可靠性强、精密度高等特点，适用于各种类型港口的工作环境。现场采集控制层主要是对港口各照明亮化设备的电压、电流数据和设备开关状态进行采集与整理。

作为自动化控制系统的系统核心，网络通信层借助配置触摸式显示屏、交换器、光纤收发器等设备，实现照明设备的开与关、现场运行状态收集、照明设备通信协议的接收与传输等功能。网络通信层还作为现场采集层与后台软件控制层信息传递的中枢，将现场采集层收集照明设备监控仪器表的各类数据信息，借助内部网络系统传输至后台软件控制层。后台软件控制层接收监控仪器表各类数据信息后，由值班人员向现场采集层下达远程操控指令，实现后台软件控制层远程控制照明设备的运行状态。

后台软件控制层，主要借用pc上的监控软件来实现系统功能总貌、港区照明位置图查看、照明控制、报警信息等功能。后台软件控制层收集关于照明亮化设备的各项数据资料，可供值班人员从储存的服务器中进行直接检索和打印。值班室专用pc上的监控软件与港口办公网络处于独立运行状态，即使办公网络和后台软件发生故障，也不会影响现场采集层根据后台软件控制层下达的指令，对照明亮化设备进行的各项操作。

3.2 系统功能

3.2.1 两种管控方式

自动化控制系统主要具备后台远程和就地控制两种控制方式。值班员可通过下发指令或是变电所和箱式变压器内的Plc，来实现远程控制或就地控制。值班员采用后台软件控制时，通过在后台软件远程控制设置界面上，选择多回路批量操作或是单一线路操作控制照明回路，来实现照明亮化设备定时控制功能。值班人员也可根据港口实际的生产和运输需求，来远程强制控制照明亮化设备的开关灯。

值班人员在照明亮化设备现场时，通过对变电所或箱式变压器内触摸式显示屏，来实现Plc就地控制模式。Plc触摸屏控制界面也能为值班人员提供照明回路实施信息。

3.2.2 亮灯率的显示

后台远程控制设备可实现对照明亮化设备实时采集回路电流大小。后台软件根据照明亮化设备实时电流大小与额定工作电流的比值，用条状图来直观显示亮灯率。并根据港口实际需求来设置亮灯率报警值，当实时亮灯率<报警值时，就会触发报警系统，值班人员能第一时间掌握亮灯情况和故障区域。后台软件计算亮灯率与传统人工巡查亮灯率相比，不仅极大地降低了值班人员的工作压力与工作强度，也可更精准快速的定位故障区域。

3.2.3 根据季节自动调整

通过收集港口过去四季季节变化、节假日等港口生产与运输信息，后台软件根据收集的数据信息控制照明亮化设备开关时间。后台软件能够同时预设100条以上的定制策略，每条定制策略能够实现分组、分群的控制多台或单台照明亮化设备。例如，后台软件设置去年照明亮化设备的开关灯时间、频次等内容，通过打开年度自动设置模式按钮，就会自动按去年照亮化设备的开关灯时间进行自动修改。

3.2.4 历史数据的收集

后台软件会根据照明回路动态数据的重要性进行数据的分类与整理。短期历史数据库主要将照明设备实时数据资料存储一周。长期历史数据库主要将照明回路的报警信息、故障信息、值班人员下达的指令进行为期2年的储存时间。

3.3 改造计划

3.3.1 灯具更换模式

在原有港口码头的照明模式中包含垂直布局模式，而现有的平行式更换模式更加具备高效性、完整性，码头岸线平行方向的灯具在经过改造之后满足低成本的运维管理需求，从而使后续针对备件的更换管理工作更加高效、稳定地进行。

3.3.2 维护时间间隔

实现码头照明管理节能环保还需要有效管控对设备的维护周期，灯具产生故障的核心因素便是来自内部元器件的损坏，从改造周期层面上进行分析考量，将相应的灯具维护时间间隔设置为一年较为合理;而在对灯具电容的改造管理方面，则应当将相应的周期设置为2～3年较為合理。在维护管理工作中应当制定短期、中期、长期的维护保养计划，减少维护管理工作中所投入的各项成本。

3.3.3 改造顺序

整个改造批次分为三次较为合理，实现对辅助区域、堆场后半部分以及堆场前半部分进行定向化的改造管控，在平行式更换管理模式下，相关工作需要结合两年的时间来完成，参考对后辅区向前沿推进的管控三批次改造管理，实现对高杆灯具的节能改造建设;而需要利用约三年的时间将设备到岸的批次和顺序作为参照依据，分三次完成对相关设备的照明改造[5]。

4 结束语

智慧照明技术将灯具生产制造技术与传感器技术、信息技术、大数据技术以及智能技术进行了有效融合，实现了对各项信息的集中管控，如采集、传递、智能决策、分析以及信息化管理，整个经营管理模式具备较高的自主性、智慧性，能够进一步提高港口的智能化运行水平，实现港口经济长远稳定的发展。通过对港口照明亮化设备进行改造，通过利用智能路灯精细化监控管理设备和远程操纵技术，实现提高港口照明设备利用效率、减少港口值班人员工作巡查压力、提高港口综合管理和服务水平等目标。

参考文献

[1]张智华， 李茂福， 陈俊杰， 等. 多能源集成的港口绿色照明能量管理策略[J]. 清远职业技术学院学报， 2019（3）： 60-65.

[2]霍英， 赖煜， 卢阳光， 等. 基于NB-IoT技术的智慧路灯管控系统应用研究[J]. 韶关学院学报， 2021（6）： 12-17.

[3]雷凌昱， 侯亚楠， 佟昕鹏. 基于南沙大桥景观照明的远程供配电系统技术应用研究[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2020（3）： 316-318.

[4]李立勉， 蓝裕泉， 陈家民， 等. 基于物联网技术的LED智慧路灯在乡镇道路亮化改造中的应用[J]. 营销界， 2019（28）： 158-160.

[5]周玉龙. 面向智慧城市亮化智能控制云平台关键技术研究与应用[P]. 广东省， 广东迪艾生光电技术有限公司， 2018-09-01.

收稿日期：2022-02-28

作者简介：袁飚（1968—），男，本科，学士， 副高级工程师，研究方向：港口设备设施管理。3F4D561E-6830-4FCC-94F8-7D62C8F0591F