节能型智慧路灯的模型构建研究

苏 维

（中国建筑西南设计研究院有限公司，四川 成都 610041）

路灯是城市公共基础设施的重要组成部分，不仅起着照亮街道、便捷出行和美化市容市貌的作用，更是一个城市的明信片[1]。随着新的节能理念、技术的发展，传统路灯的短板逐渐暴露出来，开展绿色路灯建设开始具有现实意义。同时，社会活动多元、科技飞速发展的今天，社会需求增长在路灯提供照明的基础功能上，也对路灯衍生功能提出了新要求，路灯已经逐步扮演起智慧城市的入口，承载着万物的感知、信息数据的采集传输、多方资源的载体等角色。

智慧路灯是指在路灯灯杆上增设各种传感设备，如无线WIFI、LED 信息发布屏、充电桩、井盖及积水监测主机、城市广播、高清摄像头、环境监测组件、5G 基站搭载网络、应急报警等，利用物联网及互联网技术，使路灯成为便民服务终端和智慧城市信息采集终端，各功能杆件的整合也有利于节约城市空间、土地资源，降低建设成本。智慧路灯是智慧城市的重要基础设施，对智慧城市的可持续和绿色低碳发展、城市智能化发展具有重要意义。

1 传统路灯弊端

1.1 管理和监视方式落后

传统路灯的监控系统只能实现供电回路级别的采集和控制，并不能对单灯运行情况进行精准的控制。同时，对故障工况也不能实时跟踪并分析，灯具一旦出现故障，监控系统无法定位故障位置，不能实现精细化管理和智能化监控。

1.2 能源消耗大

传统路灯缺少实时有效的节能管理措施，照明不足和过度照明的问题非常突出，无法根据不同场景和时间对照明亮度要求不同而实现亮度动态调整，从而在保障照明质量的前提下降低能耗。

1.3 运行维护成本高、效率低

我国路灯数量大、分布广的特点决定了当前人工巡逻的模式具有投入大、效率低、巡视周期长、故障检出率低、有盲区等短板；在实际运行维护过程中，由于缺乏对备品备件的精细化、标准化统计与管理，常常造成采购的备品备件数量和形式不合适，进而额外占用资金形成浪费。

1.4 功能单一

传统路灯通常只具备照明定时开启功能，已不能满足急剧增长的多元的社会需求。

2 国内外研究现状

2.1 国外现状

美国洛杉矶将声波传感器和环境噪声监测传感器与路灯结合，并将路灯智能联网，通过传感器识别出车辆是否发生碰撞，发生事故时可将事故信息及时上传至控制中心。此外，洛杉矶计划将电动汽车充电桩与智慧路灯结合，将智慧路灯节省下的电能用于充电桩[2]。

在巴黎设计人员将座椅、WiFi、路灯结合在一起，座椅供路人休息，太阳能电池板安装在路灯拱顶一侧，路灯除了具备照明功能外，还能成为汽车、手机的充电电源，集成的WiFi 功能也为人们提供了便利。

2.2 国内现状

“双杰集团第二总部暨智能电网高端装备研发制造基地”是安徽省首个园区智慧路灯示范项目，园区共安装154 套智慧路灯，集智慧照明、智慧安防、信息发布、公共广播等功能。石家庄卓越中学的芙蓉智慧路灯集智慧照明、安防监控、氛围灯、应急求助、信息发布等5 大功能，并配置一套智慧路灯云控制平台；南通大学校园里的智慧路灯，从远处看犹如一朵盛开的莲花，充满着浓厚的文化气息。在功能上，它还具备智慧照明、5G 通信、智慧安防、视频监控、环境监测等多种功能。广钢新城智慧灯杆试点项目是广钢新城智慧社区的一期建设部分，在广钢新城智慧社区共安装了62 盏智慧灯杆，具有智慧照明、环境监测、led屏、智慧安防、智慧井盖等功能。泉州鲤城区智慧体育公园是泉州中心市区首个智慧公园，以“智慧体育”为主题，不仅有可人脸识别的跑道，还有可自动识别人脸的人脸识别杆。

3 系统设计

3.1 功能模块配置

（1）照明模块。因智慧路灯搭载各种功能设备，加上照明线路一般需要全天候供电，故路灯照明需要单独的电源模块。目前较成熟的单灯控制系统采用PLC(电力线载波)或ZIGBEE 无线通讯方式，最新的技术发展趋势是采用NB-Iot 通讯方式。可实现管理到每一盏灯的开关、亮度调节、状态查询、故障反馈等功能；（2）4G、5G 微基站。未来5G 基站建设将逐步推广，灯杆将成为5G 微基站建设中重要的组成部分，智慧路灯设计并预留5G 微基站的空间和接口，实现基站装载功能；（3）视频监控系统。路灯具有相当高度这一天然优势，可据此安装集成监控。集成监控摄像头可广泛应用于平台城市、智慧停车、智慧交通、智慧城管等智慧城市应用系统；（4）无线WiFi。路灯数量大、覆盖面广、点位多，根据这些优势在路灯灯杆集成无线WiFi 模块作为宽带互联网的接入点，实现城市道路的WiFi 信号无盲点覆盖；（5）信息发布系统。智慧路灯信息发布系统集成了LED 显示屏，内嵌5G、WiFi6 等模块，通过公共信息发布平台，可远程发布时政新闻、政务信息、区域地图、公益广告、商业广告等；（6）城市微环境监测。利用路灯在城市内分布密度大的特点可集成安装环境监测模块用于监测温度、湿度、噪声、空气质量（PM2.5 等）、风速、风向等环境指标；（7）路灯充电桩。路灯有天然的供电优势和点位优势，集成新能源汽车充电桩，是建设道路上分布式新能源汽车充电站的最佳方式。目前集成的新能源车充电桩一般为交流充电桩，功率7kW，充电速度较慢，主要为停在路灯边上的新能源车进行补电；（8）市政数据监测。市政建设涵盖专业广、设备数量多管理工作量大，数据监测模块传感器模块可有效监测如井盖状态，积水等数据，可快速、精确感知城市基础设施状态和信息；（9）应急报警模块。应急报警模块可将警讯迅速传输至管理中心，工作人员可通过视频观察现场情况，并可与报警人实时沟通，及时处理突发恶性事件，防止危险扩大，有效解决公共场所安全问题，做到平安城市。

3.2 智慧路灯系统控制构架

智慧路灯系统构成庞大，各功能模块的运行单位之间既相互独立又相互配合共同构成功能完备的智慧路灯系统[3]；路灯系统覆盖面积广，往往涉及多个路段片区，这些特点都需要智慧路灯系统具备一个统一的能源管理平台。

（1）能源管理平台。能源管理平台既是智慧路灯系统的发动机又是该系统的大脑，它为整个路灯提供能源的同时也对系统进行运行优化与智能控制。当智慧路灯系统运行时，管理平台根据各模块自身运行实时状况（人流量、天气、季节、时段等）对其进行运行状况评估后发出相应的控制命令，各模块接收到控制命令并执行之后再将执行结果返回控制平台；（2）LoRaWAN 通信技术。LoRaWAN 通信技术具有抗干扰能力强、通信距离远、成本低、容量大等优点，目前已广泛用于城市智慧路灯系统建设。LoRaWAN 通信系统由基站、终端、应用服务器和网络服务器（NS）组成。基站和终端之间采用星型网络拓扑连接，LoRa 的长距离特性使得两者间可以单跳传输。基站可以转发NS 和终端之间的LoRaWAN 协议数据，同时将LoRaWAN 数据分别承载在LoRa 射频传输和TCP/IP 上。LoRaWAN技术模式保证了其远距离传输能力，与其他无线通信方式相比，在同样的功耗条件下采用LoRaWAN 技术传播的距离更远，可以实现低功耗和远距离的统一。综上所述，LoRaWAN 技术非常适用于采集点分散、采集环境恶劣，但又对实时性和可靠性要求比较高的场合[4]。

3.3 设计原则

（1）绿色低碳原则。为达到智慧城市可持续发展的目标，智慧路灯设计应采用先进工艺并使用经济环保材料；（2）可扩展模块化原则。因我国幅员辽阔、各地区经济发展不均衡、居民生活需求各不相同等因素，在实际设计应用中除智慧路灯电源控制、照明节能等基本功能实行预装外，其余各功能采用模块化设计，便于各地区根据自身需求选择相应功能进行组合装备。为方便后期功能扩充，各灯杆还应留有支持扩展的预留接口；（3）标准化原则。多功能路灯并非一个纯粹的功能集合，它是一个类似于微型协同处理器的设备[5]。为提高后期运行维护效率、节约材料成本以及避免垄断形成，智慧路灯的接口设计和模块配置应遵循标准化原则；（4）设计合理原则。路灯本身具有一定高度，各功能模块应根据自身适用特性装配至相对应高度。

4 效益评估

4.1 建设期

本文以西南地区某省会数字新城项目为例，该项目建设涉及5 个路口、4 处标志指示、8 处路名指示、56 套2×250W 单杆路灯。传统单杆建设方式需要单悬臂信号灯5 套、人行信号灯10 套、单悬臂式标志杆4 根、路名牌标志杆8根、单杆单挑路灯56套，各杆费用如表1。

表1

该项目采用智慧路灯合杆方式建设，共需合杆型路灯10 套、单杆单挑路灯46 套，各杆费用如表2。

表2

由表2 可知，该项目合杆建设方式比传统分杆建设方式节约费用94994.42 元，节约率11.7%。

4.2 运行维护期

该项目用2×250W 的LED 灯替换原2×400W 的高压钠灯，按日照明时长12h 计算，年节约电量为365×12×（2×0.4-2×0.25）=1314kWh；通过能源管理平台对路灯系统进行节能智能控制，将在此基础上再节约32%的电能。按照一度电1 元计算则年节约电费（1314+0.32×365×12×2×0.25）×1=2014.8 元。

由于智慧路灯系统装备了故障反馈模块，能源管理平台可通过信息采集识别并分析故障类型及故障点，相比于人工巡视路灯系统检测更精准及时，故故障巡视可完成全智能化替代人工巡视，在维护期可节约故障的人工巡视费用。

5 结语

智慧路灯系统不仅能在建设期减少建设费用支出，还能在运行期减少运维成本、提高运维效率、减少人力消耗。在提倡建设节能环保、智慧城市的当下，构建智慧路灯系统具有现实意义。