城市照明节能及智慧化管控升级改造分析

左伟

（甘肃省建筑设计研究院有限公司）

1 引言

城市照明系统是社会公共服务的基础配套设施，城市化进程的加快使得城市照明系统的能源消耗量急剧增加，与能源日益短缺、温室效应明显的现实情况下提出的节能减排、绿色照明等号召背道而驰。同时，城市照明系统在管理方面存在如人工运维成本高、供电线缆盗窃现象屡禁不止等问题，增加了城市照明设施运维与管理的成本[1]。当前，城市更新行动计划、智慧城市建设、城市智慧大脑平台构建等诸多项目与方案的推进、落实，使得城区范围内高度集成了5G基站、电子警察、高清摄像头等诸多智能化设备设施，成为推动城市照明系统运维、管理方式智慧化、智能化的重要发展契机。当前城市照明系统的节能化与智慧化尚未由量变进入到质变状态，节能与智慧化管控升级改造工作也尚未得到广泛普及与全面铺开[2]。有必要对城市照明节能及智慧化管控升级改造方案以及相关技术应用进行研究，推动大数据、物联网、远程控制技术在城市照明系统建设与管控中的应用落地，依托节能及智慧化管控系统实现对城市照明系统的灯光亮度进行远程调节与集中控制、照明设施故障自动报警、灯具线缆防盗报警等，高度适配城市照明的动态需求，有效控制能源消耗，提高照明设施的使用寿命，降低城市照明设施的运维与管理成本。

2 城市照明节能及智慧化管控需求

当前大部分城市道路沿线的公共基础设施多以单杆专用的方式布设，如电子警察、高清摄像头、路灯、路标与警示牌、通信设施等均有相对独立的线杆，线杆中公共基础设施设备的集成度较低，致使线杆重复建设，各公共设施之间存在信息孤岛，各类建设成本与运维成本成倍增加[3]。“十四五”规划纲要中对智慧城市建设与治理模式提出了具体指示，强调应充分运用数字化、信息化技术提高城市管理的效率、提升城市环境的宜居度。在城市照明系统中，已然出现了多杆合一的智慧灯杆，其上集成了照明灯具、通信设备、监控设施、交安设施、环境监测及标识标牌等，多功能设备设施的挂载与集约化使得城市照明系统的照明、通信、故障报警、远程监控等成为可能，为城市照明节能及智慧化管控提供软硬件基础。在智慧灯杆的现实前提下，对城市照明节能及智慧化管控升级改造的需求进行剖析，具体如下：

1）统一供电规划设计

城市道路沿线布设的智慧灯杆是一个高度集成的硬件装置，其上通常集约化部署照明灯具、电子警察、高清摄像头、通信设施、电子标志标牌、环境监测传感器等，上述公共基础设备设施的运行均有赖于电力资源的稳定供应。因此，在对城市照明节能及智慧化管控进行升级改造时，需要对智慧灯杆上各类设备设施的用电需求进行汇总、统筹，根据用电设施的工作电压、功率、接口形式、防护等级等，规划设计用电设施的供电接口。

2）分路用电计量采集

智慧灯杆中集成了交通、通信、监控等不同功能的诸多设备，为便于不同部门对各自管辖的公共设备设施用电情况与节能情况进行独立分析，需采用分路用电计量方式对智慧灯杆上集成的、不同权属单位的用电设备设施进行独立计量，以便各权属单位根据用电量数据来统计相应设备的能耗情况，并分析城市照明设施的节能性。

3）统一供电用电保障

智慧灯杆中集成的各类设备设施在软件上共联共享，在硬件上应相互独立，以保证各自的供电与用电安全。城市照明节能及智慧化升级改造时，应在灯杆各挂载设备上布设浪涌防护装置与漏电保护装置，并设计独立的过流、过载、短路保护措施，以免灯杆中的某一用电设施出现故障而导致整个灯杆的公共设施无法供电，影响城市照明节能及智慧化管控的力度[4]。

4）远程控制管理照明设施

远程控制是城市照明节能及智慧化管理升级改造的关键功能需求，也是智慧化管控的重要目标。城市照明系统应根据当地经纬度及实时光照度等参数自动调整照明设施启闭时间，同时远程控制系统应自动采集与传输空间离散分布的照明设施的运行状态和用电参数等，以便对照明设施的运行故障加以预警，包括照明设施过流、短路等用电故障预警以及人为暴力破坏预警等。

5）动态监测照明系统运行状态

为提高城市照明系统的监管效率，需在箱体内布设大量的传感器，包括温度传感器、湿度传感器、感烟器、振动监测传感器等，对箱体的温度、湿度、烟雾、风力、杆体倾斜振动数据进行实时采集、传输，为智慧灯杆以及照明系统的运行状态监测提供数据支撑，为智慧灯杆防风、降温、防侧倾等问题作出动态预警[5]。

3 城市照明节能及智慧化管控改造

3.1 综合机箱供电设计

城市照明系统的节能及智慧化管控升级改造中，面向集成监控、通信、灯具等诸多用电设备设施的综合机箱供电设计是首要步骤。考虑到城市智慧灯杆综合机箱的高度集成性，采用五仓体设计对综合机箱供电体系加以构建，包括综合配电仓、信号机控制仓、交通汇聚设施仓、公安汇聚设施仓、其他汇聚设施仓。同时，为综合机箱配备智能型三相断路器，一部分回路通过电缆引至智慧灯杆，给灯杆中集成的各类用电设备供电；一部分则至其他汇聚仓体，给仓体内用电设备供电。采用回路测控终端对回路中的电压、电流、功率等数据进行实时监测，智能分析与评判综合机箱的供电稳定性以及供电状态，若是回路测控终端监测到回路有过压、漏电等情况，则瞬时断开回路接触器，并将上述监测到的故障情况上报至城市照明系统控制中心，以良好的回路监测与灵敏的回路接触器通断提高综合机箱回路供电的安全性，为城市照明节能及智慧化管控升级改造奠定良好的供电、用电基础。同时，综合配电仓中的温度传感器、湿度传感器、感烟器等可在稳定、安全供电条件下有序运转、实时采集综合机箱的动态运行数据，由回路控制终端对各类传感器的数据分析研判结果加以动态响应，控制排风扇等设备的启闭。

3.2 基于大数据的智慧照明节能管控系统设计

基于大数据的智慧照明节能管控系统是城市照明节能及智慧化管控升级改造的中枢，其区别于传统城市照明系统改造之处在于，传统城市照明系统的改造大多从路灯、电缆线路等方面进行节能选材与优化布局，而基于大数据的智慧照明节能管控系统则是充分利用大数据、传感器、物联网、远程控制技术等对城市照明设施的运行状态进行动态监管与控制，充分利用自然光，高度适配城市照明需求，减少城市照明设施运行的能源消耗。基于大数据的智慧照明节能管控系统主要构成包括当地光照度等参数实时采集模块、信号传输模块、数据中心、照明系统节能管控平台等，其中实时采集模块是指综合机箱中布设的光照度传感器、温度传感器、湿度传感器等对智慧灯杆所在地的光照度、温度、湿度、风向、风力、灯杆倾斜振动幅度等参数进行实时采集；信号传输模块是指依托GPRS网络或Wi-Fi网络搭建信号传输网络体系，对综合机箱中实时采集的各类数据进行传输，确保数字信号在传输过程中不失真、无丢失；数据中心用于对实时采集与传输的综合机箱实时环境数据、用电设备运行状态数据等进行高效存储、组织与管理，为城市照明系统的节能化、智慧化管控提供充足的数据支撑；照明系统节能管控平台则是在数据中心的基础上，引入照明设施智能管控决策研判方法，结合当前照明设备的运行状态、当地的光照度、交通流量、道路等级以及照明设施的耗电情况等，自动化控制与调节城市照明设施的照明亮度，使得城市照明设施既能满足城市居民的出行需要，也能最大限度地减少照明设施的能源消耗[6]。城市照明系统通过数据实时统一化收集、编码、压缩、传输等技术实现模拟信号的收集、数字化以及高保真传输，在数字信号采集与传输中保障信号的稳定性。同时，城市照明节能及智慧化管控升级改造以信息自动化采集、组织、管理为核心，将原本人工机械化的数据采集管理模式甚至纯定性化的研判分析模式转变为自动化、智能化、定量化的数据采集与应用分析模式，减少了业务应用中的人力资源投入，提高了业务数据收集、处理、分析应用的效率。

3.3 城市照明设施升级改造

城市照明设施的升级改造是城市照明节能及智慧化管控升级改造的重要环节之一，针对城市市政照明设施节能性差、故障率高等问题，市政工程管理处等职能部门应对城市照明设施进行升级改造。如将原先相对陈旧的落后的高压钠灯、LED灯替换为节能性更佳的新型LED灯，利用新型LED灯的高光效、抗光衰等优点提高城市照明设施运行的绿色节能性，积极响应城市照明系统节能降耗的号召。在具体实施时，应以群众需求为核心，针对居民群众反映的“照度不足”的路段及区域，增补和完善照明设施；针对故障频率高，使用寿命到期、光通量降低的路段及区域，普及使用绿色节能型LED光源；针对重要窗口与交通枢纽区域，集中改造运行缺陷的灯（钢）杆、线缆和箱变设备，消除道路照明设备安全隐患；同时，加强智慧灯杆应用和5G设备搭载等，确保民生道路照得亮，主干道路靓眼眸，重点片区有特色。同时，在城市照明设施管理层面，应充分利用基于大数据的智慧照明节能管控系统对城市照明设施进行运维与管理，及时响应系统发出的照明设施故障预警并做出应急维护措施。

3.4 城市物联网建设

城市照明系统的智慧灯杆上搭载了众多用电设备设施，包括高清摄像头、环境监测传感器、灯具等，上述用电设备利用智能监控终端进行统筹管理，实现对环境数据、交通流量数据、设备运行数据等的实时采集。构建高度集成以太网、RS232、RS485等多种接口的智能网关，更好地适配城市照明节能与智慧化管控系统中各类设备设施的联网传输与共享，以便于各类前端用电设施设备高效接入到有线网络或无线网络场景中，实现信息传输与资源共享。同时，依托物联网对城市照明系统中采集的各类实时数据传输到数据中心，以供节能管控平台分析、研判并做出设备启闭、光照度调节以及故障应急响应等。

4 结语

由于照明设施与照明控制技术限制，传统城市照明系统缺乏现代化、信息化技术，照明路灯启闭、亮度调节、路灯运维养护等作业均有赖于人工或半机械，城市市政照明设施运行过程中涉及的运行状态数据、运维过程数据等均无法实时、准确获得，更无法以动态反馈驱动照明设施节能化、智慧化管控。数字化技术依托物联网、软件系统、大数据平台等对城市照明系统的环境数据与设备运行状态数据采集、数据传输、数据组织与管理、照明设施智能化控制等流程进行自动化升级，为城市照明的节能效果提升、节能型城市建设奠定技术基础。