城市照明节能及智慧化管控升级改造分析

梁 勇

(浙江城建规划设计院有限公司，浙江 杭州 310010)

引言

城市照明系统是公共基础设施的重要组成部分。由于社会进程的快速发展，城市照明系统的能源消耗量急剧增加，这与能源日益短缺、温室效应明显的现实条件下提出的节能减排、绿色照明等号召背道而驰[1]。此外照明系统的增加也必然会提高其运营成本，如人工维修维护、安保防护等。

本文将从照明节能及智慧照明的现状出发，对节能的问题及智能化管控进行总结及梳理，给出了照明行业的发展趋势，并对杭州滨江钱江世纪城主干道智慧路灯改造为实例，证实在城市照明中进行智慧化改造的必要性。

1 照明节能及智慧照明的现状

自温家宝总理提出建设“感知中国”的目标后，智慧城市开始风靡全国。据国家信息中心数据显示，截止到2019年12月底，全国副省级以上城市、95%以上的地级城市，50%以上的县级城市，均提出建设智慧城市。智慧城市的发展，必然会囊括照明系统。但是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]。

从目前的状况来看，智慧照明系统的发展尚处于早期阶段，公众对于智慧城市内的照明系统尚未形成足够的认知与关注，而且其节能及智慧化的管控能力也并未达到理想的最高点。因此，针对城市照明系统的智慧化改造，我们迫切需要针对城市照明系统的智慧水平进行深入的研究和优化。

通过提升城市照明系统的智慧化程度，不仅能够完善城市的基础设施，提升公众生活质量，同时也推动大数据和物联网等前沿技术的进一步发展，使之在城市建设过程中发挥更大的作用。在现阶段，依托节能和智慧化的管控系统，可以对照明设备进行远程自动化管理，并对各种潜在问题进行高效的预警和响应。此种技术不仅能够实时地识别并处理故障，还可以提高照明设施的使用效率和寿命，降低运行和维护的成本。

2 城市照明能耗问题及节能技术

2.1 城市照明能耗问题

道路照明的本质是为了方便出行交通，避免光线差带来的社会问题，不需要过度追求其外表，以简洁实用为主，过度繁琐、豪华的灯具等会造成能耗过大、浪费资源、影响司机等问题，所以，要从实用性的角度出发，考虑城市照明的设计问题。

2.1.1 单纯追求道路照明的亮度

城市道路的照明并不是以光照强度为指标，较强的光照会造成电能的浪费，不合理的电能分配将会加重社会资源的分配问题，同时光照强度过大时，也会给行人、驾驶员等道路过往人员造成眩光，存在交通隐患。因此需要满足《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)的照度、亮度要求以及维护系数即可。

2.1.2 忽视灯光配比效果

城市照明的设计需要进行精密的计算。就目前而言，城市道路大多数过于重视照明的光照强度和范围，但是对于灯光配比却并不重视。这不仅破坏了视觉环境的平衡，也导致亮度和视觉焦点的不匹配，从而增加了对驾驶员的光线干扰，这显然与节能降耗的目标相悖。通过科学合理的光线配比和分布，综合考虑夜间行驶的车辆和行人的照明需求，同时关注道路照明的功能性要求，特别是对舒适性和安全性的保障。通过保证亮度的均匹配度和限制眩光效应，我们可以创建出一种满足标准和使用需求的照明环境。

更具体地说，照明设计应该满足以下几个方面的要求：首先，照明的强度和范围应符合安全行驶和行人通行的需求。其次，光线的配比和分布应科学合理，既满足视觉效果的需求，也能有效地防止眩光和过强的光线对驾驶员和行人的干扰。最后，照明设计还需要考虑节能降耗的目标，通过优化设计和使用节能的照明设备，减少能源消耗和环境影响。当以上的要求都得到满足时，我们就能创建出既符合使用需求，又舒适和环保的城市照明环境。

2.1.3 存在运营安全隐患

多数城市的照明系统运营主体是政府，而该系统的自动化运行硬件和软件通常无法达到稳定运行的标准，目前人工干预仍是主要的运营方式，包括根据天气、温度、季节等因素进行系统调整。然而，相较于引入物联网等信息化技术的智慧照明系统，人工控制虽然会节省成本，但是主观化严重，并且精度较低，特别是道路交通情况复杂的情况，人工控制则无法及时反应并做出精确的调整，这会导致照明系统的不稳定。其二是道路照明容易出现“一刀切”的现象，在满足《城市道路照明设计标准》(CJJ 45—2015)标准亮度下，通过控制让所有路段的光照强度同时升高或者降低，容易出现频闪效应。因此，城市照明系统的运营过程中利用先进的信息化技术，可以实现实时监控和自动调整，以提高运营的效率和稳定性，节省了能源，同时避免因人工控制带来的各种问题。

2.2 城市照明节能技术

针对上述分析的痛点和难点，我们应该积极的做出改变，以解决城市照明的问题，对此，我们应该从以下几个方面进行思考并进行优化。

2.2.1 设计节能

城市照明系统的铺设基础在于设计，好的设计能够让后续工作事半功倍，所以要做到照明设计的合理并可实现。首先优化设计方案，每段道路的具体情况均有所不同，设计者需要结合实际情况来优化方案，合理分布路灯间距等，提高照明效率，保障城市照明系统的能源利用最大化，保障城市交通等方面的安全。特别是新型LED在透镜、配光上的优化，能有效的降低能耗。其次要具体的实施环境，利用区域得天独厚的条件，提高照明系统的利用率，例如在光照强大较大的区域设置太阳能板等。

2.2.2 光源节能

城市照明系统中需要用到大量的能源，只有经过科学的选择不同规格的灯具，做出合理分配才能将能源的利用最大化。灯具在经过电能的输送后会发热以产生光能，光能以波的形式发出，而产生的光波其实是可以被反射并再次利用的，这其中就可以应用到反光罩，反光罩的反射能力直接影响到光波的二次应用能力，所以反光罩的选择需要结合该灯具的具体要求做出调整，进行精确搭配，比如目前采用纳米高漫反射涂料经静电喷涂处理后，形成纳米高漫反射涂层，其全反射率达97%，漫反射率达94%，不仅解决了灯罩眩光光斑色差等问题，而且使灯具的效率大大提高。第二，新型的灯具经过了科学的验算和实际的检验后，已经具备较高的使用价值，其中新型LED灯是目前城市照明系统中，是高效应用的灯具之一，其优异的光通量可以满足不同情况下的需求，并且稳定性较高，运维成本也较低，所以值得被广泛应用。

2.2.3 线路节能

线路作为城市照明系统的关键通道，其规划与设计的合理性不仅可以节约材料和电能，而且可以降低后期的维护成本。因此，线路的设计策略是城市照明系统中的一个核心问题。优化设计策略首先包括选择具有较大截面积的导线，因为在相同长度的线路中，较粗的导线电阻较小，从而电损也较低。然而，这也需要考虑到导线粗细与成本之间的权衡。另一方面，线路节能策略还需要根据城市的用电量变化进行电压的分时段调节。例如，在日间，城市的用电量较高，分流电压也应相应降低；而在凌晨，城市的用电量减少，分流分压应适当提高。如果不进行适当的调节，将会浪费电能，并可能对城市照明设备的寿命产生负面影响。因此，分时段的电压调节是实现线路节能的有效策略。

2.2.4 控制节能

在满足照明需求的前提下，通过合理分配和利用能源，可以实现能源使用的最大化，从而降低能耗。这需要对照明系统的硬件和软件进行优化。首先，我们需要合理规划照明设备的开关时间，这需要综合考虑季节、天气和区域位置等因素。其次，我们可以利用新型的信息化技术，将城市照明系统转变为智能化或半智能化的运行模式。最后，我们可以安装调节器等辅助设备，以帮助调整照明系统中的灯光强度，从而进一步节省电能。通过实施这些控制节能策略，我们可以有效地提高城市照明系统的能源效率，降低能源消耗。

3 城市照明节能及智慧化管控改造

3.1 智慧照明节能管控系统设计

智慧照明节能管控系统不同于传统的照明系统，它会以大数据等智慧平台为依托，做出数据分析，然后进行研判后自动的调整城市照明系统的参数。但传统的照明系统大多由人工控制，并且节能的思路主要会从线路走向、光照强度以及选材上做出优化，并在建成后的时间段上进行调整，尽管有一定的成效，但依然有改进的地方。智慧照明节能管控系统可以利用大数据做出分析，并利用物联网、远程控制等技术实时监控和管理城市照明系统，不仅能够减少照明系统能耗，也可以提升照明系统的效率。

智慧照明节能管控系统的输入部分主要利用采集块、视频摄像等设备，例如光感系统、温感系统、湿感系统等，可以实时监控该区域内的环境参数情况并进行采集，采集后的数据经过传输模块到达数据中心，依托GPS系统或互联网平台传输到网络管理中心，并确保被传输的数据不丢失和失真。提供的内容包括单个路灯故障显示、报警信息显示，在地图上显示所有的路灯历史数据，进行实时监控，分析能量消耗数据和所实现的节能数据，查看灯具使用寿命等[3](图1)。

图1 智慧照明节能管控系统显示内容Fig.1 Intelligent lighting energy-saving control system display content

数据管理中心则会根据传输系统输送过来的实时环境数据、仪器参数状态等，进行管理和组织分类工作，为优化城市照明系统做出足够的数据支撑。有了这些支撑后，管控平台就可以做出人工或智能化的研判，结合区域情况自动化的调整城市照明系统的光照强度、光照时间等，这样既可以满足社会服务，又可以最大限度地减少能量消耗，以达到保护环境。

3.2 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，原本的设施可能已经不能满足当下人类的需求，因此需要对其升级改造，不仅节省人力物力，而且改造的效率更高。就目前而言，城市照明系统中普遍存在的问题就是灯具的光感差，耗能大，易出现故障，所以政府需要对其进行改造。如早期的钠灯、金卤灯具可能依然存在，或者更新后的高压钠灯也不足以满足当下的需求。目前很多城市已经替换为新型的LED灯，这种灯具有高光效、抗光衰等优点，对提高城市照明设施的运行，在绿色节能性起到积极作用。在具体实施时，应以群众需求为核心，针对夜间易发生事故的地区加强其照明系统的安全性，保证系统的正常运行，消除因照明系统的问题导致的交通事故。同时，结合现代化的技术，搭载5G等新技术，实现与智能化设备的接轨，完善智慧化城市的建设。不仅如此，在城市照明设施管理层面，也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。

3.3 城市物联网建设

信息时代的到来，不仅让人们享受着网络带来的红利，也让硬件方面得到快速发展。物联网就是使得虚拟与现实相结合的重要技术之一，而智慧城市的建设也必然离不开物联网的帮助。物联网的应用会基于大数据的基础，搭载硬件设施，让城市管理者获取足够高质量的数据以及足够精确的信息，然后根据数据及信息，利用大数据得到的分析，做出合理的管控，提高城市的功能性，增强市民的幸福感和舒适度，所以将物联网技术大仔在智慧城市的建设中是必要的手段之一。

而城市照明系统必然会使用到电气设施等硬件设备，这就为物联网与城市建设结合的实现奠定了良好的基础，包括可以将高清摄像头、传感器搭载在照明电灯杆。这样不仅能够做成让城市照明系统成为闭环式的循环系统，也能够成为其他系统的辅助系统，完善城市建设，并让城市的建设向智慧化方向发展。建设“基于灯联网的智慧城市系统集成及数据分析服务平台”，为企业提供相关产品和系统的测试评估环境、方法，为行业的健康发展提供有力保障，为政府、业主提供有效的解决方案[4]。

3.4 实际案例分析

3.4.1 项目情况

2019年杭州市政府发布《杭州市加快5G产业发展若干政策》，明确要求 “整合利用路灯杆、信号杆、监控杆、电力杆(塔)等社会杆(塔)资源，推进一杆多用”，加快推进杭州5G网络的建设工作。为将杭州打造成“全球5G先行城市和标杆城市”及“数字经济第一城”的发展目标，经萧山区政府批准，钱江世纪城管委会拟在世纪城建成区及亚运村片区进行5G多杆合一智慧化改造。

为了满足路灯、路牌、监控头、信号灯等不同的功能，城市道路上各种杆件林立，使得道路景观杂乱无章，也造成建设成本的浪费。为提升城市管理精细化水平，解决道路两侧各部门杆件重复建设等问题，有序使用城市空间，美化道路环境，对道路交叉口的路灯杆、交通设施杆、路名牌、导向牌等进行整合。

以杭州滨江区钱江世纪城主干道智慧路灯改造为实例，如何利用现代化的技术提升系统的节能效果，并让城市照明系统更好的服务社会人群，推动节能型城市发展。

杭州钱江世纪城主干道智慧路灯改造服务项目范围包括建成区的15条主干路，分别为观澜路、平澜路、奔竞大道、盈丰路、皓月路、利丰路、飞虹路、扬帆路、机场城市大道、振宁路与博奥路、金鸡路、民和路、市心路、鸿宁路交口，共计51个路口(图2)。

图2 杭州钱江世纪城主干道平面图Fig.2 Plan of the main road of Qianjiang Century City，Hangzhou

现场调研了路口情况、抓拍位置等照明区域位置，衡量路灯自身杆的条件和类型等，观察机柜安装位置及内部的线路、空间等结构，整体把握周边环境等。

调研过程中发现钱江世纪城建成区主要道路路口的路灯杆和监控杆、信号杆、分道牌杆、大路牌杆分别单独设立，密集度高，不符合建设节约型社会的总体要求；各类功能箱体多样无序，整个街道界面比较杂乱(图3、图4)。

图3 飞虹路道路路口杆件、树木现状照片Fig.3 FeiHong Road intersection pole，tree status photos

图4 道路路口配电箱、树木现状照片Fig.4 Road junction accessories，tree status photos

3.4.2 项目难点

3.4.2.1 工作重点

工作重点内容为拆除现有的路灯杆和交通杆，设计新建综合杆，以综合杆为载体，合理规划软硬件的分布和搭配，实现智能照明、视频采集、等多项公共服务的叠加。

3.4.2.2 难点分析

多杆合一具有一定的难度，需要经过精细化的设计。多杆合一项目中，照明依然是该系统的主要问题，所以照明系统不能做出弱化的退让，但是现在高速发展的社会必然会在不久的将来再次对城市照明系统做出升级计划，所以要拓展系统中的空间载体(灯杆、电气箱灯)的未来规划性能，保证其具备可升级性。同时电气设计考虑周全、供电通信配套要完善等，设计具有前瞻性，具体的难点如下：

(1)照明功能。合杆不能忽视照明功能的重要性，合杆必须经过国家标准的验证，并且具有通用替换件的后续储备，以便于及时的检修和更换维护。并且可以与其他的硬件相搭配，也有利于后续的维护管理。

(2)灯杆可扩展性。当下的合杆可以满足现在的需求，但是不代表可以满足以后得需求，所以要预留接口和空间，用于连接其他的设备，方便整体照明系统的升级和优化。现在的技术在不断提升，材料的使用寿命在明显增长，所以提前预留空间保证灯杆的拓展性有必要的。

(3)电气设计。合杆的功能众多，线路设计繁琐、硬件搭配复杂，但是其中的空间有限，无法达到完美配套，只能实现性价比较高模式，所以对电气的设计就有了较高。

(4)供电和通信难度大。合杆的是城市照明系统的主要搭载平台，所以用到的通信等配套对供电可靠性要求高，电缆、光纤配套要合理。

3.4.3 升级改造方案

道路杆件应按照“多杆合一”的要求，合理规划箱体布局，不占用人行通道，不阻挡人、车视线。城市照明系统也是城市中的一个标志，更为美观的照明设备容易被大众接受，所以需要综合考虑其外观的设计及美化工作。城市的有机更新一直被推进中，照明系统的建设也一直在优化和改进，所以需要在建设新的设备时，考虑未来发展的趋势，预留空间位置和负载限度。使用新兴的材料，能源的发展需求让众多科学家致力于发明新型的材料，用来迎合社会发展，新材料可以更为方便和节能，实现人与自然的和谐相处，最后要结合信息化技术的发展，物联网技术的更新迭代也在加快，将物联网技术与城市照明系统的结合，可以更好的实现精准化和自动化的控制，保证城市照明的稳定运转，基于数字化平台可以更方便的分析和发现问题，并利用物联网技术做出优化和改进，让城市照明系统更贴合人类社会的发展，实现高效、便捷、智能化的应用。

最后设计了4种不同类型、功能的多杆合一杆，每种综合杆分为四层，分别有不同的内容，51个路口，新建各类杆件共870杆，移除现有杆件1 704杆。这是其中的三横臂E型杆(图5)。

图5 多杆合一多功能路灯Fig.5 Multi-pole and multi-function street lamp

3.4.4 综合分析

这次对钱江世纪新城主干道智慧路灯的改造，是符合国家产业发展政策和规划要求，符合城市道路灯杆布局和结构调整政策，项目的建设对促进钱江世纪城智慧灯杆产业结构、技术结构、组织结构、产品结构的调整优化有着积极的推动意义，同时也能体现杭州第19届亚运会“智能亚运”的主题。

智慧灯杆有利于提高民众生活质量，此外，智慧灯杆的建设有助于加快推进基于信息化、数字化、智能化的新型城市基础设施建设和改造，通过共建共享，实现市政网、通信网、互联网、物联网“四网融合”。改造前后的街道界面对比(图6、图7)。

图6 观澜路与民和路交叉口改造前现状照片Fig.6 Guanlan road and Minhe road intersection before the transformation of the status quo photos

图7 观澜路与民和路交叉口改造后效果照片Fig.7 After the transformation of Guanlan road and Minhe road intersection photo

综上所述，本次建设的项目，其实用性价值大，经济性价比较高，不仅仅能够完善城市居民的日常生活，也可以做到与生态的和谐相处，稳定持续的发展。

4 结论

就目前而言，大多数的城市照明系统还是依赖于人工或者半人工维持运转，这会在一定程度上阻碍城市的智慧化发展，随着城市化的推进，城市道路能耗越来越高，同时道路照明的管理和维护成本也非常高，给城市管理者造成巨大压力，所以，对道路照明进行LED改造和智慧化建设势在必行[5]。因此我们可以借助智慧化的逻辑架构，对城市照明系统做出设计、运维等方面的优化，破除传统的城市照明原本的限制。

杭州钱江世纪城主干道智慧路灯改造的成功实施，证实智慧改造有利于提高民众生活质量，其特点是“综合、共享、智慧、和谐”，与新发展理念相契合，是对新发展理念的实践。