城市照明監控系統技術方案

1 建設照明監控系統的必要性
　　
　　隨著城市建設的發展，城市照明建設越來越注重于城市的形象，道路照明和景觀照明的要求和數量不斷增加，今后城市照明管理部門除了管理城市道路照明外，還將參與城市景觀燈的管理。因此各級政府和市民對城市的建設、道路照明和景觀照明提出更高的要求。希望實現城市照明管理的現代，使城市管理水平達到水平。
　　
　　1.1 現行的控制方法
　　
　　現在采用控制方法以分散時控方式為主，即在路燈配電箱中安裝定時器，按預定的時間自行開/關燈；而有些景觀燈開關通常是人工手動控制方法。
　　
　　1.2 現行控制方法的缺陷
　　
　　現行的方法既不能及時調整開/關燈的時間，更無法及時反映照明設施的運行情況，并且故障率高、維修困難。隨著城市的不斷發展，控制范圍越來越大，現行的控制方法無法及時反映照明設施的運行情況，使得維修工作十分被動。運行過程中的故障只有等待巡視人員到達現場才能發現，或者被動地等待市民的電話反映，因此難以做到及時維修。
　　
　　在遇到一些視察、國賓接待、舉辦大型活動等特殊任務時，由于缺乏靈活的控制手段，必須臨時派出大量的人員到現場手動操作照明開關箱或者臨時通知各景觀燈單位，因此在時間十分緊迫的情況下，無法滿足圓滿完成任務的要求。
　　
　　此外，由于缺乏靈活的控制手段，花費大量經費建設起來的各類景觀燈，難以充分發揮應有的效能。
　　
　　
　　
　　2 城市照明監控系統的效益分析
　　
　　2.1 社會效益分析
　　
　　隨著社會文明的不斷發展，路燈已不再局限于街道照明，而是發展為表現城市景觀、體現城市形象的重要標志。因此，現代社會對路燈的管理和維護也提出了越來越高的要求，這些要求包括根據光照度變化及時開/關燈、隨時調整景觀燈的開/關燈時間并進行應急調度、及時發現故障并立即進行修復等。
　　
　　目前各城市管理部門所采用的控制方式已很難保證城市照明系統的正常開關燈和運行，特別是當照明控制箱或線路出現問題時，就有可能造成大面積滅燈，產生較壞的影響。同時由于缺少實時監測手段，無法實現故障的及時發現和維修。隨著政府和市民對照明管理和維護要求越來越高，照明管理部門的管轄范圍也越來越大，為了及時發現故障并立即進行修復，仍然采用檢修車上街巡燈的方法越來越難以勝任。
　　
　　采用城市照明自動化監控系統以后，全市范圍的全夜燈、半夜燈和景觀燈的開/關均可實現自動控制。同時，由于照明自動化監控系統具有自動報警和巡測、選測功能，調度人員可以在故障發生后的數秒鐘內及時了解故障的地點和狀態，為及時進行修復提供了有力的保障。路燈維護及時，可以極大地減少對照明管理部門的投訴、減少道路交通事故的發生，有利于城市的治安，產生極大的社會效益，從而進一步提高城市的形象。
　　
　　2.2 經濟效益分析
　　
　　2.2.1 節約路燈維護費用
　　
　　 路燈自動化監控系統將傳統的“巡燈查找故障”改為“值班等待報警”，不僅減少了“巡燈”人員和車輛損耗，降低了維修成本；而且在檢修車出所之前已經知道了故障的準確地點和基本狀態，因而縮短了維修時間、提高了檢修效率；由此將產生了極大的經濟效益。
　　
　　2.2.2 節約大量的電費支出
　　
　　無線照明監控系統能提高開/關燈的可靠性和可檢查性，避免白天亮燈情況的出現；同時，系統采用光控和時控相結合的控制方案，在預置的時間區段內根據光照度決定路燈的開或關，既能在陰雨天自動延長照明時間，又能在晴好天氣自動縮短照明時間；這些措施既可滿足市民對道路照明的需求，又避免了路燈的無謂開啟，減少了開燈時間,從而節約了大量的電能。
　　
　　根據已建的照明監控運行表明，采用照明監控系統后，每天大概可以減少路燈開燈時間25分鐘左右。如果按每天運行十小時計算，則可節約4.2％的電費支出。
　　
　　如果通過對照明線路的改進，增加路燈的半夜燈控制方案或景觀燈在非節假日采用只開部分景觀燈的控制方案，因此可節約大量的電費支出。
　　
　　2.2.3 提高燈具壽命，降低運行成本
　　
　　以外由于減少了開燈時間，延長了燈具壽命，降低運行成本，進一步提高了經濟效益。
　　
　　2.2.4 實現自動計費功能，減少電費支出
　　
　　 無線照明監控系統具有遠程自動抄表和計量電費功能，每天、每月、每年的照明用電能夠及時的自動采集、計算、存儲、打印，隨時了解用電情況，實施有效管理，降低支出，提高經濟效益。對景觀燈還可采用雙計費功能，實現政府開燈與各景觀大樓業主自行開燈分別計費的方式，減少政府與大樓業主為電費的相互扯皮的現象，保證雙方的利益。
　　
　　2.3 實現照明系統的管理現代化
　　
　　城市照明監控系統能將采集到的數據自動進行存儲、統計，并能隨時進行查詢和打印，為管理現代化提供了基本條件。
　　
　　3 系統設計依據
　　
　　本方案依據北京嘉復欣科技有限公司業已完成的照明監控系統和結合當前無線監控技術的發展，并根據各城市照明管理部分對照明監控系統的技術需求編制而成。
　　
　　4 設計原則
　　
　　4.1 可靠性
　　
　　 由于系統的服務對象是廣大市民，稍有差錯即會產生嚴重的社會后果；同時監控設備長期在野外運行，工作環境極為惡劣；因此必須充分考慮系統的可靠性，要求監控系統能夠長期穩定地運行；同時要求監控系統在個別設備出現故障的情況下仍能穩定運行，不影響或者少影響照明系統的按時開啟和關閉。
　　
　　4.2 性和實用性
　　
　　 設備須符合相關國內、國際標準，整個系統應是目前國內的，并長期處于國內較為的水平。同時，應以實用為原則，不可脫離實用性而盲目追求性，從而造成華而不實、浪費資金，降低可靠性。
　　
　　4.3 可維修性
　　
　　 系統的設備模塊化設計，并且各單元部件具有故障定位指示，便于設備維修。
　　
　　4.4 可擴展性
　　
　　 硬件采用模塊化設計，軟件采用組態化設計，使得系統擴展、升級均不必改變現有設備的狀態。
　　
　　4.5 通用性
　　
　　 硬件設備具有通用性，通過不同的軟件參數設置，可以實現不同的功能。
　　
　　4.6 經濟性
　　
　　 盡可能采用成熟的技術，選擇性價比高的方案和設備，既要考慮初期建設費用，也要降低今后的運行維修費用。
　　
　　
　　5 系統主要技術指標
　　
　　5.1 系統容量：1個主站，1萬個監控點。
　　
　　5.2 可以實現群控和組控
　　
　　 系統終端根據需要可以把全夜燈、半夜燈、各種景觀燈分為不同功能組，實現群控和組控。
　　
　　5.3 通信方式
　　
　　根據用戶的具體情況、通信技術的發展，本方案建議采用GPRS通信方式。
　　
　　5.4 工作環境溫度
　　
　　照明監控端的工作環境溫度范圍滿足 －30℃ ～ +65℃。
　　
　　主臺為0℃ ～ +40℃。
　　
　　5.5 數據采集精度
　　
　　 為了保證亮燈率的統計，交流電流、電壓、有功功率、功率因數采集精度優于 1.0 %。
　　
　　
　　6 照明控制方案
　　
　　6.1 分組控制
　　
　　系統可以根據不同類型的照明控制要求，把全市路燈和景觀燈分成若干組，分別采用時控方案或時控和光控相結合的控制方案，自動遙控開/關全夜燈、半夜燈和景觀燈；也可以手動對全夜燈、半夜燈和景觀燈進行遙控開/關操作；在特殊情況下，可以實現白天亮燈。
　　
　　6.2 時控和光控相結合的路燈控制方案
　　
　　目前,路燈控制方案主要有時控法和光控法兩種。
　　
　　時控法的主要缺點是不考慮天氣對光照度的影響，每天在固定的時間開/關燈；從而造成陰雨天光照度嚴重不足但沒有開燈，或者晴朗天氣雖然到了固定開燈時間但光照度仍然充足，白白浪費電力；關燈時間的固定不變，同樣出現類似的不合理現象。此外，隨著季節的變化，定時器需要人工頻繁地調整。光控法的主要缺點是在光線不足的白天，或者夜晚有強光照射時都有可能發生誤動作。
　　
　　為了克服兩者的不足，本系統采用時控和光控相結合的路燈控制方案。該方案基于模糊控制理念，以當地365天日出日落的時間作為基本條件，設定一個有效的開/關燈時段，在此時段內根據光照度的具體情況自動執行相應的開/關燈命令；若該時段結束時光控仍未起作用，則在該時段結束時，監控終端自動按時控方式開/關燈。
　　
　　 光控時段值和光照度值均可在線修改，軟件界面如右圖所示。此方案可根據當天的實際光照度及時地開/關燈，既可節省大量電力，又可產生較好的社會效益。
　　
　　在特殊情況下，系統也可以實現白天亮燈。
　　
　　根據已建的照明監控運行表明，如果原來是采用日出日落時間作為開關燈時間的話，則在采用時控和光控相結合的控制方案后，每天大概可以減少路燈開燈時間25分鐘左右。如果以每天平均開燈10小時計算，則可節約4%左右的電費。
　　
　　6.3 景觀燈控制方案
　　
　　景觀燈控制采用分組定時控制方案，即可以把不同地理位置和要求的景觀燈分成若干組，對不同組采用不同的定時控制方案。
　　
　　采用的全組態設計，通過控制室微機的設置程序，可任意設置一年中的開/關燈時間以及每周固定的開/關燈時間。通過群控方式，可將景觀燈進行分組，不同組采取不同的控制方案；也可通過選控方式，將相應的飾燈逐點控制，更增強了系統的靈活性。
　　
　　7 照明監控通信系統
　　
　　7.1 系統通信方案的選擇
　　
　　正確選用系統通信方案，是城市照明監控系統得以成功運行的必要前提，在照明監控系統中目前可采用的通信方案主要有無線專用網、移動通信網中的GSM短消息、USSD和GPRS通信方式。根據要求本系統通信方案選擇無線移動公用網的GPRS通信方式。
　　
　　通信系統的組成框圖見下圖。　　

　　　　
　　7.2 系統GPRS通信方案特點
　　
　　GPRS (General Packet Radio Service)是通用分組無線業務的英文簡稱，是在現有GSM系統基礎上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM 用戶提供分組形式的數據業務,具有“在線”、“高速傳輸”等優點。特別適用于間斷的、突發性的和頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大數據量傳輸。
　　
　　相對于原有GSM撥號方式的電路交換數據傳輸方式,GPRS網絡采用的分組交換技術，具有以下優點：
　　
　　(1)在線。即用戶無需為每次數據的訪問建立呼叫連接。
　　
　　(2)高速傳輸。數據傳輸速率理論上可以達到171.2kbps,目前傳輸速率可以一般達到40kbps。
　　
　　(3)流量計費。用戶只需要為接收和發送的數據報支付費用，因此相對運行費用較低。
　　
　　(4)快捷登錄。 一般只須10秒即可登錄互聯網。
　　
　　GPRS 采用與GSM 同樣的無線調制標準、同樣的頻帶、同樣的突發結構、同樣的跳頻規則以及同樣的TDMA幀結構，其分組數據信道與當前的電路交換的話音業務信道極其相似。因此，現有的基站子系統從一開始就可提供全面的GPRS 覆蓋。下圖為通信系統組成框圖：
　　
　　監控中心的前后臺監控微機接入Internet（可采用DDN專線、ADSL等多種方式），GPRS終端與監控中心建立連接，監控中心與GPRS終端通過GPRS網絡，實時傳遞指令和數據。
　　
　　7.3 GPRS系統組網方式
　　
　　GPRS的應用非常廣泛，幾乎所有行業都能用到GPRS的無線數據傳輸。但每種行業的實際需求和復雜的應用環境都大不相同，所以每種行業都會有自己的功能要求和組網方式。目前GPRS的組網方式有以下四種可行的組網方案：
　　　1）方案一：中心采用ADSL等INTELNET公網連接，采用公網固定IP或者公網動態IP+DNS解析服務。
　　　　此種方案向先INTERNET運營商申請ADSL等寬帶業務。
　　　　1、 中心公網固定IP：監控點直接向中心發起連接。運行可靠穩定，推薦此種方案。
　　　　2、 中心公網動態IP+DNS解析服務：客戶先與DNS服務商聯系開通動態域名，監控點先采用域名尋址方式連接DNS服務器，再由DNS服務器找到中心公網動態IP，建立連接。此種方式可以大大節約公網固定IP的費用，但穩定性受制于DNS服務器的穩定，所以要尋找可靠的DNS服務商。此種方案適合小規模、對實時性要求不高的場合中應用。
　　　2）方案二：中心采用主副GPRS-DTU，采用移動內網動態IP+移動DNS解析服務。
　　　　此種方案客戶先與移動DNS服務商聯系開通移動動態域名，監控點先采用域名尋址方式連接移動DNS服務器，再由移動DNS服務器找到中心移動動態IP，建立連接。中心也用GPRS-DTU做接收端，但GPRS無線方式的中心不如有線方式的穩定，所以采用主副兩個GPRS-DTU作冗余備份。主中心GPRS-DTU接收端掉線時，所有監控點自動轉到副中心GPRS-DTU接收端。此種方式也可以大大節約固定IP的費用，但并不是所有移動公司都提供DNS解析服務，所以要在有DNS解析服務的省市才能采用此種方案。此種方案適合小規模應用。此種方案時時性和穩定性較差，不推薦使用。
　　　3）方案三：中心采用主副GPRS-DTU，采用移動APN專網固定IP。
　　　　此種方案客戶先與移動申請APN專網業務。移動為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有監控點及中心分配移動內部固定IP。此種方案中心也像方案二一樣采用主副兩個GPRS-DTU作接收端，冗余備份。但此種方案較方案二而言，無需DNS解析，本身具有移動內網固定IP，減少中間環節，穩定性增強；且所有數據都在移動GPRS的APN內網傳輸，無需經過公網，安全性增強。此種方案無需負擔寬度專線月租費用，性價比合理，推薦使用。
　　　4）方案四：中心采用移動內網固定IP地址，監控點采用普通的移動動態IP
　　　　此種方案客戶先與移動服務商聯系，可以就近從移動GSM基站引入光纖專線，開通移動內網固定IP，監控點先采用普通的SIM卡并開通GPRS功能，通過移動內部網關與中心建立連接。此種方式也可以大大節約固定IP的費用，各監控點也無需設置固定IP。此種方案實時性較好，由于監控點使用動態IP，穩定性稍差一些，推薦使用。
　　 5） 方案五：中心采用APN專線，所有點都采用內網固定IP
　　　　此種方案客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網絡，雙方互聯路由器之間采用私有固定IP地址進行廣域連接，在GGSN與移動公司互聯路由器之間采用GRE隧道。為客戶分配專用的APN，普通用戶不得申請該APN。用于GPRS專網的SIM卡僅開通該專用APN，限制使用其他APN。得到APN后，給所有監控點及中心分配移動內部固定IP。移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。
　　 對與照明監控系統而言，由于系統組成的監控點較多，實時性要求較高，因此建議采用第五種通信組網方式。為此照明監控中心的服務器將需要專線方式接入移動公司的GPRS網絡，所有的監控終端都采用特定IP地址，以保證監控信息的可靠、安全、及時的傳輸。
　　
　　8 系統控制中心（調度端）設計
　　
　　8.1 調度端系統框圖（見下頁）
　　
　　 照明監控系統調度端采用前、后臺機連網工作方式，選用帶看門狗的適合連續工作的工業控制計算機。一般情況下，前臺機作為監控工作站承擔遙測、監控、調度等工作；后臺機平時自動備份前臺機的數據，當前臺機出現故障的情況下，可以隨時切換頂替前臺機工作；從而極大地提高了系統的可靠性。同時，考慮到計算機網絡技術的發展，系統具有網絡接口，接入服務器、管理工作站等，系統就可以很方便地組建為路燈管理處局域網，通過網絡實現照明監控數據和圖像信息共享。
　　
　　系統外部的計算機均可通過撥號上網，采用加密查詢的方式訪問相應的各類和歷史數據。同時，系統也可以通過電話語音方式查詢當前的情況，或相應的和告警方式實現電話語音告警。整個系統的網絡化設計為今后的生產管理與辦公自動化的實施奠定了良好的基礎，同時保留了足夠的軟件與硬件擴展接口，以便現有的監控系統能隨著網絡技術的飛速發展，發揮越來越大的作用。

　　　　
　　9 照明監控終端
　　
　　9.1 照明監控終端的基本性能
　　
　　照明監控終端（RTU）選用北京嘉復新科技有限公司生產的STC-205型系列照明監控終端。該終端選用工業級芯片，允許在－40℃～+80℃的環境溫度下的連續運行；采用多CPU與DSP協作工作方式，其中關鍵芯片采用美國表面貼裝芯片，通過數字信號處理（DSP）技術，實現交流采樣方案，交流電流、電壓采集精度優于 0.5%；設備設計、生產全過程進行ISO-9001質量控制；印制板焊接采用波峰焊技術消除了人工焊接的漏焊和虛焊；每臺整機都進行100小時高溫上電老化排除了早期失效，有效地保證了設備的出所質量，現場開箱率達到99%，平均時間達到10萬小時。
　　
　　監控終端外形如圖所示。　　
　　

　　
　　
　　照明遠程智能監控終端的采集和控制的內容包括：
　　
　　l 遙測：1路三相電壓、12路電流及有功功率和功率因數、2路直流（測光照等）
　　
　　l 遙控：6路繼電器輸出，觸點為交流220V12A，一組常開和常閉觸點
　　
　　l 遙信：8路隔離開關量輸入
　　
　　l 通訊：2路隔離232或485接口，MODBUS協議
　　
　　l 射燈等各種不同底燈型。
　　
　　l 具有遠程抄表接口。
　　
　　l 具有遠程自動調壓接口。
　　
　　l 具有單燈監測接口。
　　
　　l 具有加裝防盜線模塊接口。
　　
　　9.2 照明監控終端主要功能
　　
　　9.2.1 自動報警
　　
　　l 當采集到的交流電流、電壓超過上下能自動報警。
　　
　　l 當白天亮燈或晚上熄燈時能自動報警。
　　
　　l 當供電停電時通過自備電源運行，同樣能自動報警。
　　
　　9.2.2 獨立運行
　　
　　當發生中控室微機或通信線路發生故障時，終端會根據預先設定的程序定時自行開/關燈，以確保路燈照明線路的正常運行。
　　
　　9.2.3 監控終端斷電運行
　　
　　 監控終端內裝有不間斷電源，具有斷電運行功能，能在供電線路斷電時及時告警，使有關部門在時間獲知并搶修，同時具有防盜報警功能。在基本配置中，停電后能夠維持終端正常工作4小時。
　　
　　 不間斷電源能防止過分充/放電，保證長期使用。
　　
　　9.2.4 現場自動設定功能
　　
　　 通過手持式鍵盤、顯示器，可以現場中文顯示，便于現場的安裝調試和維護、維修，并可控制該點的全夜燈、半夜燈、景觀燈等，其顯示的內容如下：
　　
　　l 時間（年、月、日、時、分、秒）
　　
　　l 開、關燈的最后時限
　　
　　l 采集的交流電流和電壓值
　　
　　l 輸入的開關量狀態
　　
　　l 輸出的開關量狀態
　　
　　l 在自檢狀態下，可以顯示或修改本機的多種工作參數
　　
　　9.2.5 抗干擾能力
　　
　　 由于監控終端一般均安裝在干擾較大的環境中，為了保證系統可靠工作，終端的軟硬件設計中采用了下列多種抗干擾措施。
　　
　　l 對現場采集的模擬量和開關量信號在硬件上采用隔離和限幅等防強干擾措施。在軟件上采用數據濾波處理，保證了數據的準確性。
　　
　　l 對開關量輸出采用軟件連續循環置位輸出的處理方法，保證了輸出的可靠性。
　　
　　l 對強干擾信號造成的運行出錯采用軟硬件自恢復電路處理。保證在無人值守時也能可靠運行。
　　
　　l 對采集到的高壓交流信號實行多重防電脈沖沖擊和防雷保護措施，已在實際應用中獲得了的效果。
　　
　　9.2.6 高可靠的變送器電路
　　
　　 選用交流電壓、電流二次互感，具有輸入輸出隔離、精度高、功耗低等優點，加以輸入端的多重防護措施，極大地提高了傳感器的可靠性和精度。
　　
　　9.2.7 通用化設計
　　
　　 終端所有工作參數都可通過終端或中控微機中的設置軟件包進行在線設定和修改。工作參數包括：站號、通信參數、現場物理量參數、模擬量的計算方式、采集方式、矢量設置和組合報警等內容。用戶可隨時根據現場情況（如全夜燈、半夜燈、景觀燈等各種類型）自行組態各終端的工作參數，從而既保證了監控終端設備的通用性，又保證了系統具有極大的靈活性。
　　
　　9.2.8 防盜報警功能
　　
　　在照明控制箱門處加裝箱門開關，但外人打開加箱門時能自動向主臺報警，保證照明設施的安全。
　　
　　9.3 照明監控終端擴展功能
　　
　　9.3.1 遠程抄表功能
　　
　　終端設備具有RS-485抄表接口，可以自動讀取電子電表的數據。實現系統的遠程抄表功能。
　　
　　9.3.2 遠程自動調壓接口（選配）