摘 要：城市照明监控技术在我国已有将近三十年的发展历史了，从过去简单的有线载波监控和无线监控技术发展到今天的网络通信技术，城市照明监控的理念正在发生变化，从早期的遥控、遥测、遥信等“三遥”系统逐步演变到包含遥视、遥调功能的“五遥”系统。本文主要介绍桂林市城市照明智能化、网络化控制技术的发展及应用。
关键词：城市照明 网络化控制技术 发展及应用
无论是“三遥”系统还是“五遥”系统，其核心的关键技术仍然是通信技术和软件技术，桂林市路灯管理处是国内较早开始进行城市照明监控系统研究的路灯单位，并与桂林市本地的两家通信技术企业展开多层次的技术合作，在多年的发展过程中，我们完成了从数字电台专网技术向GPRS无线和互联网结合的技术升级，并实现了监控技术与节能技术的充分融合，所诞生的新一代城市照明监控与节能管理系统具有明显的技术优势，主要分为以下几个方面。
一、网络化通信优势明显：
移动通信和互联网是目前世界上覆盖最广，影响力最大的网络，也是使用成本最低的网络，将移动通信与互联网进行结合，将形成一种“无处不在”的通信模式，从信号覆盖能力、数据传输速度、通信网络性能、系统安全等方面来对比，已远远超越了短波方式的数字电台专网系统。目前典型的接入方案是：监控终端采用GPRS方式登录移动通信网络，通过“.NET”网关连接到广域互联网；中心服务器通过光纤绑定一个静态IP连接到互联网。
通信技术的变化对系统的架构产生了重大影响，监控系统的核心运行环节已由可靠性相对较高的系统中心服务器来承担，其安全等级要明显高于数字电台专网方式的“前后台监控主机”互为备份的模式。
在网络化通信中，监控主机与远端监控设备在网络中是“对等”关系，即在任何时候，数据包可以从监控主机向远程监控设备传递，也可以从远端监控设备向监控主机传递，这种数据传递是并行发送的，即监控主机可以同时向很多台远程终端发送数据，这些远程终端也可以在同一个时刻同时向监控主机发送数据，只要网络的带宽足够，监控主机能够在很短的时间内与全部远程终端进行一次数据交换。这种并行处理的通信方式与逐点轮询的数字电台专网方式相比，其效率要高出上千倍。
二、短距无线通信技术演绎精细管理
传统的城市照明监控系统往往只做到“线控”,由监控终端对照明配电箱的开关进行控制，同时采集配电箱的工况参数进行分析，判断照明设施是否处在正常状态下运行。只能了解到配电箱的电流电压这些简单的参数。对于照明管理者来说，了解每一盏路灯的工作状态才是管理的最终目标，路灯管理中有一个“亮灯率”的重要指标，这个指标是主管部门对路灯管理单位进行考核的重要依据，传统技术采用线路负载电流或功率来评估亮灯率，由于线路电压的波动、光源伏安特性非线性，以及灯具老化带来的一些不确定因素等，传统的评估方法远没有能够达到应用要求，只有精确获得每一盏光源的工作状态才能进行准确的亮灯率统计。
基于上述认识，我们提出了精细管理的概念，要实现基于单灯的精细管理，需要解决监控终端到灯具的通信问题以及单灯装置智能化的问题，在通信网络中，监控终端相对于监控主机而言，是远端执行节点，但相对于单灯智能化装置来说，它又是一个管理节点，单灯智能化装置是监控终端的远端执行节点；
由此可见，系统网络被分成了两层，监控终端到监控中心这一层称为主干网，智能化单灯装置到监控终端这一层称为二级子网，根据“木桶原理”,一个多层结构的网络效率取决于它所有网络结构中效率最低的一层，主干网完成一次数据交换只需要几秒钟时间，效率很高，要保持这个效率优势，势必对子网的效率提出很高的要求， 只有600bps速率和采用半双工模式的电力载波通信技术显然不能胜任，这种速率要完成对250支灯柱的轮询差不多需要半个小时。
具有250Kbps空中速率的2.4G短距离无线通信技术很好地解决了这个问题，这种被称为Zigbee的短距离无线网络基于IEEE 802.15.4标准构建，是一种智能化网络，用于组建单灯信息装置到监控终端的子网，具有以下技术优势：
1. 低功耗：在低耗电待机模式下，一节2400mAh/3.6V的长效锂电池可支持1个节点工作36个月甚至更长的时间；
2. 低成本： 通过大幅简化协议（ 不到蓝牙的1/10），降低了对通信控制器的要求，也降低了成本；
3. 高速率：使用2.4GHz频率的Zigbee网络能够提供250Kbps的原始数据吞吐率，满足监控终端对子网中几百个单灯信息装置的高速扫描的效率要求；
4. 近距离：传输范围一般介于100~300米之间，由于子网节点具有智能路由的功能，对于不超过几公里分布范围的单灯信息装置非常适用；
5. 免执照频段：可采用直接序列扩频在工业、科学、医疗领域进行应用的频段是2.4GHz（全球）、915 MHz（美国）和868 MHz（欧洲） .
解决了监控终端到单灯信息装置的通信效率问题，另一个重要的事情就是对单灯状态进行描述，当我们只能对照明配电箱进行监控时，我们只是迫切地想知道每一盏路灯的状态是处于点亮还是熄灭，当我们把触角延伸到单灯时，我们可以了解到更多的单灯信息：
·正常熄灯状态：根据上级节点的控制预案正常关闭；
·非正常熄灯状态：点火失败、二次点火保护、光源电器寿命终结、短路保护、开路保护、线路供电故障等；
·计算光源电器寿命指数：可通过光源的电流特性分析计算光源的老化程度，当光源接近寿命时限时，单灯信息装置向上级节点发送光源更换提醒；
·夜间电缆防盗告警：夜间是电缆被盗风险最高的时段，并且大部分发生在熄灯以后，由于采用单灯控制，可以做到熄灯后电缆仍然带电，单灯信息装置自身配备有长效锂电池，当夜间发生电缆局部停电事件时，会立即触发告警；
上述丰富的单灯信息为城市照明监控实施精细管理提供了依据，精细管理带来的好处是多方面的，首先它结束了路灯单位耗费大量人力物力的“夜间巡灯”制度，不但可以准确对故障光源电器进行定位，而且可以对寿命即将终结的光源进行提前预告。对光源寿命进行计算分析的功能具有重要意义，因为在光源寿命后期，光源的光效明显下降，功耗上升，有研究显示，高压钠灯在接近70%寿命时就应该及时更换。
精细管理除了可以准确统计亮灯率和对光源寿命进行分析之外，还可以实施精确的开关灯管理和调光控制，真正实现按需照明的管理目标，这是一种在降低能耗方面有着非常显著效果的管理手段
三、单灯节能调光技术
国内在十几年前就开始倡导城市照明节能了，市场上的路灯节电器种类繁多，占主流的仍然是集中调压类产品，这类产品在线路电压偏高和前后半夜电压波动较大的地区有一定的节能效果，但由于对电源品质没有做实质性的改善，节电效率不高。据调查，很多城市使用了集中调压路灯节电器以后，因为路灯亮度明显降低和导致线路尾端容易熄灯等故障，真正投入使用并不是太多。
以气体灯为主要光源的城市照明节能技术，需要从电源上解决光源的驱动问题，修正功率因数和进行恒功率控制，显然，集中式节电技术无法做到，只能从单灯控制入手。
经过将近两年时间的研究，一种基于功率因数校准和恒功率控制技术的调光节能模块已接近测试尾声，目前已达到应用要求，调光节能模块在100%功率输出时，功率因数高达0.97,与传统技术相比已有将近30%的节能效果，且没有损失发光效率；同时采用软启动技术，减轻了钠灯在启动时对照明线路产生的冲击。
满足精细管理需求的调光节能模块采用智能化设计，能根据单灯信息装置的调度指令调整输出功率50~100%,达到调光节能效果；同时监控中心可以根据不同时段对光照度的不同要求，设置多种点亮模式，如前半夜从点亮开始，调光节能模块从全功率输出状态慢慢调整到半功率输出状态，进入后半夜后采用隔盏亮或单侧亮的模式进入节电状态。利用优化的精细控制手段，达到管理节能的目标，一般来说，管理节能的潜力大约在20%左右。