摘 要： 随着智慧城市建设在国内的推广，与之密切相关的云计算技术、物联网技术也在城市管理的各个行业得到了更充分的应用。其中城市照明监控系统平台伴随着地理信息系统、生产管理系统、运行指挥调度系统、基于物联网单灯控制的照明监控节能系统等相关系统的逐步应用，将发展成为整合城市照明管理各个流程、数据、状态的“云平台”，本文主要阐述目前城市照明监控、管理系统的功能和发展趋势与同行们探讨。
关键词： 城市照明 监控系统 云计算技术 发展趋势
城市照明自动监控与管理系统是由调度端的微机网络系统、无线通信系统和现场的智能终端(RTU)以及配套仪表组成。系统可根据当地的日出日落时间以及光照值，采用时控和光控相结合的控制方法，通过无线通信信道自动遥控开、关路灯，并能智能遥测现场的工作电压、电流和接触器状态等数据，可对采集到的数据进行分析，自动计算亮灯率，判断城市照明运行情况。系统可实现各种故障的语音和声光报警、防盗报警，提高城市照明系统的运行可靠性。
一、城市照明监控与管理系统的主要功能
1．监控系统的控制功能：
（1）自动或手动遥控全夜灯、半夜灯和景观灯的开灯和关灯；
（2）可扩展物联网单灯运行模式，支持对单个灯杆单灯控制；
（3）系统采用时控或时控和光控相结合的控制方案，满足各种控制要求；
（4）独立运行功能，通信系统出现故障时，可以根据预先设置的时间，自动定时开/关灯；
（5）系统根据需要可把路灯或景观灯控制终端分为不同功能组，以实现群控和组控等多样化控制；
（6）景观灯的开/关灯时间可任意组态设计；
（7）分组方式可以在监控中心任意设置。
2．监控系统的测量功能：
（1）自动、手动巡测、选测控制箱电压、电流、有功功率、功率因数和接触器状态等参数；
（2）可扩展物联网单灯模块，测量单灯电压、电流、有功/无功功率、功率因数，支持单灯多档位降功率运行模式。
3．监控系统的通信功能：
系统支持多种通信方式，如230MHz无线专用数传网、无线公网中的GPRS、CDMA、3G、GSM短消息和电力载波、光纤等多种通信方式。
一般建议采用无线公网通信方案。
4．监控系统的告警功能：
（1）监控终端具有停电运行功能，停电后自动向监控中心报警，并能继续运行10小时以上；
（2）系统报警采用终端主动报警和监控中心调度端报警相结合的报警方案；
（3）系统增加可以防盗线和防变压器被盗模块，实现路灯电缆、变压器等照明设施的防盗报警功能。
5．城市照明监控与管理系统的可靠性设计：
（1）监控终端设备具有自运行功能；
（2）利用卫星定位系统（GPS）自动对全系统校时，实现精准控制；
（3）网络系统具有可靠的防范和安全措施。
6．监控系统的管理功能：
（1）计算、统计、查询各路灯控制箱输出回路的亮灯率；
（2）支持各种版本电子地图，以地理信息系统为数据管理平台；
（3）查询打印各路灯控制箱的任意时间的定时数据与统计数据；
（4）B/S架构，支持主流操作系统；
（5）支持手机、笔记本电脑等便携式智能设备的远程监控模块，实现随时随地的监控和管理功能
（6）可与生产管理、数字化照明、数字化城管等系统无缝对接。
图1 城市照明监控系统网络图
7．监控系统的扩展功能：
（1）系统增加视频图像监控子系统，支持大屏幕投影系统；
（2）系统可以增加GPS车辆定位系统，并与其联合运行；
（3）系统可选配远程调压接口，实现智能调压设备联合运行；
（4）系统可扩展智能抄表系统，随时了解照明系统用电情况。
二、城市照明监控与管理系统的主要技术指标
1．系统容量：1个主站、最大可扩至1万个监控终端，单个终端支持1千个单灯监控点；
2．无线通信方式：230MHz专网或3G、GPRS、CDMA和GSM短消息等多种通信方案；
3．数据采集精度：优于1％；
4．监控终端工作环境温度：－40℃ ～ + 70℃。
城市照明监控与管理系统组成网络示意图如图1所示。
三、城市照明自动监控和管理系统的发展趋势。
1．通信技术发展趋势
（1）国内从20世纪80年代随着城市大型化和照明需求多样化的发展，开始进行城市照明自动监控和管理系统研制。按通信手段分为有线方式、无线专网方式和移动公网方式三个阶段；
（2）20世纪80年代开始研制采用电话线和电力载波的有线方式，由于通信质量不稳定、开发区与主城区分离、不断产生的城乡结合部难以及时布线和费用昂贵等因素未能成熟推广；
（3）20世纪90年代开始研制采用230MHz无线专网方式（少数400MHz），由于安装方便、技术成熟、扩展简洁等特点获得一定应用。但由于无线专网方式是一种基于串口的一点对多点通信技术，具有覆盖半径有限和空中通讯速率较低、通信时主站只能与一台设备进行数据交换等缺点，随着城市大规模发展，当系统终端数量达到一定程度时，必然会遭遇通讯瓶颈。同时城市建筑高层化、超规模化的趋势使有效通信组网实施难度逐渐加大，目前国内采用无线专网通信方式的系统有100个左右；
（4）2002年5月中国移动推出GPRS通信方式，由于成功解决了城市大型化、高层建筑密集化和管辖范围不断扩大的通信难点，迅速引起了广大研发单位和应用单位的关注。初期因为移动GPRS设备容量有限，运行费用极高（为现在的10倍以上）以及GPRS专用通信模块技术的发展限制，影响了该通信方式的发展。2003年中期，天津市和长沙市率先采用GPRS通信方式的照明监控和管理系统，到2005年开始出现完整成熟的GPRS照明监控和管理系统。无线公网通信方式还包括USSD方式（开通地区较少，代表地区为乌鲁木齐和浙江等地）和CDMA方式(较少运用)，截至2007年末，国内采用无线公网通信方式照明监控和管理系统的城市近50个，2011年末据不完全统计已经超过两百个，发展迅速。无线公网通信方式，是面向未来发展的通信方式，将有利于与新一代通信技术、网络技术衔接发展;
（5）2009年，中国移动、联通、电信在重组后，陆续对第三代移动通信技术（简称3G）开展了商业应用。3G是支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术，速率是GPRS、CDMA等2.5代通信技术的十倍以上，因此在城市照明监控领域，也迅速开展了研发与试用，如宁波、苏州等城市在2010至2011年期间，分别对三家运营商的3G系统在照明监控系统进行了应用测试，但其结果均不尽如人意。一方面，在针对城市照明监控系统突发性、小数据、实时性要求高的数据传输模式上，3G系统与2.5G的GPRS、CDMA系统相比，并无突出优势；另一方面，在要求大数据量、长时间稳定传输的高画质图像系统方面，与光纤传输还有很大差距；同时，中国移动采用的3G标准--TD-SCDMA作为我国自主标准，在通信模块的产业化方面与中国电信和联通采用的国际标准相比严重滞后。因此，对在国内照明监控领域占主流的GPRS通信技术进行3G升级举步维艰，唯有进入几年后投入大规模商用的4G时代，才能有效解决标准的兼容性以及应用推广的技术与产业化瓶颈从而带动国内照明监控系统的通信技术全面升级并发展基于4G通信的更多行业应用。
2．智能终端(RTU)的主要技术要求和发展趋势
智能终端是城市照明监控和管理系统的关键组成。智能终端以微处理器为核心，配以各种功能单元可完成现场的数据采集、运算、处理、存储、显示等功能；并根据调度端的命令，通过无线传输信道完成数据的传送和对各种道路照明、景观照明的控制；当现场发生故障、盗窃或数据超限时能主动报警，保证系统安全正常运行；当与调度端通信中断时，可根据存储的开、关灯最后时限自动独立运行。其主要技术要求如下：
（1）硬件设计模块化、软件设计组态化、设备设计系列化、通用化、商品化；
（2）采用开放式设计理念，可以兼容将来出现的各种延伸需求；
（3）可增加智能调压或调功单元，实现对路灯亮度的智能控制；
（4）可增加物联网单灯控制单元，对单个灯杆或灯头的开关控制、运行参数测量、照明亮度分档节能，控制管理对象可以是单个的钠灯、LED灯、汞灯、无极灯、金卤灯等，实现城市照明的精准化控制。
（5）结合生产、运行现代化管理要求，可增加RFID（电子标签）接口，实现对所有照明设施部件的定位和状态等信息管理、实现城市照明管理的科学化、精细化。
（6）采用无线专网通信方式的终端应该具有智能路由中继能力，路由方案可调，可以实现灵活的通信组网方案。同时，可实现数/话通信的兼容设计；
（7）采用软、硬件相结合的防雷、抗干扰多重保护措施，同时具备防尘、防雨、防酸雾等技术处理，全面提高设备的可靠性；
（8）成熟的智能终端应该具备ISO 9001 2000版的产业化生产过程，在设备具有稳定运行能力的同时，具备安装调试简单、可维护性强、操作使用方便等特点。
3．调度中心的技术发展趋势
调度中心是城市照明监控和管理系统的实现枢纽，如何良好的设计和运行是系统高效率运行的关键，采用成熟的开发设计理念是调度中心的关键：
（1）调度中心软件应该采用成熟、先进、主流的数据库和操作系统，采用面向对象的模块化设计理念，自主开发的软件接口简洁，人机界面合理，使用方便。具备在线运行的扩展功能，使系统随城市的发展而实时扩展；
（2）调度中心应该配备高性能服务器和控制计算机、高精度光采集器、大容量在线式UPS、备份冗余设计，以实现24h连续的高可靠性运行；
（3）调度中心应该按照业主的实际情况适度配置GPS卫星校时、停电运行、图像监控、大屏幕显示及会议系统等各种功能集成；
（4）按照国内城市监控和管理系统近20年的发展经验看，调度中心和投诉处理及路灯维护处理结合在一起可以起到提高运行效率、降低运行成本的效果。同时，应该选择具备长期科研能力的单位合作，起到连续升级和维护的作用。
（5）随着近年来智慧城市建设在国内的推广，与之密切相关的云计算技术、物联网技术也在城市管理的各个行业得到了更充分的应用。而城市照明监控系统平台也伴随着地理信息系统、生产管理系统、运行指挥调度系统、基于物联网单灯控制的照明监控节能系统等相关系统的逐步应用，将发展成为整合城市照明管理各个流程、数据、状态的“云平台”，从而作为智慧城市中的重要组成部分，进一步提升城市管理水平。
4．线路防盗报警技术的发展趋势
由于国内发展的各种原因造成城市照明线路被断被偷现象的频繁发生，相信随着相关法律的完善和设施防盗与打击偷盗力度的加大，这种现象会逐渐减少。由于各地的线路状况不同，十几年前和目前的线路建设标准也不尽相同，故探测技术还在不断完善发展中。综合目前的发展和需求，相对理想的线路被断技术要求应该具备如下特征与要求：
（1）关灯期间的断线告警方案要求末端为无需任何形式电池供电的方式工作；
（2）断线告警方案应该与线路状态（即线长、灯型等）无关；
（3）开灯期间的断线告警方案应该与供电状态无关（即专用变压器供电方式或公用配电供电方式）；
（4）末端设备和控制箱前端设备具备防浪涌、冲击等多种防护措施；
（5）断线告警系统方案应该有多种冗余手段防止虚警误报发生；
（6）采用控制箱前端告警是成本较低的方法；
（7）由于线路被断报警技术看似简单，但由于照明线路的复杂性和环境条件的恶劣性，实际实施时需要较为详细的现场踏勘和设计，以保证系统可靠的运行，为此建议业主选用时一定要到研发单位在其他的运行现场实地调研确认。
5．远程图象监控系统的实现方式和发展趋势
由于远程图像监控系统具有直观和可参观性的特点，它越来越受到应用单位的重视，但目前的实现方式都具有一定的局限性，如图像位置难以随意确定、投资费用过高、运行费用难以承受、使用寿命偏短或维护不便等。下面在介绍几种方式的同时推荐部分已运用的典型城市，供大家调研时比较。
（1）共享方式:利用各地交管部门的图像系统实现资源共享，实现方式简单，同时享受的图像资源很多，典型的如南宁市等。也有城市采用政府重资投入建设的高清晰图像系统中心，达到社会资源共享。且采用这种方式的越来越多，如广州开发区、长沙、重庆等城市就是共享政府图像系统方式，缺点是图像设置点不能随意确定，要图象的控制、选择受到一定程度的限制；
（2）微波传输方式：主要有两种方案，一种方案是采用点对点方式，即采用1.2或2.4G频段的微波通信设备实现点对点的图象传输；另一种是采用5.8G的无线网络传输方式，可以实现一点对多点的通信方案。微波方式的特点是设点比较方便、灵活，无运行成本，图象质量较好，但缺点是微波传输必须相互可视传输，容易受到城市建筑物的影响，布点受限；为了扩大覆盖范围可以采用建立中继方式，但成本和复杂性增加，可靠性降低；开放的空间环境的各种无线电信号的干扰；初次设备投入较大、应用单位维护较为困难。目前在苏州市、义乌市、广州、南丹等地获得应用；
（3）光纤网络传输方式：利用中国电信、移动的光纤构建图象传输网络是一种较为理想的图象传输方式，特点是传输图象最质量好、稳定、抗干扰能力强、一次投入较小、传输系统无需业主维护、维护成本较低，目前照明行业的大部分图象传输均是采用光纤传输方式。缺点是网络运行费用较高，线路租金高，另外需要网络服务商架设光缆，施工比较困难。
（4）无线移动公网方式：中国移动和中国联通均推出了图像传输业务，但GPRS和CDMA数据传输速度均不能实现每秒24帧图像切换的要求，目前在安防等只需要数秒一幅图像领域得到了一定的推广。在3G通信广泛推广后，能在一定程度上满足照明行业实时传输的要求，而且图像位置的选择较为灵活、初次投入不大，但相对运行费用较高。虽然3G传输速率较高，但由于受到公共通信平台的限制，当信道使用者较多时，图象会出现卡（阶段性不连续）的现象。因此只有进入4G通信时才能实现实用的、高质量的移动无线图象传输，今后采用4G传输图象将是图象监控的发展方向。