自然光照度远程监测系统在北京城市道路照明的应用

自然光照度远程监测系统在北京城市道路照明的应用发布日期：2012-06-28浏览次数：1019核心提示：本文结合北京城市道路照明的现状对自然光照度远程监测系统做整体介绍，阐述了项目实施的过程和关键问题的解决办法，通过对应用前后结果的比对，深入分析了自然光照度远程监测系统的推广前景和实际意义。摘要：本文结合北京城市道路照明的现状对自然光照度远程监测系统做整体介绍，阐述了项目实施的过程和关键问题的解决办法，通过对应用前后结果的比对，深入分析了自然光照度远程监测系统的推广前景和实际意义。关键词：光照度远程监测人性化绿色节能近年来，随着我国城市建设的飞速发展，城市规模不断扩大，城市道路照明管理水平在很大程度上越来越体现出城市的整体形象、经济实力、人文特色和现代化程度。北京作为国家的首都，全国政治、交通和文化中心，城市道路照明设施的管理越来越引起政府、市民以及社会各界的高度重视和广泛关注。截至目前，路灯管理中心管辖路灯23万余盏，管辖路灯变压器2100余台、路灯供电线路6000余公里，直接服务人口1171.6万人，服务面积约1385平方公里。科学人性化的开启和关闭道路照明设施，对于城市交通、人民出行以及绿色节能都有着至关重要的意义。1北京城市道路照明开关灯方式介绍按照原行业标准《城市道路照明设计标准》CJJ45-91,开关灯时刻的天然光照度要求为2-10lux,但随着城市的迅速发展，已经不能满足道路照明的需要。2007年，建设部颁布了新的行业标准《城市道路照明设计标准》CJJ45-2006,对道路照明开关灯依据进行了修订，提出了更高的标准，当自然光照度下降到15lux时宜开启路灯，当自然光照度上升到30lux时宜关闭路灯。根据新的标准，北京道路照明根据北京地区的地理位置（经纬度）和季节变化，并参照国家天文台提供的民用晨昏蒙影时刻及总结出来的晨昏时间与照度的对应关系，合理确定了全年路灯的开关灯时间。为使路灯控制更加人性化，北京市路灯管理中心于2005年推广应用路灯远程监控系统，利用后台系统通过无线网络对安装在路灯电源内部（柱上变、箱变或配电室）的控制终端发送开关灯指令。从控制范围上讲，能够一次性对所有管辖路灯进行控制（程控）；可以根据实际情况，对一个或多个区域内的所有终端进行控制（面控）；可以对单一路灯变压器进行控制（线控）。在正常的天气下，按照既定的年时间表自动开启和关闭路灯即能满足市民出行的需要。除此之外，更要考虑由于天气变化所造成的偏离平均值的情况，比如：天气不好，天黑的早或亮的晚，更有时在白天遇到浓云蔽日、突降暴雨的情况，这时就需要随时开启路灯或延迟关闭路灯以提供道路照明。但是，值班人员只能凭肉眼观察判断，确定何时进行提前开灯或延迟关灯，一直以来缺乏科学、可靠的决策依据，不利于人性化启闭路灯的规范管理和实施。另外，北京市的面积广，尤其在恶劣天气下各地区的光照度有很大的区别，有时东边还是艳阳高照，西边就已经阴云密布了。针对这种情况，路灯管理中心在所管辖范围内安装了16个自然光照度监测终端，初步搭建了自然光照度远程监测网络框架，在很大程度上改变了原来恶劣天气下全部路灯同时开启的情况，现在可以根据不同区域的不同需求，分时、分区操作开关灯，到达了绿色节能的效果，使得开关灯控制有据可依、有章可循。2自然光照度远程监测系统架构自然光照度远程监测系统由光照度监测终端、后台管理系统和通讯网络三部分组成。整个系统框图如下：2.1光照度监测终端（1）终端原理光照度监测终端由光照度变送器、数据处理及通讯单元两大部分组成。光照度变送器把光信号转换成电信号，传输给数据处理单元。数据经处理后，通过通讯单元以主动上传通讯方式传给后台管理系统。其中，光照度变送器在终端中起着至关重要的作用，由于需要直接安装在户外，除了考虑精度等性能指标，还需要考虑环境适应性。因此选用的光照度变送器需满足使用要求，性能指标如下：（2）终端技术特点光照度监测终端需要安装在现场实时监测当地的自然光照度，并将数值准确传回，应在功能、性能上满足使用需求。终端功能特点：24小时检测户外自然光照度，光照度采集时间间隔1s;自然光照度数据带时间标识，可保持72小时光照度记录；具备远程通讯功能；可远程校准时钟；可远程升级程序；可远程设置采样频率；可远程设置允许终端主动上传光照度数据的时间间隔；可远程设置允许终端主动上传光照度数据变化斜率阀值。2.2后台管理系统终端将采集到的自然光照度数据以最优方式上传到主站，主站通过通讯服务接收到数据后，对其进行简单处理存储到数据库中，同时将数据传输给后台管理软件进行处理和展示。（1）数据采集特点数据采集方式主要采用终端主动上传、主站被动接收的方式，如果需要实时掌握现场的光照度情况，则由后台发出命令调取终端实时数据。另外，系统提供数据补抄功能，能够手动补齐72小时内的光照度数据。（2）数据分析特点系统设计了满足不同需求的数据分析工具，分别为：实时数据曲线、历史数据曲线、数据分析报表以及报警提示等。2.3通讯网络系统使用中国移动3G网络，根据实际测算，带宽可以满足光照度数据的实时传输，数据传输的稳定性和可靠性能够得到有效保障。3自然光照度远程监测系统的实施和应用3.1光照度监测终端的现场安装由于终端要直接安装在户外，需要重点考虑环境适应性，特别的高低温、雨雪天等严酷的环境。同时，还需要满足阻燃的要求以提高终端的安全性。所以在设备选择上要十分谨慎，系统选用的光照度变送器本身的外壳防护等级达到IP67,可以满足现场应用环境的要求，数据处理及通讯单元的外壳形状为长方形，材质为PC材料，阻燃、耐腐蚀。光照度变送器与数据处理及通讯单元可以分开独立安装（光照度变送器外观尺寸为58mm×65mm×52mm,数据处理及通讯单元外观尺寸：400mm×300mm×180mm）。根据现场情况，光照度变送器通过不锈钢材质固定支架直接安装在楼顶无遮光的地方，受光面稍微朝下与垂直面形成15°夹角以防受光面积雪。数据处理及通讯单元采用壁挂式安装，可安装在室内或室外。3.2后台管理系统的应用终端将采集到的自然光照度数据以最优方式上传到主站，主站通过通讯服务接收到数据后，对其进行简单处理存储到数据库中，同时将数据传输给后台管理软件进行处理和展示。下面分别介绍数据的分析方式：（1）实时数据曲线系统能够实时刷新数据，并根据实时采集到的数据绘制出光照度值在10分钟内变化的短期趋势图，如下图所示。（2）历史数据曲线根据历史存储的光照度数据，绘制出每天自然光照度变化的长期趋势图，为研究开关灯时刻表的修订提供参考依据。（3）报表分析系统可以提供自然光照度的日/月/年报表，具有一定的统计分析功能。（4）自然光照度报警根据道路照明行业标准，将阀值设定为25lux.以傍晚提前开灯为例，终端从200lux开始上报数据，后台监控人员对变化趋势做出判断并做好准备，当下降到25Lux时，系统自动报警，值班人员利用远程控制系统立即开启路灯。4自然光照度远程监测系统的技术难点及解决方案4.1终端现场安装位置的确定光照度监测终端要安装在户外，所以要综合考虑很多因素，安装位置的确定成为一个技术难点。根据前期分析，找出比较适合安装光照度监测终端的三个位置，分别进行分析：（1）无遮光的高杆灯灯杆的顶部优点：可以很好的满足光照度变送器采光，该处的电线属于路灯中心管辖，方便取电；缺点：灯杆顶端离地面较高，安装维护不方便。（2）无遮光的高楼楼顶优点：可以很好的满足光照度变送器的采光、无遮挡，安装维护方便；缺点：高楼产权分散，需要分别与不同的产权单位协商安装位置、取电、费用和后续维护问题，非常不方便。（3）路灯专用变压器旁边无遮光的地方优点：路灯专用变压器属于路灯管理中心管辖，安装、取电和维护均方便；缺点：路灯专用变压器位置较低，存在被树叶、建筑物等遮光的可能性。经过实地调查、综合考虑，最终确定出比较适合安装光照度监测终端的位置。分别为：路灯专用柱上变压器的朝阳方向侧面、路灯箱式变压器的顶端或侧面以及路灯配电室的楼顶端。这些安装地点均选择无遮挡的空旷处，具有维护方便、取电方便的优点。4.2数据采集方式的确定数据采集主要采用终端主动上传的方式，经过测算，上报的信息量比较大，如果不加以限制实时上报光照度信息的话，会出现通讯负荷重的问题，严重时会造成传输通道阻塞的后果，同时也会产生高额的通讯费用。经过反复测试，确定解决方案：（1）忙、闲时设置不同采集频率：忙时（光照度数值在0-200lux的时段）采用2s的时间间隔进行光照度采集，这样做的好处是监控后台人员能够实时掌握现场光照度的变化情况，为提前开灯或延迟关灯提供非常重要的判断依据，如：阴雨天气下傍晚时分，终端从200lux开始实时上报数据，随着照度值慢慢的下降，后台监控人员对变化趋势有一定的判断，将会准备随时开启路灯，当自然光照度下降到30Lux时，利用远程控制系统立即开启路灯。闲时（光照度数值在200lux-500lux的时段）采用压缩采集方式，通过设置时间间隔将15分钟内的数据组成1个数据包进行上传（后台可以根据需要调整时间间隔）。（2）无效数据屏蔽：对于路灯监控来说，在光照度值超过500lux（日间晴好天气）的情况下，采集光照度是没有意义的，且产生的大量数据对系统的稳定性会造成较大冲击。因此，系统设计了无效数据屏蔽功能，通过设置阀值范围，让终端暂停数据上传，以减轻系统负担。4.3高精度照度数据的采集光照度采集终端遍布城区，上传到主站的数据需要进行分析和比对，计算出准确的开关灯报警阀值。因此，对终端的采集精度提出了很高的要求。解决方案：变送器与终端的连接线缆因距离远、线路长，易造成信号干扰影响数据准确性，因此终端在研发过程中，在线路上做了小信号采样的抗干扰处理。同时考虑到光照度采集终端在进行光电信号转换时，光信号到电信号的转换并不是线性的，因此在采集处理中要加入校正算法，以此得到高精度的照度值。4.4通讯网络的确定目前可选择的终端与后台之间的传输方式主要有几种，下面进行分析：（1）GPRS、CDMA、电台、无线载波等网络：无法满足实时光控的高时效性要求；（2）DDN光纤专线：带宽大、速度快，而且可以保证数据传输的稳定性和可靠性，但具体到现场的每个终端，线路资源不能全部保证并且费用过高；（3）ADSL:目前应用最广泛的网络，费用不高、分布广泛，如果光照度监测终端采用ADSL拨号方式进行通讯，在主站通过虚拟VPN服务器等方式理论上是可以实现互联的，但是在每一个终端的安装地点不能保证都有线路资源；（4）3G网络：带宽可以满足光控数据的实时传输，并且可以满足数据传输的稳定性和可靠性，适合作为终端与后台的传输网络。5远程光照度监测系统在北京城市道路照明应用的经验总结5.1取得的效果北京市路灯管理中心于2010年初启动远程光照度监测系统的研发工作，并于2011年2月进行终端试点安装应用。截至2011年5月，路灯管理中心在五环路以内共计安装远程光照度采集终端16个，均匀分布在城六区范围内，总体分布情况是：东城区2个点、西城区2个点、朝阳区4个点、海淀区3个点、丰台区3个点、石景山区2个点，初步搭建了城区范围内远程光照度监测网络框架，为恶劣天气下开关灯操作提供重要参考依据。在雨、雪、雾等特殊天气情况下，监控后台人员根据不同地点的终端传回的实时光照度值进行判断，可以在全市范围进行提前开灯或延迟关灯作业，也可以针对不同地区的光照度情况分区域地进行提前开灯或延迟关灯作业，既可以满足道路照明的实际需要，也可以达到节能的效果，有效提升了城市道路照明开关灯控制的质量和效率，使得开关灯控制有据可依、有章可循，提高路灯控制的精细化水平，实现高效与节能的平衡。从2011年5月16日至今，在特殊天气下监控后台值班人员依据远程光照度系统有关数据，进行傍晚提前开灯、清晨延迟关灯操作共计134次，累计延长路灯运行时间共1899分钟。特别是在今年的主汛期，面对几次强降雨过程带来的天气突变，该系统发挥了重要作用，为值班人员提供了准确的决策依据，最大程度地保障了市民的出行需要。5.2应用前景路灯管理中心管辖的道路照明设施数量