摘要：LMAS（Lightscape Monitoring & Administration System）是城市照明監(jiān)控管理系統(tǒng)的簡稱。本文在研究現(xiàn)今國內(nèi)城市LMAS應用現(xiàn)狀基礎上，結(jié)合城市照明網(wǎng)總線星形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點及目前通信技術的發(fā)展，提出了城市照明網(wǎng)智能管理的新模式及其優(yōu)化方案，以智能管理和節(jié)能控制為目的，結(jié)合工程實踐，對城市LMAS系統(tǒng)的工作原理和結(jié)構(gòu)進行了分析論述，并進行了系統(tǒng)功能、體系結(jié)構(gòu)及軟件的優(yōu)化設計。

　　關鍵詞：LMAS　GPRS　智能管理　節(jié)能控制

　　引言

　　城市照明管理是城市管理中技術含量最高、難度最大的工作之一，很大程度上反映了一個城市的經(jīng)濟實力、人文特色和現(xiàn)代化水平。九十年代起，有少數(shù)城市陸續(xù)局部安裝了路燈計算機自動測控系統(tǒng)，但其自動化程度不高，系統(tǒng)可靠性低。目前國內(nèi)大部分系統(tǒng)都只能初步地實現(xiàn) “三遙”控制及“線控”，不具備“點控”即監(jiān)控到燈的功能，且控制方法多為“鐘控”和“光控”，二者均不能實現(xiàn)開關燈控制的合理化、科學化，能源浪費顯著，燈具設備壽命短。其安全運行目前基本依靠工作人員夜間巡視和群眾舉報的方式，造成發(fā)現(xiàn)故障的時間長、勞動強度大、效率低。作者針對上述問題提出了城市LMAS的新模式，對整個系統(tǒng)進行了功能、體系結(jié)構(gòu)及軟件的優(yōu)化設計。實踐證明：系統(tǒng)除能實現(xiàn)“五遙”外，還能實現(xiàn)單燈的智能監(jiān)控，其安全性和節(jié)能效果顯著。

　　1 、智能管理的優(yōu)化設計

　　本系統(tǒng)的研究將多元化的事務形成一個統(tǒng)一的模塊化、網(wǎng)絡化、智能化的整體系統(tǒng)，在實現(xiàn)強大的監(jiān)控能力的同時，充分體現(xiàn)高度智能化、安全性、可靠性和能源的有效合理利用。本系統(tǒng)克服傳統(tǒng)的不足，在優(yōu)化軟硬件結(jié)構(gòu)的同時，進一步實現(xiàn)模塊化，通過集中控制和信息交流，采用多級管理結(jié)構(gòu)，使得整個系統(tǒng)自成體系，形成全新的管理模式。其智能管理模式的優(yōu)化設計主要體現(xiàn)在以下幾點：

　　其一，提高節(jié)能效果，采用先進的技術設備帶來運行管理維護成本的降低，通過專用的路燈節(jié)電器和智能可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器的配合作

　　用，摒棄隔盞關燈的落后設計，實現(xiàn)光照度的遙調(diào)，達到節(jié)約電能和保護設備雙重目的；

　　其二，提高可靠性，采用“點控”技術和故障冷測試技術，保證未開燈情況下也能發(fā)現(xiàn)路燈故障、老化及斷路等問題，方便維護管理，確保高亮燈率，升級“線控”與“面控”技術；

　　其三，提高安全性，采用“實時監(jiān)控”技術，實現(xiàn)遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視等“五遙”功能，實時監(jiān)測并控制系統(tǒng)可能發(fā)生的災變，保證系統(tǒng)正常穩(wěn)定的運行；

　　其四，系統(tǒng)具備防竅電與防盜功能，通過對運行參數(shù)的實時監(jiān)測，異常變化時及時報警；

　　其五，提高管理效率，采用分布式網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，以及數(shù)據(jù)分布采集、信息集中管理的方式，主控中心可對整個所轄照明網(wǎng)進行有效管理，提高管理的自動化水平和智能化水平。

　　2 、系統(tǒng)工作原理

　　2.1 通信方案設計

　　結(jié)合城市照明網(wǎng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)特點（總線星形結(jié)構(gòu)）及目前通信技術的發(fā)展，系統(tǒng)通信采用GPRS無線通信術[1]與電力載波通信相結(jié)合。GPRS通信方式具有投資成本低、通信質(zhì)量可靠、通信速率高，實時在線，按流量計費（或包月）的特點。尤其是GPRS的實時在線特性，使系統(tǒng)無時延，無需輪巡就可以同步接收、處理多個/所有終端的數(shù)據(jù)，GPRS與其核心網(wǎng)絡中精確的信令處理程序相結(jié)合，以分組打包數(shù)據(jù)的形式傳遞短消息，克服了現(xiàn)有短消息業(yè)務在延遲時間、處理能力和無線資源利用率方面存在的固有缺陷，為短消息提供更高的傳輸速率和更快的發(fā)送時間。而采用電力載波技術無需再鋪設通信電纜就可實現(xiàn)對每盞燈的檢測（一般的電力載波芯片其通信距離不超過1千米，與目前燈具配電柜控制范圍相當）。在主控中心（主站）與配電監(jiān)控終端（分站）之間采用GPRS無線通信，在配電監(jiān)控終端與單燈監(jiān)控終端（子機）之間采用電力載波通信技術。圖1為系統(tǒng)通信拓撲結(jié)構(gòu)圖。

　　圖1 系統(tǒng)通信拓撲結(jié)構(gòu)

　　Fig.1 The Topology Structure of System‘s Communication

　　2.2 工作原理

　　系統(tǒng)采用分布式主從監(jiān)控方式，主體為星型網(wǎng)，各子站構(gòu)成星型網(wǎng)的外圍節(jié)點，采用半雙工通信工作方式。每個分站和子站都有自己的專用地址，主站可對其進行選呼和群呼通信。選呼通信是針對某一特定終端的點對點通信方式，主要用于設備控制和日常維護工作；群呼通信是點對多點通信方式，主要用于參數(shù)狀態(tài)量測等工作。

　　為了盡量縮短系統(tǒng)巡檢周期，以便能在最短時間內(nèi)發(fā)現(xiàn)燈具故障，采用故障上報和巡檢相結(jié)合的工作模式。分站根據(jù)預先設定的告警限判斷站點燈具設備是否發(fā)生故障，當燈具設備出現(xiàn)故障時，分站自動將故障的類型和發(fā)生故障時的狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)打包上報主站，主站記錄并彈出報警窗口（反拔號功能）。站點的數(shù)量不影響故障上報時間。支持多點同時告警上報是短消息通信方式所特有的強大功能，它大大縮短了故障響應的時間。而單頻點的無線數(shù)據(jù)傳輸電臺，則無法實現(xiàn)故障上報，且站點數(shù)量越多，信息響應速度越低。同時，為了在無故障時監(jiān)控中心維護人員也能夠查看站點信息，系統(tǒng)也支持巡檢工作方式，即監(jiān)控中心也可以定期查詢各個站點運行信息。

　　3 、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

　　系統(tǒng)設計成分層分布式結(jié)構(gòu)，實行模塊化設計，以便于規(guī)劃和升級。根據(jù)其通信和工作原理劃分為主控中心、配電監(jiān)控終端和單燈監(jiān)控終端三部分。

　　主控中心位于城市路燈管理處，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的操作、維護、處理、統(tǒng)計、分析和監(jiān)管的中心。根據(jù)功能要求設計為分布式開放式體系結(jié)構(gòu)，其主要優(yōu)點是組合靈活，功能擴展方便，通信速率快，可靠性高 [2].通過專線接入GPRS網(wǎng)絡的GGSN，接收采集終端傳來的站點號、注冊、運行參數(shù)等信息，解析后傳給相應管理軟件，作進一步處理與顯示。具體組網(wǎng)結(jié)構(gòu)見圖2.

　　圖2 主控中心分布式開放式網(wǎng)絡圖

　　Fig.2 The Control Center‘s Distributing and Opening Network

　　配電監(jiān)控終端位于路燈配電柜內(nèi)，按嵌入式系統(tǒng)要求設計，既可由主站控制，也可獨立工作，實現(xiàn)對所管轄路燈的智能監(jiān)控。監(jiān)控終端采用分布式結(jié)構(gòu)，由數(shù)字單元、模擬量I/O回路單元、開關量I/O回路單元、非電量輸入電路單元、人機對話回路單元、通信接口單元、電源單元等組成[4]，具有燈光節(jié)能設備控制接口。分控點傳輸設備主要為GPRS MODEM和載波通信裝置。圖3為分站硬件結(jié)構(gòu)圖。

　　圖3 分站硬件結(jié)構(gòu)圖

　　Fig.3 The Substation‘s Hardware framework

　　單燈監(jiān)控終端裝設在每盞燈的燈柱或燈罩內(nèi)，包括電力調(diào)制解調(diào)器、電源濾波器、微處理器、整流與補償單元、開關與電源單元、鎮(zhèn)流與啟輝單元等部分。采用專用可調(diào)光電子鎮(zhèn)流器，它包括一個鎮(zhèn)流器和光源狀態(tài)監(jiān)視器兩部分。光源狀態(tài)監(jiān)視器用于監(jiān)測每盞燈的開關狀態(tài)，通過檢測其電流，實現(xiàn)對每盞燈的監(jiān)測，如故障準確定位及明燈率的精確計算等。增加專用的故障測試儀可作為信號源輔助實現(xiàn)對單燈及相關設備、線路的故障冷測試，避免夜間開燈才能發(fā)現(xiàn)故障的情況，提高系統(tǒng)可靠性，確保高亮燈率。

　　4 系統(tǒng)軟件功能設計

　　系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)分為：平臺層，管理層，數(shù)據(jù)層，應用層。每個層次內(nèi)部都由一組完成一定功能的軟件模塊構(gòu)成，各個層次相互支撐，實現(xiàn)系統(tǒng)功能需求。將軟件體系規(guī)劃為C/S結(jié)構(gòu)，基于互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，支持遠程訪問，支持多臺終端同時運行客戶端軟件，實行全組件模塊化設計，劃分為五大功能模塊：通信模塊、服務器模塊、管理模塊、監(jiān)控模塊、GIS模塊[3].

　　圖4 照明網(wǎng)管理軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

　　Fig.4 The Systematic Framework of Lightscape Network‘s Management Software

　　通信模塊：負責主站與分站之間各種信息雙向轉(zhuǎn)發(fā)，利用GPRS網(wǎng)來獲取所有終端的運行參數(shù)和告警信息，并將各種指令經(jīng)過GPRS網(wǎng)傳遞給終端，對通信信息進行相應處理并分類入庫。

　　服務器模塊：包括數(shù)據(jù)服務器和WEB服務器，管理網(wǎng)絡共享資源和網(wǎng)絡通信，為網(wǎng)絡中的工作站提供各類網(wǎng)絡服務，如數(shù)據(jù)、程序等，同時進行數(shù)據(jù)的存儲與備份工作。

　　管理模塊：以地理信息系統(tǒng)為圖形界面，可同時調(diào)用監(jiān)控模塊和GIS模塊數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對全市照明系統(tǒng)日常工作的全面運行管理及系統(tǒng)高層應用分析。

　　監(jiān)控模塊：是該系統(tǒng)的核心，集監(jiān)測、控制、管理于一體。監(jiān)測現(xiàn)場配電設備運行狀態(tài)，完成對現(xiàn)場設備的五遙工作。其功能包括遠程監(jiān)控、報警提示、燈具保護、動態(tài)節(jié)電、分析查詢等。

　　GIS模塊：顯示管理范圍內(nèi)的全部被管理對象的各種信息，自動與監(jiān)控系統(tǒng)相互調(diào)用數(shù)據(jù)。可以進行對象設置、地圖操作、分站定位功能、作業(yè)計劃管理、照明設備的操作、查詢、統(tǒng)計和維護以及維修車輛的調(diào)度等功能。

　　上述基于GPRS無線通信和電力載波通信相結(jié)合的三層結(jié)構(gòu)城市LMAS系統(tǒng)已在多座城市投入使用，且運行狀況良好，實踐表明，該方案具有組網(wǎng)簡單、節(jié)省投資、能源節(jié)約顯著、功能完備、結(jié)構(gòu)合理等優(yōu)勢，在技術和實現(xiàn)上完全可行。結(jié)合本文的優(yōu)化設計思想，進一步的工作是其功能和結(jié)構(gòu)的深入完善，功能上如故障呼叫搶修子系統(tǒng)和高級應用子系統(tǒng)的建設，結(jié)構(gòu)上如進一步縮小子機體積等，相信城市照明網(wǎng)管理水平將達到新的高度。

　　5 、結(jié)論

　　本文在智能管理與節(jié)能控制方面對城市LMAS系統(tǒng)進行了全面的優(yōu)化設計，同目前國內(nèi)同類系統(tǒng)比較有較大改進與創(chuàng)新。理論和實踐表明，城市LMAS系統(tǒng)的建立應隨著城市建設的發(fā)展不斷擴展和完善，必須全面規(guī)劃，從全局的觀點出發(fā)，既要滿足現(xiàn)在的業(yè)務管理需求，還要考慮到今后的信息處理增長及其技術升級適應性的要求。圍繞智能管理和節(jié)能控制之目的，本著保護前期投資的原則，預留充足的設備和技術擴展裕度，達到穩(wěn)定可靠，自動化程度高，節(jié)能效果顯著的目的。

　　參考文獻

　　[1] Theodore S Rappaport. Wireless Communication Principles and Practice[M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry, 1999.

　　[2] ROMAN P, TERO O. Wireless, internet- IMT-2000 /wireless LAN inter-working [J]. Journal of Communications and Networks,2000,（3）：147～149.

　　[3] 奚輝,張書亮,閭國年。 路燈AM/FM/GIS建設研究[J]. 現(xiàn)代測繪,2003,26（1）：36～39.

　　[4] 丁書文,黃訓誠,胡起宙。變電站綜合自動化原理及應用[M].北京：中國電力出版社,2003：39～41.

　　作者簡介：

　　吳強（1981-）,男，湖南寧鄉(xiāng)人，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)自動化（Email：Wuqiang826@163.com Phone：13880955759）；

　　滕歡（1965-）,女，四川成都人，高級工程師，長期從事電力系統(tǒng)自動化科研、教學及工程實踐工作。

　　王凱富（1962-）,男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，高級工程師，長期從事工業(yè)控制工程實踐工作。