摘要：LMAS（Lightscape Monitoring & Administration System）是城市照明監控管理系統的簡(jiǎn)稱(chēng)。本文在研究現今國內城市LMAS應用現狀基礎上，結合城市照明網(wǎng)總線(xiàn)星形結構的網(wǎng)絡(luò )結構特點(diǎn)及目前通信技術(shù)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，以智能管理和節能控制為目的，結合工程實(shí)踐，對城市LMAS系統的工作原理和結構進(jìn)行了分析論述，并進(jìn)行了系統功能、體系結構及軟件的優(yōu)化設計。

　　關(guān)鍵詞：LMAS　GPRS　智能管理　節能控制

　　引言

　　城市照明管理是城市管理中技術(shù)含量最高、難度最大的工作之一，很大程度上反映了一個(gè)城市的經(jīng)濟實(shí)力、人文特色和現代化水平。九十年代起，有少數城市陸續局部安裝了路燈計算機自動(dòng)測控系統，但其自動(dòng)化程度不高，系統可靠性低。目前國內大部分系統都只能初步地實(shí)現 “三遙”控制及“線(xiàn)控”，不具備“點(diǎn)控”即監控到燈的功能，且控制方法多為“鐘控”和“光控”，二者均不能實(shí)現開(kāi)關(guān)燈控制的合理化、科學(xué)化，能源浪費顯著(zhù)，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)現故障的時(shí)間長(cháng)、勞動(dòng)強度大、效率低。作者針對上述問(wèn)題提出了城市LMAS的新模式，對整個(gè)系統進(jìn)行了功能、體系結構及軟件的優(yōu)化設計。實(shí)踐證明：系統除能實(shí)現“五遙”外，還能實(shí)現單燈的智能監控，其安全性和節能效果顯著(zhù)。

　　1 、智能管理的優(yōu)化設計

　　本系統的研究將多元化的事務(wù)形成一個(gè)統一的模塊化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化的整體系統，在實(shí)現強大的監控能力的同時(shí)，充分體現高度智能化、安全性、可靠性和能源的有效合理利用。本系統克服傳統的不足，在優(yōu)化軟硬件結構的同時(shí)，進(jìn)一步實(shí)現模塊化，通過(guò)集中控制和信息交流，采用多級管理結構，使得整個(gè)系統自成體系，形成全新的管理模式。其智能管理模式的優(yōu)化設計主要體現在以下幾點(diǎn)：

　　其一，提高節能效果，采用先進(jìn)的技術(shù)設備帶來(lái)運行管理維護成本的降低，通過(guò)專(zhuān)用的路燈節電器和智能可調光電子鎮流器的配合作

　　用，摒棄隔盞關(guān)燈的落后設計，實(shí)現光照度的遙調，達到節約電能和保護設備雙重目的；

　　其二，提高可靠性，采用“點(diǎn)控”技術(shù)和故障冷測試技術(shù)，保證未開(kāi)燈情況下也能發(fā)現路燈故障、老化及斷路等問(wèn)題，方便維護管理，確保高亮燈率，升級“線(xiàn)控”與“面控”技術(shù)；

　　其三，提高安全性，采用“實(shí)時(shí)監控”技術(shù)，實(shí)現遙測、遙信、遙控、遙調、遙視等“五遙”功能，實(shí)時(shí)監測并控制系統可能發(fā)生的災變，保證系統正常穩定的運行；

　　其四，系統具備防竅電與防盜功能，通過(guò)對運行參數的實(shí)時(shí)監測，異常變化時(shí)及時(shí)報警；

　　其五，提高管理效率，采用分布式網(wǎng)絡(luò )結構，以及數據分布采集、信息集中管理的方式，主控中心可對整個(gè)所轄照明網(wǎng)進(jìn)行有效管理，提高管理的自動(dòng)化水平和智能化水平。

　　2 、系統工作原理

　　2.1 通信方案設計

　　結合城市照明網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )結構特點(diǎn)（總線(xiàn)星形結構）及目前通信技術(shù)的發(fā)展，系統通信采用GPRS無(wú)線(xiàn)通信術(shù)[1]與電力載波通信相結合。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(shí)時(shí)在線(xiàn)，按流量計費（或包月）的特點(diǎn)。尤其是GPRS的實(shí)時(shí)在線(xiàn)特性，使系統無(wú)時(shí)延，無(wú)需輪巡就可以同步接收、處理多個(gè)/所有終端的數據，GPRS與其核心網(wǎng)絡(luò )中精確的信令處理程序相結合，以分組打包數據的形式傳遞短消息，克服了現有短消息業(yè)務(wù)在延遲時(shí)間、處理能力和無(wú)線(xiàn)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(shí)間。而采用電力載波技術(shù)無(wú)需再鋪設通信電纜就可實(shí)現對每盞燈的檢測（一般的電力載波芯片其通信距離不超過(guò)1千米，與目前燈具配電柜控制范圍相當）。在主控中心（主站）與配電監控終端（分站）之間采用GPRS無(wú)線(xiàn)通信，在配電監控終端與單燈監控終端（子機）之間采用電力載波通信技術(shù)。圖1為系統通信拓撲結構圖。

　　圖1 系統通信拓撲結構

　　Fig.1 The Topology Structure of System‘s Communication

　　2.2 工作原理

　　系統采用分布式主從監控方式，主體為星型網(wǎng)，各子站構成星型網(wǎng)的外圍節點(diǎn)，采用半雙工通信工作方式。每個(gè)分站和子站都有自己的專(zhuān)用地址，主站可對其進(jìn)行選呼和群呼通信。選呼通信是針對某一特定終端的點(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)對多點(diǎn)通信方式，主要用于參數狀態(tài)量測等工作。

　　為了盡量縮短系統巡檢周期，以便能在最短時(shí)間內發(fā)現燈具故障，采用故障上報和巡檢相結合的工作模式。分站根據預先設定的告警限判斷站點(diǎn)燈具設備是否發(fā)生故障，當燈具設備出現故障時(shí)，分站自動(dòng)將故障的類(lèi)型和發(fā)生故障時(shí)的狀態(tài)和運行數據打包上報主站，主站記錄并彈出報警窗口（反拔號功能）。站點(diǎn)的數量不影響故障上報時(shí)間。支持多點(diǎn)同時(shí)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(shí)間。而單頻點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數據傳輸電臺，則無(wú)法實(shí)現故障上報，且站點(diǎn)數量越多，信息響應速度越低。同時(shí)，為了在無(wú)故障時(shí)監控中心維護人員也能夠查看站點(diǎn)信息，系統也支持巡檢工作方式，即監控中心也可以定期查詢(xún)各個(gè)站點(diǎn)運行信息。

　　3 、系統結構設計

　　系統設計成分層分布式結構，實(shí)行模塊化設計，以便于規劃和升級。根據其通信和工作原理劃分為主控中心、配電監控終端和單燈監控終端三部分。

　　主控中心位于城市路燈管理處，是整個(gè)監控系統的操作、維護、處理、統計、分析和監管的中心。根據功能要求設計為分布式開(kāi)放式體系結構，其主要優(yōu)點(diǎn)是組合靈活，功能擴展方便，通信速率快，可靠性高 [2].通過(guò)專(zhuān)線(xiàn)接入GPRS網(wǎng)絡(luò )的GGSN，接收采集終端傳來(lái)的站點(diǎn)號、注冊、運行參數等信息，解析后傳給相應管理軟件，作進(jìn)一步處理與顯示。具體組網(wǎng)結構見(jiàn)圖2.

　　圖2 主控中心分布式開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )圖

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

　　配電監控終端位于路燈配電柜內，按嵌入式系統要求設計，既可由主站控制，也可獨立工作，實(shí)現對所管轄路燈的智能監控。監控終端采用分布式結構，由數字單元、模擬量I/O回路單元、開(kāi)關(guān)量I/O回路單元、非電量輸入電路單元、人機對話(huà)回路單元、通信接口單元、電源單元等組成[4]，具有燈光節能設備控制接口。分控點(diǎn)傳輸設備主要為GPRS MODEM和載波通信裝置。圖3為分站硬件結構圖。

　　圖3 分站硬件結構圖

　　Fig.3 The Substation‘s Hardware framework

　　單燈監控終端裝設在每盞燈的燈柱或燈罩內，包括電力調制解調器、電源濾波器、微處理器、整流與補償單元、開(kāi)關(guān)與電源單元、鎮流與啟輝單元等部分。采用專(zhuān)用可調光電子鎮流器，它包括一個(gè)鎮流器和光源狀態(tài)監視器兩部分。光源狀態(tài)監視器用于監測每盞燈的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)檢測其電流，實(shí)現對每盞燈的監測，如故障準確定位及明燈率的精確計算等。增加專(zhuān)用的故障測試儀可作為信號源輔助實(shí)現對單燈及相關(guān)設備、線(xiàn)路的故障冷測試，避免夜間開(kāi)燈才能發(fā)現故障的情況，提高系統可靠性，確保高亮燈率。

　　4 系統軟件功能設計

　　系統軟件體系結構分為：平臺層，管理層，數據層，應用層。每個(gè)層次內部都由一組完成一定功能的軟件模塊構成，各個(gè)層次相互支撐，實(shí)現系統功能需求。將軟件體系規劃為C/S結構，基于互聯(lián)網(wǎng)架構，支持遠程訪(fǎng)問(wèn)，支持多臺終端同時(shí)運行客戶(hù)端軟件，實(shí)行全組件模塊化設計，劃分為五大功能模塊：通信模塊、服務(wù)器模塊、管理模塊、監控模塊、GIS模塊[3].

　　圖4 照明網(wǎng)管理軟件系統體系結構圖

　　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發(fā)，利用GPRS網(wǎng)來(lái)獲取所有終端的運行參數和告警信息，并將各種指令經(jīng)過(guò)GPRS網(wǎng)傳遞給終端，對通信信息進(jìn)行相應處理并分類(lèi)入庫。

　　服務(wù)器模塊：包括數據服務(wù)器和WEB服務(wù)器，管理網(wǎng)絡(luò )共享資源和網(wǎng)絡(luò )通信，為網(wǎng)絡(luò )中的工作站提供各類(lèi)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，如數據、程序等，同時(shí)進(jìn)行數據的存儲與備份工作。

　　管理模塊：以地理信息系統為圖形界面，可同時(shí)調用監控模塊和GIS模塊數據，實(shí)現對全市照明系統日常工作的全面運行管理及系統高層應用分析。

　　監控模塊：是該系統的核心，集監測、控制、管理于一體。監測現場(chǎng)配電設備運行狀態(tài)，完成對現場(chǎng)設備的五遙工作。其功能包括遠程監控、報警提示、燈具保護、動(dòng)態(tài)節電、分析查詢(xún)等。

　　GIS模塊：顯示管理范圍內的全部被管理對象的各種信息，自動(dòng)與監控系統相互調用數據�？梢赃M(jìn)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(xún)、統計和維護以及維修車(chē)輛的調度等功能。

　　上述基于GPRS無(wú)線(xiàn)通信和電力載波通信相結合的三層結構城市LMAS系統已在多座城市投入使用，且運行狀況良好，實(shí)踐表明，該方案具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、節省投資、能源節約顯著(zhù)、功能完備、結構合理等優(yōu)勢，在技術(shù)和實(shí)現上完全可行。結合本文的優(yōu)化設計思想，進(jìn)一步的工作是其功能和結構的深入完善，功能上如故障呼叫搶修子系統和高級應用子系統的建設，結構上如進(jìn)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 、結論

　　本文在智能管理與節能控制方面對城市LMAS系統進(jìn)行了全面的優(yōu)化設計，同目前國內同類(lèi)系統比較有較大改進(jìn)與創(chuàng )新。理論和實(shí)踐表明，城市LMAS系統的建立應隨著(zhù)城市建設的發(fā)展不斷擴展和完善，必須全面規劃，從全局的觀(guān)點(diǎn)出發(fā)，既要滿(mǎn)足現在的業(yè)務(wù)管理需求，還要考慮到今后的信息處理增長(cháng)及其技術(shù)升級適應性的要求。圍繞智能管理和節能控制之目的，本著(zhù)保護前期投資的原則，預留充足的設備和技術(shù)擴展裕度，達到穩定可靠，自動(dòng)化程度高，節能效果顯著(zhù)的目的。

　　參考文獻

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

　　作者簡(jiǎn)介：

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

　　滕歡（1965-）,女，四川成都人，高級工程師，長(cháng)期從事電力系統自動(dòng)化科研、教學(xué)及工程實(shí)踐工作。

　　王凱富（1962-）,男，內蒙古自治區人，高級工程師，長(cháng)期從事工業(yè)控制工程實(shí)踐工作。