城市道路照明节能与智慧化管控升级改造案例分析

朱 涛

(滁州市城市照明管理中心， 安徽 滁州 239000)

一、背景分析

路灯作为城市中必不可少的基础设施，具有数量多、分布广、可供电等特点，在智慧城市建设中，其定位不再仅仅是提供照明功能的市政基础设施。由于路灯灯杆还可以挂载5G通讯设备、网络摄像头、气象和空气质量传感器、多功能显示屏等其它智慧城市功能单元，因此作为智慧城市系统中其它功能元素的重要载体，路灯更是智慧城市建设过程中不可或缺的重要组成部分，而实现这一目标必须依赖于对传统灯杆灯具的智慧化升级改造。加之5G通讯技术的普及应用，现有路灯管理系统所采用的软硬件产品已不能满足越来越高技术和性能的要求，因此这些传统的路灯管理系统以及配套的软硬件设备都需要进行升级和换代[1]。原有的路灯设施经过长时间使用必然存在设备自然老化的问题，如不予以更换，会造成使用效果下降，既无法满足越来越高的节能减排指标要求，也影响了市民夜间出行。与此同时，路灯设施的长时间使用会存在供电线路绝缘老化分化的问题，这将增加供电电路短路和触电的风险；路灯设施的长时间使用也会存在灯杆灯具等钢制构件腐蚀的问题，这将增加高空坠落和灯杆倾倒的风险。这些照明效果低下、存在安全隐患的路灯也迫使地方政府必须每年拿出一部分资金用于老旧路灯的升级与改造。

二、升级改造前状况分析

(一)城市道路照明设施基本情况

目前滁州市建城区内城市道路照明设施由滁州市城市照明管理中心负责管理和养护，这些照明设施主要包括高压钠灯、LED路灯等其它光源路灯。截止2021年底，滁州市建城区内共有路灯约40000盏，其中高压钠灯约25000盏，LED等其他光源路灯约15000盏。随着滁州市城市建设进程的不断推进，路灯数量还将持续增加[2]。

(二)城市道路照明设施财政支出情况

1.高压钠灯电费。按照平均每盏高压钠灯功率200瓦、镇流器功率40.5瓦，年运行时间3320小时测算(滁州市采用全半夜灯的节电模式，故年运行时间达不到额定的4150小时)，高压钠灯每年消耗的电能为：25000×(200+4÷0.5)÷1000×3320×(1+5%)=2096万(Kw·h)。电价按照0.62元/千瓦时进行测算，滁州市建城区内高压钠灯每年支出的电费约为1300万元。

2.LED及其他光源路灯电费。按照平均每盏功率120瓦，年运行时间3320小时测算，每年消耗的电能为：15000×120×1000×3320×1.05=628万(Kw·h)。电价按照0.62元/千瓦时进行测算，滁州市建城区内LED及其他光源路灯每年支出的电费约为390万元。

3.城市道路照明设施维护费用。城市道路照明设施维护费用主要包括工人劳务费、车辆设备使用费、材料更换维修费及高压箱变维护等费用，根据《安徽省市政设施养护维修估价表》和《市政工程设施养护维修估算指标》(HGZ-120-2011)综合测算，结合我市实际财政支出，滁州市城市道路照明设施每年所需费用约610万元。综上所述，滁州市城市道路照明设施每年财政须支出金额约为：1300+390+610=2300万元。

(三)城市道路照明设施管理现状

受以往城市照明技术发展水平限制，目前我市路灯的运行管理主要存在以下几个方面的问题：

1.能源消耗严重

现有高压钠灯不能根据使用环境以及后半夜车流、人流变化智能调节运行功率，造成了能源的浪费和不必要的财政支出，既无法满足国家节能减排的政策要求，也不能满足对路灯实时运行功率个性化调整的需求。

2.系统技术落后

现有路灯控制系统采用的是回路型路灯无线控制系统，仅仅能够实现对总回路进行开关以及电流电压监测，不能够精确到对道路上的每一盏路灯进行实时监测控制。而且现有路灯系统能够提供的信息十分有限，并没有像目前主流的路灯智慧管控平台一样搭载GIS系统、路灯物料管理系统、工单与故障处理系统、日常巡检系统等功能，造成路灯管理部门对路灯的资产状况以及路灯的亮灯率、运行功率、产生故障的位置和原因等重要信息无法准确掌握[3]。这些缺点与不足也使得滁州市城市照明管理中心无法实行更加精细化的路灯养护和管理，这与市政设施养护和管理的精细化要求相违背。2020年滁州市摘得了全国文明城市的荣誉称号，而全国文明城市的测评体系要求城市道路照明设施的装灯率要达到100%、设施完好率要达到99%，由于无法通过先进科技手段的监测和处理，滁州市城市照明管理中心只有通过传统人工巡检的方式每条路、每盏灯逐一排查，这也造成了巨大的人力、物力和财力上的浪费。

3.安全隐患突出

目前滁州市现有的传统路灯设施主要存在以下安全隐患：

(1)路灯漏电触电风险。路灯长期使用后，破损或老化的电缆容易发生漏电和灯杆带电等问题，进而造成触电伤亡事故，尤其在雨季，事故的几率将大大增加。(2)高空坠落及灯杆倾倒风险。车辆碰撞、地基下陷等原因造成的灯杆倾斜、倒塌，如果发现不及时或处置不得当，容易引发砸车、伤人事故以及可能造成道路通行受阻等问题。(3)大面积停电和灭灯风险。随着我市城市更新行动的不断推进，路灯电缆被施工损坏的情况时有发生，由此将引发路灯大面积停电，大面积的停电和灭灯将提高夜间治安问题和交通事故的发生概率。这些问题、不足和隐患给当地城市道路照明设施的养护和管理工作带来了巨大的挑战，这也迫使作为城市道路照明设施管理单位滁州市城市照明中心不断地在寻求改变。

三、升级改造过程

(一)确定升级改造技术方案

1.路灯光源方案的确定

随着大功率LED照明技术的快速发展，其高光效、抗光衰、透镜配光等技术性能已经大幅度超越高压钠灯，作为全面取代高压钠灯的新型光源已成为城市道路照明的首选，对实现绿色照明、节能降耗、保护环境发挥重要作用。滁州市城市道路照明设施的照明质量一直相对较高，在住建部组织的检查中更是获得了全国第七、全省第一的好成绩，因此在路灯光源的确定上相对要求较高。结合滁州市本身多来的的建设和管理经验，最终确定的路灯光源方案如下：

(1)升级与改造采用单灯控制器加LED路灯的组合方式。(2)LED灯具应采用全模组化的结构设计，所采用的LED模组、电子连接器及各类接口均要符合《LED照明应用与接口要求非集成式LED模块的道路灯具》(GB/T35269-2017)相关规定，且每个LED模组须具备独立的防水、散热和配光功能。(3)LED灯具所采用的芯片必须为科瑞、欧司朗、飞利浦、日亚原厂封装芯片。

(4)LED灯具配套电源须为明纬、飞利浦、茂硕、英飞特品牌，且必须具备0～10V可调光接口。

(5)LED灯具整灯光效必须大于160LM/W，显色指数必须大于75，整灯功率因素必须大于0.98，光源使用寿命必须大于60000小时。

2.路灯智慧化管控平台技术方案的确定

整个路灯智慧化管控平台由物联感知层、接入汇聚层、网络传输层、平台应用层这四个层级构成。

(1)物联感知层。考虑到投入成本，在物联感知层这一层次上，去除了现行多功能智慧路灯上挂载的5G基站、网络摄像头、电子显示屏、噪声和空气质量传感器等功能，而仅仅保留了路灯单灯控制器这一单一功能。单灯控制器能够实现路灯单灯的开关与调光、单灯运行电压和电流等参数的实时在线监测与反馈。这在很大程度上提升了路灯巡检的效率，有助于实现更精细化的管理[4]。(2)接入汇聚层。在接入汇聚层这一层次上，采用的是市面上主流的接入汇聚模式。借助智能网关和云计算实现了数据的接入与汇集，这在很大程度上提升了数据采集的稳定性、安全性和可靠性。(3)网络传输层。在大面积推广应用路灯智慧化管控平台前，滁州市城市照明中心试点了包括电力载波、ZigBee、LoRa、NB-IOT、CAT.1在内的多种通讯方式的路灯单灯控制系统，最终选定了通讯效率和性能最好、稳定性最高的CAT.1通讯方式。(4)平台应用层。平台的应用层虽然可以集成的大量的智慧城市的功能模块，但是在滁州市具体的应用中却做了大量的阉割，平台主要的功能是侧重于城市照明设施的日常养护与管理。其主要由路灯物料管理、GIS信息、路灯单灯智能管理、日常巡检、工单生成上报与处理等功能模块构成。

(2)确定升级改造实现模式

通过对合肥、六安等地的考察和研究，结合滁州市实际，最终确定项目建设采用合同能源管理模式。具体来说，滁州市通过公开招标的方式确定中标单位后，双方签订能源管理合同，由中标单位全额投资进行升级改造建设，并负责整个合同期内路灯的运行和维护，所需的人工、设备、材料费用以及路灯的安全管理责任均由中标单位承担。中标单位以高压钠灯节能收益以及其他光源路灯管养费用收回投资并获得合理利润，实现政府零投入、零风险、零负担，为促进能源有效利用、生态环境保护、居民安全出行、智慧城市建设发挥积极作用。

(3)确定合同期内运行与考核标准

为了便于合同执行阶段项目管理和考核结算等工作，参照《安徽省城市道路照明养护技术标准》，滁州市制定了较为严格的系统运行与考核办法，同时聘请了两家专业的第三方检测机构对照明质量和节电率这两个关键指标进行逐月考核，依据考核结果进行相关价款的支付。

四、升级改造节电率分析

(一)技术节电50%以上

滁州市目前在用的高压钠灯主要有400W、250W、150W这三种型号，本次升级改造将现有的高压钠灯及部分老旧LED路灯全部更换为新的LED路灯，在满足《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2015)的前提下，可实现节电率60%以上。相关计算数据见表1～3。

表1 220WLED路灯代替400W高压钠灯

表2 120WLED路灯代替250W高压钠灯

表3 60WLED路灯代替150W高压钠灯

(二)管理节电10%以上

依据《城市道路照明设计标准》(CJJ45-2015)第7.2.5节中节能标准与措施有关规定：宜根据道路的照明等级、夜间道路实际照度水平及不同时间段的交通流量、车速、环境等因素，通过智能控制方式调节路面照度，下半夜经过调节的道路平均照度不得低于国家标准的下限值。利用智慧路灯管理系统的照明策略控制，后半夜路灯功率下调20—30%，可实现管理节电10%以上[5]。

五、升级改造成本分析

根据10年合同执行期来计算，通过升级改造可节约财政支出约2260万元，改造前后的具体财政支出情况见表4?倕5。

表4 改造前财政支出

表5 改造后财政支出

六、项目经济和社会效益分析

(一)节能成效明显

节能与智慧化管控升级改造后，相比较原先使用的高压钠灯，采用LED路灯后节电率可保持在60%以上，对节能减排和环境保护将发挥积极作用，对助力碳达峰、碳中和目标的实现也将发挥重要的推动作用。

(二)照明质量提升

节能与智慧化管控升级改造后，现有道路照明质量高于国家标准的保持不变；低于国家标准的，提升到国家标准的上限值。这将极大的提升道路实际照明质量。

(三)工作效率提升

节能与智慧化管控升级改造后的路灯管理系统能够实现第一时间将路灯故障的具体位置以及可能造成故障的原因自主发送给巡修人员。通过系统设立的工单闭环处理流程，所有问题能够在第一时间内得到及时有效的处置，这将大幅提高工作效率。

(四)安全系数提高

系统具备照明设施安全用电实时检测，灯杆带电、电缆被盗自动报警等功能，这将极大的提高路灯相关设施的安全系数。

(五)综合效益显著

从经济效益看，路灯节电直接带来电费大大降低，合同期内路灯维护及相关管理责任均由中标单位承担，财政用于路灯日常维护所需的人员、车辆、材料等支出得以免除。从社会效益看，路灯亮灯率大幅提升，用电安全得到了保障，让城市亮化更高效、市民出行更安全。