单灯通信模式在路灯精细化管理中的应用研究

姚 莉

上海市浦东新区公用事业管理事务中心，上海 200120

0 引言

1843年，中国上海有了第一盏煤油路灯；1873年，电灯代替了汽灯，这两种路灯的控制方式均为手动控制。1953年，上海电力公司受托管理路灯，开始采用现场自控的路灯管理方式。1980—2000年，路灯光源经历了汞灯、钠灯、金卤灯，逐步实现控制箱回路远程自动化控制的方式（区域控制器ACU）。路灯的单灯监控从2008年开始试点。

路灯最初只是传统道路附属设施之一，只具备单一的夜间照明功能。随着城市的快速发展，道路基础设施、各类杆件数量大幅增加。如今，为了提升城市公共空间的利用率，保持城市人居环境的美观，路灯设施与新建基础设施相融合，形成可多元搭载的综合杆件。综合杆件在城市道路、街区、人口密集地区广泛布局，成为5G基站大规模深度部署的最优选择，成为具有复合功能的新一代城市基础设施[1]。

路灯正在向智慧杆件发展，综合杆件散布在城市各个角落，为城市照明、视频监控、交通管理、环境监测等多维度信息交互提供可能，从单一照明单元转变为智慧城市的神经元[2]。通过物联网赋能，采集和交换城市道路、交通、车辆、行人、安防等综合信息，使智慧神经元高密度联结，逐步构建城市智慧神经网络，为数字化经济时代提供有力支撑。

发展至今，路灯的管理仍然以粗放型的管理居多。为此，文章从路灯末端（终端控制器TCU）的管理着手，结合路灯数量大、分布区域分散的特性，摸索更适合的通信模式，以提高路灯精细化管理水平。

1 路灯精细化管理可以解决的问题

（1）管理难。使用粗放型的管理模式较难监控远程终端、精确获取能耗情况和及时获取路灯状态等，对路灯实施科学管理、动态规划，可提升路灯管理效率。

（2）监控难。精细化管理可以解决纳入管理平台的路灯设施数量占比低的问题。使用单灯终端远程监控，不用依赖管理部门巡查和信访等原始手段排查故障，而是直接通过电脑或手机定点维修。

（3）能耗高。单灯控制器的调光功能结合LED光源，可在车流量高峰期开启全部光源，在车流量低谷时（如凌晨时段）通过调光降低能耗。

2 路灯精细化管理的要求

路灯设施的精细化管理依托于一体化的管理系统，进行精细化管理时需要满足以下要求。

（1）全面性。路灯设施应全面覆盖控制箱、灯杆、灯具等，并将全口径纳入管理。

（2）系统性。将路灯规范设计、基础建设、通信连接、多元搭载、移交接管、养护作业、应急处置的全流程纳入监管。

（3）精准性。建立管理云平台，将路灯设施纳入云平台，以精准远程管控灯具的开启和亮度，重点区域可通过单灯控制完成智能开关灯和智能调光来应对恶劣天气和应急状态。

（4）前瞻性。优先选择领先技术进行通信模式设置、融合搭载等工作，为后续智慧灯杆建设预留空间。路灯的精细化管理要从箱体延伸到末端，同时需要确保数据传输的实时性、可靠性。

3 单灯通信模式的应用现状

在物联网中可使用不同的通信技术满足不同的通信带宽需求，目前比较主流的通信模式有NB-IoT（窄带物联网）、eMTC（Cat0, CatM）、Cat.1，以上技术均为4G技术的延伸，分别对应低速率、中低速率、中高速率应用场景（见图1）。

图1 主流通信模式比较

单灯通信模式可以分为有线模式、无线模式两种模式，无线模式又可以分为自组网模式、公网模式。当前，常见的单灯通信模式有PLC（电力载波）模式、ZigBee无线模式、2G公网模式、NB-IoT公网模式、LoRA自组网模式[3]（见表1）。

表1 常见单灯通信模式比较

目前，最常用于路灯数据上传平台的通信模式是2G和4G，而路灯终端的控制主要使用PLC（电力载波）。因为电力载波带宽很窄、通信不稳、信号品质差，并且检修时要停止数据传送，再加上低压电力线自身的介质因素，载波信号很容易受到结构和负荷干扰而受影响，所以对于路灯的精细化管理，电力载波的可靠性教差。

国家工业和信息化部于2020年5月7日印发了《工业和信息化部办公厅关于深入推进移动物联网全面发展的通知》。文件明确提出要准确把握全球移动物联网技术标准和产业格局的进化趋势，逐步推进2G/3G物联网服务业务的过渡，同时要逐步建立NB-IoT（窄带物联网）、4G（含Cat.1，即速率类别1的4G网络，也称LTE-Cat.1）和5G协同发展的移动物联网综合生态体系，深化4G网络覆盖，快速构建5G网络。采用NB-IoT满足低速率的场景需求，采用Cat.1满足中等速率的物联需要和话音需求，采用5G技术满足更高速率和低时延联网需求[4]。

4 NB-IoT网络与Cat.1网络的对比

4.1 传输特性对比

（1）NB-IoT网络。NB-IoT主要面向低功耗广域物联网承载能力的需求，具备超窄带、可反复传输、精简网络协议等特性，但牺牲了一定的速率、时延和移动优势。在开启路灯时电缆带电，单灯控制器一直处于通电状态，NB-IoT的传输速率仅为160～250 kbps，在路灯中没有应用优势。

（2）Cat.1网络。Cat.1是4G的标准类别之一，低速4G的上行速率达5 Mbps，下行速率达10 Mbps。相比NB-IoT，Cat.1网络在速度、延时、网络覆盖方面都具有优势，可以很好地利用当前国内的4G网络，是国内信号覆盖最全面的网络。

4.2 智能控制对比

（1）NB-IoT网络。NB-IoT的并发用户数有限，其使用的是15 kHz的终端接入，理论并发数只有12个。如果多个设备同时连接到NB-IoT网络，会增加底噪，使设备难以接入网络，多余的设备需要排队访问网络。NB-IoT可用于对数据、速率要求较低的抄表场景，如在每个月某一天抄取、上传水表读数，不需要实时反馈的场景。但路灯的使用场景不一样，每当需要开关灯时，所有设备需要同时上线并将每一盏路灯状态上传至系统平台。根据规模达到几万的NB-IoT灯控项目的落地管理情况，当前NB-IoT不能较好地支持城市级别路灯数量的同时上线，只能采取依次排队延时上线的方式。

（2）Cat.1网络。与NB-IoT仅为十几台的并发用户数相比，Cat.1可以支持的并发用户数为1 000以上，能够较好地支撑城市级别路灯数量的同时上线，满足城市道路路灯设施管理需求。

4.3 智能管理对比

（1）NB-IoT网络。由于NB-IoT网络的并发用户数理论上是12个，因此无法将每一盏路灯的状态同步上传至系统平台。即使在信号、速率都满足的情况下，大面积的路灯状态也无法及时反馈至平台，不能满足道路照明设施平台智能运行管理精细化和智能化的需要。

（2）Cat.1网络。Cat.1可以支持1 000以上的并发用户，并且平均时延在20～40 ms，因此其能够较好地响应城市道路照明设施应用场景平台研发需求，无论是在日常运行、管理、策略控制，还是在故障报警、数据汇总、配电箱监控、安全管理、设备维护等功能模块中，都能更好地提供网络响应支撑。

4.4 智慧拓展对比

（1）NB-IoT网络。截至2019年，全国NB-IoT基站数量约为800 000个，由于NB-IoT网络的特性，运营商很难在现在的业务模式下收回网络建设投入成本，故均不会在NB-IoT网络覆盖上作过多优化投资。如果当地NB-IoT信号不好，也易导致路灯数据上传、平台指令下发堵塞，造成控制器无法上线响应指令的情况。

（2）Cat.1网络。截至2019年，全国4G基站数量有5 500 000个。4G信号有巨大优势，并且设备适用性扩展性大，如综合杆上的视频摄像头、环境监控、LED显示屏、充电桩等功能均已使用或可使用4G网络，便于在平台上根据网络特性统一调整业务参数和规则。NB-IoT网络显然不具备此适用性。

目前，Cat.1产业蓬勃发展，包括紫光展锐、ASR等芯片厂商，广和通、有方、移远、芯讯通等主流模组厂商快速跟进发布相关产品，带动POS终端、公网对讲、工业DTU、共享硬件、环境监测等终端的研发面市。Cat.1的广泛应用是物联网行业的主要发展趋势，随着产业的迅速发展，目前，Cat.1模组成本已经大幅降低，市场上主流厂商生产的Cat.1单灯控制器的成本与NB-IoT单灯控制器几乎无差异。

5 Cat.1试点情况与实施效果

据了解，国内三大运营商在上海浦东新区内已完成无线网络布局覆盖，4G网络覆盖率已达100%。2021年，在浦东新区进行了Cat.1通信模式的单灯控制器试点，选择三个不同区域安装设备百余个。通过近半年的数据跟踪、采集，经过平台与现场设备的功能联动等多项测试后，Cat.1在设备上下线、应急开关灯、应急调光、数据召测、校时、重启、报警准确率、调光策略执行等方面均表面优秀。

采用Cat.1通信模式的路灯单灯控制将路灯物联网构架由原先的三级变为二级，从安全角度看，原先的三级构架是串联模式，即单灯到箱体再到控制平台，而二级架构是并联模式，即单灯到平台与箱体到平台的双轨道管理。这种模式提高了路灯运行的安全，并且实现了路灯运维的可控可达、定点维修（见图2、图3）。

图2 区域控制器（ACU）与平台的物联架构

图3 终端控制器（TCU）与平台的通信架构

6 结论

综上所述，Cat.1通信技术弥补了PLC和NB-IoT的信号覆盖不全面、数据并发受限、响应速度慢等短板。在建设成本差异不大的前提下，Cat.1的高并发、低延时特性，可靠性，时效性均优于PLC和NB-IoT。鉴于路灯智能化发展的趋势、应用场景的建设、技术前瞻性及合理性的考量，采用Cat.1通信模式的路灯终端控制将提升路灯的精细化管理水平。