智慧路灯在工程中的应用研究

张军让

（中铁第五勘察设计院集团有限公司郑州分院）

1 引言

城市中现存的各种公共基础设施，如路灯杆、监控杆、广告牌、路标指示牌等，都是“单杆单立”现象，具有功能单一、管理分散、严重浪费资源的特性。在我国“五大发展理念”指引下，推动社会基础设施实现整合与共享，是未来城市建设发展的必然趋势，“多杆合一”是城市建设的必修课[1]。“多杆合一”的主体利用路灯灯杆，是目前最好的解决方案。因为灯杆相对均匀的分布在城市道路上，并且距离基本固定，路灯有380V/220V供电电源，如果能提供设备安装支架，可以为多种智能设备的集成提供便利成为智慧灯杆[2]。

2 城市道路照明设计应用

2.1 城市道路照明概况

在某城市道路照明设计内容中，包含该道路的机动车道和人行道的功能照明设计及交通信号灯的设计，并为后期智慧城市发展预留智慧交通设施、公共广播、信息发布和5G微基站。该道路等级为城市主干路，设计速度为50km/h，双向八车道，道路红线宽度一般路段50m，长约796m。

2.2 道路照明标准

道路照明设计标准参照国际照明委员会（CIE）标准、（CJJ 45-2015）《城市道路照明设计标准》及根据该路段所在周边地区、商业、住宅、学校和医院等具体情况，结合该路段车流量、人流量等因素，该道路按城市主干路标准设置，照明标准按高档值。道路照明对应的标准值为：①路面平均照度30lx，路面平均亮度2cd/m²，照度均匀度UE≥0.4，总均匀度Uo≥0.4，眩光限制阈值增量Ti≤15%。②人行道平均照度不低于7.5 lx（维持值）。③道路照明灯具的配电线路末端电压维持±10%。④道路交会区平均照度不低于30lx（维持值）。

2.3 道路照明及智慧灯杆设计方案

本工程道路照明按城市主干道照明标准设计，道路路面为沥青材料。结合道路横断面的设计特点，智慧灯杆布置在道路两侧，并用对称布置的照明方式，保证夜间行车照明舒适度，较少眩光，提高驾驶员和行人视觉观察能力，确保交通安全。在标准段智慧灯杆分别位于两侧机非分隔带内，灯杆采用双臂,杆高度为14m+10m，灯具间距约30m。两侧悬臂长2m，灯具采用LED 250W+LED160W（机动车道侧+人行道侧）照明，安装角度均为10°。在道路交会区选用14m中杆灯，灯具功率（3×400W）LED灯。路灯采用LED光源，并自带智能通讯节能模块。

在智慧灯杆设置时，参照交通标识、交通信号灯的规范要求设置。智慧灯杆可分为以下几种类型。A类杆可以搭载照明和路名牌、导向牌及交通信号灯和监视频控等设施，位置需要在每条道路停止线前方，一般靠近人行横道线处设置。B类杆可搭载照明和监控，位置在停止线后25m～30m处；C类杆可以搭载照明和分道指示牌，主要设置在道路分道线处提示驾驶员变换车道。灯杆在正常路段需均匀布置，同时要考虑结合绿化带树木、公交停靠站、出租车停靠站。如下图1为智慧灯杆的分层设施布置图。

从图1可以看出一到四层体现了智慧灯杆包含的所有设施功能全面，具备网络通讯和信息化服务，可以搭载数据采集、通信基站、智能应用、信息交互等多类设施。结合城市道路网，就会在道路周边搭建一个信息覆盖网。研究可得，以往传统路灯有功能单一，交通标识杆单独设立，占用公共空间等缺点。智慧灯杆实现了构件整合，又增强了功能集约化程度，从而达到节省道路空间，优化城市资源，美化城市景观的作用，从根本上优化了城市道路两侧“立杆”视觉环境[3]。

图1 智慧灯杆的分层设施布置图

3 智慧灯杆供电系统

智慧灯杆集成了众多设备，其可靠、稳定、连续的供电也是必不可少的。该工程供电系统采用一台10kV/0.4kV专用箱式变压器，高压部分采用环网供电，提高供电可靠性，低压供电半径约400m，符合规范要求。专用箱变低压出线预留广告灯、景观及节日彩灯等用电负荷,运营管理部门可据需要在投运后自主投切。电源供电压降控制：电缆线路末端电压降不高于10%，为末端电子设备提供稳定电压,保障信息传输设备正常运作，稳定传输。

4 智慧灯杆照明控制

为减少城市电力能源消耗，有必要在城市路灯照明中搭建智能照明控制系统。智能照明系统是按照采集所在区域天气情况、人车流量、道路亮度等因素，通过智能照明控制系统实现智能化控制。该照明系统可以从以下两个方面来实现。

1）智能控制

根据道路人流量、车流量、天气阴晴等相关因素进行时间和开关控制，当天气阴暗、人车流量多时，全部按需开启或调高亮度，否则反之。

2）灯具联网

借助智能控制系统对每盏灯或相隔的路灯进行调光和开启控制，再结合将区域内人、车流量，形成一定道路范围内的灯联网，达到节能的目的。该系统的组织架构是这样实现的：①进行灯联网设计；②灯具内的LED灯进行模组；③根据道路运营实际情况进行整个系统组织架构；最后，通过后台处理后将数量传输到运营管理部门[3]。

5 智慧灯杆线路管道敷设和远期预留

为了美化环境，智慧灯杆系统的电力、通信线缆都采用埋地敷设，管线敷设还要求需符合GB 50217《电力工程电缆设计标准》、GB50373《通信管道与通道工程设计规范》的相关规定。为方便电缆、光纤分支接线，在智慧灯杆旁边都要预置接线手孔井。连接综合机箱等挂载设备的线缆布放线，还需预置4～8根数量不等的穿线管与配套手井连通，埋管数量结合智慧灯杆所搭载的设备情况预留。考虑后期管线预留城市主干路、次干路，设计的管位不能少于6孔φ75～φ110管道，并考虑公共广播、信息发布和5G微基站的传输光缆敷设的子管。也可以按不同的权属单位，对应不同的管道颜色来加以区分，方便维修人员检修，节省时间。应特别注意管道在通过机动车道和有通行车辆的路段时，要采用满足承压强度的保护管，比如钢管和强度较高的MMP管材。其中预埋通信管道的埋深不小于表1的要求。

表1 通信管道的埋深

当达不到要求时，应采取措施，可以用混凝土包封。规范要求强、弱电管线不能同管敷设,并且两种管道的敷设净距不应小于0.25m。一般在每个智慧灯杆杆内预置最少12芯的光纤线缆，为移动5G通信基站、交通监控及疏导红绿灯、智能网络设备等设备提供光纤通道。非光纤传输的设备，可以采用智能网关统一为其提供信息传输通道。为提高供电线路的可靠性，智慧灯杆地埋供电电缆采用铜芯。以上所述相当于为智慧灯杆打通了神经网络，确保灯杆上搭载的各种仪器设备和探头具备稳定的接入服务能力。

6 智慧灯杆接地与防雷

智慧灯杆系统的防雷与接地应符合《建筑物防雷设计规范》GB 50057、《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》GB 50689、《城市道路照明设计标准》CJJ45、《通信局(站)在用防雷系统的技术要求和检测方法》YD/T 1429的相关规定。在每个路灯灯杆处应设置一个接地极，接地的连接母线采用热镀锌扁钢，垂直接地极采用热镀锌角钢。箱变的低压配电系统的接地形式采用TN-S制。电气设备、金属外壳、电缆PE线及保护管均应可靠接地，箱变基础周围做环形接地体。将电缆PE线与路灯的金属杆等外露可导电部分可靠连接同时路灯基础的钢筋可靠连接并做重复接地，接地电阻不大于4Ω。如果智慧灯杆立于桥上，则每根灯杆通过基础钢筋与桥梁板筋焊接，构成电气通路。智慧灯杆装置的防雷保护，利用法兰盘不小于Ø12的连接螺杆与混凝土基础内主钢筋连接，形成自然接地装置；防雷则利用金属灯杆杆体作为接闪器及避雷引下线，将雷电引下通过接地装置或接地网予以泄流。

7 节能设备的选择

为了更好地降低电力资源的使用，需要对变压器进行科学合理的选择，本次工程中选择了新型高效节能的SCB13 Dyn11变压器，路灯灯具采用LED节能光源，并搭配智能照明控制系统，以此来减少电能消耗。

8 结语

综上所述，智慧灯杆身上所搭载的“装备”，为智慧城市的基础信息采集和服务提供平台，最终汇聚到“云”端，形成大数据。可服务于城市的交通、警务、财政等系统，可全方位的对各类数据提供支持。智慧灯杆将成为未来城市发展、治理的新平台，通过智慧灯杆“神经网”结合城市大数据平台，智慧城市“神经网”可不断滋生和建设，并以此支撑智慧城市的数字化和智能化。