NBIoT智慧照明解决方案白皮书.docx
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NBIoT智慧照明解决方案白皮书
NB-IoT智慧照明解决方案白皮书
1序言
在经济社会发展过程中，城市公共照明已不再局限于道路功能照明，而是发展成为表现城市景观、体现城市形象和现代化水平的重要标志，城市公共照明设施规模日益增大，用电量节节攀升，社会各方对城市公共照明的要求和希望越来越高。
而目前国内城市照明的监控和管理方式相对简单、粗放，服务质量和节能水平有待提高，难以满足现代化城市照明的需要，城市照明面临精细化管理与节能减排双重挑战。
城市照明运行监控管理在经历了手动开关、分散式时控/光控、集中式远程监控（回路级三遥功能）三个阶段之后，开始向单灯层面延伸（监控管理到每一盏路灯），向智慧照明发展。
近年来，城市智慧照明应用推广速度逐年加快，全国范围成功案例越来越多。
上海、南京、杭州、济南、无锡、大同等大中型城市以及更多的地市/县市级城市均已开始单灯监控管理应用的建设，其中部分城市（如济南市、新泰市）实现了城市级（全市区）路灯单灯管理，系统运行稳定，管理提升明显，节能效果显著，产生了良好的社会效益和经济效益。
近年来，世界发达国家及我国的众多城市都在努力打造绿色、智慧型新型城市架构和智慧型城市管理模式。
城市路灯设施分布范围广、数量大、位置固定、可识别性强，在智慧城市建设大潮中，充分利用路灯设施的资源优势，采用物联网、大数据、云计算、单灯控制等技术，建设城市智慧照明，解决城市照明现存不足和问题，推动城市照明管理提升，促进城市照明节能减排，同时提高城市照明基础设施智能化水平，为真正实现信息资源共享一体化的智慧城市打好坚实基础，已成为智慧城市建设的重要组成部分。
当前，传统智能照明解决方案存在许多问题，比如PLC传输的局限性、施工安装不灵活、稳定性欠佳等。
而NB-IoT具有高安全、广覆盖、大连接、低功耗、部署灵活、稳定性强和低成本等特点，可以较好的解决上述问题，并更好的满足智慧照明的发展需求。
鉴此，泰华智慧产业集团股份有限公司、中国电信股份有限公司、华为技术有限公司三方联合，共同发布《NB-IoT智慧照明解决方案白皮书（2018版）》，全面分析传统智慧照明普遍存在的痛点及NB-IoT物联网智慧照明的优势，从云、管、端协同发展等方面总结了NB-IoT智能照明表应用方案，并展望智慧照明发展趋势。
随着智慧城市的发展，物联网、云计算、大数据等新技术的广泛应用，基于NB-IoT技术的智慧照明将成为智慧城市管理信息化水平的标志之一，将推动行业创新，增进民生福祉，提升社会价值，保护环境资源。
2照明行业问题和挑战
2.1照明行业普遍存在的痛点问题
近年来城市照明取得了巨大的发展，但由于城市照明业务涉及城市公共服务、百姓民生、城市形象等多方挑战，城市照明也一直存在诸多管理难题。
2.1.1照明运营模式落后
在使用传统方式进行照明管理的地区，路灯的控制主要依靠人工控制开关电闸的方式进行开灯和关灯操作，开关灯时间误差大、统一性差，日常运行维护工作量大，且难以应对突发事件特殊照明需求。
2.1.2监控维修不到位
在使用传统方式进行照明管理的地区，日常巡检主要靠业务人员开车逐条道路、逐个灯杆检查的方式进行。
存在运维方式落后、运维管理工作量大、服务质量保障困难等问题。
2.1.3按需照明、节能减排需求巨大
目前国内城市照明的监控和管理方式相对简单、粗放，服务质量和节能水平有待提高，难以满足现代化城市照明的需要，城市照明面临管理与节能双重挑战。
2.1.4信息化管理缺失
在部分使用传统方式进行照明管理的地区，仍然采用传统方式对路灯数据进行整理记录，当前实时准确的路灯类型、路灯数量和箱变数量等信息没有进行整理记录存档。
信息化技术应用的不足造成管理和技术人员信息装备水平普遍较低，日常运行监控和业务管理主要依靠人工和文档类简单电子化方式，对智能化监控、计算机应用、网络知识接触较少，不利于城市照明运行和管理水平的发展。
智慧照明系统为先进的智慧照明管理系统，可以解决传统照明存在的信息化技术应用不足的问题。
2.2传统智慧照明存在的问题
目前国内智慧照明领域，基本采用基于PLC和GPRS技术实现城市照明的智能监控和单灯节能管理。
因为数据传输局限性大、系统部署复杂、网络覆盖面临困境等问题，一直阻碍了智慧照明的广泛应用。
主要体现在：
2.2.1数据传输局限性大
智能集中器到单灯控制器的数据传输方式采用电力线载波PLC技术。
电力线载波（PLC，即PowerLineCarrier）是电力系统特有的通信方式，电力线载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。
最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。
但是电力线载波技术存在着局限性：
配电变压器对电力载波信号有阻隔作用，所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。
三相电力线间有很大信号损失（10dB-30dB）。
通讯距离很近时，不同相间可能会收到信号。
一般电力载波信号只能在单相电力线上传输。
电力线存在本身固有的脉冲干扰。
使用的交流电有50HZ和60HZ，则周期为20ms和16.7ms，在每一交流周期中，出现两次峰值，两次峰值会带来两次脉冲干扰，即电力线上有固定的100HZ或120HZ脉冲干扰，干扰时间约2ms，固定干扰必须加以处理。
有一种利用波形过0点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过0点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用。
2.2.2部署复杂
传统的智慧照明解决方案，部署单灯控制器必须在控制柜或箱变内配套部署智能集中器。
单灯控制器无法直接与监控中心通信，且同时部署的智能集中器，不仅挤占了箱变或控制柜空间，同时增加了部署成本，降低了系统稳定性。
2.2.3网络覆盖面临困境
传统智慧照明采用GPRS公网进行信息传输，虽然GPRS模块成熟稳定，通信费用价格低廉。
但是随着国家逐渐关停GPRS网络，有些地区的监控中心与智能监控终端的通信会受到影响，从而影响智慧照明系统的运行稳定。
3当NB-IoT遇上智慧照明
3.1NB-IoT五大亮点
NB-IoT（NarrowBandInternetofThings），即基于蜂窝的窄带物联网，作为远距离无线通讯技术中的佼佼者，NB-IoT具备高安全、广覆盖、低功耗、大连接和低成本这五大亮点。
图3-1NB-IoT五大亮点
3.2NB-IoT在智慧照明领域的优势
NB-IoT智慧照明解决方案的优势有助于解决照明行业和传统智慧照明面临的普遍问题，具体如下：
✧针照明行业普遍存在的痛点：
NB-IoT智慧照明有助于能够提升开关灯时间准确度，做到按时统一开关路灯，能够应对突发事件特殊照照明需求，降低相关人员运行维护工作量；
✧针对数据传输局限性问题：
NB-IoT智慧照明数据传输不再受限于箱变或控制柜，可实现监控中心直接控制每一盏路灯，破解了电力线载波通信技术PLC的信息传输局限性；
✧针对部署问题：
NB-IoT智慧照明部署简单快捷，无需额外组网，无需特殊布线。
支持传统安装方式与ANSI接口安装，极大的降低了后续的维修成本；
✧针对网络覆盖问题：
广域低功耗NB-IoT技术，具备广覆盖，容量大，可靠性高的优势，可协助解决灯杆安装密集或分散，安装位置条件复杂等网络覆盖问题；
4NB-IoT智慧照明解决方案
4.1总体设计
4.1.1技术路线
1）NB-IoT技术
目前，城市智慧照明主要采用电力线载波通信与公网GPRS结合的方式进行物联网感知层信息的汇聚传输和监控指令的下发。
这种通信方式虽然已比较成熟，但是需要集中网关，单灯运行方案受限于一个网关，控制不够灵活。
国内电力环境较差、路灯类型繁多，也需采取专门的技术措施保证PLC通信的可靠性。
NB-IoT构建于蜂窝网络，通信距离长、覆盖范围大；基于运营商公网，不需要集中网关，稳定性高。
在城市智慧照明中应用NB-IoT技术，可构建更为稳定的路灯物联网，同时能够提高单灯控制的实时性、可靠性和灵活性。
2）基于SOA的多层软件架构技术
软件平台采用面向服务架构（SOA）的多层设计，业务逻辑层清晰，与数据库间通过单独的数据访问层进行访问，该方式降低了业务逻辑和数据库间的耦合度，增加了数据的安全性和事务性。
业务逻辑层通过WebService标准接口提供服务。
通过WebService标准（包括XML数据封装、SOAP封包协议、WSDL发布协议、HTTP数据传输协议），为系统集成提供了强大的标准性、兼容性和可扩展性。
3）GIS（地理信息系统）技术
采用GIS技术，将灯源、灯杆、控制箱、箱变以及现场监控设备等各类照明部件与地理位置和空间信息有机结合，实现照明设施的位置可视化，并支持基于GIS的动态监控管理。
4）移动互联技术
融合移动通信和互联网技术，整合移动通信随时、随地、随身和互联网共享、开放、互动的优势，为城市智慧照明提供丰富的移动应用，真正实现随时随地移动办公，为城市照明管理人员及维护人员提供更大的工作便利。
4.1.2整体架构设计
NB-IoT智慧照明由监控中心设施及云端软件平台、现场智能终端设备和NB-IoT通信网络等部分组成。
通过对城市照明的“点、线、面”实时测控和节能管理，及时掌握城市照明的建设运营情况，统计城市照明设施的基本信息和能耗情况。
同时协助照明主管部门完善照明信息统计制度，建立照明节能评价体系，加强对城市照明指导工作的针对性和科学性。
NB-IoT城市智慧照明整体架构如下图所示：
NB-IoT是新兴的窄带物联网技术，基于运营商蜂窝网络，通信更为稳定可靠。
在NB-IoT网络架构下，每个单灯控制器直接与中心应用平台通信，不需要现场通信网关（集中器），减少通信环节，网络更为简单，单灯控制更为灵活。
4.2.1终端层—物联网感知端融合
终端设备是物联网的基础载体，随着物联网的发展，终端由原有的哑终端逐步向智能终端演进，通过增加各种传感器、通讯模块使得终端可控、可管、可互通，包括安装在路灯箱式变电站和配电箱内的智能路灯远程控制终端（RTU）以及安装到每个灯杆的单灯节能控制器，终端设备通过集成NB-IoT标准模组，与NB-IoT基站连接来实现通讯能力，智能终端通过NB-IoT基站将路灯相关运行信息上传给IoT平台，并接收通过IoT平台下发的开关灯及亮度调节指令。
4.2.2网络层—NB-IoT简易部署，广覆盖
网络是整个物联网的通讯基础，不同的物联网场景和设备使用不同的网络接入技术和连接方式。
对于智慧路灯场景，中国电信基于800M频段的NB-IoT网络承载智慧路灯数据采集和远程控制业务。
在网络部署上，NB-IoT仅使用180KHz带宽，可采用带内部署
（In-band）、保护带部署（Guard-band）、独立部署（Stand-alone）方式灵活部署，通过现有GUL网络简单升级即可实现全国覆盖，与其他的LPWA技术相比，NB-IoT具有建网成本低，部署速度快，覆盖范围广等优势。
中国电信的800M频段在信号穿透力和覆盖度上拥有较大的优势，能够充分保障智慧路灯等业务在复杂应用环境下的数据信号传输的稳定性与可靠性。
中国电信通过整合通信网络能力与IT运营能力，为路灯管理部门和工程维护部门提供可感知、可诊断、可控制的智能网络，满足客户对路灯终端的工作状态、通信状态等进行实时自主查询、管理的需求。
4.2.3平台层—统一平台多业务汇聚管理
IoT平台支持公有云、私有云等多种灵活部署模式，并提供连接管理、设备管理、数据分析、应用使能等基础功能。
IoT平台提供连接感知、连接诊断、连接控制等连接状态查询及管理功能；通过统一的协议与接口实现不同终端的接入，上层行业应用无需关心终端设备具体物理连接和数据传输，实现终端对象化管理；平台提供灵活高效的数据管理，包括数据采集、分类、结构化存储，数据调用、使用量分析，提供分析性的业务定制报表。
业务模块化设计，业务逻辑可实现灵活编排，满足行业应用的快速开发需求。
针对智慧路灯行业的特定场景，华为和泰华智慧联合制定智慧路灯标准化设备模型即路灯Profile（见附录A）。
标准化设备数据模型（设备Profile）对行业业务属性及设备的能力，以服务的形式抽象归纳，形成统一的北向API提供给上层应用，南向基于IoT平台的异构
协议接入能力，快速适配接入海量IoT设备，由平台负责转换设备数据模型，从而简化应用开发难度，构建开放的南北向生态，加快项目复制能力，方便设备商快速开发设备描述和数据格式。
IoT平台提供插件管理功能，实现南向对接服务，方便各类灯具厂商和控制器厂家根据标准、多协议快速接入和设备管理功能，同时支撑路灯故障报警、巡检维修养护的流程化服务，实现城市道路照明的节能减排和管理效率的提高。
同时IoT平台与NB-IoT无线网络协同，提供即时/离线命令下发管理、小区级下行流控管理、批量设备远程升级等功能，相对传统解决方案通信成功率提高30%以上，路灯控制指令下行不拥塞，响应更及时。
4.2.4应用层—丰富的路灯应用
IoT应用是物联网业务的上层控制核心，智能路灯行业在IoT平台的基础上，可聚焦自身的应用开发，使物联网得到更好的体现。
智慧路灯应用系统通过IoT平台获取来自终端层的数据，使城市照明设施的管理具体到每一盏灯，城市照明管理者可对每一盏灯的工作状态、电流、电压、故障等信息实时“在线巡测”，改变以前路灯养护主要依靠人工巡检、热线报修的落后方式（数据模型如表1所示）。
智慧照明采用流程化手段，包括工单管理、巡检管理、车辆管理（GPS）、安全生产管理、工程管理考评管理等在内的应用系统有机融合，建立城市照明事件处理体系、设施运维养护体系、物料管理体系和工程管理体系，形成人财物统一、责任明确、处置及时的城市照明综合管理机制，有效提高管理效率，减轻劳动强度，同时降低照明系统运维成本和能耗。
4.1.3应用软件模块结构设计
从智慧照明管理分类和业务逻辑分析，系统软件分为设施资源管理系统、智能监控系统、单灯节能管理系统、移动监控系统四部分，并且有统一的系统管理模块对组织结构、用户权
限做相应的系统管理。
应用软件模块结构如下图所示：
照明设施资源管理：
通过对灯具、灯杆、变压器、控制箱、控制回路等照明设施进行普查、身份编码和定位，以GIS为基础进行可视化动态管理。
智能监控系统：
以“五遥”管理为核心，协助用户制定分时、分区域、分场景（TPO原则）的照明系统运行方案，提供状态监测、运行控制和综合分析等功能，实现照明监控管理的集中化、自动化和智能化。
单灯节能管理系统：
通过单灯管理，使城市照明设施的管理具体到每一盏灯，城市照明管理者可对每一盏灯的工作状态、电流、电压、故障等信息实时“在线巡测”。
移动监控系统：
利用智能手机或平板电脑实现城市照明移动监控功能，方便现场监控维护，为城市照明管理人员及维护人员提供更大的工作便利。
4.1.4系统安全设计
系统安全重点解决系统操作、数据库和服务器等系统安全级安全问题，建立有效的网络检测与监控机制，以保护主机资源，防止非法访问和恶意攻击，及时发现系统的数据库的安全漏洞，有效抵抗黑客利用系统的安全缺陷对系统进行攻击，做到防患于未然。
1）操作安全设计
为了规范系统操作，增强系统的安全性，系统采用了严格的安全管理措施。
系统定义了多种用户角色，每种角色都有自己独立的操作权限和用户界面，用户登录系
统后只能完成权限允许的各种操作。
用户登录系统后的所有操作都要记录日志，并永久保存，以便在发生异常操作时追溯问题，明确责任。
为了保证业务数据的完整性和安全性，在保存和传输业务数据时要对数据加密。
2）网络安全设计
通过进行合理的网络安全域划分，综合采用防火墙、VLAN划分、入侵防御、防病毒、
URL地址过滤等安全措施，对整个智能照明管理平台的基础网络及系统平台进行全面安全防护，以建立安全、可靠的运行环境。
3）数据安全设计
数据安全对本系统来说尤其重要，数据在广域网线路上很难保证在传输过程中不被非法窃取、篡改。
数据库存储着关键敏感的数据。
任何细小的疏忽、遗漏而造成的敏感信息的破坏、泄漏都将有可能导致异常严重的后果。
因此，如何确保数据交换网络传输过程敏感信息的安全和完整性，保护这些敏感数据在使用、传输过程中高度的强壮性、保密性、完整性和不可抵赖性是整个系统安全设计当中的重中之重。
4.2软件平台设计
4.2.1基于GIS的照明设施资源管理系统
照明设施资源管理是照明智能监控和单灯节能管理等应用的基础。
通过对灯具、灯杆、变压器、控制箱、控制回路等照明设施进行普查、身份编码和定位，以GIS为基础进行可视化动态管理，改变以往照明设施管理中数据不准确、难以查询、统计和数据更新滞后等现象，为照明设施养护和维修提供依据，为城市照明能耗统计分析、城市照明监控管理和节能提供基础支撑。
同时灯杆编号数据库和识别标签可以为公安110和其他城市管理部门提供
定位参照服务，达到集约建设、资源共享的目的。
电子地图基本功能
采用主流电子地图，可展示城市最新地貌、路网、建筑物、重要单位驻地等信息，地图数据库存放于系统服务器，保证数据安全，查询、浏览、操作方便快捷，并且地图基础数据可更新，有利于照明设施资源的入库、查询和管理。
电子地图支持放大、缩小、平移显示、标识、定义比例尺、查看全图、放大镜、鹰眼、居中显示等功能。
分层显示功能
地理信息系统由各种不同的地理信息图形和特征组成，为了更好对路灯设施进行管理，系统对各种路灯设施采用分层管理的方式，由此可将不同层任意叠加，以满足不同层次的设施查看需求。
主要的分层数据包含：
基础地理信息、箱变、灯杆等。
设施信息管理
系统能够对路灯设施进行详细的档案管理，包括信息的添加、编辑、删除、查询、参数设置、统计、分析等操作。
拓扑关系显示
可直观显示控制箱接线图，展示箱内电气设备的拓扑关系。
可直接显示控制箱的控制范围和单独回路的控制范围及相关信息，并可反向选择，通过在地图上选择可知道所属变压器
/控制箱，不同回路用颜色加以区分。
照明设施定位
系统能够对灯杆、灯具、光源、变压器等准确定位、查找。
设施查询统计
系统依照区域、设备类型、建设时间等条件对设施信息进行查询统计；同时对各个查询结果能够输出打印。
4.2.2单灯节能管理系统
借鉴国际先进的照明设计和管理标准，在智能监控的基础上，以单灯节能控制为管理手段，依据时间、人流、车流、天气等环境条件设定合理的单灯节能方案，在保证照明质量的前提下进行单灯节能控制，真正实现“按需照明”。
通过单灯管理，使城市照明设施的管理具体到每一盏灯，城市照明管理者可对每一盏灯的工作状态、电流、电压、故障等信息实时“在线巡测”，改变以前路灯养护主要依靠人工巡检、热线报修的落后方式，大量节省办公、车辆、人员等费用和能耗，有效提升照明管理水平，显著降低整体运维成本。
单灯状态监测
系统能够对每一盏路灯的工作状态、电流、电压、亮灯时长等信息实时“在线巡测”，操作者也可随时手动巡测和选测路灯的运行参数。
单灯节能控制
系统依据时间、人流、车流、天气等条件设定合理的单灯节能控制方案，实现“隔盏亮灯”、“关辅道灯”、“智能调光”（LED路灯）等亮灯方式，也可对特定道路、特殊灯具或根据特别需求灵活、简便地进行手动开关灯控制，在保证照明质量的前提下进行节能控制。
辅道灯关闭、主道灯调光50%效果图（鹰潭市信江新区）：
单灯节能管理
为了能更为准确地计算节电量和节能率，系统根据采集到的电压、电流、功率因数等数据，结合单灯节能控制方案综合计算，按日、月、年等周期生成节能报表，分析城市照明节能情况，并提供即时查询、统计和打印输出等功能。
单灯故障管理
系统可对每一盏灯的工作状态、电流、电压等信息实时“在线巡测”，并分析生成故障报表，改变以前主要依靠人工巡检、热线报修的运维方式，大量减少办公、车辆、人员等费用，降低运维成本，从另一方面实现节能降耗。
系统能够根据对单灯运行情况的分析、汇总，生成单灯故障报表，可以按日、月、年等周期或者即时需要进行查询、统计。
故障类型包括但不限于：
（1）灯源故障
（2）灯源闪灯
（3）补偿电容失效
（4）熔断器故障
3.3.5单灯故障定位
系统可在电子地图上对故障设施进行定位，方便运维人员快速确定故障地点，提高维护效率。
单灯亮灯率统计
依据采集到的电压、电流、功率因数等数据，可以精确计算、统计特定区域内（工区、箱变）的亮灯率情况。
城市照明运行统计分析
采用“1+6”报表模式对城市照明系统每天的运行情况进行汇总分析，包括1张系统运
行总表和6张二级报表（上线率统计、耗电量统计、亮灯率统计、节能率统计、RTU主要报警统计、单灯故障报警统计等）。
4.2.3移动监控
针对城市照明管理移动办公的需要，采用先进的移动应用开发平台和技术，设计开发智慧照明移动应用，利用智能手机或平板电脑通过3G/4G或WIFI通信网络实现城市照明移动监控功能，方便现场监控维护，为城市照明管理人员及维护人员提供更大的工作便利。
移动应用同时支持安卓和苹果（iOS）系统。
4.3感知层智能设备设计
4.3.1单灯控制器
泰华LOC系列单灯控制器是国内应用最广泛的一种单灯节能控制设备，采用国际最先进的工业测控技术，实现了对每盏路灯的智能化管理。
单灯控制器采用NB-IoT通信技术，接受监控中心发出的指令，并根据指令对路灯执行调光（LED路灯）、开关灯控制和运行参数采集等操作。
泰华NB-IoT单灯控制器有两个安装部署方式。
传统的方式是安装在灯杆检修孔，实现对一杆路灯多个光源的监测控制。
另一种方式是采用ANSI接口，与具备ANSI接口的灯具连接，改善单灯控制器与灯具的机械和电气连接。
主要功能
（a）检修孔安装（b）ANSI接口连接
（1）调光控制：
可实现1-2路调光控制；
（2）调光接口：
0-10V或PWM；
（3）开关灯控制：
可实现1-2路开关灯控制；
（4）参数采集：
可实现电流、电压、功率因数等采集；
（5）节能控制预案管理：
可接收、存储单灯节能控制预案，并依照预案进行灯源控制；
技术参数
（1）工作电源：
85-265Vac；
（2）电源频率：
50Hz±1Hz；
（3）通信方式：
NB-IoT；
（4）防护级别：
IP67；
（5）工作温度：
-40～70℃。
4.4系统建设方案
4.4.1监控中心建设
城市智慧照明监控中心为智慧照明提供应用软件部署运行、数据存储和网络环境，主要包括机房建设、网络环境、软硬件环境等内容。
可充分共享利用现有资源，避免重复建设。
城市智慧照明监控中心拓扑架构及主要硬件设备如下图所示：
（1）网络环境
监控中心需配置一个公网固定IP及公网接入专线（可利用现有专线），配置交换和路由设备，组建监控中心局域网并接入公网。
配置网络安全设备和工具，确保网络系统安全。
（2）软硬件运行环境
系统软件包括操作系统、数据库管理系统和软件开发平台等。
操作系统选择主要考虑系统安全性、稳定性、运行效率、易用性及支持维护成本等方面，数据库管理系统选择主要考虑平台支持能力、大容量数据管理能力、并发处理能力、安全性、开放性、维护性以及工具的丰富性等，开发平台主要从与操作系统结合程度角度考虑。
监控中心硬件设备主要包括服务器、监控计算机等，根据智慧照明应用需求，配置光照度采集
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