Почему мощные светодиодные уличные фонари становятся важнейшим двигателем устойчивой и умной городской инфраструктуры

Почему города больше не могут позволить себе традиционное уличное освещение

Муниципальное уличное освещение находится на стыке вопросов общественной безопасности, городской жизни, учета выбросов углерода и финансового управления. Для большинства городских властей это одновременно одна из крупнейших статей расходов на электроэнергию и одна из наименее тщательно изучаемых. Европейский город среднего размера, в котором эксплуатируется 80 000 обычных натриевых светильников высокого давления, может ежегодно тратить более 12 миллионов евро на электроэнергию только для уличного освещения, одновременно выбрасывая в атмосферу десятки тысяч тонн углекислого газа от класса активов, который при правильных инвестициях можно было бы сделать значительно более эффективным.

Обычные уличные фонари с натриевыми и металлогалогенными лампами высокого давления, которые по-прежнему составляют большую часть установленной в мире базы, работают со светоотдачей от 80 до 120 люмен на ватт, горят с фиксированной мощностью независимо от того, присутствует ли кто-нибудь на дороге внизу, и требуют замены ламп каждые 12 000–24 000 часов. Они излучают свет в широком спектральном диапазоне, который значительно рассеивается, причем большая часть излучения направлена ​​вверх или в сторону, а не на поверхность тротуара, где это необходимо. Они тупы в прямом смысле этого слова: они производят свет и потребляют электричество, и это все, что они делают.

Высокоэффективное светодиодное уличное освещение «умного города» меняет каждую из этих характеристик одновременно. Светодиодные светильники сегодня достигают эффективности от 150 до 220 люмен на ватт в промышленных продуктах, а лабораторные демонстрации превышают 250. Они производят направленно управляемый свет, который направляет фотоны точно на целевые поверхности, а не на окружающее небо. Они служат от 50 000 до 100 000 часов без замены лампы. А благодаря добавлению сетевых систем управления, датчиков и коммуникационного оборудования они становятся активными узлами городской сети передачи данных, способными реагировать на реальные условия и предоставлять оперативную информацию по всему городу.

Физика высокоэффективного светодиодного уличного освещения

Чтобы понять, почему светодиодная технология так радикально меняет экономику уличного освещения, необходимо изучить физику, лежащую в основе генерации света как в традиционных источниках, так и в современных светодиодах. Натриевые лампы высокого давления генерируют свет за счет электрического возбуждения паров натрия - процесса, который дает характерный оранжево-желтый спектр с индексом цветопередачи ниже 25. Такая плохая цветопередача означает, что при освещении HPS человеческое зрение работает с пониженной остротой различения цветов и распознавания периферийных деталей - двух факторов, критически важных для безопасности пешеходов и водителей.

Генерация светодиодного света происходит посредством электролюминесценции: электроны рекомбинируют с электронными дырками в полупроводниковом материале, выделяя энергию в виде фотонов. Выбирая полупроводниковые соединения с соответствующей шириной запрещенной зоны и покрывая чипы, излучающие синий свет, слоями люминофора, производители создают белый свет с контролируемыми цветовыми температурами и индексами цветопередачи. Спецификации уличного освещения обычно нацелены на цветовую температуру от 3000 до 4000 Кельвинов, балансируя повышение скотопической чувствительности более холодного белого света с уменьшением свечения неба и более теплым внешним видом, предпочтительным в жилых помещениях, со значениями CRI от 70 до 80 для проезжей части и более 80 для пешеходных и городских условий, где распознавание лиц имеет значение для личной безопасности.

Эффективность и ее определяющие факторы

Световая отдача в светодиодном уличном светильнике является результатом нескольких стадий эффективности: эффективности самого светодиодного чипа при подключении к стене, оптической эффективности вторичной линзы и системы отражателей, эффективности преобразования драйвера и эффективности управления температурой, которая удерживает температуру перехода в диапазоне, в котором поддерживается эффективность. Лучшие промышленные светильники достигают общей эффективности системы более 160 люмен на ватт за счет сочетания высокоэффективных светодиодных блоков класса 3 В, прецизионных оптических систем с эффективностью передачи более 90 процентов, драйверов постоянного тока с коррекцией коэффициента мощности и эффективностью преобразования более 93 процентов, а также пассивных алюминиевых радиаторов, которые поддерживают температуру перехода светодиодов ниже 70 градусов Цельсия при полной нагрузке в условиях окружающей среды с температурой 35 градусов по Цельсию.

Оптическая конструкция для дорожного освещения

Фотометрия дорожного освещения регулируется международными стандартами, включая EN 13201 в Европе и ANSI/IES RP-8 в Северной Америке, которые определяют требования к яркости и освещенности для классов дорог, начиная от высокоскоростных магистралей и заканчивая тихими жилыми улицами. Достижение соответствия требованиям при минимизации энергопотребления требует оптических систем, которые точно формируют распределение мощности светильника в соответствии с геометрией дорожного покрытия, не вызывая при этом бликов для водителей и не создавая нежелательных бликов для водителей или проникновения света на соседние объекты.

В современных светодиодных уличных светильниках используется вторичная оптика из поликарбоната или стекла, отлитая под давлением, с точно рассчитанными микропризмами и линзами произвольной формы, которые направляют свет в асимметричные распределения, адаптированные к расстоянию между полюсами и монтажной геометрии каждой классификации дорог. Распределения типа II и типа III, которые излучают свет вперед и в стороны с минимальной восходящей составляющей, являются стандартными для односторонних светильников на дорогах средней ширины. Конструкции с полной светоотдачей, обеспечивающие нулевую светоотдачу вверх, все чаще используются в установках, соответствующих требованиям темного неба, и стали стандартом по умолчанию в экологически чувствительных районах и жилых зонах, где световое загрязнение влияет на биоразнообразие и качество жизни жителей.

От светильника к сети: стек управления интеллектуальным уличным освещением

Интеллектуальность развертывания светодиодного уличного освещения «умного города» заключается не только в светильнике, но и в сетевой системе управления, которая координирует поведение светильников по всей дорожной сети в ответ на реальные условия. Понимание стека управления, от контроллера уровня светильника до программного обеспечения центрального управления, имеет важное значение для городов, оценивающих варианты закупок и поставщиков.

Контроллеры уровня светильника

Контроллер уровня светильника, часто называемый узлом или контроллером уличного освещения, представляет собой небольшой электронный блок, установленный внутри или прикрепленный к каждому светильнику, который обеспечивает индивидуальную адресацию, управление затемнением, измерение и измерение. Контроллеры обмениваются данными с сетью, используя один из нескольких беспроводных протоколов: ячеистые радиосети, совместимые с TALQ, работающие в диапазонах 868 МГц или 915 МГц, сотовые соединения LTE-M или NB-IoT для широкомасштабного развертывания, сеть Zigbee Pro для плотных городских сетей или связь по линии электропередачи для установок, где работа радиочастоты ограничена. Стандарт открытого протокола Консорциума TALQ, принятый большинством крупных поставщиков систем управления, обеспечивает совместимость между контроллерами разных производителей и программным обеспечением централизованного управления от разных поставщиков.

Программное обеспечение для централизованного управления

Программное обеспечение централизованного управления объединяет данные от каждого контроллера уровня светильника в сети в единую панель управления, которая позволяет операторам отслеживать состояние, потребление энергии и состояние сигнализации каждой точки освещения в режиме реального времени. Модули планирования позволяют операторам определять профили затемнения для каждого сегмента дороги в зависимости от времени ночи, дня недели и сезона, автоматически снижая светоотдачу до 50 или 30 процентов в ночные периоды с низким трафиком и восстанавливая полную мощность по мере приближения рассвета или увеличения интенсивности движения. Алгоритмы обнаружения неисправностей автоматически выявляют неисправности светильников, неисправности драйверов, отключения связи и аномалии энергопотребления, генерируя рабочие задания для групп технического обслуживания на местах и ​​устраняя традиционную зависимость от публичных отчетов о неисправностях для выявления сбоев.

Адаптивное и автономное затемнение

Наиболее продвинутые решения выходят за рамки регулирования яркости по расписанию и переходят к по-настоящему адаптивным системам, которые изменяют светоотдачу в ответ на сигналы датчиков в реальном времени. Пассивные инфракрасные и микроволновые радарные датчики, встроенные в светильники или установленные на отдельных опорах, обнаруживают присутствие и движение транспортных средств, велосипедистов и пешеходов. При обнаружении активности светильники в зоне приближения включаются на полную мощность; по мере того, как активность проходит, висячие светильники снова снижают мощность. Такое адаптивное к присутствию затемнение может снизить потребление энергии еще на 20–35 процентов по сравнению с затемнением по фиксированному графику, гарантируя при этом, что любой участник дорожного движения всегда приближается к хорошо освещенной зоне независимо от времени ночи.

Уличный фонарь как городская инфраструктура данных

Истинный преобразующий потенциал высокоэффективного светодиодного уличного освещения «умного города» выходит далеко за рамки экономии энергии, которая доминирует в обосновании закупок. Уличный столб уже занимает беспрецедентное положение в городской среде: он вездесущ, у него есть электричество, у него есть коммуникационная инфраструктура, он находится в человеческом масштабе и контролирует каждую улицу города. После преобразования в сетевой интеллектуальный светильник он становится логической хост-платформой для широкого спектра городских датчиков и услуг.

Экологический мониторинг

Датчики качества воздуха, измеряющие концентрацию твердых частиц, диоксида азота, озона и угарного газа, могут быть интегрированы в корпуса светильников или установлены рядом с ними на столбе, создавая плотные городские сети мониторинга качества воздуха за небольшую часть стоимости развертывания автономных станций мониторинга. Данные сотен или тысяч сенсорных узлов позволяют городам составлять карты качества воздуха на уровне кварталов, выявлять горячие точки загрязнения, коррелировать события, связанные с качеством воздуха, с характером дорожного движения или промышленной деятельностью, а также предоставлять жителям информацию о качестве воздуха в режиме реального времени через общедоступные информационные панели и мобильные приложения.

Аналитика трафика и мобильности

Камеры и радарные датчики, установленные на интеллектуальных опорах уличного освещения, генерируют непрерывный подсчет трафика, скорость и данные классификации без нарушения дорожного покрытия и затрат на техническое обслуживание, связанных с индуктивными контурами. Компьютерное зрение на основе машинного обучения, применяемое к изображениям с камер, может различать типы транспортных средств, обнаруживать движение по неправильному пути, подсчитывать потоки пешеходов и выявлять опасные происшествия в режиме реального времени. Эти данные подаются в адаптивные системы управления светофорами, используются при планировании городской мобильности и обеспечивают доказательную базу для мер по обеспечению безопасности дорожного движения с пространственным разрешением и временным охватом, невозможным при использовании традиционных методов ручного подсчета.

Хостинг для малых сот 5G

Уплотнение мобильных сетей 5G требует размещения небольших сотовых антенн с интервалом от 100 до 250 метров в городских условиях для обеспечения высоких скоростей передачи данных и низкой задержки, которые обещает 5G. Столбы уличного освещения, уже расположенные примерно на нужном расстоянии от городской дорожной сети, являются естественной базовой инфраструктурой для этих антенн. Программы светодиодного уличного освещения «умного города», которые включают в себя прокладку кабелепроводов внутри опорных фундаментов и достаточную мощность электропитания для поддержки коммуникационного оборудования, значительно сокращают затраты и сбои в последующем развертывании малых сот, делая инвестиции в уличное освещение фундаментом будущей цифровой инфраструктуры города.

Интеграция зарядки электромобилей

Умные опоры уличного освещения все чаще оснащаются встроенной возможностью зарядки электромобилей, особенно в городских районах, где зарядка на обочине является основной возможностью зарядки для жителей, не имеющих парковки во дворе. Зарядные устройства для фонарных столбов, обеспечивающие зарядную мощность переменного тока от 3 до 7 киловатт, могут быть установлены в пределах существующих опорных конструкций с использованием уже имеющегося источника питания для светильника, что увеличивает полезность инвестиций в каждую опору и одновременно способствует достижению целей города по внедрению электромобилей. Усовершенствованные установки динамически управляют объединенной нагрузкой светильника и зарядного устройства, снижая выходную мощность светильника в периоды высокой нагрузки на зарядку, чтобы оставаться в пределах номинальной мощности существующего питающего кабеля.

Ответственное освещение: решение проблемы светового загрязнения при использовании интеллектуального освещения

Высокоэффективное светодиодное уличное освещение «умного города» предлагает исключительную возможность снизить световое загрязнение одновременно с потреблением энергии, но реализация этой возможности требует продуманного выбора дизайна, а не предположения по умолчанию, что чем ярче, тем лучше.

Обычное уличное освещение HPS обеспечивает значительное рассеяние света вверх и широкий спектральный поток, что влияет как на циркадные ритмы человека, так и на поведение диких животных на обширных территориях. Сине-белый спектр замен светодиодов раннего поколения, хотя и был энергоэффективным, в некоторых случаях оказался более сильным свечением неба, чем источники теплого спектра, которые они заменили, поскольку коротковолновый синий свет более эффективно рассеивается в атмосфере. Этот вывод, опубликованный в рецензируемых исследованиях городских обсерваторий и подтвержденный анализом спутниковых ночных изображений, побудил к значительному переосмыслению выбора цветовой температуры в стандартах уличного освещения.

Текущий консенсус, отраженный в обновленных рекомендациях Международной ассоциации темного неба, Общества светотехники и национальных органов по стандартизации в Европе и Северной Америке, рекомендует цветовые температуры на уровне 3000 Кельвинов или ниже для большинства применений наружного освещения, при этом значения от 2200 до 2700 Кельвинов предпочтительны в экологически чувствительных зонах, таких как прибрежные районы, опушки лесов и парки. Возможность интеллектуального затемнения добавляет дополнительную экологическую выгоду: снижение светоотдачи до 20 или 30 процентов в часы с 1 до 5 часов утра, когда человеческая активность на большинстве улиц минимальна, значительно снижает общий фотонный след осветительной установки, даже если поддерживаемые уровни в часы активности остаются неизменными.

• Оптика с полной отсечкой и нулевой светоотдачей вверх снижает влияние свечения неба до 90 процентов по сравнению с обычными светильниками без отсечки.
• Цветовая температура 3000 Кельвинов или ниже уменьшает рассеяние синего света в атмосфере и сводит к минимуму помехи для навигации насекомых и птиц.
• Адаптивное затемнение до 20 процентов мощности между 1:00 и 5:00 снижает экологический след уличного освещения без ущерба для безопасности на дорогах с низким трафиком.
• Прецизионные оптические распределения, которые сводят к минимуму проникновение света на соседние объекты, защищают спальные места в жилых домах от проникновения уличного освещения.
• Сертификация IDA Dark Sky Friendly обеспечивает независимую проверку спецификации для экологически ответственного проектирования уличного освещения.

Финансирование перехода: модели закупок интеллектуального светодиодного уличного освещения

Потребность в капитале для преобразования интеллектуального светодиодного уличного освещения в масштабах всего города значительна. Город среднего размера, заменяющий 60 000 светильников при стоимости установки от 600 до 1200 евро за точку, столкнется с общей стоимостью программы от 36 до 72 миллионов евро. Тем не менее, экономия энергии, снижение затрат на техническое обслуживание и доходы от углеродных кредитов, полученные в результате перехода, обычно достаточны для полного самофинансирования инвестиций в течение периода окупаемости от семи до двенадцати лет, в зависимости от существующей структуры тарифов, возраста заменяемого оборудования и глубины достигнутого повышения эффективности.

Контракты на энергоэффективность

Контракты с гарантированными энергопоказателями остаются наиболее широко используемой моделью финансирования крупномасштабных программ модернизации уличного освещения во всем мире. По соглашению EPC специализированная компания проектирует, финансирует, устанавливает и обслуживает новую систему освещения, гарантируя минимальный уровень экономии энергии и окупая себя за счет подтвержденного потока экономии в течение контрактного периода, обычно составляющего от 10 до 20 лет. Муниципалитет получает право собственности на полностью оплаченные активы по окончании контракта, не неся при этом первоначальных капитальных затрат и не принимая на себя никаких рисков в отношении производительности технологий в течение всего срока действия контракта.

Зеленые облигации и муниципальные финансы

Муниципалитеты, имеющие доступ к рынкам капитала, все чаще финансируют программы конверсии уличного освещения посредством выпуска зеленых облигаций, где проверенные результаты программы освещения по сокращению выбросов углекислого газа и энергоэффективности обеспечивают критерии зеленой сертификации, которые позволяют продавать облигации инвесторам, ориентированным на ESG, по льготным ставкам. Лондонский институт зеленого финансирования, Инициатива по климатическим облигациям и аналогичные органы в других юрисдикциях предоставляют системы сертификации, позволяющие количественно оценить климатические выгоды от программ уличного освещения в терминах, приемлемых для рейтинговых агентств по облигациям и институциональных инвесторов.

Структурированный путь от устаревшей инфраструктуры к сети интеллектуального освещения

Успешная реализация крупномасштабной программы светодиодного уличного освещения «умного города» требует дисциплинированного последовательного подхода, который параллельно управляет рисками выбора технологии, последовательностью установки, сложностью ввода в эксплуатацию и коммуникацией с общественностью.

1. Базовый аудит и создание реестра активов: документируйте каждую точку освещения, состояние опор, пропускную способность кабельной сети, конфигурацию точки питания и текущее потребление энергии перед принятием решения о закупках. Эти данные являются основой для точного моделирования энергосбережения, спецификации закупок и проверки после установки.
2. Классификация дорог и картирование стандартов освещения. Каждому сегменту дороги присвоен соответствующий класс стандартов освещения на основе интенсивности движения, ограничения скорости, активности пешеходов и характера города. Это отображение определяет требуемую поддерживаемую освещенность, однородность и предел ослепления для каждого сегмента, что, в свою очередь, определяет требования к спецификации светильника.
3. Пилотная установка и измерение: установите репрезентативный пилотный проект из 200–500 светильников на разных типах дорог, прежде чем приступить к полной закупке. Прежде чем окончательно утвердить полную спецификацию программы, измерьте потребление энергии, яркость и соответствие освещенности, надежность системы управления и данные по техническому обслуживанию в течение как минимум шестимесячного периода.
4. Полная программа закупок: объявить комплексный тендер, охватывающий светильники, систему управления, установку, ввод в эксплуатацию и долгосрочное обслуживание в рамках гарантии производительности. Оценивайте предложения на основе общей стоимости владения в течение ожидаемого срока службы актива, а не только капитальных затрат.
5. Поэтапная установка и ввод в эксплуатацию: запланируйте установку, чтобы свести к минимуму простои, отдавая приоритет оборудованию с самым высоким потреблением и худшим состоянием, чтобы ускорить реализацию энергосбережения. Вводите в эксплуатацию программное обеспечение центрального управления параллельно с физической установкой, проверяя двустороннюю связь и точность измерения в каждой точке освещения перед передачей.
6. Интеграция платформы данных и развитие услуг. Подключите систему управления уличным освещением к более широкой платформе данных города, интегрируя потоки данных о дорожном движении, качестве воздуха и датчиках окружающей среды. Разрабатывайте общедоступные службы обработки данных и инструменты внутренней аналитики, которые реализуют ценность инвестиций в сенсорные сети для умного города.
7. Непрерывный мониторинг и оптимизация производительности. Используйте сеть как живую, обучающуюся систему. Просматривайте ежемесячные данные о потреблении и производстве энергии в сравнении с базовыми прогнозами, сезонно корректируйте профили затемнения и используйте данные о тенденциях неисправностей для оптимизации планирования профилактического обслуживания.

Умное светодиодное уличное освещение на практике: уроки ведущих городов

Глобальный опыт модернизации светодиодного уличного освещения «умных городов» в настоящее время включает сотни завершенных программ в городах любого размера и экономического контекста, предоставляя богатую фактическую базу, из которой команды по закупкам могут извлечь уроки.

Следующее поколение: технологии, формирующие будущее умного уличного освещения

Нынешнее поколение высокоэффективного светодиодного уличного освещения для умных городов, несмотря на впечатляющие характеристики, представляет собой точку на технологической траектории, которая продолжает быстро развиваться в нескольких измерениях.

Li-Fi-связь через уличное освещение

Light Fidelity, или Li-Fi, — это технология беспроводной связи, которая модулирует интенсивность светодиодного света на частотах, незаметных для человеческого глаза, для передачи данных со скоростью, конкурентоспособной со скоростью Wi-Fi. Светильники уличного освещения, которые непрерывно излучают видимый свет в общественных местах, представляют собой естественную инфраструктуру передачи данных Li-Fi. Пилотные программы в нескольких европейских городах тестируют светильники с поддержкой Li-Fi, которые обеспечивают бесплатную высокоскоростную передачу данных пешеходам и велосипедистам в пределах их освещенных зон, эффективно превращая каждый уличный фонарь в точку доступа к подключению без требований лицензирования радиочастотного спектра, связанных с обычными беспроводными сетями.

Интеллектуальное освещение с интегрированной солнечной батареей и автономным питанием

В городских районах с высоким уровнем солнечного излучения, а также в сельских и пригородных районах, не подключенных к сети, встроенное интеллектуальное уличное освещение на солнечной энергии полностью исключает подключение к сети. Современные солнечные системы уличного освещения сочетают в себе высокоэффективные монокристаллические фотоэлектрические панели с литий-железо-фосфатными батареями, рассчитанными на несколько последовательных пасмурных дней автономной работы, светодиодные светильники со встроенным адаптивным управлением и сотовую связь для удаленного мониторинга. Системный интеллект управляет балансом между сбором энергии, состоянием хранения, прогнозируемой интенсивностью излучения на основе данных API погоды и адаптивным планированием выходной мощности для поддержания освещенности в течение длительных периодов низкой освещенности без чрезмерного увеличения емкости аккумулятора. Эти системы становятся все более конкурентоспособными по сравнению с установками, подключенными к сети, в местах, где стоимость расширения сети превышает стоимость автономных солнечных установок.

Искусственный интеллект и прогнозная оптимизация

Машинное обучение, применяемое к потоку операционных данных крупной сети уличного освещения, создает возможности оптимизации, к которым не имеют доступа системы управления на основе правил. Системы планирования на основе искусственного интеллекта, обученные на многолетних данных о трафике, записях погоды и истории тарифов на электроэнергию, могут прогнозировать профили спроса на освещение с достаточной точностью, чтобы планировать профили затемнения, которые достигают целей соответствия нормативным требованиям при минимизации затрат, учитывая взаимодействие между структурой тарифов, сигналами об интенсивности выбросов углерода в сети и моделями спроса в зависимости от времени суток. Модели прогнозного обслуживания, обученные на основе данных о производительности водителя, истории рабочих температур и совокупных часах работы, могут прогнозировать отдельные неисправности светильников за несколько недель до их возникновения, что позволяет полевым группам комбинировать несколько замен за одно посещение и достигать снижения затрат на техническое обслуживание на 30–40 процентов по сравнению с режимами реагирования на неисправности.

Стандарты, кибербезопасность и управление сетями интеллектуального освещения

Поскольку сети уличного освещения становятся сетевой вычислительной инфраструктурой, они приобретают такие же последствия для безопасности и управления, как и любая подключенная городская система. Интеллектуальная сеть уличного освещения, к которой можно получить удаленный доступ для затемнения или гашения светильников по всему городу, также является целью кибератак, а последствия успешной атаки варьируются от темноты в окрестностях до вмешательства в работу экстренных служб.

Требования кибербезопасности для интеллектуальных систем уличного освещения рассматриваются в новых стандартах, включая ETSI EN 303 645 для потребительских устройств Интернета вещей, рекомендации NIST по безопасности Интернета вещей в США и требования к закупкам для конкретных городов, которые требуют шифрования всех коммуникаций между контроллерами светильников и программным обеспечением централизованного управления, многофакторной аутентификации для административного доступа, возможности автоматического развертывания исправлений безопасности и сегментации сети, которая предотвращает использование систем управления уличным освещением в качестве точки входа в другие муниципальные системы.

Вопросы управления данными возникают из-за полезной нагрузки датчиков, которые все чаще переносят сети интеллектуального освещения. Столбы, оснащенные камерами, способные идентифицировать людей, вызывают законные опасения по поводу гражданских свобод, которые требуют четких политических рамок, определяющих, какие данные собираются, как долго они хранятся, кто может получить к ним доступ и в соответствии с какими юридическими полномочиями могут быть активированы возможности наблюдения. Города, которые наиболее успешно справились с этими вопросами, сделали это посредством прозрачных процессов общественных консультаций, которые установили согласие сообщества и четкие правила управления до того, как были развернуты датчики, вместо того, чтобы пытаться модифицировать систему управления уже работающей инфраструктурой наблюдения.