Уличные светодиодные светильники принесли ощутимую экономию средств муниципалитетам и коммунальным предприятиям несмотря на высокие первоначальные затраты.
Фото: Pixabay, автор — succo. Используется на основании свободной лицензии для коммерческих и некоммерческих целей.
Конференция по уличному и зонному освещению (SALC) Общества инженеров по освещению (IES) как обычно представила широкий спектр докладов, посвященных улучшению освещенности в ночное время, использованию технологий подключаемого и интеллектуального освещения, важности датчиков и даже влиянию светодиодного освещения на уровень преступности в городах. Однако мероприятие, которое проходило 22–25 сентября в Сан-Диего, Калифорния, также запомнится проявлением новой тенденции к монетизации активов: муниципалитеты и коммунальные предприятия, владеющие столбами уличного освещения, осознали, что эти объекты представляют собой ценные активы и обеспечивают потенциал для получения новых потоков доходов – которые могут иметь отношение к освещению или не иметь к нему никакого отношения. И, конечно, постоянно упоминался Интернет вещей (IoT), хотя многие докладчики до сих пор пытаются точно определить, что такое IoT.
В течение десяти последних лет мы публиковали тематические статьи о SALC почти ежегодно. В течение пары лет параллельные события не позволяли нам присутствовать на конференциях, однако мы следили за новыми тенденциями – в частности, за стремительным развитием современной концепции, согласно которой интеллектуальные и подключаемые системы твердотельного освещения (SSL) могут также выполнять и другие функции, например, мониторинг парковки, обнаружение выстрелов из огнестрельного оружия, улучшение движения транспорта и т. д. При этом основной темой является развитие сети и системы управления, которые бы обеспечили дополнительную экономию по сравнению с эксплуатационными расходами на уличное освещение, а также дальнейшие попытки использовать эту сеть для других целей.
Данный сценарий реализуется уже в течение определенного периода времени. Однако путь вперед постоянно меняется. Летом 2018 г. мы уже писали об испытаниях технологии камер, объединенных в единую централизованную сеть в Портленде, штат Орегон. Узлы с поддержкой интеллектуальных камер были установлены рядом со светильниками на опорах и подключены к выделенной высокоскоростной беспроводной сети, функционирующей отдельно от уличного освещения. И в этом случае «вездесущий» столб являлся важным активом, обеспечивающим надежное электропитание и вид с высоты птичьего полета для камер и других датчиков. Эта тенденция получила свое развитие (об этом мы будем говорить далее) после того, как у владельцев опор освещения массово проявилась «золотая лихорадка» из-за их стремления монетизировать опоры освещения, например, за счет размещения инфраструктуры малых сот 5G или даже Wi-Fi.
Лучший город Америки
По традиции, первыми, кто взял слово на конференции SALC, были представители принимающего города, Сан-Диего. Эрик Колдуэлл, заместитель главного оперативного управляющего муниципалитета, выступил с приветственной речью. Ранее мы уже брали интервью у Колдуэлла, в котором он рассказал о своей роли в установке интеллектуальных узлов с поддержкой камер на столбах уличного освещения в Сан-Диего. На конференции SALC Колдуэлл больше выступал в роли представителя своего города, рекламируя достоинства «лучшего города Америки», как его в течение долгого времени называют местные жители.
Колдуэлл упомянул о большом вкладе, который город внес в последнее время в развитие технологий, начиная с аэрокосмической отрасли и завершая Qualcomm в качестве ключевого новатора в области мобильной связи, а также Cubic в сфере общественного транспорта. В своем предыдущем интервью Колдуэлл рассказывал о камерах на столбах уличного освещения, однако он преуменьшил их роль для правоохранительных органов, хотя признавал, что камеры использовались для раскрытия преступлений. По словам Колдуэлла, полиция не имела регулярного доступа к камерам – только в случае особых запросов о помощи в раскрытии преступления.
Основным докладчиком, который выступал после Колдуэлла, был капитан Джеффри Джордан из департамента полиции Сан-Диего, который занимается в штате начальника полиции специальными проектами и законодательными вопросами. Джордан рассказал о некоторых предпосылках, о которых мы писали ранее, в том числе о том, что экономия на электроэнергии и техническом обслуживании благодаря раннему переходу на светодиодные уличные фонари позволила городу заняться установкой интеллектуальных опор освещения (рис. 1). В рамках проекта уже установлено более 3200 опор освещения, и в скором времени количество опор превысит 4000.
РИС. 1. Свыше 3000 опор уличного освещения в Сан-Диего, выполненных в виде традиционного декоративного фонаря или головы кобры, оснащены беспроводными интеллектуальными узлами с 360-градусными камерами. (Фото: Мори Райт.)
Сверхточная охрана порядка
Джордан рассказал, что город находит варианты использования данных, собранных интеллектуальными узлами, во всех городских подразделениях. Собираемые сведения – это не только видео и данные об окружающей среде. Камеры также позволяют реализовать то, что Джордан назвал «сверхточной охраной порядка» – технологией, включающей в себя такие инструменты, как анализ ДНК и дактилоскопию.
По словам Джордана, полицейское управление использует видео и информацию от датчиков таким образом, чтобы защитить личную жизнь граждан. Сан-Диего привлек внимание Американского союза гражданских свобод (ACLU) в отношении камер. Однако Джордан подчеркнул некоторые моменты, на которые мы указали в нашей оригинальной статье, – что камеры не ведут съемку частной собственности, система не использует распознавание лиц, не фиксирует номера автомобилей и не ведет аудиозапись.
По словам Джордана, данные системы были использованы в 164 активных уголовных делах в течение одного года. Среди них 35 случаев убийства или покушения на убийство. Но список включает в себя и бытовые правонарушения, такие как вандализм. Система помогала вынести приговор или оправдать подозреваемых, в том числе, по крайней мере, одного подозреваемого в убийстве, с которого затем были сняты обвинения. И, возможно, самое главное – камеры могут ускорить расследование и сократить судебные издержки. Ожидается, что система и в будущем будет сдерживать преступность.
Возможности для сотовой связи
Сегодня интеллектуальные узлы в Сан-Диего используют сотовую технологию 4G для передачи видео и данных об окружающей среде, тогда как установленная ранее более медленная беспроводная схема управляет освещением. Многие другие муниципалитеты также выбрали сотовую связь как самый простой путь к интеллектуальному уличному освещению. Однако в будущем муниципалитеты и коммунальные службы видят другие способы монетизации сотовых технологий.
В совместной презентации Дэвида Баума, директора по развитию бизнеса в Valmont Industries, и Брайана Голдберга, директора по развитию сотовой инфраструктуры Verizon, был представлен подробный взгляд на то, как развиваются сотовые технологии, и как уличные фонари вписываются в общую картину. Суть их сообщения заключается в том, что технология 4G LTE оказалась невероятно успешной, она обеспечила скорость передачи данных, которая почти соответствует производительности проводной широкополосной связи, и что 5G будет опираться на существующую базу 4G, но не вытеснит ее в течение многих лет (рис. 2). Тем не менее, технология 5G – это важнейший этап развития с точки зрения возможностей для владельцев уличных фонарей.
РИС. 2. Внедрение 5G проходит быстрыми темпами, но в ближайшей перспективе технология будет опираться на 4G, при этом технологии малых сот 5G откроют новые возможности для владельцев уличного освещения. (Изображение: Дэвид Баум и Брайан Голдберг.)
Изначально сотовые технологии базировались на использовании радиобашен с большим покрытием, которые обычно устанавливаются в высоких местах (их Баум и Голдберг назвали «макробашнями»). Такие башни способны охватывать значительные площади, скажем, в центре города. В сценариях 5G малые соты, установленные намного ниже, будут покрывать гораздо меньшие площади. Малые соты позволяют более эффективно использовать спектр и в конечном итоге поддерживать большее количество пользователей и (или) более высокие скорости передачи данных в конкретном районе.
Переход к интеллектуальным световым опорам
Сегодня уличный фонарь можно использовать для установки на нем соты 4G, однако отдельные антенны и подсистемы – очень громоздкие, и система 4G не была спроектирована специально для монтажа на столбах уличного освещения. В 5G используются гораздо меньшие по размеру интегрированные антенны и радиосистемы, которые, по словам докладчиков, могут «спрятаться на открытой местности». Вы можете даже не заметить такую сотовую точку доступа на столбе уличного освещения, а свобода размещения точек доступа на столбах освещения позволяет операторам легко обслуживать зоны, где есть большой спрос. Поставщики услуг сотовой связи могли бы платить владельцам уличных фонарей за использование опор освещения.
Баум и Голдберг предположили, что переход к размещению радиостанций 5G на столбах освещения фактически ведет к созданию «умного» столба; эта технология позволит использовать и другие приложения «умного» города и Интернета вещей. Зонам 5G во многих случаях понадобятся оптоволоконные линии от центра управления сетью до столбов освещения. И к столбам также необходимо будет подвести силовые цепи. Но такое усиление инфраструктуры позволит владельцам опор освещения предлагать и другие услуги, такие как зарядка электромобилей и даже поддержка перехода на автономные транспортные средства. Разумеется, этот список включает в себя все другие давно обсуждаемые приложения для «умного» города, такие как услуги парковки, мониторинг окружающей среды, обнаружение выстрелов из огнестрельного оружия и многое другое.
Коммунальные службы и муниципалитеты
Меж тем, муниципалитетам и коммунальным службам нужно будет обеспечить свою рентабельность, и аудитория SALC должна услышать мнение и тех, и других. Кэрри Келли, менеджер по внедрению интеллектуальных услуг в компании Georgia Power, рассказала о перспективах для коммунальных служб. Как мы уже рассказывали ранее, коммунальщики активно устанавливают светодиодные светильники с интегрированной беспроводной связью и элементами управления. В нашей статье, посвященной конференции SALC в 2015 г., мы рассказывали о том, что коммунальщики поняли: беспроводное соединение в сочетании с интегрированной функцией GPS позволяет монтировать и вводить в эксплуатацию оборудование по принципу «включай и работай», тем самым легко оправдывая дополнительные затраты на светильники.
На SALC 2019 Келли представила ретроспективный анализ, отметив, что в 2015 г. ее коммунальная компания обнародовали свои планы модернизировать 400 000 ламп освещения до 2020 г. По ее словам, 300 000 ламп уже установлены. Она также рассказала, что в первую очередь компания делает ставку на формирование предложения интеллектуальных услуг в составе пакета бизнес-предложений по столбам освещения в 2018 г. По словам Келли, коммунальщики создали 3,8 миллиарда точек данных о транспортных потоках, окружающей среде и парковке. По ее мнению, сервисы, связанные с парковкой и обнаружением выстрелов из огнестрельного оружия, которые предлагает ее компания, считаются перспективными. Коммунальщики также установили камеры на некоторых столбах освещения, и в компании полагают, что добавление возможности использовать видеоданные, например, видеонаблюдение, может стать востребованным предложением.
Кроме того, в 2018 г. компания Georgia Power представила технологию, которую Келли назвала колокальной платформой для провайдеров 5G, которая также включает в себя оптоволоконные кабели. По словам Келли, коммунальное предприятие надеется «монетизировать свои вертикальные активы». Но через год после предложения компания не представила каких-либо подробностей о развитии этой технологии.
Келли рассказала, как компания продвигает свои технологии «умного» города. Например, они сотрудничали с компанией Curiosity Lab (Пичтри-Корнерс, Джорджия), а также с другими коммерческими организациями и научными учреждениями, включая Sprint и Georgia Tech. Компания Curiosity Lab имеет собственную испытательную трассу длиной 1,5 мили, расположенную в бизнес-парке площадью 500 акров. Компания Sprint предоставляет услуги 5G для этой лаборатории, которая занимается разработкой технологий самоуправляемых транспортных средств (рис. 3), и обеспечивает связь, поддерживающую такие сценарии. В исследовании участвуют «умные» уличные фонари.
РИС. 3. Самоуправляемый автомобиль проезжает по испытательной трассе компании Curiosity Lab (Пичтри-Корнерс, Джорджия); связь с ним обеспечивается по сети 5G. (Фото: Curiosity Lab.)
Уличное освещение Лос-Анджелеса
Представитель одного из крупнейших муниципалитетов в мире Норма Исаакян, исполнительный директор Бюро уличного освещения в Лос-Анджелесе, Калифорния, обсудила инициативы «умного» города. Лос-Анджелес долгое время был одним из лидеров в мире по переходу на светодиодные уличные фонари, о чем мы сообщали по окончании SALC в 2010 г. и затем в 2012 г. Кроме того, город одним из первых перешел на установку беспроводных элементов управления на платформе Signify/Philips CityTouch.
В Лос-Анджелесе заменили 198 000 уличных фонарей на светодиодные источники; это составило 95% городской уличной осветительной инфраструктуры. Реализация программы началась в 2008 г., и, по словам Исаакян, город модернизирует некоторые из этих фонарей уже повторно. Совокупная экономия энергии составила 65% или 10 миллионов долларов в год.
Исаакян посетовала, что и политики, и все остальные хотят получить технологии «умного» города и Интернета вещей, о которых они слышали, но, честно говоря, даже не знают, что это такое. По ее мнению, пока нет четкого определения понятия «умного» города, поэтому Бюро уличного освещения Лос-Анджелеса задалось целью дать определение этому понятию: «Умный» город – это Интернет вещей, который обеспечивает более качественную связь, сбор данных и возможность управления инфраструктурой, что улучшает жизнь местных жителей и гостей города».
Какие перспективы у столба уличного освещения?
В дальнейшем она подробно остановилась на том, почему уличные фонари находятся в центре движения по созданию «умного» города в Лос-Анджелесе. В городе имеется электрическая инфраструктура для питания уличных фонарей, но переход на светодиодное освещение привел к образованию избыточной мощности в системе, которая может быть использована для электропитания дополнительных приложений. Столбы освещения имеют нужную высоту для поддержки беспроводной связи и установлены повсеместно.
В Лос-Анджелесе были развернуты типовые интеллектуальные приложения для уличного освещения, такие как затемнение, ввод в эксплуатацию с поддержкой GPS и автоматизация системы обслуживания. В городе также были реализованы некоторые другие приложения, связанные с освещением, в том числе повышение уровня освещенности на перегонных участках улиц и динамическое увеличение освещения вокруг центров событий, когда люди возвращаются к своим машинам.
Но город также предпринял более смелые шаги. Были установлены 282 зарядных устройства для электромобилей (рис. 4). Зарядные устройства включают в себя счетчики потребления ресурса, и клиенты платят за пользование ресурсом 2-3 доллара в час. За три года было проведено более 45 000 сеансов использования. Город также установил солнечные батареи на 832 столбах, которые поставляют 250 МВтч электроэнергии обратно в сеть.
РИС. 4. В Лос-Анджелесе использовались опоры уличного освещения для установки ряда технологий «умного» города, в том числе платные станции зарядки электромобилей. (Фото: муниципалитет Лос-Анджелеса.)
В Лос-Анджелесе также реализуется совместная программа 4G и 5G; малые соты установлены на более чем 2500 столбах освещения. По словам Исаакян, соглашения с владельцами гарантируют, что город возместит расходы на оплату труда и получит плату за размещение малых сот связи. Кроме того, Лос-Анджелесу нужны антенны и базовые станции на столбах, которые смешались бы с окружающей средой. До этого в городе в тестовом режиме на столбах работало намного меньше видеокамер.
И снова об освещении
В дни работы конференции SALC обсуждение беспроводных возможностей для владельцев уличного освещения также включало в себя и другие презентации. Большой интерес вызвали дискуссии о системах освещения и основных средствах управления, к которым мы должны прийти. Две темы, которые мы подробно затронем, были представлены представителями Тихоокеанской Северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США (PNNL). Наоми Миллер, старший научный сотрудник по освещению в PNNL, и Майк Грэтер, президент и технический директор LightLab International, совместно рассказали о проблеме «свечения неба», и, в частности, о последствиях неправильной установки светодиодных светильников.
Традиционные источники света, установленные в светильниках с призматическими линзами, направляют свет снизу вверх. Специалисты-практики усугубили проблему за счет наклона светильников в попытке осветить больший радиус. Большинство светодиодных светильников не должны давать прямой восходящий свет, если светильник установлен параллельно земле. К сожалению, в мире слишком светильников, наклоненных в положение, при котором они направляют свет снизу вверх, светильников, от которых стремятся получить максимальный охват; известно много случаев, когда сгибают монтажный кронштейн для изменения формы луча, или когда светильники не были установлены должным образом.
Грэйтер и Миллер хотели показать, насколько плохими являются такие наклонные установки для ночных условий. Презентации были основаны на инструменте PNNL, разработанном несколько лет назад для прогнозирования свечения неба. Полученные результаты говорили о небывалой яркости свечения тех светодиодных светильников, которые были установлены правильно.
Светильник с косинусным распределением увеличил бы свечение неба на 20%, если бы он был установлен с углом наклона 20 °. Около 1,6% произведенного света будет направлено снизу вверх. Если увеличить угол наклона до 45 °, то увеличение света, направленного снизу вверх, составит 120%, при этом 13,4% люменов классифицируются как свет, идущий снизу вверх. Кроме того, процентное увеличение проявляется намного хуже с другими прямоугольными распределениями луча, обычно используемыми в уличном освещении. Суть в том, что огромное значение в этой ситуации играет правильная установка светильников.
Вместимость парковочного пространства
Заключительную презентацию, которую мы рассмотрим в этой статье, сделала Рут Тейлор, менеджер проекта отдела перспективных разработок систем освещения PNNL. Тейлор рассказала о проекте освещения парковки с использованием системы подключаемых модулей освещения SSL. Цель проекта заключается в том, чтобы посмотреть, насколько хорошо данная технология способна обнаруживать людей и транспортные средства в целях автономного управления уровнями освещенности.
Новая система освещения, о которой говорит Тейлор, была установлена на шести парковочных площадках в кампусе Вирджинского технологического института транспорта (VTTI). Ассоциация IES не позволяет докладчикам упоминать названия компаний на конференции SALC, но, по словам Тейлор, шесть компаний, которые поставили системы для шести парковочных площадок, являются «крупными игроками». Кроме того, PNNL собрала команду профессионалов в области освещения для работы над проектом, в которую вошли Рон Гиббонс из VTTI, Нэнси Клэнтон, Чип Израэль и другие.
В целом подключаемые системы успешно справились с программируемым управлением светодиодными светильниками. Затем настала очередь датчиков. Датчики вызвали проблемы с логистикой при монтаже и вводе в эксплуатацию, что можно было ожидать. Но команда преодолела эти проблемы.
Однако установленные системы не работали должным образом (рис. 5). Виной тому – датчики. Размещение таких датчиков на существующих 30-футовых столбах расширяет границы для датчиков (Рис. 6). По словам Тейлор, в целом дальность освещения превышает дальность действия датчиков. В пяти из этих систем использовались пассивные инфракрасные (PIR) датчики, а в шестой – радар, но ни одна из них не работала, как ожидалось.
РИС. 5. Датчики в проекте PNNL для освещения парковки не смогли обеспечить диапазон или точность определения присутствия, которые были указаны производителями. (Изображение: Тихоокеанская Северо-западная национальная лаборатория.)
Иллюстрация на рис. 5 подробно описывает некоторые недостатки. Ни один из датчиков не соответствовал указанному максимальному диапазону – чуть более 33 футов. Датчики обнаружили человека, идущего к фонарному столбу, на расстояниях от 8 до 24 футов. Расстояние обнаружения перпендикулярно двигающегося автотранспорта составило почти 26 футов.
РИС. 6 Группе из PNNL, работавшей над системами обнаружения присутствия на парковке, была поставлена важная задача интеграции установленных систем, включая светильники, датчики и контроллеры. (Фото: Тихоокеанская Северо-западная национальная лаборатория.)
PNNL продолжит поиск решения этой проблемы. Ситуация существенно отличается в парковочных гаражах, где датчики установлены на более низких высотах и не подвержены воздействию ветра или деревьев. И хотя датчики остаются основной проблемой, в отчете указывается, что производители должны уделить больше времени интеграции системы.
Кроме того, на конференции SALC обсуждались и другие интересные темы. Мы надеемся, что в следующих выпусках мы представим вам несколько статей от докладчиков, в которых будут рассмотрены текущие проблемы с поддержанием яркости и цветности, а также продолжающиеся дискуссии по поводу идеального распределения спектральной мощности (SPD) для наружного освещения.