城市道路智慧照明探討

陳仲林，翁 季

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

0 引言

城市道路智慧照明是信息時代城市道路照明的新形態(tài)。它目的是使信息技術(shù)深入應(yīng)用到城市道路照明管理和使用各個過程中，使人們出行更安全、快速、節(jié)能，使人們生活更便捷、美好，提升城市形象，促進經(jīng)濟發(fā)展。

城市道路智慧照明是信息時代發(fā)展的必然產(chǎn)物。從道路照明的目標來說，城市道路智慧照明就是給出行的人們提供適時適度所需的道路照明水平，這就要求城市道路照明充分借助物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，在夜間車輛稀少時，僅將人們前方道路照明路燈適時適度打開，通過后如沒有后續(xù)車輛，則在一定時間后調(diào)低路燈照明水平，節(jié)約電能。總之，城市道路智慧照明就是可以使路燈迅速、靈活、正確地判斷道路上人們對照明的需求，并給人們適時適度提供所需的照明水平。這種城市道路智慧照明系統(tǒng)應(yīng)采用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，通過具有不同功能的傳感器偵測環(huán)境光和人們實時需要的變化，動態(tài)調(diào)整照明水平。城市道路智慧照明的組成，即物聯(lián)網(wǎng)路燈加上光環(huán)境智慧模式，強調(diào)了該系統(tǒng)必須采用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，并實時調(diào)整道路照明水平，從這個角度看，該系統(tǒng)具有專業(yè)人員一樣的智慧。因此，把城市道路智慧照明看成是互聯(lián)網(wǎng)加上路燈就會降低路燈在智能方面的要求，縮小了智慧照明在大數(shù)據(jù)處理和天氣等周圍環(huán)境建模方面的研究范圍。雖然把城市道路智慧照明看成是互聯(lián)網(wǎng)加上路燈，或者說成是聯(lián)網(wǎng)路燈，非常通俗易懂，簡單明了，但是，對于城市道路照明智慧而言，缺少光環(huán)境智慧模式和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用，就降低了實時自動按需調(diào)整照明水平要求，造成智慧程度不夠。

1 研究概況

利用智慧城市研究成果，開展城市道路智慧照明研究，是當今道路照明發(fā)展的趨勢和特征。

目前，國內(nèi)外照明企業(yè)和照明科技工作者都在研究智慧照明，但研究成果主要體現(xiàn)在硬件上。例如:研制出不少遠程道路照明控制平臺，像飛利浦和愛立信公司推出了聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)。安徽合肥采用互聯(lián)網(wǎng)和路燈的城市道路智慧照明系統(tǒng)，對全市17 萬盞路燈進行遠程管理。這樣的成果不斷涌現(xiàn)，引起了照明工程理論工作者高度重視。2014年v，在丹麥阿爾貝特斯隆舉辦的“顯微鏡下的城市”國際研討會上，有學(xué)者介紹了利用太陽能和風(fēng)能，以及采用LED 節(jié)能光源的城市智慧照明實際工程案例，并展示了位于丹麥Hersted 工業(yè)區(qū)長約10 km 的生活試驗區(qū)，該工程采用了裝有廣角紅外攝像頭的智慧路燈系統(tǒng)，能監(jiān)控過往的車輛、行人以及小動物。無人時，路燈保持低亮度;有人時，路燈提前升高亮度，從而使城市道路照明更加人性化，并有效節(jié)能。

從以上國內(nèi)外城市道路智慧照明應(yīng)用情況來看，從智慧照明理論層面進行深入研究，進一步明確智慧照明的研究內(nèi)容和研究方法是十分必要的。利用智慧照明可迅速處理路面上情況，并進行適度照明，提高該系統(tǒng)的智能程度，這是一般遠程照明控制平臺所達不到的。

2 光環(huán)境智慧模式

城市道路智慧照明要求精準、動態(tài)地適度照明，這就要求智慧照明系統(tǒng)必須具備偵測環(huán)境光和需要變化信息的功能，再通過對環(huán)境變化信息的大數(shù)據(jù)處理，使系統(tǒng)具有更強大的決策力和洞察力，并通過道路照明智能控制來實現(xiàn)。因此，城市道路智慧照明系統(tǒng)應(yīng)是智慧燈具和光環(huán)境智慧模式組成的一個大系統(tǒng)，但是，為了使系統(tǒng)具有快速處理道路照明問題的能力，必須對大數(shù)據(jù)進行分析，并對當?shù)厝宋?、氣候、季?jié)和道路、路況、周圍環(huán)境、路燈的空間位置信息、時間變化、氣壓、濕度、降雨量等進行合理建模，建立城市道路照明光環(huán)境模式。采用適宜的統(tǒng)計分析方法，對采集的海量數(shù)據(jù)進行深入分析，提取有用信息，進行概括總結(jié)，這就必須采用行之有效的大數(shù)據(jù)處理方法。調(diào)查當?shù)厝宋暮统鞘械缆返沫h(huán)境、路況，以及行人、車輛行駛狀況，構(gòu)思實驗?zāi)Ｐ停炞C并完善，購買適宜的智慧路燈，通過對光環(huán)境智慧模式的研究，建立城市道路智慧照明系統(tǒng)。

2.1 感測功能

城市道路智慧照明系統(tǒng)必須具有很強的感測功能，它是提高該系統(tǒng)智慧程度的一個重要標志。感測系統(tǒng)由許多具有各種功能的傳感器連接而成，它們彼此溝通、協(xié)作且不間斷地工作，使之像人一樣具有視覺、感覺等功能，判斷路面上車輛運行和行人情況，并適時適宜地調(diào)整道路照明水平和質(zhì)量。作為城市道路照明的傳感器，主要是光傳感器，其利用光與物質(zhì)的相互作用，并把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。適合于光纖通信系統(tǒng)的光傳感器主要是半導(dǎo)體光傳感器，這是因為光電二極管體積小，靈敏度高，響應(yīng)速度快。實際應(yīng)用上，常采用PIN 光電二極管或APD 雪崩光電二極管。在城市道路照明系統(tǒng)中，主要采用可見光或近紅外波段的光傳感器，但為了察覺道路上行走的人或小動物，在光環(huán)境照明水平較低的條件下，宜采用紅外光傳感器。例如:有一種夜狼紅外傳感器，該型號紅外傳感器具有聯(lián)網(wǎng)技術(shù)先進，質(zhì)量好，性價比高等優(yōu)點?？傊?，為提高城市道路智慧照明的智慧程度，所選用的光傳感器在工作波段范圍內(nèi)要有高量子效率，響應(yīng)速度快，并具有良好的線性輸出性能，穩(wěn)定可靠。

城市道路智慧照明需要光傳感器采集大量數(shù)據(jù)，需要考慮燈具配光、光源功率和燈桿的空間位置、道路與周圍環(huán)境的屬性等因素，時間、季節(jié)、天氣、當?shù)氐奈幕?、風(fēng)俗、愛好等條件，以及道路兩邊的自然物體或建(構(gòu))筑物的外形、立面狀況、紋理、顏色、反射狀況等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)體量巨大，數(shù)據(jù)類型繁多，包含了很多視頻、圖片、地理位置等多樣性信息，但數(shù)據(jù)價值密度低，數(shù)據(jù)更新速度快，對采集獲得的大數(shù)據(jù)，必須進行導(dǎo)入和預(yù)處理，即時統(tǒng)計和分析，最后對有代表性的數(shù)據(jù)再進行關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)聚類等分析工作，即進行數(shù)據(jù)挖掘?？傊ㄟ^大數(shù)據(jù)分析后，才能獲得有價值的城市道路智慧照明信息。

2.2 數(shù)據(jù)挖掘

城市道路智慧照明的數(shù)據(jù)體量和類別太大，無法直接用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫工具對其內(nèi)容進行抓取、管理和處理。因為數(shù)據(jù)太多，超過了傳統(tǒng)計算機的處理能力，故采用數(shù)據(jù)挖掘算法，把少量的有用信息提取出來。數(shù)據(jù)挖掘算法是大數(shù)據(jù)分析的主要方法，它可以挖掘出數(shù)據(jù)的本質(zhì)規(guī)律性，同時會快速地進行大數(shù)據(jù)分析處理。

大數(shù)據(jù)分析離不開數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)管理，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和有效的數(shù)據(jù)管理，才能保證城市道路智慧照明的分析結(jié)果真實有效。因此，對于城市道路智慧照明研究來說，應(yīng)選擇專門應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)安全交換的優(yōu)秀產(chǎn)品，能直觀地呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律性，進行可視化分析。數(shù)據(jù)挖掘算法能快速找到數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律性，能建立科學(xué)模型，具有預(yù)測分析能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)管理功能。

總之，城市道路智慧照明借助于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù)方法，面向未來，構(gòu)建城市道路照明智慧環(huán)境。

3 研究方法

城市道路智慧照明是從數(shù)字城市照明發(fā)展起來的，并在地理信息系統(tǒng)(GIS)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR)等基礎(chǔ)上，強調(diào)了可視化。結(jié)合城市道路智慧照明采集的大數(shù)據(jù)特點，把可視化分析作為大數(shù)據(jù)分析的一個主要任務(wù)，從大數(shù)據(jù)中挖掘規(guī)律性，建立城市道路照明光環(huán)境的智慧模式。

為了建立科學(xué)合理的模型，必須對被研究地區(qū)的城市道路照明和各種客觀實際情況進行調(diào)查分析，并考慮不同地區(qū)的氣候、風(fēng)俗、人文、道路及建(構(gòu))筑的差別，并在模型中加以區(qū)別?？傊?，在進行城市道路智慧照明研究時，首先要進行實地調(diào)查研究。當然，也要搜集國內(nèi)外關(guān)于城市道路智慧照明方面的研究成果，還要參考與智慧城市和數(shù)字城市相關(guān)的研究理論和方法，其中包括選擇城市道路智慧照明合適的實驗平臺。為了正常開展實驗，可采用品質(zhì)優(yōu)良的LED聯(lián)網(wǎng)路燈。由于LED 照明光源可靠耐用，壽命長，響應(yīng)快，控制靈活，目前宜采用LED 照明光源作為城市道路智慧照明光源。此外，還要選擇適宜的傳感器，為了在較暗的路面照明條件下發(fā)現(xiàn)路面上的行人或動物，應(yīng)選擇紅外傳感器，如廣角紅外攝像頭，同時還要選用可見光傳感器，使傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)修正后能真實地反映道路照明水平。除了選用適宜的城市道路智慧照明硬件外，還要利用適宜的云計算服務(wù)平臺，采用性能優(yōu)良的大數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品，對大數(shù)據(jù)進行分析，提取有用的信息，并加以概括總結(jié)，形成有用的結(jié)論，挖掘大數(shù)據(jù)的規(guī)律性，研制光環(huán)境智慧模式。當具有上述智慧照明平臺后，就可以選擇小區(qū)(校區(qū))內(nèi)適宜(有路燈照明，但車輛、行人較少)的路段進行智慧照明系統(tǒng)實驗，同時以LED 聯(lián)網(wǎng)路燈置換普通路燈，并在適當?shù)奈恢冒惭b廣角紅外攝像頭和可見光攝像頭。當智慧照明系統(tǒng)調(diào)試好后，在實驗區(qū)域出入口處放置安全標志，并有專人看守和指揮，組織行人或車輛通過實驗區(qū)域，進行城區(qū)道路智慧照明初步實驗。然后對實驗結(jié)果進行分析總結(jié)，不斷完善城市道路智慧照明系統(tǒng)，并在當?shù)啬骋坏燃壍缆飞线M行智慧照明實驗的準備工作。當智慧照明系統(tǒng)成熟后，在市政部門和LED 聯(lián)網(wǎng)路燈的生產(chǎn)廠家配合下，開展城市道路智慧照明系統(tǒng)實驗，檢驗智慧照明理論和效果，評價道路照明節(jié)能最大化與人性化的高度統(tǒng)一程度。通過不同地區(qū)、不同氣候條件、不同環(huán)境的道路智慧照明實驗研究，對不同道路級別的機動車交通道路智慧照明系統(tǒng)的年平均照明功率密度值提出建議。

4 小 結(jié)

智慧化是繼信息化之后，世界科技革命又一次新的突破。利用智慧技術(shù)，建設(shè)城市道路智慧照明系統(tǒng)，是當今城市道路照明發(fā)展的必然趨勢。城市道路智慧照明系統(tǒng)是由智慧路燈和光環(huán)境智慧模式組成的一個大系統(tǒng)。智慧路燈是由物聯(lián)網(wǎng)和LED 路燈組成的道路照明系統(tǒng)，而光環(huán)境智慧模式是具有智能感測、通訊、計算、判斷、調(diào)光等功能的光環(huán)境系統(tǒng)，該系統(tǒng)能迅速、精準、動態(tài)地解決道路照明問題。

城市道路智慧照明是以數(shù)據(jù)挖掘算法為特征的城市道路照明發(fā)展新模式。城市道路智慧照明就是根據(jù)感測到的海量數(shù)據(jù)，利用適宜的云計算服務(wù)平臺，挖掘出少量有用的信息，作出正確判斷，并進行智能決策，聯(lián)動照明系統(tǒng)，達到利用光源照亮特定場所的目的，即把適宜的光量和光色照射到需要的場所，創(chuàng)造出良好的可見度和舒適的光環(huán)境，使城市道路滿足安全快速通行的需求并做到節(jié)能最大化。

［1］張泉清，侍冬平，陸劍鋒.城市智慧照明［J］.燈與照明，2015(2):8～10

［2］陳仲林.數(shù)字城市夜景照明規(guī)劃綜述［J］.燈與照明，2003(1):17～20