智慧照明系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)探討

陳 希，陸繼誠，張曄明，韓 靖，陳 鎧

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200433)

智慧照明系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中的關(guān)鍵技術(shù)探討

陳 希，陸繼誠，張曄明，韓 靖，陳 鎧

(上海市政工程設(shè)計研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200433)

我們在智慧城市的總體要求和部署下，搭建了智慧照明系統(tǒng)的總體架構(gòu)。從數(shù)據(jù)中心、地理信息系統(tǒng)、組網(wǎng)方式、供電方式、視頻共享、傳感器集成、桿件共用以及與智慧交通、智慧城管和智慧公安系統(tǒng)銜接等十個方面，對智慧照明系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中所遇到的主要問題進(jìn)行探討。希望為智慧照明系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)提供一定的幫助和支持。

智慧城市；智慧照明；關(guān)鍵技術(shù)；總體框架；視頻共享

引言

智慧照明是智慧城市的重要組成部分，也是智慧應(yīng)用領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，智慧照明被賦予了更多的內(nèi)涵[1-3]。而在智慧照明系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計應(yīng)用過程中，除了需要以往傳統(tǒng)的照明設(shè)計外，其若干關(guān)鍵技術(shù)仍有待進(jìn)一步的研究和探討。

《關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》中明確：按照走集約、智能、綠色、低碳的新型城鎮(zhèn)化道路的總體要求，推動一代信息技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用，積極發(fā)展民生服務(wù)智慧應(yīng)用，有效提高城市綜合承載能力和居民幸福感受[4]?！丁笆濉眹窠?jīng)濟(jì)和社會發(fā)展規(guī)劃綱要》中強(qiáng)調(diào)：推進(jìn)能源消費(fèi)革命，實(shí)施照明系統(tǒng)升級改造等重點(diǎn)工程[5]?！丁笆濉惫?jié)能減排綜合工作方案》中指出：綜合采取節(jié)能減排系統(tǒng)集成技術(shù)，推動照明等系統(tǒng)優(yōu)化升級[6]。

從智慧城市發(fā)展的角度來看，我們迫切需要集約、智能、綠色、低碳的民生服務(wù)類的智慧應(yīng)用，以提升居民的幸福感和滿意度。從智慧照明發(fā)展的角度來看，我們迫切需要對現(xiàn)有照明系統(tǒng)改造升級，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)。

1 智慧照明系統(tǒng)的總體架構(gòu)

1)總體架構(gòu)。結(jié)合中國智慧城市相關(guān)體系架構(gòu)，搭建智慧照明系統(tǒng)的總體架構(gòu)(見圖1)，為“六層兩翼”標(biāo)準(zhǔn)化的智慧城市體系架構(gòu)。

圖1 智慧照明系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖Fig.1 The total structure of smart lighting system

智慧照明系統(tǒng)的體系架構(gòu)包括：感知層、通信層、數(shù)據(jù)層、支撐層、應(yīng)用層、展現(xiàn)層，以及完善的標(biāo)準(zhǔn)體系和安全體系[7]。

感知層是智慧照明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)其“智慧”的基本條件。感知層具有超強(qiáng)的環(huán)境感知能力和智能性，通過噪音檢測儀、空氣檢測儀、煙霧感應(yīng)器、亮度傳感器、紅外感應(yīng)器等技術(shù)實(shí)現(xiàn)對城市市政基礎(chǔ)設(shè)施、道路、管網(wǎng)、路燈、車流、人流等的監(jiān)測和控制，為個人和社會提供多樣化的信息服務(wù)和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)城市的全覆蓋感知。

通信層是智慧照明系統(tǒng)中的信息通道，是智慧照明系統(tǒng)的重要組成。通信網(wǎng)絡(luò)是由電力載波、無線網(wǎng)、視頻專網(wǎng)和數(shù)據(jù)專網(wǎng)等組成，為實(shí)現(xiàn)智慧照明系統(tǒng)的智慧化奠定良好的基礎(chǔ)。

數(shù)據(jù)層包含地理信息系統(tǒng)、城市管理數(shù)據(jù)倉庫、相關(guān)行業(yè)數(shù)據(jù)倉庫和相關(guān)企業(yè)數(shù)據(jù)倉庫等。智慧照明系統(tǒng)的業(yè)務(wù)系統(tǒng)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等建議部署在智慧城市數(shù)據(jù)中心上。智慧照明系統(tǒng)的地理信息系統(tǒng)二次開發(fā)應(yīng)基于智慧城市的地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行的。

支撐層的核心目的是讓城市照明更加“智慧”，在智慧照明系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是非常重要的戰(zhàn)略性資源，因此構(gòu)建智慧照明系統(tǒng)的支撐層是智慧照明系統(tǒng)建設(shè)中非常重要的一環(huán)。支撐層主要的目的是通過數(shù)據(jù)交換、數(shù)據(jù)整合、接口服務(wù)等技術(shù)解決數(shù)據(jù)割裂、無法共享等問題。

應(yīng)用層主要是指在感知層、通信層、數(shù)據(jù)層基礎(chǔ)上建立的各種應(yīng)用系統(tǒng)。智慧城市應(yīng)用一級平臺，包括指揮平臺、監(jiān)管平臺和數(shù)據(jù)平臺，統(tǒng)一對智慧照明應(yīng)用二級平臺進(jìn)行監(jiān)管、指揮。

展現(xiàn)層主要是指市民可以通過路燈、語音廣播、信息顯示屏和手機(jī)APP等各種終端訪問這些系統(tǒng)，讓市民可以親自體驗(yàn)到智慧照明中。

在“六層”的基礎(chǔ)上，需要充分考慮“兩翼”，即數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)、建設(shè)軟環(huán)境、管理維護(hù)運(yùn)營體系，以及法律法規(guī)層、信息系統(tǒng)安全體系、軟件標(biāo)準(zhǔn)化體系等。

2)主要功能。智慧照明系統(tǒng)的主要功能包括：①城市照明單燈控制、集中控制、能源管理、照明策略控制等；②城市交叉口、路段、重要場所出入口等的視頻監(jiān)控；③城市主要道路、街道的噪音檢測、空氣檢測、煙霧感應(yīng)、亮度檢測等；④城市主要道路、街道的各類突發(fā)事件的語音發(fā)布、文字發(fā)布等；⑤城市道路停車區(qū)域的停車管理、充電管理等；⑥與智慧城市及其子應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)二次利用等。

3)主要作用。智慧照明系統(tǒng)的主要作用包括：①降低投資成本；②節(jié)約城市用地資源；③增加城市的整體美觀度；④有利于圖像和數(shù)據(jù)的充分共享和二次利用；⑤有利于推動智慧城市的全面感知和應(yīng)用；⑥有利于智慧城市的各二級應(yīng)用系統(tǒng)協(xié)同發(fā)展。

2 智慧照明系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

在智慧照明系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用中，會遇到數(shù)據(jù)儲存共享、地理信息系統(tǒng)的構(gòu)建、組網(wǎng)方式的選用、供電方式的比選、攝像機(jī)視頻圖像共享、各類傳感器布設(shè)、桿件共用，以及與智慧城市中的智慧交通、智慧城管和智慧公安等子應(yīng)用系統(tǒng)的銜接等諸多問題。

1)數(shù)據(jù)中心。智慧照明系統(tǒng)，已經(jīng)從狹義的角度向廣義的角度發(fā)展和延伸。若多源化、多部門、多類型的數(shù)據(jù)在前端統(tǒng)一采集后，再按照以往的方式分別傳輸至各主管部門，那么又造成了“煙囪”現(xiàn)象的出現(xiàn)，不但增加了整體建設(shè)成本，而且影響到部門間數(shù)據(jù)的互聯(lián)和互通。

結(jié)合國家智慧城市的總體部署要求，建議在智慧城市的總體框架下，將所有智慧照明系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，統(tǒng)一存儲至智慧城市數(shù)據(jù)中心內(nèi)，或統(tǒng)一租賃私有云、公有云進(jìn)行存儲和管理。這樣各個部門無需再新建機(jī)房或擴(kuò)充機(jī)房，極大地降低建設(shè)成本，有效地節(jié)約了空間資源；同時，更有利于各部門之間數(shù)據(jù)的充分共享和二次利用。

2)地理信息系統(tǒng)。地理信息系統(tǒng)，應(yīng)充分利用智慧城市所建設(shè)的地理信息系統(tǒng)或現(xiàn)有的地理信息系統(tǒng)，智慧照明系統(tǒng)應(yīng)在此基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。同時，應(yīng)充分滿足數(shù)字化城市管理信息系統(tǒng)和城市市政綜合監(jiān)管信息系統(tǒng)等的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建議地圖精度不低于1∶500。

3)組網(wǎng)方式。單一智慧路燈的組網(wǎng)方式，通常采用“單燈控制器—集中控制器—中心”的三層架構(gòu)，每1基路燈設(shè)置1套單燈控制器，每1公里設(shè)置一套集中控制器。其中單燈控制器與集中控制器之間的通信，一般采用電力載波或ZigBee技術(shù)；在實(shí)際應(yīng)用中我們推薦采用電力載波的方式。集中控制器與中心之間的通信，一般采用4G無線傳輸。

集成傳感器(包括各類傳感器和視頻等)的組網(wǎng)方式，通常采用“集成傳感器—分匯聚點(diǎn)—道路匯聚點(diǎn)—中心”的四層架構(gòu)，每1基路燈設(shè)置1套集成傳感器(結(jié)合具體功能需求設(shè)置具體的傳感器類型)，每5～6基路燈幾何距離最正中的路燈桿設(shè)置1個分匯聚點(diǎn)。集成傳感器與分匯聚點(diǎn)之間的通信，一般采用六類非屏蔽雙絞線傳輸。分匯聚點(diǎn)與道路匯聚點(diǎn)之間、道路匯聚點(diǎn)與中心之間的通信，采用光纖傳輸。

基于上述兩類設(shè)備的組網(wǎng)方式，構(gòu)建“單燈控制器(集成傳感器)—分匯聚點(diǎn)(集中控制器)—道路匯聚點(diǎn)—中心”的四層總體架構(gòu)。其中單燈控制器與集中控制器之間仍采用電力載波傳輸，集成傳感器與分匯聚點(diǎn)之間仍采用六類非屏蔽雙絞線傳輸；分匯聚點(diǎn)(集中控制器)與道路匯聚點(diǎn)之間、道路匯聚點(diǎn)與中心之間的通信，統(tǒng)一采用光纖傳輸。

4)供電方式。由于照明路燈供電時間一般為晚上和檢修時段，而智慧路燈集成的各傳感器需全天24小時供電，因此照明路燈與智慧路燈各傳感器采用獨(dú)立供電，電源分別引自路燈控制柜和弱電控制柜。各智慧路燈采用鏈?zhǔn)焦╇姺绞健?/p>

5)視頻共享。視頻共享是指道路外場的攝像機(jī)圖像可以給多個管理部門進(jìn)行使用。在智慧照明系統(tǒng)建設(shè)過程中，建議各部門的攝像機(jī)進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃、集中布設(shè)，這樣可以避免攝像機(jī)、桿件、基礎(chǔ)等的重復(fù)建設(shè)，降低建設(shè)成本，提升城市道路的整體美觀度。目前，道路外場的攝像機(jī)主要來源于公安、交警、城管、路燈、綜治辦等部門，各自布設(shè)攝像機(jī)的位置有相互交叉，也有彼此獨(dú)立的，詳見表1。

表1 城市道路攝像機(jī)對應(yīng)主要管理部門及其關(guān)注區(qū)域列表Table 1 The city road camera corresponding to the main administration department and its focusing area

公安部門的攝像機(jī)主要布設(shè)在城市交叉口、公交車站、重要場所出入口；交警部門的攝像機(jī)主要布設(shè)在城市交叉口、路段；城管部門的攝像機(jī)主要布設(shè)在商業(yè)街道兩側(cè)人行道上；路燈部門的攝像機(jī)主要布設(shè)在城市道路的分隔帶上；綜治辦的攝像機(jī)主要布設(shè)在城市交叉口、城市主要出入口、重點(diǎn)部位等。在城市交叉口、路段、重要場所出入口，存在多個部門的管理需求高度集中，有利于發(fā)揮智慧照明系統(tǒng)的視頻共享的整體效用。

6)傳感器集成。目前，智慧照明系統(tǒng)的傳感器，主要包括噪音檢測儀、空氣檢測儀、煙霧感應(yīng)器、亮度傳感器、音柱廣播、微波傳感器、充電樁等。具體布設(shè)原則如下：

表2 主要傳感器的功能及其布設(shè)位置列表Table 2 The funetion and the location of the main sensors

在廠區(qū)門口，設(shè)置噪音檢測儀和空氣檢測儀，用于噪音和環(huán)境檢測。在餐飲店周邊道路上，設(shè)置空氣檢測儀和煙霧感應(yīng)器，用于環(huán)境和煙霧檢測。在商住混合區(qū)域，設(shè)置噪音檢測儀，用于噪聲檢測。在道路上，分別設(shè)置亮度傳感器、音柱廣播、微波傳感器，用于道路亮度抽樣檢測、重點(diǎn)區(qū)域安防和重點(diǎn)道路交通管理等。在停車場周邊道路設(shè)置充電樁，用于新能源車輛的充電。

7)桿件共用。智慧照明系統(tǒng)將攝像機(jī)、各類傳感器與傳統(tǒng)的路燈桿件共用，在此基礎(chǔ)上，很多城市還將標(biāo)志牌、信息顯示屏與傳統(tǒng)的路燈桿件共用。在實(shí)際應(yīng)用中，共用桿件的標(biāo)志牌、信息顯示屏尺寸不宜過大，否則仍會影響到城市的整體美觀度。

8)與智慧交通系統(tǒng)銜接。智慧照明系統(tǒng)的攝像機(jī)、微波傳感器和空氣檢測儀等圖像和數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至智慧城市數(shù)據(jù)中心內(nèi)。智慧交通系統(tǒng)通過智慧城市數(shù)據(jù)中心身份認(rèn)證后，統(tǒng)一調(diào)用相關(guān)圖像和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)交通監(jiān)控、交通數(shù)據(jù)采集和環(huán)境檢測等數(shù)據(jù)共享。同時，智慧交通系統(tǒng)通過智慧照明系統(tǒng)的音柱廣播、信息顯示屏等外延設(shè)施，發(fā)布道路交通突發(fā)事件等語音、文字信息。

9)與智慧城管系統(tǒng)銜接。智慧照明系統(tǒng)的攝像機(jī)、噪音檢測儀、空氣檢測儀、煙霧感應(yīng)器、微波傳感器等圖像和數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至智慧城市數(shù)據(jù)中心內(nèi)。智慧城管系統(tǒng)通過智慧城市數(shù)據(jù)中心身份認(rèn)證后，統(tǒng)一調(diào)用相關(guān)圖像和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)城市亂象監(jiān)控、積水點(diǎn)監(jiān)控、噪音檢測、環(huán)境檢測、煙霧檢測、人流密度檢測等數(shù)據(jù)共享。同時，智慧城管系統(tǒng)可以通過智慧照明系統(tǒng)的音柱廣播、信息顯示屏等外延設(shè)施，發(fā)布城市管理突發(fā)事件等語音、文字信息。

10)與智慧公安系統(tǒng)銜接。智慧照明系統(tǒng)的攝像機(jī)、微波傳感器等圖像和數(shù)據(jù)，通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至智慧城市數(shù)據(jù)中心內(nèi)。智慧公安系統(tǒng)通過智慧城市數(shù)據(jù)中心身份認(rèn)證后，統(tǒng)一調(diào)用相關(guān)圖像和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)治安監(jiān)控、人流密度檢測等數(shù)據(jù)共享。同時，智慧公安系統(tǒng)可以通過智慧照明系統(tǒng)的音柱廣播、信息顯示屏等外延設(shè)施，發(fā)布城市治安突發(fā)事件等語音、文字信息。

3 總結(jié)

在智慧照明系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用過程中，應(yīng)將所有圖像和數(shù)據(jù)存儲至智慧城市數(shù)據(jù)中心中，這有利于數(shù)據(jù)的充分共享和二次利用。同時，在智慧城市的地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行智慧照明系統(tǒng)的二次開發(fā)。組網(wǎng)方式應(yīng)采用“單燈控制器(集成傳感器)—分匯聚點(diǎn)(集中控制器)—道路匯聚點(diǎn)—中心”四層架構(gòu)。攝像機(jī)布設(shè)應(yīng)結(jié)合各管理部門的需求，進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃。桿件共用更應(yīng)注于城市整體的美觀度，不能為了共用桿件而共用桿件。最后，智慧照明系統(tǒng)應(yīng)做好與智慧城市及其子系統(tǒng)的協(xié)同。我們希望通過本研究能為同行在智慧照明系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計和建設(shè)中提供一定的幫助和支持。

[1] 孫繁宇，崔健博，鄒同元，等.基于地上地下數(shù)據(jù)的智慧照明信息系統(tǒng)總體設(shè)計[J].照明工程學(xué)報，2015，26(5)：14-18.

[2] 莊曉波，李文鵬，楊平越.智慧路燈標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究[J].照明工程學(xué)報，2016，27(4)：12-20.

[3] 羅茶根，洪蕓蕓，張志海. LED智慧路燈在智慧城市中的應(yīng)用[J]. 中國交通信息化，2015(12)：135-137.

[4] 關(guān)于促進(jìn)智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見. 2014.

[5] 中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要. 2016.

[6] “十三五”節(jié)能減排綜合工作方案. 2016.

[7] 張人和，王洋，彭鼎文，等. 基于智慧城市的節(jié)能照明管理系統(tǒng)[J]. 科技創(chuàng)業(yè)，2017(5)：125-127.

StudyonKeyTechnologiesinDesignandApplicationofSmartLightingSystem

CHEN Xi, LU Jicheng, ZHANG Yeming, HAN Jing, CHEN Kai
(ShanghaiMunicipalEngineeringDesignInstitute(Group)Co.,Ltd,Shanghai200433,China)

Based on technical requirements of smart city, the overall framework of smart lighting system was built. Several problems in design and application, such as date center, GIS, network, power supply, video sharing, sensor integration, member bar sharing, other systems collaborations of smart city were studied. Results of the paper will provide help and support for planning, design and buildings of smart lighting system.

smart city, smart lighting, key technologies, overall framework, video sharing

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.06.021