基于物聯(lián)網(wǎng)的城市智慧照明研究

解寶新

（中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司黑龍江省分公司數(shù)字化研究院）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，城鎮(zhèn)化水平不斷提高，城市公共區(qū)域照明設(shè)備逐漸增多，電力消耗不斷增加，對(duì)公共照明管理提出了更高的要求。目前簡(jiǎn)單、粗放的城市照明管理，服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能水平無(wú)法滿足城市照明精細(xì)化管理的要求，高效管理與高效節(jié)能成為兩大難題。同時(shí)，由于互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)，云計(jì)算，大數(shù)據(jù)、地理信息技術(shù)興起，還可以在城市照明遠(yuǎn)程集中控制基礎(chǔ)上，利用照明設(shè)施構(gòu)建WIFI、微基站、視頻監(jiān)控、廣告屏播控、城市環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、緊急呼叫、廣播等方面拓展城市照明管理系統(tǒng)的應(yīng)用開發(fā)。

2 城市照明現(xiàn)狀

現(xiàn)代城市照明設(shè)施數(shù)量越來(lái)越多，以往的過于粗放、被動(dòng)、無(wú)監(jiān)督和評(píng)價(jià)機(jī)制的傳統(tǒng)管理模式已不能滿足現(xiàn)代化城市照明管理的需要，創(chuàng)建一種全新的管理模式來(lái)推動(dòng)城市的照明管理和亮化管理已成為迫在眉睫的首要工作。

目前城市照明管理還是采用比較傳統(tǒng)的時(shí)鐘控制方式，特別是重大節(jié)日或陰雨天不能根據(jù)需要進(jìn)行亮燈情況調(diào)整，不能對(duì)單燈進(jìn)行控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)按需照明。另外，缺乏路燈故障處理情況跟蹤、分析機(jī)制，影響照明生產(chǎn)管理考核，從而影響到領(lǐng)導(dǎo)的管理決策判斷。

城市照明管理精細(xì)化、節(jié)能精準(zhǔn)化是智慧照明的發(fā)展方向和價(jià)值所在。經(jīng)過長(zhǎng)期發(fā)展，城市照明從最初的手動(dòng)開關(guān)，演變?yōu)榉稚⑹綍r(shí)控/光控，再發(fā)展到目前主流的集中式智能監(jiān)控[1]。傳統(tǒng)智慧照明多采用電力線載波（部分場(chǎng)景采用ZigBee）結(jié)合2G/3G/4G的通信方式，通信效果和單燈控制靈活性受到限制。隨著技術(shù)的發(fā)展，窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）、eMTC、LoRa等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層出不窮，為智慧照明發(fā)展提供更大更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)支撐。

3 城市智慧照明架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的城市智慧照明，主要由現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控傳感器、信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心構(gòu)成。在監(jiān)控中心通過運(yùn)行調(diào)度和應(yīng)急指揮系統(tǒng)對(duì)照明設(shè)施進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在大屏幕上顯示照明設(shè)備運(yùn)行狀況和能耗情況。根據(jù)所采用通信方式的不同，智慧照明整體架構(gòu)有所不同?；陔娏€載波通信（PLC）、LoRa等通信方式，PLC、LoRa通信需要現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)關(guān)（集中器）[2]。采用窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，單燈控制不需要集中網(wǎng)關(guān)，智慧照明整體架構(gòu)更為清晰簡(jiǎn)單（見圖1）。

前端感知層為加載在路燈桿上的基礎(chǔ)設(shè)備，主要包括LED燈、無(wú)線AP、視頻監(jiān)控、大屏、應(yīng)急求助、RFID、物聯(lián)網(wǎng)傳感器等。感知層負(fù)責(zé)接收前端基礎(chǔ)模塊的各類信息，包括：狀態(tài)信息、報(bào)警信息、異常信息等，同時(shí)感知層可接收后臺(tái)的指令后可對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行控制。視頻監(jiān)控等數(shù)據(jù)后續(xù)可接入到市政、環(huán)保、公安、交警、公眾服務(wù)等部門對(duì)應(yīng)的平臺(tái)當(dāng)中，使得數(shù)據(jù)可以在不同部門當(dāng)中共享，提升辦案效率。

傳輸層為前端感知層與管控平臺(tái)層之間的紐帶，通過傳輸層，前端感知層所有的管理數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)應(yīng)用數(shù)據(jù)均是通過傳輸層發(fā)送到平臺(tái)。同時(shí)平臺(tái)下發(fā)的各類指令經(jīng)傳輸層給到前端感知層。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧照明架構(gòu)

管控平臺(tái)層負(fù)責(zé)接收來(lái)自應(yīng)用層的請(qǐng)求，驗(yàn)證請(qǐng)求的數(shù)據(jù)，調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果返回給應(yīng)用層，并提供接口平臺(tái)將其他相關(guān)系統(tǒng)接入。應(yīng)用層主要根據(jù)各個(gè)不同的應(yīng)用部門分配不同的權(quán)限和賬號(hào)，目的是各個(gè)應(yīng)用部門通過應(yīng)用層可以很方便的涉及本部門的業(yè)務(wù)進(jìn)行管理，也包含不同應(yīng)用的實(shí)時(shí)聯(lián)動(dòng)功能。

4 平臺(tái)安全體系

物聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)有可能擴(kuò)散到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)及核心系統(tǒng)。城市照明作為重要的城市基礎(chǔ)設(shè)施，安全威脅可能導(dǎo)致運(yùn)行服務(wù)、用電安全、能源浪費(fèi)等多方面問題。因此需要建立自動(dòng)探測(cè)、超低時(shí)延、反應(yīng)快速的智慧照明安全防御體系，保證整個(gè)系統(tǒng)在遭遇攻擊時(shí)仍能安全可靠運(yùn)行。

智慧照明平臺(tái)安全包括物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)安全和應(yīng)用平臺(tái)安全。為了確保安全性，采用了一系列安全管理措施。系統(tǒng)定義了多種用戶角色，每種角色可獨(dú)立設(shè)置操作權(quán)限和顯示界面，未取得權(quán)限無(wú)法進(jìn)行相關(guān)操作。同時(shí)，用戶所有操作都在日志中記錄并永久保存。對(duì)重要操作設(shè)計(jì)二次密碼，防止誤操作。智慧照明系統(tǒng)存儲(chǔ)著大量關(guān)鍵敏感數(shù)據(jù)，一個(gè)細(xì)小的疏忽、遺漏就可能造成的敏感信息的破壞、泄漏，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。智慧照明終端設(shè)備需要具備防攻擊能力，以防非法接入。PC端（WEB）和移動(dòng)端（APP）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)都采取了有效加密和隔離手段，應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸過程不會(huì)因應(yīng)用平臺(tái)本身漏洞而被竊取或破壞。

在網(wǎng)絡(luò)安全方面主要考慮網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)安全、網(wǎng)絡(luò)訪問控制、邊界完整性檢查、入侵防御、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備防護(hù)等，釆取的主要安全措施和技術(shù)包括防火墻、IPS、防病毒軟件、防病毒網(wǎng)關(guān)和強(qiáng)身份認(rèn)證等。

網(wǎng)絡(luò)劃分為網(wǎng)絡(luò)邊界區(qū)、匯聚核心區(qū)、智慧路燈接入?yún)^(qū)和中心管理區(qū)四個(gè)安全區(qū)域。網(wǎng)絡(luò)邊界區(qū)利用防火墻系統(tǒng)進(jìn)行安全防護(hù)，通過防火墻的訪問控制、攻擊防護(hù)等安全服務(wù)提對(duì)外出流量和進(jìn)入流量進(jìn)行嚴(yán)格控制。匯聚核心區(qū)部署核心交換機(jī)、匯聚交換機(jī)和安全設(shè)備，各智慧路燈通過光纖等傳輸鏈路集中匯聚至匯聚設(shè)備，再通過核心設(shè)備與外部網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行交互。智慧路燈接入?yún)^(qū)實(shí)現(xiàn)各智慧照明設(shè)施的接入。

5 智慧照明功能

5.1 基于GIS的照明設(shè)施資源管理

照明設(shè)施資源管理，即通過對(duì)燈具、開關(guān)、變壓器、配電箱、控制回路等照明設(shè)施進(jìn)行定位和按統(tǒng)一規(guī)劃進(jìn)行編碼，以地理信息為基礎(chǔ)進(jìn)行可視化動(dòng)態(tài)管理，具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、方便查詢、統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新等優(yōu)點(diǎn)，為照明設(shè)施養(yǎng)護(hù)和維修提供依據(jù)。以照明智能監(jiān)控和單燈節(jié)能管理為基礎(chǔ)，利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)還可以進(jìn)行能耗統(tǒng)計(jì)分析、實(shí)時(shí)供電態(tài)勢(shì)感知。在實(shí)際建設(shè)中，為達(dá)到集約建設(shè)、資源共享的目的，燈桿編碼數(shù)據(jù)庫(kù)和識(shí)別標(biāo)簽可以參考公安110和其他城市管理部門已有的定位參照服務(wù)。

5.2 智能化集中監(jiān)控

以“三遙”（遙控、遙測(cè)、遙信）為主要手段實(shí)現(xiàn)智能化集中監(jiān)控。照明設(shè)施運(yùn)行控制、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、分析圖表在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)展現(xiàn)。管理人員可以隨時(shí)對(duì)各種照明設(shè)施進(jìn)行查詢、統(tǒng)計(jì)、狀態(tài)分析，采用GIS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)基于具體位置的可視化管理與遠(yuǎn)程操控，最終實(shí)現(xiàn)集中化、智能化、自動(dòng)化監(jiān)控管理。

5.3 精準(zhǔn)化單燈節(jié)能管理

在智能監(jiān)控的基礎(chǔ)上，以單燈節(jié)能控制為管理目標(biāo)，可根據(jù)時(shí)間、人流、車流、天氣等條件預(yù)設(shè)參數(shù)設(shè)定合理的節(jié)能方案，在保證照明質(zhì)量的基礎(chǔ)上進(jìn)行單燈節(jié)能控制，真正實(shí)現(xiàn)“按需照明”，從而降低電能消耗、延長(zhǎng)燈具壽命。

城市照明管理者通過單燈管理功能在監(jiān)控中心就可對(duì)每一盞燈的工作狀態(tài)、電流、電壓、故障等信息實(shí)時(shí)“在線巡測(cè)”。將“現(xiàn)場(chǎng)人工巡檢”改為“遠(yuǎn)程監(jiān)控巡檢”的維護(hù)方式，根據(jù)報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)巡視，有效提高維護(hù)人員及車輛的使用效率，極大降低了維護(hù)成本。

5.4 流程化生產(chǎn)運(yùn)維管理

對(duì)照明設(shè)施維護(hù)維修中設(shè)施巡檢、信息收集、案件建立、任務(wù)派遣、處理反饋、處理核查、結(jié)案等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化管理，實(shí)現(xiàn)維修資源指導(dǎo)分配，能夠有效、準(zhǔn)確地指導(dǎo)任務(wù)及分派人員作業(yè)，提高運(yùn)維效率。

對(duì)于外業(yè)人員移動(dòng)化監(jiān)控和辦公的需要，提供智慧照明移動(dòng)監(jiān)控APP，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)查看、開關(guān)燈操作等功能；支持工單新建、派發(fā)、處理全過程流轉(zhuǎn)，方便現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控維護(hù)，提高故障流轉(zhuǎn)與處理效率。

6 路燈桿的信息化擴(kuò)展應(yīng)用

利用城市照明所在位置安裝路燈充電樁一體化設(shè)備，可在不占用額外土地資源的前提下，建設(shè)電動(dòng)汽車充電一體化設(shè)備，因而比傳統(tǒng)的充電站、充電樁的建設(shè)具備顯著優(yōu)勢(shì)。直流充電樁可以為電動(dòng)汽車蓄電池直接充電，節(jié)省交直流轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了效率并實(shí)現(xiàn)電能節(jié)約。

利用城市照明燈桿建設(shè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)一些治安重點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域，如居民小區(qū)、城區(qū)路面、商業(yè)中心、娛樂場(chǎng)所、車站廣場(chǎng)、重點(diǎn)單位等場(chǎng)所實(shí)施遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)車流、人流及異常情況，對(duì)于公共安全、治安管理、案件取證具有重要意義。城市居民可通過一鍵呼叫和遠(yuǎn)端進(jìn)行語(yǔ)音實(shí)時(shí)對(duì)講，解決傳統(tǒng)報(bào)警時(shí)候民眾對(duì)于事件發(fā)生位置的描述不清問題，也可以與視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)視頻通話的功能。

通過每個(gè)照明燈桿的廣告屏，可以實(shí)時(shí)發(fā)布政府相關(guān)信息，時(shí)事新聞，提高市民文化水平，同時(shí)也為建設(shè)智慧城市的便民服務(wù)提供更好的條件。

7 社會(huì)推廣價(jià)值

通過城市智慧照明系統(tǒng)，可監(jiān)控管理粒度細(xì)化到每一盞燈，增強(qiáng)應(yīng)急事件處置能力、分析預(yù)測(cè)能力，從本質(zhì)上提升城市公共照明管理能力，切實(shí)保障照明系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量和服務(wù)水平。通過自動(dòng)調(diào)節(jié)照明亮度或采用區(qū)域亮燈、單點(diǎn)亮燈等自由組合的路燈控制方式，實(shí)現(xiàn)按需照明、節(jié)能降耗，推進(jìn)城市照明的科學(xué)管理和綠色節(jié)能。

改變傳統(tǒng)的人工巡查模式，減少管護(hù)人員、車輛外出巡查次數(shù)，對(duì)照明設(shè)施實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控、篩選，定位故障燈具，及時(shí)發(fā)現(xiàn)路燈故障、老化、短路及短路等問題，大大減輕維護(hù)人員的工作強(qiáng)度，并有效降低維護(hù)成本。

城市照明是現(xiàn)代城市必備的公共基礎(chǔ)設(shè)施，通過基于照明燈桿智慧化改造，可實(shí)現(xiàn)鎮(zhèn)域公共基礎(chǔ)設(shè)施以及信息化基礎(chǔ)設(shè)施的集約化建設(shè)。

8 結(jié)語(yǔ)

利用基于物聯(lián)網(wǎng)的城市智慧照明，在保障照明質(zhì)量的前提下，能精準(zhǔn)化單燈節(jié)能管控方式，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合提供不同的照明水平，真正實(shí)現(xiàn)按需照明、低碳照明，為解決環(huán)境污染做出貢獻(xiàn)。同時(shí)，可以提高城市照明基礎(chǔ)設(shè)施智能化水平，為智慧城市提供信息點(diǎn)接入、城市大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)采集等服務(wù)，推動(dòng)城市全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。