分布式照明系統(tǒng)在智慧城市中的應(yīng)用*

李曉躍，郭麗萍，胡偉良，湯錦蘭

吉安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江西 吉安 343000

0 引言

據(jù)華經(jīng)情報(bào)網(wǎng)數(shù)據(jù)顯示，全球智能照明市場進(jìn)入高速發(fā)展階段。2020年，全球智能照明市場規(guī)模突破130億元。工業(yè)照明在全球智能照明領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛，2020年市場占比達(dá)51%。隨著我國從“移動互聯(lián)”向“萬物互聯(lián)”新時代的轉(zhuǎn)型，物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)崛起，城市景觀照明系統(tǒng)也在不斷發(fā)展更新，從單純的提供照明到擁有藝術(shù)功能，再到現(xiàn)在正在大力發(fā)展的智慧照明控制系統(tǒng)，從僅具備照明功能的系統(tǒng)到如今的功能多樣、照明一體化的高科技產(chǎn)物，已經(jīng)具備構(gòu)成智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施的軟硬件條件。城市照明系統(tǒng)呈現(xiàn)跨片區(qū)、跨街道、跨建筑、跨樓道分布，基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量龐大、覆蓋范圍廣，是智慧城市的最佳感知終端載體。將分布式照明系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合是推進(jìn)智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的最佳突破口。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是指各類傳感器和現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)相互銜接的新技術(shù)，具有普通設(shè)備對象化、自制終端互聯(lián)化和普通服務(wù)智能化的特征“萬物互聯(lián)”就是把網(wǎng)絡(luò)技術(shù)運(yùn)用于萬物組成“物聯(lián)網(wǎng)”，如把感應(yīng)器裝備嵌入交通、水利、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、安防、政務(wù)等行業(yè)使用的設(shè)備中，然后將“物聯(lián)網(wǎng)”與“互聯(lián)網(wǎng)”整合互通，實(shí)現(xiàn)人類社會與物理系統(tǒng)的信息融通。利用內(nèi)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)環(huán)境，采用適當(dāng)?shù)男畔踩Ｕ蠙C(jī)制，可為用戶提供安全可靠乃至個性化的實(shí)時在線檢測、定位、追溯、報(bào)警、聯(lián)動等精準(zhǔn)化、智能化的管理服務(wù)功能。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智慧城市中應(yīng)用廣泛。智慧城市的連接通?；诓粩嗵峁┴S富信息數(shù)據(jù)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。為了獲取這些數(shù)據(jù)，智慧城市必須依賴大量的智能設(shè)備，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以完成城市信息收集共享的任務(wù)，進(jìn)而解決城市監(jiān)管治理難題。

2 分布式照明系統(tǒng)的特點(diǎn)和組成

分布式照明系統(tǒng)是針對網(wǎng)絡(luò)化的景觀照明設(shè)備，通過照明軟件進(jìn)行統(tǒng)一管理的系統(tǒng)。分布式照明系統(tǒng)具有開關(guān)調(diào)節(jié)、智能調(diào)光、定時任務(wù)、照明情景模式、音樂模式、GIS地理信息、監(jiān)控報(bào)警、能耗統(tǒng)計(jì)、環(huán)境監(jiān)測等功能；從模塊上可分為基礎(chǔ)照明、燈光秀、環(huán)境監(jiān)測、智能安防、預(yù)警信息模塊。管理者可根據(jù)當(dāng)?shù)匦枨笄袚Q多種照明場景效果，如在特殊節(jié)假日可采用整體聯(lián)動、分組聯(lián)動或單體照明等工作模式。

分布式照明系統(tǒng)除具備智慧照明基本功能外，現(xiàn)已逐漸向環(huán)境信息采集、安防監(jiān)控、預(yù)警信息發(fā)布、車流量監(jiān)測、應(yīng)急可視廣播等功能方向發(fā)展。其中，環(huán)境采集設(shè)備包含光照傳感器、煙霧傳感器、微波傳感器、PM檢測儀；預(yù)警信息發(fā)布設(shè)備包括LED顯示屏、廣播；安防監(jiān)控設(shè)備包含各類型的高清攝像機(jī)、遙控器，在廣播系統(tǒng)的協(xié)助下，可以實(shí)現(xiàn)可視聚焦，分布在道路兩側(cè)的攝像機(jī)還可以進(jìn)行道路的定點(diǎn)車流量監(jiān)控。分布式照明系統(tǒng)感知設(shè)備體系如圖1所示。

圖1 照明系統(tǒng)感知設(shè)備體系

2.1 分布式照明系統(tǒng)的特點(diǎn)

（1）高度模塊化。分布式照明系統(tǒng)的硬件網(wǎng)絡(luò)部署采用先進(jìn)的分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，將照明網(wǎng)絡(luò)布局高度分散，并將視頻監(jiān)控、信息預(yù)警、廣播等子系統(tǒng)的音視頻信號進(jìn)行功能分塊、網(wǎng)絡(luò)分區(qū)，實(shí)現(xiàn)高度自治化、智能化，具有自我診斷和容錯功能。模塊化設(shè)計(jì)能夠解決信號噪聲干擾、遠(yuǎn)距離傳輸衰減、信號質(zhì)量下降等技術(shù)難點(diǎn)。因此，分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)十分可靠簡單，設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行、維護(hù)、檢修也十分方便。

（2）強(qiáng)大的并發(fā)能力。分布式照明系統(tǒng)在處理數(shù)據(jù)的并發(fā)能力上采用自上而下的水平擴(kuò)展方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可線性擴(kuò)充系統(tǒng)性能。因此，分布式視頻監(jiān)控子系統(tǒng)可以完全顛覆傳統(tǒng)的“中控+矩陣+傳輸+拼接+融合”的多級配置方法，讓音頻、視頻、控制單元完全網(wǎng)絡(luò)化[1]，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)的音視頻對話，非常適用于城市指揮調(diào)度中心。

（3）高可靠性?；谖锫?lián)網(wǎng)的分布式照明系統(tǒng)可建立無中心化的自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)去除了中心路由器，依靠先進(jìn)的分布式算法尋找合適的路徑傳輸數(shù)據(jù)，即網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點(diǎn)均具備通信能力。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意路由節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，其他臨近節(jié)點(diǎn)可以充當(dāng)“臨時”路由器，最大限度地保障分布式照明系統(tǒng)正常工作。一般來說，分布式照明系統(tǒng)可支持雙向通信，即每一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)同時支持?jǐn)?shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)，因此單個節(jié)點(diǎn)故障對于系統(tǒng)無影響，無須排查整個照明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為運(yùn)營維護(hù)提供便捷，具有真正意義上的網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)、低功耗、安全可靠的特征。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式照明系統(tǒng)的組成

基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式照明系統(tǒng)一般分為物聯(lián)網(wǎng)感知端、傳輸端、數(shù)據(jù)端、智慧城市照明平臺，如圖2所示。一般來說，照明系統(tǒng)可以雙向通信，感知端可以將信息數(shù)據(jù)通過有線、無線網(wǎng)絡(luò)等實(shí)時傳遞給智慧城市照明平臺；智慧城市照明平臺會根據(jù)數(shù)據(jù)端的分析結(jié)果，向感知端發(fā)出執(zhí)行命令，并告知運(yùn)維部門及時開展相關(guān)活動。例如，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)感知端的溫感、煙感、攝像機(jī)三者均捕捉到火情，數(shù)據(jù)端會自主分析火險(xiǎn)情況，若情況不好，會通知火警并通過廣播、短信等通知附近居民做好防范。

圖2 分布式照明系統(tǒng)的組成

2.2.1 感知端

主要分布在城市商業(yè)、街道、樓宇、公園、山體、水體等公共場所，形成了離散化、分布式子網(wǎng)絡(luò)，借助物聯(lián)網(wǎng)融合不同網(wǎng)絡(luò)，打造更大的區(qū)域分布式網(wǎng)絡(luò)。在分布式照明系統(tǒng)感知層，以分布式節(jié)點(diǎn)為單位，每個節(jié)點(diǎn)由路由設(shè)備、控制單元、終端設(shè)備組成。節(jié)點(diǎn)以4G路由器為數(shù)據(jù)傳輸核心，節(jié)點(diǎn)前端集成基礎(chǔ)照明設(shè)備與城市感知設(shè)備?；A(chǔ)照明設(shè)備包含單燈控制器、LED路燈、LED顯示屏、智慧燈桿；城市感知設(shè)備包含高清攝像機(jī)、環(huán)境檢測儀器、電力電表、定位儀、射頻識別等設(shè)備。

2.2.2 傳輸端

可以將不同片區(qū)、不同領(lǐng)域信號聯(lián)通并傳輸至數(shù)據(jù)平臺。照明系統(tǒng)在架設(shè)網(wǎng)絡(luò)時會將不同領(lǐng)域信號分離，如專用控制網(wǎng)絡(luò)、視頻網(wǎng)絡(luò)、音頻網(wǎng)絡(luò)，以保證減少信號干擾。分布式節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸主要采用電信運(yùn)營商為解決智能硬件聯(lián)網(wǎng)和管理推出的4G物聯(lián)網(wǎng)SIM卡。物理網(wǎng)SIM卡的外觀樣式和普通SIM卡相同，在照明系統(tǒng)中頗受歡迎。物聯(lián)網(wǎng)卡采用物聯(lián)網(wǎng)專用網(wǎng)絡(luò)號段，能夠滿足搭建物聯(lián)網(wǎng)公共服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、建設(shè)物聯(lián)網(wǎng)專用單元的需求，可以為分布式照明系統(tǒng)提供可靠、安全且穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)化服務(wù)；物聯(lián)網(wǎng)卡采用無線通信技術(shù)，在照明系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架設(shè)有線光纖時，通常會遇到道路無法破開施工的困擾，此時無線通信技術(shù)為首選方案。

2.2.3 數(shù)據(jù)端

具有分析、研判、處置功能?？梢詫⒉杉降亩喾矫孢\(yùn)行信息結(jié)合用戶期望進(jìn)行深度分析，并將處理策略自動反饋到照明設(shè)備，保證照明燈光的亮度、色溫處于合理區(qū)間。數(shù)據(jù)分析還能夠精準(zhǔn)定位設(shè)備故障及坐標(biāo)，并及時發(fā)出短信警報(bào)信息，提醒管理人員及時到達(dá)現(xiàn)場檢測與維修。在大數(shù)據(jù)背景下，智慧城市照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力不斷提升，電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率越來越高，為保證各項(xiàng)數(shù)據(jù)得到更加高效的利用，要結(jié)合智慧城市路燈的照明情況，做好亮度調(diào)節(jié)工作，在保證智慧城市照明系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，減少照明系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行故障的次數(shù)[2]。

2.2.4 智慧城市照明平臺

依靠完善的信息資源和精準(zhǔn)的預(yù)測模型及應(yīng)急機(jī)制[3]，實(shí)現(xiàn)照明場景化、智慧化、可視化、精細(xì)化的管理。通過挖掘場景化的數(shù)據(jù)，將照明服務(wù)貫穿于智能照明的所有場景，讓城市中的每一個人都能享受到智慧照明建設(shè)的紅利。在數(shù)據(jù)治理下，照明系統(tǒng)功能越來越精細(xì)化，具備專業(yè)、靈活多變的應(yīng)急模式，可以提供快速應(yīng)急響應(yīng)、精準(zhǔn)資源調(diào)派能力，用于精準(zhǔn)提升城市資源利用效能。照明系統(tǒng)的智慧化體現(xiàn)在智慧城市規(guī)劃、技術(shù)架構(gòu)搭建、設(shè)備運(yùn)營、維護(hù)、信息處理、反饋等活動的統(tǒng)一，打破數(shù)據(jù)孤島，推進(jìn)政府高效管理、產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展、民生普遍受惠。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式照明系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 網(wǎng)絡(luò)化智慧照明的應(yīng)用

智慧照明控制設(shè)備以功能性照明為主，照明設(shè)備的特點(diǎn)包括統(tǒng)一的負(fù)載回路管理能力、單燈設(shè)備工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)測能力。除了照明設(shè)備本身的控制，針對不同應(yīng)用場景也提出了有較大差異的場景需求，如景觀亮化場景需求、室內(nèi)亮化場景需求和路燈照明場景需求。智慧照明控制系統(tǒng)應(yīng)用場景多樣，在道路照明場景下，可實(shí)現(xiàn)無線遠(yuǎn)程開關(guān)燈操作、自動或人工干預(yù)遠(yuǎn)程無極調(diào)光節(jié)能，并具有場景定制化的聯(lián)動模式，以及數(shù)據(jù)采集、故障告警等功能。在城市中心廣場的燈光秀中，可實(shí)現(xiàn)投光燈、射燈、筒燈聯(lián)合音樂噴泉的應(yīng)用，吸引游客參觀，提升城市形象；在橋梁環(huán)境中，可以通過監(jiān)控中心遠(yuǎn)程實(shí)時獲取照明設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，既提高了設(shè)備管理效率，又降低了運(yùn)行和維護(hù)的成本；針對物流、港口等使用大功率照明的場，能提供最佳的指向性照明，系統(tǒng)側(cè)重于通過單燈控制與作業(yè)區(qū)域的聯(lián)動來保證最佳指向性照明，既保證最佳工作照度，又能可靠、低投入地實(shí)現(xiàn)節(jié)能；在以城市樓宇、山體為片區(qū)的美化場景應(yīng)用中，智慧照明系統(tǒng)可以根據(jù)不同場合、人流量進(jìn)行時間段、工作模式的細(xì)分，關(guān)掉不必要的照明。通過調(diào)光技術(shù)、控制技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用，不但可以為建筑物創(chuàng)造完美的燈光場景，減少人力成本，提升管理“軟實(shí)力”，還可以減少人為疏忽造成的電能浪費(fèi)。

3.2 智慧城市調(diào)度指揮中心的應(yīng)用

運(yùn)用智慧城市交通調(diào)度指揮中心可以提升城市管理水平?；谖锫?lián)網(wǎng)的分布式照明系統(tǒng)可融合GIS、音頻、視頻、短信等，并結(jié)合周邊應(yīng)急指揮產(chǎn)品聯(lián)合打造一體化城市調(diào)度指揮中心，具備道路環(huán)境檢測、道路視頻監(jiān)測、道路安全廣播、道路事故報(bào)警等功能。分布式照明道路檢測節(jié)點(diǎn)通過交換機(jī)連接到中央計(jì)算單元，通過總控制終端實(shí)現(xiàn)各類信號的控制，為智慧城市的構(gòu)架起到了一定的積極作用。城市道路運(yùn)行數(shù)據(jù)來自以前端照明節(jié)點(diǎn)為載體架設(shè)的監(jiān)測儀器，如攝像頭、紅外感應(yīng)器、環(huán)境PM檢測儀，是監(jiān)測城市運(yùn)行的重要信息資源。例如，城市交通調(diào)度指揮中心以大數(shù)據(jù)技術(shù)為依托，應(yīng)用數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)可視化等關(guān)鍵技術(shù)，可以快速分析出事故點(diǎn)，為決策者提供事故解決策略。例如，依托大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)，指揮中心可借助高清攝像機(jī)抓拍道路行人照片，得到抓拍地點(diǎn)、抓拍時間，并快速建立人臉信息模型，為智能安防提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

結(jié)合智慧城市調(diào)度指揮中心大數(shù)據(jù)與人們生產(chǎn)生活數(shù)據(jù)、政府企業(yè)等多行業(yè)數(shù)據(jù)，將激發(fā)更多的價(jià)值潛力，提升城市的管理水平。例如，在北京已開展綠色智能城市照明監(jiān)測指揮中心建設(shè)，在相關(guān)照明設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測、緊急搶修、資產(chǎn)管理、客戶服務(wù)及政治保障等方面發(fā)揮了積極作用。

4 總結(jié)

綜上所述，在當(dāng)前智慧城市大力推進(jìn)的背景下，應(yīng)大力建設(shè)城市的基礎(chǔ)感知設(shè)施。運(yùn)用基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式照明系統(tǒng)，能夠?qū)崟r感知城市的運(yùn)行狀態(tài)，其可充當(dāng)智慧城市基礎(chǔ)感知設(shè)施，進(jìn)一步降低城市管理的難度和成本，對創(chuàng)建新時代智慧城市發(fā)揮一定的推動作用。