物聯(lián)網(wǎng)下的城市智慧照明研究

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【摘要】在打造綠色、智慧型城市架構(gòu)和城市管理模式中，將物聯(lián)網(wǎng)、AI、云計算、大數(shù)據(jù)、5G等技術(shù)應(yīng)用在城市智慧照明，可有效解決照明設(shè)施分布廣、數(shù)量多、位置分散、快速識別的難題，從而推動城市照明精細(xì)化管理，促進(jìn)城市照明節(jié)能減排，同時為實現(xiàn)信息資源共享的智慧城市打下基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】智慧照明；物聯(lián)網(wǎng)；應(yīng)用

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(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，對公共照明管理提出了更高的要求。目前簡單、粗放的城市照明管理，服務(wù)質(zhì)量和節(jié)能水平無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，由于互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)，云計算，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)境實時監(jiān)測、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)量越來越多，以往的過于粗放、被動、無監(jiān)督和評價機(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推動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，不能對單燈進(jìn)行控制，無法實現(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)展方向和價值所在。經(jīng)過長期發(fā)展，城市照明從最初的手動開關(guān)，演變?yōu)榉稚⑹綍r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)場監(jiān)控傳感器、信號傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心構(gòu)成。在監(jiān)控中心通過運行調(diào)度和應(yīng)急指揮系統(tǒng)對照明設(shè)施進(jìn)行實時監(jiān)控，在大屏幕上顯示照明設(shè)備運行狀況和能耗情況。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。基于電力線載波通信（PLC）、LoRa等通信方式，PLC、LoRa通信需要現(xiàn)場網(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、報警信息、異常信息等，同時感知層可接收后臺的指令后可對前端設(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)等部門對應(yīng)的平臺當(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。同時平臺下發(fā)的各類指令經(jīng)傳輸層給到前端感知層。管控平臺層負(fù)責(zé)接收來自應(yīng)用層的請求，驗證請求的數(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，并提供接口平臺將其他相關(guān)系統(tǒng)接入。應(yīng)用層主要根據(jù)各個不同的應(yīng)用部門分配不同的權(quán)限和賬號，目的是各個應(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)用的實時聯(lián)動功能。

4平臺安全體系

物聯(lián)網(wǎng)安全風(fēng)險有可能擴(kuò)散到整個網(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)致運行服務(wù)、用電安全、能源浪費等多方面問題。因此需要建立自動探測、超低時延、反應(yīng)快速的智慧照明安全防御體系，保證整個系統(tǒng)在遭遇攻擊時仍能安全可靠運行。智慧照明平臺安全包括物聯(lián)網(wǎng)平臺安全和應(yīng)用平臺安全。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，每種角色可獨立設(shè)置操作權(quán)限和顯示界面，未取得權(quán)限無法進(jìn)行相關(guān)操作。同時，用戶所有操作都在日志中記錄并永久保存。對重要操作設(shè)計二次密碼，防止誤操作。智慧照明系統(tǒng)存儲著大量關(guān)鍵敏感數(shù)據(jù)，一個細(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）和移動端（APP）數(shù)據(jù)存儲都采取了有效加密和隔離手段，應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸過程不會因應(yīng)用平臺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)庫進(jìn)行交互。智慧路燈接入?yún)^(qū)實現(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)行可視化動態(tài)管理，具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、方便查詢、統(tǒng)計和數(shù)據(jù)實時更新等優(yōu)點，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)計分析、實時供電態(tài)勢感知。在實際建設(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)庫和識別標(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、遙信）為主要手段實現(xiàn)智能化集中監(jiān)控。照明設(shè)施運行控制、狀態(tài)監(jiān)測、分析圖表在監(jiān)控中心實時展現(xiàn)。管理人員可以隨時對各種照明設(shè)施進(jìn)行查詢、統(tǒng)計、狀態(tài)分析，采用GIS技術(shù)，實現(xiàn)基于具體位置的可視化管理與遠(yuǎn)程操控，最終實現(xiàn)集中化、智能化、自動化監(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，真正實現(xiàn)“按需照明”，從而降低電能消耗、延長燈具壽命。城市照明管理者通過單燈管理功能在監(jiān)控中心就可對每一盞燈的工作狀態(tài)、電流、電壓、故障等信息實時“在線巡測”。將“現(xiàn)場人工巡檢”改為“遠(yuǎn)程監(jiān)控巡檢”的維護(hù)方式，根據(jù)報警信息，實現(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)運維管理

對照明設(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)案等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行智能化管理，實現(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)，提高運維效率。對于外業(yè)人員移動化監(jiān)控和辦公的需要，提供智慧照明移動監(jiān)控APP，實現(xiàn)監(jiān)控數(shù)據(jù)實時查看、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。直流充電樁可以為電動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)，對一些治安重點監(jiān)控區(qū)域，如居民小區(qū)、城區(qū)路面、商業(yè)中心、娛樂場所、車站廣場、重點單位等場所實施遠(yuǎn)程實時監(jiān)控，及時了解現(xiàn)場車流、人流及異常情況，對于公共安全、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)行語音實時對講，解決傳統(tǒng)報警時候民眾對于事件發(fā)生位置的描述不清問題，也可以與視頻監(jiān)控聯(lián)動實現(xiàn)視頻通話的功能。通過每個照明燈桿的廣告屏，可以實時政府相關(guān)信息，時事新聞，提高市民文化水平，同時也為建設(shè)智慧城市的便民服務(wù)提供更好的條件。

7社會推廣價值

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)測能力，從本質(zhì)上提升城市公共照明管理能力，切實保障照明系統(tǒng)運行質(zhì)量和服務(wù)水平。通過自動調(diào)節(jié)照明亮度或采用區(qū)域亮燈、單點亮燈等自由組合的路燈控制方式，實現(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)，對照明設(shè)施實現(xiàn)智能監(jiān)控、篩選，定位故障燈具，及時發(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

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)用場合提供不同的照明水平，真正實現(xiàn)按需照明、低碳照明，為解決環(huán)境污染做出貢獻(xiàn)。同時，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接入、城市大數(shù)據(jù)監(jiān)測采集等服務(wù)，推動城市全面協(xié)調(diào)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]張宏征，吳雨婷，馮子龍，王立雄，于娟.智慧照明應(yīng)用在智慧城市中的作用[J].照明工程學(xué)報，2020（5）：125-130.

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作者：解寶新 單位：中國聯(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