大數據技術在智慧城市照明建設中的應用

劉紫燕等

【摘 要】我國城市照明節能具有巨大潛力，以城市路燈設施為例，其數量多、區域廣、用電總量巨大，但是能源利用率依然不高，浪費現象嚴重。文章重點探索使用大數據方法實現智慧城市照明建設，提出了一種包含中央控制器、通信模塊和多種傳感器的智慧照明系統架構。在此基礎上，以信息感知為基礎，進一步組建城市智能交通和智能安防系統。

【關鍵詞】大數據；智慧城市；照明管理；信息感知

【Abstract】The energy-saving technology on city lighting system comes with immense potential in our country. For example， there are numerous street lamps covering tons of area and takes immense amounts of energy consumption. However， the energy efficiency remains at low level， leading to the waste of electricity. This paper explores the way to achieve smart city illumination construction with utilizing the big data technology， and proposes the smart lighting system architecture of the central controller， the communication modules and a variety of sensors， etc. On this basis， the information perception is considered as the foundation to further constructing the city intelligent transportation and intelligent security system.

【Key words】Big data； Smart city； Illumination construction； Information perception

0 引言

智慧城市的建設涵蓋大量的基礎數據，如基礎地理信息、規劃成果、交通、綜合管線、政策法規、人口等，如何存儲和使用這些數據成為決策者亟需解決的問題。云計算、物聯網等新一代信息技術的發展促進了大數據的迅猛發展，為政府提供決策支持，對企業組織和業務流程提供幫助，對城市、交通、醫療、教育等產生巨大的影響[1]。

本文重點探索基于大數據技術的智慧城市照明管理，提出了一種包含多種傳感器、中央控制器和通信模塊的智慧照明系統架構。在此基礎上，可以構建一個基于云服務的城市公共照明管理大數據平臺，利用云服務無處不在的特性，實時采集城市照明設備的位置及運行狀態信息，不僅可以為城市提供全方位的路燈信息化運維服務，同時通過后臺大數據分析，挖掘城市路燈運行與電網、氣象等的相關性，為城市照明節能提供決策支持，同時也可以為城市智能交通、智能安防提供有效的支撐。

1 大數據與智慧城市照明

大數據或稱巨量資料，指的是無法在一定時間內用常規軟件工具對其內容進行抓取、管理和處理的數據集合[2]。智慧城市是把信息技術充分運用在城市的各行各業之中的基于知識社會創新的城市信息化高級形態。

在中國，已有90多個城市開展了智慧城市建設。然而，在智慧城市的建設與應用中，智慧城市產生的數據將從TB到PB級，隨之進入大數據時代；大數據是智慧城市的核心要素，智慧城市的建設與應用帶來數據量的急速增大，而大數據無處不在，遍布智慧交通、智慧醫療、智慧生活等智慧城市的各個領域。對大數據進行收集、存儲、分類、重組分析、再利用等一系列的智能化處理后，可將其結果為決策者提供參考[3]。

對于智慧城市的建設來說，可分為政府主導的建設和企業主導的建設，政府主導的建設側重于基礎數據的搜集、管理、分析、監控和共享，建設目標為智慧政府和公共平臺；企業主導的建設側重于行業應用，主要建設目標為智慧行業，如智慧交通、智慧醫療等。盡管側重點和建設目標不同，但二者是一個相互協調的有機整體，政府主導的建設側重于基礎平臺的搭建，企業主導的建設則側重于實際應用。

城市照明作為智慧城市建設中重要的組成部分，它服務于交通安全和人們的生產、生活。城市照明系統遍布城市的每一個角落，對現有的城市照明裝置進行升級，可以簡單快捷的實現覆蓋面較廣的信息感知網絡的搭建，實現路燈管控智能化、信息采集多樣化和信息處理快速化。

2 智慧城市照明建設存在的問題

目前傳統照明方式還是暴露了不少問題，比如，無法對無功損耗電量進行有效管理，對損壞設備無法進行及時維護，某些路段、公園等在晚上時已經無人的狀態下，依舊燈火通明，還有路燈、電纜等設備經常被盜而沒有及時處理等。具體而言，我國城市照明建設存在問題包括以下幾個方面：

（1）重形象、輕科學規劃

目前很多城市的夜景照明均存在過于追求城市形象和亮度，科學分析論證不足、統一規劃或規劃相對滯后的問題。出現了該亮的不亮，不該亮的反而很亮現象，整個城市的夜景分散零亂，沒有主次和特點，這樣的設計規劃不僅浪費了能源，而且整體照明效果也不好。

（2）重景觀、輕功能照明

筆者對多個城市照明項目實例進行分析，其中夜景照明實例占整個城市照明工程實例的2/3；而功能性照明實例，如道路、橋梁、隧道等照明實例僅占整個城市照明工程實例的1/3左右。明顯反映出了城市照明工程規劃重景觀、輕功能照明，這也應引起我們的高度重視。

（3）照明亮度超標

在我國的部分城市因過于追求城市形象，盲目追求燈光照明的亮度，出現了部分城市的交通主要干道路面照明的平均照度，均大大高出我國或國際標準規定的照度值（國家規定主干道的平均照度為30lx），路面平均照度的平均值達到51lx，個別路面平均照度竟然達到105lx。這種盲目追求路面亮度的現象，不僅造成了電能的過度浪費，而且還產生了照明眩光、光污染等問題，其照明的負面效應較為突出。

（4）管理問題

由于城市路燈照明系統管理制度的不完善，造成只重建設輕管理的現象較為普遍，特別是照明工程建成竣工后，照明設施的維護管理工作未能跟上，以致不少工程出現亮燈率低，照明效果急劇下降的現象。

3 大數據推動智慧城市照明建設

本文以文獻[4]提出的大數據技術智慧城市照明系統為基礎，綜合考慮解決傳統照明管理不夠細致的問題，同時實現更加智能化的管理并達到高效節能目的，構建了新的大數據技術的智慧城市照明管理系統，它充分融合先進的通信、傳感、云計算等多種現代化科技手段，使照明在滿足公共照明需求的基礎上更為智能，其總體結構如圖1所示，該系統由以下四層構成：

（1）采集、控制執行層：由多種傳感器、單燈控制器、防盜報警末端三部分構成。傳感器模塊包括攝像頭、噪聲檢測傳感器、空氣污染檢測器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧感應器、亮度傳感器、紅外感應器等，可采集路燈周圍環境數據信息。單燈控制器可采集路燈運行狀態參數，并向路燈監控終端（RTU）回傳路燈用電量、運行狀態、照明強度等信息。

（2）前端分布控制層：路燈監控終端（RTU）可匯聚分支范圍內的傳感器采集信息、路燈用電量及運行狀態等信息。

（3）通信傳輸層：路燈監控終端（RTU）和監控中心之間釆用無線傳感網或移動通信系統實現，路燈監控終端（RTU）與每盞路燈單燈控制、電纜防盜末端之間的通訊通過電力線載波通信來實現。

（4）應用處理層：綜合利用采集到的各類數據信息及電網、氣象等相關信息，實現大數據分析，并通過所分析的結果反饋到各分支路燈監控終端，實現智能路燈的自適應調節亮度從而達到節能的目的。同時，可輔助實現實時監測路燈工作狀況，提供路燈故障類型報警及故障地點通知等功能。

除了對照明輸出支路、供電配電柜、路燈的電流、電壓、功率和能耗信息進行采集外，系統還可采集諸如氣象數據、車流量和地理位置等信息，這些必將形成海量的數據。充分利用大數據技術，動態分析并挖掘城市各項信息需求，輔助管理決策者，其邏輯結構如圖2所示。

4 發展前景展望

可以預見在不久的將來，大數據將遍布智慧城市的方方面面。本文構建的基于大數據技術的智慧城市照明管理系統的基礎上，可以對其功能進行擴充和延展，進而組建智慧城市的二大智能感知系統：智慧交通系統和智能安防系統。

4.1 智慧交通系統

智慧交通系統將先進的信息技術、數據通信技術、傳感器技術、電子控制技術以及計算機技術等有效地綜合運用于整個交通運輸管理體系，從而建立起一種大范圍內、全方位發揮作用的，實時、準確、高效的綜合運輸和管理系統。

通過在智慧城市照明管理系統上安裝的傳感器，路燈可以感知行駛在馬路上的汽車速度以及某區域內的汽車數量。將這些信息上傳至智慧城市智能交通監控中心，控制中心就能以傳統方式（如手機短信、路邊LED廣告牌、收音機廣播等）及新媒體手段（如Web、微博、微信等）傳播出去，為司機選擇最佳行駛路線提供參考，為市民出行路線提供選擇依據，從而有效改善城市交通狀況。

系統通過路燈傳感器獲得的數據還可以用于輔助交通規劃決策，就公交網絡而言，傳統的方式需要在投入大量人力進行OD（起點—終點）調查和數據收集。而路燈傳感器，則讓數據更為全面的展現在決策人員面前，人流、車流量數據全部可以精確掌握，同時再利用車輛擁堵時間，擁堵路段的大數據分析后，公交車的線路調整、增加與減少換乘站的決策就會更加有依據。

系統的核心是智能路燈，通過這些智能路燈和路燈聯網技術，交通部門是能夠大大增強路面監控能力。在有車輛違規停車，又或是路面上發生交通事故時，交警就能第一時間掌握路面狀況。另外，路燈還 能為交通規劃者提供參考數據，代替目前昂貴的監測技術。

此外，在對路燈采集的大數據進行深度分析，就可以預測群體出行行為，對其可能出行的時間，出行路線，出行方式等等進行預測，從而為城市車輛調度提供決策幫助。

4.2 智慧安防系統

智慧安防是科學技術發展和進步產生的一個全新領域，它使得傳統的安防和計算機之間的界限在逐步消失。智慧安防系統通過全新的視頻監控和圖像分析，可以幫助城市管理者實現可視化的感知。

通過系統上的傳感器裝置，可以建設覆蓋全市的感知網絡，實時鎖定出警人員、警用車輛的地理位置，合理調度，在應對警情的時候，及時鎖定警情區域，搜索附近警力資源，實時響應，快速出警。

基于路燈上安裝的高清攝像頭，可以實時監測、采集智能路燈周邊的行人、車輛數據，同時將數據上傳至安防平臺，組建一個覆蓋全市的智慧安防系統。在案件的偵破中，公安機關結合110報警平臺，鎖定案發區域的警情信息，通過調用攝像頭采集到的視頻數據并進行分析，提高案件的偵破效率。

結合路燈上高清攝像頭采集到的人類行為數據，分析犯罪區域的視頻資料，可以發現相應的犯罪趨勢和犯罪模式。完成對犯罪趨勢、熱點區域、熱點問題的科學預測，對于治安形勢的分析、研判、警力的部署以及重點工作的確定有著極其重要的作用。

在案件高發路段，行人在來不及，或者沒有條件電話報警的情況下，可以通過安裝在智能路燈上的“一鍵報警”按鈕，及時向附近的治安網點、警力報告自己的精確地理位置，治安中心接收到報警請求后可以及時調用路燈附近的視頻信息，分析案情，迅速出警。

5 結束語

本文針對智慧城市照明建設中存在的困難和問題，結合大數據技術提出了智慧城市照明系統體系框架，可對現有路燈進行改造，通過在路燈上安裝多種傳感器、控制器和通信模塊，可方便快捷地實現破壞程度低、覆蓋范圍廣、建設成本低、智能化程度高的智慧城市信息感知網絡建設，可以為我國的智慧城市照明建設提供有力支撐。

【參考文獻】

[1]李小玲，高文杰，張舵，李沛帆.大數據與智慧城市建設[J].城鄉治理與規劃改革——2014中國城市規劃年會論文集.2014：1-4.

[2]楊正洪.智慧城市——大數據、物聯網和云計算之應用[M].北京：清華大學出版社，2014.

[3]趙振營，耿方方.大數據在智慧城市中的作用分析[J].商丘師范學院學報，2014，30（8）：129-131.

[4]朱亞杰，李琦，馮逍.基于大數據的智慧城市技術體系架構研究[J].測繪科學，2014，39（8）：70-73.

[5]Kostakos V， Ojala T， Juntunen T. Traffic in the Smart City： Exploring City-Wide Sensingfor Traffic Control Center Augmentation[J]. IEEE Internet Computing， 2013， 17（6）.

[6]Lombardi P， Giordano S， Farouh H， et al. Modelling the smart city performance[J]. Innovation： The European Journal of Social Science Research， 2012， 25（2）： 137-149.

[責任編輯：楊玉潔]