智慧照明系統設計應用中的關鍵技術探討

陳 希，陸繼誠，張曄明，韓 靖，陳 鎧

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200433)

智慧照明系統設計應用中的關鍵技術探討

陳 希，陸繼誠，張曄明，韓 靖，陳 鎧

(上海市政工程設計研究總院(集團)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的總體架構。從數據中心、地理信息系統、組網方式、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銜接等十個方面，對智慧照明系統設計應用中所遇到的主要問題進行探討。希望為智慧照明系統的規劃、設計和建設提供一定的幫助和支持。

智慧城市；智慧照明；關鍵技術；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，也是智慧應用領域的熱點之一。隨著科學技術的進步，智慧照明被賦予了更多的內涵[1-3]。而在智慧照明系統實際設計應用過程中，除了需要以往傳統的照明設計外，其若干關鍵技術仍有待進一步的研究和探討。

《關于促進智慧城市健康發展的指導意見》中明確：按照走集約、智能、綠色、低碳的新型城鎮化道路的總體要求，推動一代信息技術創新應用，積極發展民生服務智慧應用，有效提高城市綜合承載能力和居民幸福感受[4]。《“十三五”國民經濟和社會發展規劃綱要》中強調：推進能源消費革命，實施照明系統升級改造等重點工程[5]。《“十三五”節能減排綜合工作方案》中指出：綜合采取節能減排系統集成技術，推動照明等系統優化升級[6]。

從智慧城市發展的角度來看，我們迫切需要集約、智能、綠色、低碳的民生服務類的智慧應用，以提升居民的幸福感和滿意度。從智慧照明發展的角度來看，我們迫切需要對現有照明系統改造升級，以實現節能減排的目標。

1 智慧照明系統的總體架構

1)總體架構。結合中國智慧城市相關體系架構，搭建智慧照明系統的總體架構(見圖1)，為“六層兩翼”標準化的智慧城市體系架構。

圖1 智慧照明系統的總體架構圖Fig.1 The total structure of smart lighting system

智慧照明系統的體系架構包括：感知層、通信層、數據層、支撐層、應用層、展現層，以及完善的標準體系和安全體系[7]。

感知層是智慧照明系統實現其“智慧”的基本條件。感知層具有超強的環境感知能力和智能性，通過噪音檢測儀、空氣檢測儀、煙霧感應器、亮度傳感器、紅外感應器等技術實現對城市市政基礎設施、道路、管網、路燈、車流、人流等的監測和控制，為個人和社會提供多樣化的信息服務和應用，實現城市的全覆蓋感知。

通信層是智慧照明系統中的信息通道，是智慧照明系統的重要組成。通信網絡是由電力載波、無線網、視頻專網和數據專網等組成，為實現智慧照明系統的智慧化奠定良好的基礎。

數據層包含地理信息系統、城市管理數據倉庫、相關行業數據倉庫和相關企業數據倉庫等。智慧照明系統的業務系統、業務數據等建議部署在智慧城市數據中心上。智慧照明系統的地理信息系統二次開發應基于智慧城市的地理信息系統基礎上進行的。

支撐層的核心目的是讓城市照明更加“智慧”，在智慧照明系統中，數據是非常重要的戰略性資源，因此構建智慧照明系統的支撐層是智慧照明系統建設中非常重要的一環。支撐層主要的目的是通過數據交換、數據整合、接口服務等技術解決數據割裂、無法共享等問題。

應用層主要是指在感知層、通信層、數據層基礎上建立的各種應用系統。智慧城市應用一級平臺，包括指揮平臺、監管平臺和數據平臺，統一對智慧照明應用二級平臺進行監管、指揮。

展現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APP等各種終端訪問這些系統，讓市民可以親自體驗到智慧照明中。

在“六層”的基礎上，需要充分考慮“兩翼”，即數據交換標準、建設軟環境、管理維護運營體系，以及法律法規層、信息系統安全體系、軟件標準化體系等。

2)主要功能。智慧照明系統的主要功能包括：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控；③城市主要道路、街道的噪音檢測、空氣檢測、煙霧感應、亮度檢測等；④城市主要道路、街道的各類突發事件的語音發布、文字發布等；⑤城市道路停車區域的停車管理、充電管理等；⑥與智慧城市及其子應用系統的數據共享和數據二次利用等。

3)主要作用。智慧照明系統的主要作用包括：①降低投資成本；②節約城市用地資源；③增加城市的整體美觀度；④有利于圖像和數據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用；⑥有利于智慧城市的各二級應用系統協同發展。

2 智慧照明系統的關鍵技術

在智慧照明系統設計應用中，會遇到數據儲存共享、地理信息系統的構建、組網方式的選用、供電方式的比選、攝像機視頻圖像共享、各類傳感器布設、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用系統的銜接等諸多問題。

1)數據中心。智慧照明系統，已經從狹義的角度向廣義的角度發展和延伸。若多源化、多部門、多類型的數據在前端統一采集后，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”現象的出現，不但增加了整體建設成本，而且影響到部門間數據的互聯和互通。

結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所采集到的數據，統一存儲至智慧城市數據中心內，或統一租賃私有云、公有云進行存儲和管理。這樣各個部門無需再新建機房或擴充機房，極大地降低建設成本，有效地節約了空間資源；同時，更有利于各部門之間數據的充分共享和二次利用。

2)地理信息系統。地理信息系統，應充分利用智慧城市所建設的地理信息系統或現有的地理信息系統，智慧照明系統應在此基礎上進行二次開發。同時，應充分滿足數字化城市管理信息系統和城市市政綜合監管信息系統等的相關技術標準，建議地圖精度不低于1∶500。

3)組網方式。單一智慧路燈的組網方式，通常采用“單燈控制器—集中控制器—中心”的三層架構，每1基路燈設置1套單燈控制器，每1公里設置一套集中控制器。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；在實際應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)的組網方式，通常采用“集成傳感器—分匯聚點—道路匯聚點—中心”的四層架構，每1基路燈設置1套集成傳感器(結合具體功能需求設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置1個分匯聚點。集成傳感器與分匯聚點之間的通信，一般采用六類非屏蔽雙絞線傳輸。分匯聚點與道路匯聚點之間、道路匯聚點與中心之間的通信，采用光纖傳輸。

基于上述兩類設備的組網方式，構建“單燈控制器(集成傳感器)—分匯聚點(集中控制器)—道路匯聚點—中心”的四層總體架構。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之間仍采用六類非屏蔽雙絞線傳輸；分匯聚點(集中控制器)與道路匯聚點之間、道路匯聚點與中心之間的通信，統一采用光纖傳輸。

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。各智慧路燈采用鏈式供電方式。

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

表1 城市道路攝像機對應主要管理部門及其關注區域列表Table 1 The city road camera corresponding to the main administration department and its focusing area

公安部門的攝像機主要布設在城市交叉口、公交車站、重要場所出入口；交警部門的攝像機主要布設在城市交叉口、路段；城管部門的攝像機主要布設在商業街道兩側人行道上；路燈部門的攝像機主要布設在城市道路的分隔帶上；綜治辦的攝像機主要布設在城市交叉口、城市主要出入口、重點部位等。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，有利于發揮智慧照明系統的視頻共享的整體效用。

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

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

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

7)桿件共用。智慧照明系統將攝像機、各類傳感器與傳統的路燈桿件共用，在此基礎上，很多城市還將標志牌、信息顯示屏與傳統的路燈桿件共用。在實際應用中，共用桿件的標志牌、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)與智慧交通系統銜接。智慧照明系統的攝像機、微波傳感器和空氣檢測儀等圖像和數據，通過通信網絡傳輸至智慧城市數據中心內。智慧交通系統通過智慧城市數據中心身份認證后，統一調用相關圖像和數據，實現交通監控、交通數據采集和環境檢測等數據共享。同時，智慧交通系統通過智慧照明系統的音柱廣播、信息顯示屏等外延設施，發布道路交通突發事件等語音、文字信息。

9)與智慧城管系統銜接。智慧照明系統的攝像機、噪音檢測儀、空氣檢測儀、煙霧感應器、微波傳感器等圖像和數據，通過通信網絡傳輸至智慧城市數據中心內。智慧城管系統通過智慧城市數據中心身份認證后，統一調用相關圖像和數據，實現城市亂象監控、積水點監控、噪音檢測、環境檢測、煙霧檢測、人流密度檢測等數據共享。同時，智慧城管系統可以通過智慧照明系統的音柱廣播、信息顯示屏等外延設施，發布城市管理突發事件等語音、文字信息。

10)與智慧公安系統銜接。智慧照明系統的攝像機、微波傳感器等圖像和數據，通過通信網絡傳輸至智慧城市數據中心內。智慧公安系統通過智慧城市數據中心身份認證后，統一調用相關圖像和數據，實現治安監控、人流密度檢測等數據共享。同時，智慧公安系統可以通過智慧照明系統的音柱廣播、信息顯示屏等外延設施，發布城市治安突發事件等語音、文字信息。

3 總結

在智慧照明系統設計應用過程中，應將所有圖像和數據存儲至智慧城市數據中心中，這有利于數據的充分共享和二次利用。同時，在智慧城市的地理信息系統的基礎上，進行智慧照明系統的二次開發。組網方式應采用“單燈控制器(集成傳感器)—分匯聚點(集中控制器)—道路匯聚點—中心”四層架構。攝像機布設應結合各管理部門的需求，進行統籌規劃。桿件共用更應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，智慧照明系統應做好與智慧城市及其子系統的協同。我們希望通過本研究能為同行在智慧照明系統的規劃、設計和建設中提供一定的幫助和支持。

[1] 孫繁宇，崔健博，鄒同元，等.基于地上地下數據的智慧照明信息系統總體設計[J].照明工程學報，2015，26(5)：14-18.

[2] 莊曉波，李文鵬，楊平越.智慧路燈標準體系框架研究[J].照明工程學報，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用[J]. 中國交通信息化，2015(12)：135-137.

[4] 關于促進智慧城市健康發展的指導意見. 2014.

[5] 中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要. 2016.

[6] “十三五”節能減排綜合工作方案. 2016.

[7] 張人和，王洋，彭鼎文，等. 基于智慧城市的節能照明管理系統[J]. 科技創業，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