智慧照明應用在智慧城市中的作用

張宏征，吳雨婷，馮子龍，王立雄，于 娟

(天津大學 建筑學院；天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津 300072)

引言

智慧城市是以新一代信息技術為基礎的創新性城市建設策略，旨在為市民創造更好的宜居環境[1，2]。智慧照明作為智慧城市的重要組成部分，目前能夠高效提升照明質量，改善人居環境[3]。智慧照明采用LED光源，利用智能控制系統，實現亮度調節、場景設置等功能，達到按需照明和精準配光的目的，使照明管理更加智能[4]。

隨著LED應用的日益成熟和信息技術的迭代更新，智慧照明的研究熱點，由針對LED與信息技術的智能控制系統層面，轉向以智慧燈桿為代表的智能化、集成化信息基礎設施層面。智慧燈桿“多桿合一、一桿多用”[5]，成為智慧照明進一步撬動智慧城市建設的杠桿。如同燈桿被賦予多功能的用途，智慧照明也被賦予了更多內涵：在高效提供高品質城市照明環境的同時，成為智慧城市建設中諸多建設要素、產業層面的關鍵基點。

本文在解析智慧城市需求的基礎上，提煉出智慧城市對智慧照明的要求。以城市道路照明為例，提取智慧照明能夠參與的智慧城市建設要素，構建智慧城市道路照明建設體系，總結智慧照明的應對工作，旨在深入挖掘智慧照明應用能夠在智慧城市中發揮的作用。

1 智慧城市概述

智慧城市的概念源于IBM公司提出的“智慧地球”理念[6]，指出智慧城市意味著更透徹的感知、更全面的互聯互通與更深入的智能。Mohanty[7]和Rathore[8]等認為物聯網的發展催生了智慧城市。智慧城市從信息技術應用擴展到城市治理方案、城市發展新模式，進而成為涉及多行業、多產業的社會生態理念。智慧城市的核心是以問題為導向，用更加智慧的方式來解決城市化過程的發展和轉型問題。近年來，為解決現階段智慧城市建設的瓶頸與困難，北京、上海、廣州、杭州等越來越多的城市加入到建設以人的需求為導向的“城市大腦”[9]行列之中。國務院于2016年提出“新型智慧城市”概念，以人的需求為導向，以“創新、協調、綠色、開放、共享”理念為引領，以新一代信息技術為基礎，通過信息量化，使得政府的管理更加科學、高效，市民能夠參與到城市建設與監督、更便捷的享受公共服務與宜居的生活環境，開創了具有中國特色的智慧城市新發展模式。

1.1 智慧城市建設目標

智慧城市具有5個階段性目標[10，11]：通過達成“基礎設施智能化”和“網絡安全長效化”的基礎保障性目標，實現“城市管理精細化”的管理目標，進而實現“公共服務便捷化”和“生活環境宜居化”智慧城市運營的根本目標(表1)。

表1 智慧城市建設目標

以智能化的基礎設施作為信息收集載體，長效化的網絡安全保障信息收集與決策傳遞正常，構建起智慧城市的信息收集與發布優勢。基于此優勢，城市管理快速全面精細化的解決城市問題、公共服務更為便捷化的為市民提供信息便利、生活環境被高效的規劃治理而更加宜居化。

1.2 智慧城市研究內容

基于智慧城市的建設目標，智慧城市的本質是集中人的智慧，利用信息技術，建設智慧基礎設施，發展智慧產業，加強城市治理，強化民生服務，創建宜居環境，因此智慧城市的具體研究內容是在智慧人群的推動力下，研究智慧基礎設施建設、智慧管理、智慧民生、智慧環境，形成對應的智慧產業，最終構建成熟的智慧城市(表2)。

表2 智慧城市研究內容

1.3 智慧城市建設要素

與智慧城市建設目標和研究內容對應，智慧城市的實質性建設要素包括：安全、交通、設施、資源、經濟、歷史文化、空間、社區、綠色建筑和園林綠地，分別構建智慧城市的公共服務基礎、智慧民生基礎、宜居環境基礎(圖1)。

圖1 智慧城市的建設要素Fig.1 Construction elements of smart city

1.4 智慧城市評價體系

智慧城市的快速發展帶來智慧城市評價的研究熱點,不同評價主體的評價體系如表3[12-18]，側重點雖有不同，但評價指標均可歸類到技術基礎、社會管理、市民民生3類別之內，分別對位智慧城市的實質性建設深度、運行實踐的技術成熟度和目標達成程度。

1.5 智慧城市需求及對應的智慧照明要求

如圖2所示，依據評價體系的評價指標類別，梳理建設目標與研究內容，能夠厘清智慧城市需求：(1)建設需求，是指在智慧城市建設初期，對于基礎設施、網絡、專業人員、相關產業等基礎性要素的需求。(2)運行需求，是指智慧城市運行過程中的安全防護、信息監測、設施維護、產業管理、服務運營等實踐性要素需求。(3)以人為本的需求，是指智慧城市最終能夠給市民提供的公共服務和生活環境等以人為本的民生需求。

表3 智慧城市的評價體系

圖2 智慧城市需求Fig.2 Smart city demand

智慧照明對接智慧城市需求，是其持續深化改革、打破發展壁壘的有效途徑。對應于智慧城市的建設和運行需求，智慧照明的基礎設施建設和運營管理應兼顧考慮其他智慧產業需求，即達成多功能集成和信息多維共享的要求；對應于智慧城市的人本需求，智慧照明與其他智慧產業具有相同的物聯網要求，即達成物與物、物與人、人與人的互聯互通互動要求。

2 智慧城市道路照明建設要素

道路照明作為城市照明的基礎，也是城市基礎設施的重要組成部分，在城市中具有分布廣闊均勻的特點。道路照明基礎設施的“點位滲透”和“網絡覆蓋”優勢，使之具有信息收集、發布及互動的便利，因而也成為5G互聯網時代照明行業智慧化的發展前瞻基地[19]。對應智慧城市3大需求對智慧照明的多功能集成、信息多維共享，互聯互通互動要求，梳理并解析城市道路照明能夠參與承擔的智慧城市建設要素，論述如下：

2.1 城市安全以及防災減災

是指利用其基礎設施的“點位滲透”優勢集成以下城市安全以及防災減災功能：

1)安全災害信息的“零距離”收集。道路交通事故、人為破壞襲擊行為、自然極端氣候狀況等城市安全災害信息的收集需要與現場的“零距離”，傳感器與道路照明基礎設施集成是最佳的解決策略。

2)安全災害預警信息的“零延遲”發布。安全災害預警信息的發布重在及時，與道路照明基礎設施集成的預警裝置，能夠將道路及周邊區域安全災害的可能性、強度，破壞力信息“零延遲”發布給區域內的市民，以保證快速響應。

3)安全災害信息的“零障礙”查詢和報告。如播報前方100 m交通事故點或施工點實時狀況的顯示屏、一鍵報警裝置等，與道路照明基礎設施集成的安全災害信息查詢和報告媒介，能夠讓市民“零障礙”參與災害防控。

2.2 城市交通規劃與管理

是指利用其基礎設施的“網絡覆蓋”優勢集成以下城市交通規劃與管理功能：

1)實時路況信息的“全局”監控。城市交通規劃與管理重在對區域內交通流量、道路使用情況等實時路況信息的整體掌控，與道路照明基礎設施集成的監控裝置，能夠做到“全局”實時路況監控信息的共享。

2)路況導航信息的“延時”預告。目前導航系統是根據實時擁堵路況規避路線選擇。與道路照明基礎設施集成的預測裝置，可以通過收集到的擁堵路長和通行速度信息，預測擁堵時間。對比依據“實時擁堵”的導航系統，考慮了“延時擁堵”的路線規劃是更優的決策，使道路得到更充分的利用，提高運行效率，促進城市道路交通管理體制的一體化。

2.3 城市空間發展動態監控

是指利用其基礎設施的“點位滲透”和“網絡覆蓋”的雙優勢，通過監控傳感器與道路照明基礎設施集成，對建筑物密度、使用時間(因辦公或住宅等建筑功能性質而不同)，人流密度、流動方向等城市空間使用信息，達成最高效的現場“零距離”與區域“全局”監控，對城市空間發展進行有效的監測，為城市規劃者提供城市資料。

2.4 智慧社區建設

是指利用其基礎設施的“點位滲透”優勢集成以下智慧社區建設功能：

1)社區安全信息的“零距離”收集。社區內人為破壞行為、道路或設施安全隱患等等社區安全信息的收集也需要與現場的“零距離”，傳感器與社區道路照明基礎設施集成同樣是最佳的解決策略。

2)社區通告信息的“零障礙”發布。社區通告信息與社區道路照明基礎設施集成的發布裝置，能夠最低程度打擾市民的同時做到廣而告之，是最便捷高效的“零障礙”發布途徑。

3)社區服務信息的“零障礙”查詢和報告。同智慧燈桿，同社區道路照明基礎設施集成的醫療保健信息、WiFi基站、教育機構信息、一鍵求助、社區網絡、汽車充電樁等多功能媒介。能夠讓市民“零障礙”獲取智慧社區的便民服務，完善智慧社區的建設。

2.5 園林綠化監測與管理

是指利用其基礎設施的“點位滲透”優勢，達成對生長狀況信息的“零距離”監測與“零延遲”處理。溫濕度、有無病蟲害和生長情況等園林綠化信息的收集，借助植被與道路的“零距離”，達成監測傳感器與道路照明基礎設施的集成，將采集到的信息“零延遲”傳送給城市園林管理部門，大大提高城市園林綠化的管理養護效率。

3 智慧城市道路照明建設體系

綜上所述，智慧城市道路照明的各項建設要素，達成設施多功能集成的共性基礎是信息的“零距離”收集與“全局”監控、“實時”預測加“延時”預告與“零延遲”發布處理、以及“零障礙”查詢和報告。因此，智慧城市道路照明的建設體系以信息多維共享為宗旨，達成網絡化與安全化的信息基礎要求、集成化的信息共享要求、節約化的信息時效要求、人性化的信息服務要求。

1)網絡化的智慧照明體系。網絡化是城市道路照明建設分布的現狀特點，也是智慧照明服務于智慧城市信息收集與共享的基礎要求。因此，網絡化的智慧照明體系是指通過網絡化分布的智慧城市道路照明基礎設施，一方面能夠統籌智慧城市全區域的城市照明管理，另一方面集成上述5項智慧城市道路照明建設要素對應智慧產業的信息收集與發布，即創建網絡化的城市照明管理和建設要素信息共享體系。網絡化是集約、低碳、綠色、智能的基礎，把智慧照明與其他智慧產業組成有機整體，城市照明管理部門與其他各職能部門相互促進協作，能夠做到精細化、智能化管理，使得管理更加高效，提高城市運營效率。

2)安全化的智慧照明體系。安全化是道路照明的建設目的，即為夜間出行的人們提供安全的照明環境，也是智慧照明能夠正常運行智慧城市信息收集傳遞的基礎保障。因此，安全化的智慧照明體系是指基于多功能集成設施的安全運行，一方面通過智慧照明，保證光環境質量，提升城市安全度；另一方面是多功能集成設施在信息收集與傳遞上的安全性能。安全化是智慧城市網絡安全長效化建設目標的具體落實，智慧照明為智慧城市的城市安全建設和智慧產業的安全運行奠定基礎。

3)集成化的智慧照明體系。集成化是智慧城市道路照明基礎設施的多功能要求，也是智慧城市道路照明5項建設要素信息共享要求。集成化的智慧照明體系體現在與其他智慧產業共用基礎設施、共享信息。集成化是智慧照明真正打破專業發展壁壘的根本途徑，使智慧照明集成信息傳遞與公共服務功能，使智慧產業之間的信息交流更加專業。

4)節約化的智慧照明體系。節約化是智慧照明運行和集成化智慧照明體系的必然結果，通過智慧照明的智慧管理與智能調控，達成照明能耗的降低；通過共用基礎設施、共享信息達成智慧產業的低成本建設與運營。節約化是在智慧照明方便、及時、高效的性能基礎上，實現智慧照明建設要素的數字化、精準化、協同化、一體化[20]。

5)人性化的智慧照明體系。人性化的智慧照明體系是在保障城市安全、節約資源能源基礎上，根據智慧城市需求按需照明的城市照明新思維，是智慧照明持續更新改革的根本動力；也是智慧照明將智慧城市的公共服務便捷化建設目標的具體落實，將新型智慧城市的建設推向更全面、更高、更可持續的發展階段。

4 智慧照明應對工作

智慧城市離不開智慧照明，智慧道路照明又是智慧照明的重中之重，目前城市道路照明領域的優勢是：掌握覆蓋整個城市的路燈系統資源。但也存在劣勢：缺少其他資源，較少涉及城市建設、信息技術領域。智慧照明應對智慧城市需求，需要完成以下4點任務：

1)推動物聯網、大數據、云計算等新一代信息技術科學創新的應用；

2)強化信息網絡、數據中心等信息基礎設施建設；

3)促進跨部門、跨行業、跨地區的信息共享和業務協同；

4)強化信息資源社會化開發利用、推廣智慧化信息應用和新型信息服務。

這與智慧產業的物聯網要求是相同的，即達成物與物、物與人、人與人的互聯互通互動要求。智慧城市1.0時代以信息基礎設施建設為主要特征，更加強調建設無線城市、城市光網等信息基礎設施；智慧城市2.0時代以智慧應用建設為主要特征，更加強調建設市民可感知的智慧城市，從智慧社區、智慧園區和智慧商圈等時空維度，解決日常生活痛點，以場景創新讓市民體驗智慧城市的魅力；智慧城市3.0時代以AI賦能城市為主要特征，強調機器學習、模式識別等人工智能技術應用，釋放數據潛能，讓城市更具有思考力、決策力和行動力[21]。對應未來的智慧城市3.0時代，工作集中在以下4方面。

1)理論突破。將城市道路照明有機地融入智慧城市建設中的一個重要步驟就是：要在道路照明建設理論上有創新性的突破。建立這一理論的基礎就是，認真透徹研究智慧城市理論與標準，理清智慧城市需求與照明的聯系，做好頂層設計。

智慧城市1.0時代，即“垂直信息孤島”。主要特征是政府主導，分系統建設，數據隔離分散，在垂直領域里專業、精細化管理，如交通領域中交管、運輸部門的數據交換。智慧城市2.0時代，即“數據集中和互聯互通”。主要特征是企業加入，打破信息孤島，實現以城市為單位的目標、規劃和資源的統籌，政府部門間、政府與企業之間數據交換共享，媒體娛樂、教育、零售、健康等進入智慧化階段。智慧城市3.0時代，即“全面互聯和以人為本”，核心特征是城市互聯、數據開放、以人為本，實現城與城、國與國之間的信息、文化交流。構建數據生態圈，推動大數據應用，建立數據開放機制，推進城市互聯，構建智慧城市群等。目前，智能燈桿或多桿合一的路燈完成了1.0時代。要達到2.0甚至3.0時代，需要深入理解智慧城市技術標準，建立具備數據交換共享的道路照明設計建設新理論。

2)組織創新。智慧城市2.0時代的“數據集中和互聯互通”要求基礎設施多功能集成，傳統路燈行業難以獨立解決應對。因此，跳出路燈產業自身的小圈子，尋找測量、信息、數據交換、智能控制等專業伙伴，建立研發聯盟或研究院，以智慧城市技術標準為指針，借鑒智能手機綜合了開放系統功能、無線接入互聯網功能、PDA的功能、圖像拍照處理功能等非傳統通信業務的發展思路，實現道路照明的智慧目標。

3)精準發力。基于智慧城市需求梳理出的5項智慧照明建設要素，不僅是對基礎設施提出多功能集成要求，在物化產品背后的數據結構與接口、數字模型與算法、平臺與操作系統等核心技術上也需要重點投入下大功夫。通過專業的智慧人群培養，對應智慧產業專業需求，精準發力，對接智慧城市3.0時代的“全面互聯和以人為本”要求。

4)自身轉變。對接智慧城市1.0至3.0時代需求的實質是智慧照明的持續深化改革的過程，智慧照明由單一照明產業轉變為多產業集成，從服務城市信息收集深化至信息共享，承擔起智慧城市的更多需求，打破自身發展壁壘的同時，實現行業的結構調整與轉型升級。

5 結語

智慧照明蓄勢待發，面對未來智慧城市，需要更多創新模式、創新思維和創新服務。建立城市公共照明系統、研究智慧城市理論與標準，做好頂層設計、拎清智慧城市需求與智慧照明的聯系，未來智慧照明與智慧城市將形成一個多產業的發展聯盟，滿足智慧城市和各項智慧應用的發展需求，進一步打破行業、領域之間的信息壁壘，實現跨行業、跨領域信息互通，為深層次智慧管理的提供基礎條件，更好地服務于社會大眾、企業和政府。