基于物聯網的城市智慧照明研究

解寶新

（中國聯合網絡通信有限公司黑龍江省分公司數字化研究院）

1 引言

隨著經濟社會的發展，城鎮化水平不斷提高，城市公共區域照明設備逐漸增多，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，服務質量和節能水平無法滿足城市照明精細化管理的要求，高效管理與高效節能成為兩大難題。同時，由于互聯網，物聯網，云計算，大數據、地理信息技術興起，還可以在城市照明遠程集中控制基礎上，利用照明設施構建WIFI、微基站、視頻監控、廣告屏播控、城市環境實時監測、緊急呼叫、廣播等方面拓展城市照明管理系統的應用開發。

2 城市照明現狀

現代城市照明設施數量越來越多，以往的過于粗放、被動、無監督和評價機制的傳統管理模式已不能滿足現代化城市照明管理的需要，創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的時鐘控制方式，特別是重大節日或陰雨天不能根據需要進行亮燈情況調整，不能對單燈進行控制，無法實現按需照明。另外，缺乏路燈故障處理情況跟蹤、分析機制，影響照明生產管理考核，從而影響到領導的管理決策判斷。

城市照明管理精細化、節能精準化是智慧照明的發展方向和價值所在。經過長期發展，城市照明從最初的手動開關，演變為分散式時控/光控，再發展到目前主流的集中式智能監控[1]。傳統智慧照明多采用電力線載波（部分場景采用ZigBee）結合2G/3G/4G的通信方式，通信效果和單燈控制靈活性受到限制。隨著技術的發展，窄帶物聯網（NB-IoT）、eMTC、LoRa等物聯網技術層出不窮，為智慧照明發展提供更大更強的網絡支撐。

3 城市智慧照明架構

基于物聯網的城市智慧照明，主要由現場監控傳感器、信號傳輸網絡和監控中心構成。在監控中心通過運行調度和應急指揮系統對照明設施進行實時監控，在大屏幕上顯示照明設備運行狀況和能耗情況。根據所采用通信方式的不同，智慧照明整體架構有所不同。基于電力線載波通信（PLC）、LoRa等通信方式，PLC、LoRa通信需要現場網關（集中器）[2]。采用窄帶物聯網技術，單燈控制不需要集中網關，智慧照明整體架構更為清晰簡單（見圖1）。

前端感知層為加載在路燈桿上的基礎設備，主要包括LED燈、無線AP、視頻監控、大屏、應急求助、RFID、物聯網傳感器等。感知層負責接收前端基礎模塊的各類信息，包括：狀態信息、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備進行控制。視頻監控等數據后續可接入到市政、環保、公安、交警、公眾服務等部門對應的平臺當中，使得數據可以在不同部門當中共享，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據及業務應用數據均是通過傳輸層發送到平臺。同時平臺下發的各類指令經傳輸層給到前端感知層。

圖1 基于物聯網技術的智慧照明架構

管控平臺層負責接收來自應用層的請求，驗證請求的數據，調用相應的業務邏輯進行數據處理，并將處理結果返回給應用層，并提供接口平臺將其他相關系統接入。應用層主要根據各個不同的應用部門分配不同的權限和賬號，目的是各個應用部門通過應用層可以很方便的涉及本部門的業務進行管理，也包含不同應用的實時聯動功能。

4 平臺安全體系

物聯網安全風險有可能擴散到整個網絡及核心系統。城市照明作為重要的城市基礎設施，安全威脅可能導致運行服務、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、反應快速的智慧照明安全防御體系，保證整個系統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網平臺安全和應用平臺安全。為了確保安全性，采用了一系列安全管理措施。系統定義了多種用戶角色，每種角色可獨立設置操作權限和顯示界面，未取得權限無法進行相關操作。同時，用戶所有操作都在日志中記錄并永久保存。對重要操作設計二次密碼，防止誤操作。智慧照明系統存儲著大量關鍵敏感數據，一個細小的疏忽、遺漏就可能造成的敏感信息的破壞、泄漏，從而導致嚴重的后果。智慧照明終端設備需要具備防攻擊能力，以防非法接入。PC端（WEB）和移動端（APP）數據存儲都采取了有效加密和隔離手段，應用數據傳輸過程不會因應用平臺本身漏洞而被竊取或破壞。

在網絡安全方面主要考慮網絡架構安全、網絡訪問控制、邊界完整性檢查、入侵防御、網絡設備防護等，釆取的主要安全措施和技術包括防火墻、IPS、防病毒軟件、防病毒網關和強身份認證等。

網絡劃分為網絡邊界區、匯聚核心區、智慧路燈接入區和中心管理區四個安全區域。網絡邊界區利用防火墻系統進行安全防護，通過防火墻的訪問控制、攻擊防護等安全服務提對外出流量和進入流量進行嚴格控制。匯聚核心區部署核心交換機、匯聚交換機和安全設備，各智慧路燈通過光纖等傳輸鏈路集中匯聚至匯聚設備，再通過核心設備與外部網絡和數據庫進行交互。智慧路燈接入區實現各智慧照明設施的接入。

5 智慧照明功能

5.1 基于GIS的照明設施資源管理

照明設施資源管理，即通過對燈具、開關、變壓器、配電箱、控制回路等照明設施進行定位和按統一規劃進行編碼，以地理信息為基礎進行可視化動態管理，具有數據準確、方便查詢、統計和數據實時更新等優點，為照明設施養護和維修提供依據。以照明智能監控和單燈節能管理為基礎，利用大數據分析技術還可以進行能耗統計分析、實時供電態勢感知。在實際建設中，為達到集約建設、資源共享的目的，燈桿編碼數據庫和識別標簽可以參考公安110和其他城市管理部門已有的定位參照服務。

5.2 智能化集中監控

以“三遙”（遙控、遙測、遙信）為主要手段實現智能化集中監控。照明設施運行控制、狀態監測、分析圖表在監控中心實時展現。管理人員可以隨時對各種照明設施進行查詢、統計、狀態分析，采用GIS技術，實現基于具體位置的可視化管理與遠程操控，最終實現集中化、智能化、自動化監控管理。

5.3 精準化單燈節能管理

在智能監控的基礎上，以單燈節能控制為管理目標，可根據時間、人流、車流、天氣等條件預設參數設定合理的節能方案，在保證照明質量的基礎上進行單燈節能控制，真正實現“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控中心就可對每一盞燈的工作狀態、電流、電壓、故障等信息實時“在線巡測”。將“現場人工巡檢”改為“遠程監控巡檢”的維護方式，根據報警信息，實現精準巡視，有效提高維護人員及車輛的使用效率，極大降低了維護成本。

5.4 流程化生產運維管理

對照明設施維護維修中設施巡檢、信息收集、案件建立、任務派遣、處理反饋、處理核查、結案等多個環節進行智能化管理，實現維修資源指導分配，能夠有效、準確地指導任務及分派人員作業，提高運維效率。

對于外業人員移動化監控和辦公的需要，提供智慧照明移動監控APP，實現監控數據實時查看、開關燈操作等功能；支持工單新建、派發、處理全過程流轉，方便現場監控維護，提高故障流轉與處理效率。

6 路燈桿的信息化擴展應用

利用城市照明所在位置安裝路燈充電樁一體化設備，可在不占用額外土地資源的前提下，建設電動汽車充電一體化設備，因而比傳統的充電站、充電樁的建設具備顯著優勢。直流充電樁可以為電動汽車蓄電池直接充電，節省交直流轉換環節，提高了效率并實現電能節約。

利用城市照明燈桿建設視頻監控系統，對一些治安重點監控區域，如居民小區、城區路面、商業中心、娛樂場所、車站廣場、重點單位等場所實施遠程實時監控，及時了解現場車流、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端進行語音實時對講，解決傳統報警時候民眾對于事件發生位置的描述不清問題，也可以與視頻監控聯動實現視頻通話的功能。

通過每個照明燈桿的廣告屏，可以實時發布政府相關信息，時事新聞，提高市民文化水平，同時也為建設智慧城市的便民服務提供更好的條件。

7 社會推廣價值

通過城市智慧照明系統，可監控管理粒度細化到每一盞燈，增強應急事件處置能力、分析預測能力，從本質上提升城市公共照明管理能力，切實保障照明系統運行質量和服務水平。通過自動調節照明亮度或采用區域亮燈、單點亮燈等自由組合的路燈控制方式，實現按需照明、節能降耗，推進城市照明的科學管理和綠色節能。

改變傳統的人工巡查模式，減少管護人員、車輛外出巡查次數，對照明設施實現智能監控、篩選，定位故障燈具，及時發現路燈故障、老化、短路及短路等問題，大大減輕維護人員的工作強度，并有效降低維護成本。

城市照明是現代城市必備的公共基礎設施，通過基于照明燈桿智慧化改造，可實現鎮域公共基礎設施以及信息化基礎設施的集約化建設。

8 結語

利用基于物聯網的城市智慧照明，在保障照明質量的前提下，能精準化單燈節能管控方式，為不同的應用場合提供不同的照明水平，真正實現按需照明、低碳照明，為解決環境污染做出貢獻。同時，可以提高城市照明基礎設施智能化水平，為智慧城市提供信息點接入、城市大數據監測采集等服務，推動城市全面協調可持續發展。