智慧照明系统设计应用中的关键技术探讨

陈 希，陆继诚，张晔明，韩 靖，陈 铠

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200433)

智慧照明系统设计应用中的关键技术探讨

陈 希，陆继诚，张晔明，韩 靖，陈 铠

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200433)

我们在智慧城市的总体要求和部署下，搭建了智慧照明系统的总体架构。从数据中心、地理信息系统、组网方式、供电方式、视频共享、传感器集成、杆件共用以及与智慧交通、智慧城管和智慧公安系统衔接等十个方面，对智慧照明系统设计应用中所遇到的主要问题进行探讨。希望为智慧照明系统的规划、设计和建设提供一定的帮助和支持。

智慧城市；智慧照明；关键技术；总体框架；视频共享

引言

智慧照明是智慧城市的重要组成部分，也是智慧应用领域的热点之一。随着科学技术的进步，智慧照明被赋予了更多的内涵[1-3]。而在智慧照明系统实际设计应用过程中，除了需要以往传统的照明设计外，其若干关键技术仍有待进一步的研究和探讨。

《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》中明确：按照走集约、智能、绿色、低碳的新型城镇化道路的总体要求，推动一代信息技术创新应用，积极发展民生服务智慧应用，有效提高城市综合承载能力和居民幸福感受[4]。《“十三五”国民经济和社会发展规划纲要》中强调：推进能源消费革命，实施照明系统升级改造等重点工程[5]。《“十三五”节能减排综合工作方案》中指出：综合采取节能减排系统集成技术，推动照明等系统优化升级[6]。

从智慧城市发展的角度来看，我们迫切需要集约、智能、绿色、低碳的民生服务类的智慧应用，以提升居民的幸福感和满意度。从智慧照明发展的角度来看，我们迫切需要对现有照明系统改造升级，以实现节能减排的目标。

1 智慧照明系统的总体架构

1)总体架构。结合中国智慧城市相关体系架构，搭建智慧照明系统的总体架构(见图1)，为“六层两翼”标准化的智慧城市体系架构。

图1 智慧照明系统的总体架构图Fig.1 The total structure of smart lighting system

智慧照明系统的体系架构包括：感知层、通信层、数据层、支撑层、应用层、展现层，以及完善的标准体系和安全体系[7]。

感知层是智慧照明系统实现其“智慧”的基本条件。感知层具有超强的环境感知能力和智能性，通过噪音检测仪、空气检测仪、烟雾感应器、亮度传感器、红外感应器等技术实现对城市市政基础设施、道路、管网、路灯、车流、人流等的监测和控制，为个人和社会提供多样化的信息服务和应用，实现城市的全覆盖感知。

通信层是智慧照明系统中的信息通道，是智慧照明系统的重要组成。通信网络是由电力载波、无线网、视频专网和数据专网等组成，为实现智慧照明系统的智慧化奠定良好的基础。

数据层包含地理信息系统、城市管理数据仓库、相关行业数据仓库和相关企业数据仓库等。智慧照明系统的业务系统、业务数据等建议部署在智慧城市数据中心上。智慧照明系统的地理信息系统二次开发应基于智慧城市的地理信息系统基础上进行的。

支撑层的核心目的是让城市照明更加“智慧”，在智慧照明系统中，数据是非常重要的战略性资源，因此构建智慧照明系统的支撑层是智慧照明系统建设中非常重要的一环。支撑层主要的目的是通过数据交换、数据整合、接口服务等技术解决数据割裂、无法共享等问题。

应用层主要是指在感知层、通信层、数据层基础上建立的各种应用系统。智慧城市应用一级平台，包括指挥平台、监管平台和数据平台，统一对智慧照明应用二级平台进行监管、指挥。

展现层主要是指市民可以通过路灯、语音广播、信息显示屏和手机APP等各种终端访问这些系统，让市民可以亲自体验到智慧照明中。

在“六层”的基础上，需要充分考虑“两翼”，即数据交换标准、建设软环境、管理维护运营体系，以及法律法规层、信息系统安全体系、软件标准化体系等。

2)主要功能。智慧照明系统的主要功能包括：①城市照明单灯控制、集中控制、能源管理、照明策略控制等；②城市交叉口、路段、重要场所出入口等的视频监控；③城市主要道路、街道的噪音检测、空气检测、烟雾感应、亮度检测等；④城市主要道路、街道的各类突发事件的语音发布、文字发布等；⑤城市道路停车区域的停车管理、充电管理等；⑥与智慧城市及其子应用系统的数据共享和数据二次利用等。

3)主要作用。智慧照明系统的主要作用包括：①降低投资成本；②节约城市用地资源；③增加城市的整体美观度；④有利于图像和数据的充分共享和二次利用；⑤有利于推动智慧城市的全面感知和应用；⑥有利于智慧城市的各二级应用系统协同发展。

2 智慧照明系统的关键技术

在智慧照明系统设计应用中，会遇到数据储存共享、地理信息系统的构建、组网方式的选用、供电方式的比选、摄像机视频图像共享、各类传感器布设、杆件共用，以及与智慧城市中的智慧交通、智慧城管和智慧公安等子应用系统的衔接等诸多问题。

1)数据中心。智慧照明系统，已经从狭义的角度向广义的角度发展和延伸。若多源化、多部门、多类型的数据在前端统一采集后，再按照以往的方式分别传输至各主管部门，那么又造成了“烟囱”现象的出现，不但增加了整体建设成本，而且影响到部门间数据的互联和互通。

结合国家智慧城市的总体部署要求，建议在智慧城市的总体框架下，将所有智慧照明系统所采集到的数据，统一存储至智慧城市数据中心内，或统一租赁私有云、公有云进行存储和管理。这样各个部门无需再新建机房或扩充机房，极大地降低建设成本，有效地节约了空间资源；同时，更有利于各部门之间数据的充分共享和二次利用。

2)地理信息系统。地理信息系统，应充分利用智慧城市所建设的地理信息系统或现有的地理信息系统，智慧照明系统应在此基础上进行二次开发。同时，应充分满足数字化城市管理信息系统和城市市政综合监管信息系统等的相关技术标准，建议地图精度不低于1∶500。

3)组网方式。单一智慧路灯的组网方式，通常采用“单灯控制器—集中控制器—中心”的三层架构，每1基路灯设置1套单灯控制器，每1公里设置一套集中控制器。其中单灯控制器与集中控制器之间的通信，一般采用电力载波或ZigBee技术；在实际应用中我们推荐采用电力载波的方式。集中控制器与中心之间的通信，一般采用4G无线传输。

集成传感器(包括各类传感器和视频等)的组网方式，通常采用“集成传感器—分汇聚点—道路汇聚点—中心”的四层架构，每1基路灯设置1套集成传感器(结合具体功能需求设置具体的传感器类型)，每5～6基路灯几何距离最正中的路灯杆设置1个分汇聚点。集成传感器与分汇聚点之间的通信，一般采用六类非屏蔽双绞线传输。分汇聚点与道路汇聚点之间、道路汇聚点与中心之间的通信，采用光纤传输。

基于上述两类设备的组网方式，构建“单灯控制器(集成传感器)—分汇聚点(集中控制器)—道路汇聚点—中心”的四层总体架构。其中单灯控制器与集中控制器之间仍采用电力载波传输，集成传感器与分汇聚点之间仍采用六类非屏蔽双绞线传输；分汇聚点(集中控制器)与道路汇聚点之间、道路汇聚点与中心之间的通信，统一采用光纤传输。

4)供电方式。由于照明路灯供电时间一般为晚上和检修时段，而智慧路灯集成的各传感器需全天24小时供电，因此照明路灯与智慧路灯各传感器采用独立供电，电源分别引自路灯控制柜和弱电控制柜。各智慧路灯采用链式供电方式。

5)视频共享。视频共享是指道路外场的摄像机图像可以给多个管理部门进行使用。在智慧照明系统建设过程中，建议各部门的摄像机进行统筹规划、集中布设，这样可以避免摄像机、杆件、基础等的重复建设，降低建设成本，提升城市道路的整体美观度。目前，道路外场的摄像机主要来源于公安、交警、城管、路灯、综治办等部门，各自布设摄像机的位置有相互交叉，也有彼此独立的，详见表1。

表1 城市道路摄像机对应主要管理部门及其关注区域列表Table 1 The city road camera corresponding to the main administration department and its focusing area

公安部门的摄像机主要布设在城市交叉口、公交车站、重要场所出入口；交警部门的摄像机主要布设在城市交叉口、路段；城管部门的摄像机主要布设在商业街道两侧人行道上；路灯部门的摄像机主要布设在城市道路的分隔带上；综治办的摄像机主要布设在城市交叉口、城市主要出入口、重点部位等。在城市交叉口、路段、重要场所出入口，存在多个部门的管理需求高度集中，有利于发挥智慧照明系统的视频共享的整体效用。

6)传感器集成。目前，智慧照明系统的传感器，主要包括噪音检测仪、空气检测仪、烟雾感应器、亮度传感器、音柱广播、微波传感器、充电桩等。具体布设原则如下：

表2 主要传感器的功能及其布设位置列表Table 2 The funetion and the location of the main sensors

在厂区门口，设置噪音检测仪和空气检测仪，用于噪音和环境检测。在餐饮店周边道路上，设置空气检测仪和烟雾感应器，用于环境和烟雾检测。在商住混合区域，设置噪音检测仪，用于噪声检测。在道路上，分别设置亮度传感器、音柱广播、微波传感器，用于道路亮度抽样检测、重点区域安防和重点道路交通管理等。在停车场周边道路设置充电桩，用于新能源车辆的充电。

7)杆件共用。智慧照明系统将摄像机、各类传感器与传统的路灯杆件共用，在此基础上，很多城市还将标志牌、信息显示屏与传统的路灯杆件共用。在实际应用中，共用杆件的标志牌、信息显示屏尺寸不宜过大，否则仍会影响到城市的整体美观度。

8)与智慧交通系统衔接。智慧照明系统的摄像机、微波传感器和空气检测仪等图像和数据，通过通信网络传输至智慧城市数据中心内。智慧交通系统通过智慧城市数据中心身份认证后，统一调用相关图像和数据，实现交通监控、交通数据采集和环境检测等数据共享。同时，智慧交通系统通过智慧照明系统的音柱广播、信息显示屏等外延设施，发布道路交通突发事件等语音、文字信息。

9)与智慧城管系统衔接。智慧照明系统的摄像机、噪音检测仪、空气检测仪、烟雾感应器、微波传感器等图像和数据，通过通信网络传输至智慧城市数据中心内。智慧城管系统通过智慧城市数据中心身份认证后，统一调用相关图像和数据，实现城市乱象监控、积水点监控、噪音检测、环境检测、烟雾检测、人流密度检测等数据共享。同时，智慧城管系统可以通过智慧照明系统的音柱广播、信息显示屏等外延设施，发布城市管理突发事件等语音、文字信息。

10)与智慧公安系统衔接。智慧照明系统的摄像机、微波传感器等图像和数据，通过通信网络传输至智慧城市数据中心内。智慧公安系统通过智慧城市数据中心身份认证后，统一调用相关图像和数据，实现治安监控、人流密度检测等数据共享。同时，智慧公安系统可以通过智慧照明系统的音柱广播、信息显示屏等外延设施，发布城市治安突发事件等语音、文字信息。

3 总结

在智慧照明系统设计应用过程中，应将所有图像和数据存储至智慧城市数据中心中，这有利于数据的充分共享和二次利用。同时，在智慧城市的地理信息系统的基础上，进行智慧照明系统的二次开发。组网方式应采用“单灯控制器(集成传感器)—分汇聚点(集中控制器)—道路汇聚点—中心”四层架构。摄像机布设应结合各管理部门的需求，进行统筹规划。杆件共用更应注于城市整体的美观度，不能为了共用杆件而共用杆件。最后，智慧照明系统应做好与智慧城市及其子系统的协同。我们希望通过本研究能为同行在智慧照明系统的规划、设计和建设中提供一定的帮助和支持。

[1] 孙繁宇，崔健博，邹同元，等.基于地上地下数据的智慧照明信息系统总体设计[J].照明工程学报，2015，26(5)：14-18.

[2] 庄晓波，李文鹏，杨平越.智慧路灯标准体系框架研究[J].照明工程学报，2016，27(4)：12-20.

[3] 罗茶根，洪芸芸，张志海. LED智慧路灯在智慧城市中的应用[J]. 中国交通信息化，2015(12)：135-137.

[4] 关于促进智慧城市健康发展的指导意见. 2014.

[5] 中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要. 2016.

[6] “十三五”节能减排综合工作方案. 2016.

[7] 张人和，王洋，彭鼎文，等. 基于智慧城市的节能照明管理系统[J]. 科技创业，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