城市物联网照明云平台及应用

林 涛，叶 峰，王 强，李 今

(1.中国电科五十所，上海 200063；2.苏州市城市照明管理处，苏州 215005)

1 概述

随着城市化进程日益加快，城市照明管理[1]已不再局限于对路灯的管理，而是发展成为对所有展现城市景观、体现城市形象照明设施的统一管理，目前全国各个城市都在结合自己城市的特点建设道路照明和亮化工程。为了能够有效的对各种城市照明设施进行控制和管理，先后有许多城市建设了城市照明监控系统，解决了城市照明统一的启闭、数据采集、故障报警等问题，提高了照明控制的实时性，大大提升了管理效率和城市照明监管水平。但单单解决这一问题是远远不够的，随着城市的建设发展，城市的规模越来越大，照明管理部门管理范围扩大，灯的种类和数量也增多，社会对城市照明提出了更高更新的要求，使得城市照明资产管理的难度越来越大，运营成本也越来越高。同时仍有不少管理部门(比如县、乡镇、小区等)由于受到自身规模、运营费用等因素影响，并不能采用传统的建设模式来实现照明监控本地化管理。为此，作为城市照明的管理部门迫切需要一种现代化的管理平台，来提升其管理效率同时降低运行成本。

2 国内外发展现状

城市亮化工程已成为城市的名片，各地都把城市夜景照明建设作为改变城市面貌、改善投资环境的重要手段，付出的人力和物力越来越沉重。国内不少照明管理部门一直在寻求解决方案，一些大中城市建设了“城市照明无线监控系统”，对提高城市照明系统的控制管理水平发挥了一定的积极作用。在此基础上，有的城市还在积极探索城市照明数字化管理和路灯节能的技术和途径，包括照明资产GIS管理、照明节电设备、无功补偿器、电子镇流器等。但就城市智能照明监控管理系统研究发展水平而言，现在仍然停留在对城市照明低压配电设备的控制管理上，远没有实现对全部设备工作状态的有效智能感知，更谈不上智能控制管理。而对于城市智能照明节电设备的应用也基本都停留在单体设备的使用，没有实现对设备的智能监测和智能管理，既不能确保所有设备都能良好地工作，又不能保证节能工作时满足城市照明的功能标准和照度要求[2]。

放眼国外，目前欧美不少发达国家都已开始在城市照明物联网领域加大了开发和投资力度，特别是在单灯监控领域，比如最近由多个国际产业巨头，包括东莞勤上光电(Kingsun)股份有限公司、Harvard Engineering、飞利浦(Philips)、施耐德(Schreder)、Streetlight vision和奥德堡(Thorn/Zumtobel)发起并参与组建的TALQ联盟，正在着手创建全球公认的户外照明网络管理软件接口。目的是建立一份介于中央管理系统和户外照明网络之间定义清晰的协议规范，并对规范进行推广、符合性认证等方式，从而推动户外照明网络系统的应用发展。这样，客户可以使用单一的用户接口界面管理他们的户外照明设施，并可以与其他厂家的产品进行兼容。这个想法就已经涉及到了云的概念，如果这一规范被认可并推广，将给世界的城市照明管理带来革命性的突破。

再返观国内市场，经过二十年左右的发展，城市照明集中控制技术已经趋于成熟，90%的省会城市、60%以上的地级市已经完成了路灯监控系统的建设。但是由于地域发展的不平衡和系统规模的限制，仍有大量的地方处于城市照明智能化管理的空白。同时即使在已开展相应工作的城市，要进一步提高照明管理水平直至“智慧”还有很漫长的道路，国内城市照明监控基于物联网的应用也才刚刚起步。

3 物联网照明云平台组成

如图1所示,物联网照明云平台设计为三部分：集团云中心侧、现场云控制器构成的终端侧和用户应用侧。

3.1 集团云中心侧

系统架构如图2所示。集团云中心侧包含了大量的软硬件建设，系统整体架构设计分为物理资源层、资源池层、管理中间件层、构建层。

根据“规模大、虚拟化、按需服务、通用性”的建设目标,构建基于云计算的智慧照明管理平台。物理资源层包括计算机、存储器、网络设施、数据库和软件等。资源池层将大量相同类型的资源构成同构的资源池，构建该层更多的是物理资源的集成和管理工作。管理中间件层负责对云计算的资源进行管理，并对众多应用任务进行调度，使资源能够高效、安全地为应用提供服务。构建层将云计算能力封装成标准webservice服务，并纳入到SOA体系进行管理和使用[3]。云中心将提供照明管理服务快速交付、虚拟化通讯网络、关联数据挖掘、独享的GIS资源等服务。

3.1.1 虚拟化通讯

虚拟化通讯是由一个通讯服务器的集群构成，并由云计算控制中心的核心组件“动态负载与调度服务主控系统”通过用户或终端的访问量实时的统一的进行协调与管理。而每个通讯服务器中的通讯子系统可通过该主控系统发送的调度指令进行可控的动态增减，以实现最大幅度的享用单台通讯服务器的有效资源。

3.1.2 数据挖掘技术

随着照明监控系统的大量普及安装，监控系统所获取并存储的视频数据容量正以惊人的速度增长，这些数据包含了现实世界中的大量信息，能够为我们在照明管理上带来巨大的价值。照明云平台使分析数以万计的数据集，并从中获取信息变为可能。我们可以通过云计算强大处理问题，采用蒙特卡罗算法[4]对海量运行数据结果来分析他们的共性，得到贴近真实情况的故障概率模型，来对当前设备未来运行风险进行分析。

图1 物联网照明云平台组成图Fig.1 Lighting cloud platform of IOT

3.1.3 独享的GIS资源

智慧照明云GIS服务基于一个开放的、标准的平台——ArcGIS Online[5]。该平台内含世界地图基础地图及影像集，以及全球GIS用户共享并在目录中登记的近100000个数据集及地图服务。通过融入我们的照明设施地理信息服务技术，结合覆盖全国的路网数据库和照明设施数据库，能够为使用者提供一个独享的GIS服务。服务内容不仅包括设施位置、拓扑关系等基础地理数据，还包括设施运行状态检测报告、照明设施管理决策参考等知识服务。用户可以通过灵活的部署来扩展系统，能够轻松的访问、查询和使用这些地理空间资源来创建和共享资产信息资源和执行地理空间分析，实现以较低的成本来获取GIS产生的价值。

3.2 现场云控制器构成的终端侧

现场云控制器构成的终端侧涉及的内容也相当多，目前可实施的主要可分为：物联网通信网络建设、现场云控制器建设以及照明设施电子标签化。

3.2.1 物联网通信网络建设

构建大区域跨介质的物联网通信网络，实现全国范围内照明设备与集团云中心的互通、互联。具体而言：就是依托现代通信技术，包括：GPRS、CDMA、3G、光纤、WiFi、Zigbee、电力载波等等。将集团云中心与所有监管城市照明设施的云控制器实现数据交互，在此过程中可能要根据各种通信方式的特点进行多级通讯。比如：集团云中心到低压配电柜(变压器、节电器)控制终端设备采用GPRS/3G 公网通讯网络，从低压配电柜控制终端设备到单灯控制器可采用Zigbee或电力载波构成二级通讯网络，而此时低压配电柜控制终端设备可作为通信网关实现了集团云中心与单灯控制器的数据交互。

3.2.2 现场云控制器

云控制器主要功能是实现监控和智能感知城市照明现场所有设备(包括：供电变压器、照明配电箱、供电电缆、单灯照明电器设备、照明节电器设备等)的工作参数、工作状态，并能对其实现智能控制，从而实现城市照明设备数字化、精细化管理，并实现城市照明能源的能效管理，避免照明能源浪费，最大程度节约照明能源。对于云控制器，目前在城市照明领域可以推广的有很多，先介绍几种：

(1)低压配电柜(变压器)处安装照明终端监控设备。可实现对低压配电柜现场工况参数检测、监视、控制。根据需要，还可在相关照明配电箱(变压器)处可安装智能照明节电器设备。

(2)每盏路灯光源设备处安装路灯单灯云控制器设备，可实现路灯工作参数检测工作状态及控制。同时加装单灯节能设备并与单灯控制器联通，可实现单点光源的节能控制。

(3)路灯照明配电电缆末端安装路灯电缆参数检测及防盗报警设备。通过安装上述设备，全面检测、感知、控制城市路灯照明设备工作参数、工作状态。

3.2.3 照明设施电子标签化

为解决照明维护管理工作中巡检工作内容复杂、管理难度大的特点，通过引入RFID[6]电子标签来实现对实物资产的电子化管理，并建立智能巡检系统。该巡检系统有以下特点：

(1)RFID具有不怕污染、安全可靠、不易复制的特点，能在恶劣环境下长期使用，有效提高信息录入的准确性，杜绝巡检工作不到位的情况。

(2)RFID手持智能终端的数据采集模式能有效降低工作繁复性，提高资产管理和人员巡检的效率和舒适性。

(3)通过对在册资产的全生命周期信息的连续记录(包括人、地、物、时等信息)，为决策者提供有效的资讯。

城市照明设施种类非常繁多：各种类型的灯杆、灯具、光源、地下与架空线缆、接线井、配电柜、箱变、油开关、智能控制箱、监控网络通信设备、巡灯车辆、高空作业车等数十种设施设备。所以，首先应建立统一的电子标签的编码标准，并将其在城市的照明甚至是市政领域推广，最终将系统应用于生产、流通、出入库、现场安装和维护更换的整个管理过程。

3.3 用户应用侧

智慧照明云平台是一个面向多用户的架构，依托于标准化的终端，为用户提供一种构建快速、配置方便、交付敏捷的增值型服务。云平台能根据使用者要求提供相应搭建照明管理所需要的硬件运作平台、软件功能模块、网络基础设施、个性化门户界面等，用户可以通过互联网访问该应用服务来获取现场终端的实时运行情况，照明管理部门无需再购买软硬件、建设机房即可通过互联网使用监控系统，节省了大量用于购买IT产品、技术和维护运行的资金，满足了“投资少、见效快”的要求，同时提高了系统的可扩展性与易维护性，让用户真正享受到“云”服务。

4 城市物联网照明云平台应用案例

图3为建设在公司内的一个超大型集团云中心平台，在这个集团云中心平台可以看到全国各地的城市照明运行情况。图4为GIS地图上显示的现场云控制器，点击最新数据即可查看图5所示的现场信息。

图3 集团云中心平台Fig.3 Group clouds platform

图4 现场云控制器Fig.4 Cloud controller

图5 数据显示Fig.5 Data display

通过这个云平台的实施，可以实时查看全国各地照明运行情况。当地的管理者只需简单的一台计算机上网就可以查看当地的运行情况。集团云中心的值班人员通过查看主动上报的故障信息以及运行数据，来了解现场云控制器的运行状态，发现异常情况可以及时处理。该平台建立了照明管理的实时、长效机制，通过调整管理流程，克服了突击式、运动式、被动、滞后、多头管理等弊端，真正实现了市政管理的制度化、规范化，大大提升城市的照明管理水平。

5 项目实施的意义

基于云计算的应用被视为信息技术第三次浪潮，是引领未来信息产业创新的关键战略性技术和手段。智慧照明云平台的建设，实现城市照明管理的数字化和智能化，实现对城市照明能源的科学有效管理，可提高行业整体管理水平，降低管理成本，提高城市照明管理单位对城市照明故障问题的响应处理能力，对整体改善城市形象，提高市民满意度有着十分重要的意义。同时该平台还可以实现城市照明能源的有效控制管理，节约照明能源，实现城市整体节能减排，从而达到节能、减排、环保的目的。

[1] 李农.城市照明总体规划与实例详解[M].北京：人民邮电出版社，2012.

[2] 中国建筑工业出版社.城市道路照明设计标准[M].北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3] 全国信息技术标准化技术委员会SOA标准工作组，中国电子技术标准化研究院.中国SOA最佳应用及云计算融合实践[M].北京：电子工业出版社，2012.

[4] 李强.线性模型下的蒙特卡罗算法和数据挖掘[D].重庆：重庆大学，2005.

[5] (美)Maribeth Price.李玉龙，张怀东等译.ArcGIS地理信息系统教程[M].北京：电子工业出版社，2012.

[6] 刘岩.RFID通信测试技术及应用[M].北京：人民邮电出版社,2010.