基于地上地下数据的智慧照明信息系统总体设计

孔繁宇，崔健博，邹同元，褚鹏飞

(1.哈尔滨市信息化建设项目管理中心，黑龙江 哈尔滨 150028；2.哈尔滨航天恒星数据系统科技有限公司，黑龙江 哈尔滨 150028)

引言

随着城市现代化进程日益加快，城市照明发展迅速，对完善城市功能、改善城市环境、提高人民生活水平发挥了重要的作用。但城市照明的过快发展，加大了能源的需求和消耗，同时对城市照明的管理也提出了更高的要求。据有关部门统计，目前城市路灯照明的电能利用率不到65%，粗放式照明、照明电能浪费的情况比较普遍。城市路灯照明节约的电能每提高一个百分点，将节省费用8～9亿元，路灯节能市场前景巨大[1]。

城市路灯照明管理过程中电能利用率过低的原因主要有两个方面：一是路灯管理仍停留在人工管理阶段，没有智能化、信息化的智慧照明信息系统；二是在节电规划过程中，由于数据不够全面、完善，很难制定有效的路灯节电策略[2]。

目前，我国已有一些城市进行了智慧照明信息系统建设的初步尝试，如苏州、杭州、上海、广州等，这些城市所建设的智慧照明信息系统在节约能源和维护成本、提高城市照明信息化管理程度等方面有一定成效。但是由于城市基础信息数据不够完善或利用不够合理充分，导致提升效果并不明显。

针对目前大部分城市路灯照明管理过程中信息化手段匮乏的现状，本文介绍了一种基于地上地下数据的智慧照明信息系统总体设计方案，本方案将地下路灯管线数据、地上城市空间数据、路灯专业数据以及动态监测数据相融合，为城市路灯照明节电规划提供数据基础；同时详细介绍了智慧照明信息系统的系统功能，满足路灯管理过程中的业务需求。

1 智慧照明系统总体设计

本系统是以城市地上地下空间数据为基础，结合城市路灯管理部门现有信息化成果和路灯专业数据，通过应用数据挖掘、物联网、大数据、移动互联网和网络通信等关键性技术手段，打造一套具有路灯设施管理、远程控制、实时监控、故障报警、设施防盗、数据统计分析等功能的城市级“智慧照明”系统，从而提升公共照明管理水平，保障城市道路亮化覆盖率，节约照明设施运维成本，节省电力资源[3]。

“智慧照明”系统的总体架构如图1所示。

图1 总体架构Fig.1 Overall architecture

智慧照明系统涉及的信息主体包括了地上路灯设施数据、地下路灯管线数据和路灯周边环境数据三种，将收集到的灯、线和环境的静态空间信息和动态监测信息汇聚在智慧照明平台通过多维数据融合实现设施监控、设施管理、生产管理、亮灯策略管理、监控数据管理五大系统功能，服务于路灯行业管理部门以及行政管理部门等用户，最终达到照明设施的智能化，照明管理的信息化、规划决策的科学化、照明应急的及时化、照明维护的便捷化。

智慧照明系统由应用层、平台层、传输层和监控层组成。监控层集成空间地理信息，地下路灯管线信息数据和地上路灯设施信息数据等多种路灯相关信息数据，并与照度传感器等各类扩展的传感器设备相融合以进行信息感知和获取，使用集中控制器和单灯控制器对照明设施进行智能调控；传输层利用成熟的GPRS/3G/4G等传输技术实现感知层设备和上层智慧照明信息系统进行通讯并接收来自智慧照明信息系统的调度指令；平台层包括了照明信息服务平台和路灯信息数据库，该层通过收集的各方信息，为应用层的各项应用提供数据与服务支撑；应用层与移动通信网络相连，接收用户的操作指令，可通过PC，移动终端等实施控制，通过监控大厅实施监视，并实现路灯调控，设施管理，状态监控，节约能源，路灯维护，规划设计和故障报警等功能[4]。

通过该套系统，以静态地上地下空间信息数据和感知层获取的动态监测信息数据为基础，实现对城市照明的“点、线、面”实时测控和节能管理，及时掌握城市照明的建设运营情况，统计城市照明设施的基本信息和能耗情况。同时协助路灯管理部门完善照明信息统计制度，建立照明节能评价体系，加强对城市照明指导工作的针对性和科学性。以政策、组织、行业标准等作为保障体系，从而提高路灯管理过程的信息化、智能化程度，以达到科学管理、节约能源的目的。

2 智慧照明系统数据基础

智慧照明系统为了满足路灯管理部门对照明设施建设、管理、维护等过程中的各类业务需求，需要数据全面完整、更新及时准确、智能化程度高的基础地理信息数据、地上城市空间信息数据、地下路灯管线数据、路灯设备专业数据和动态监测数据。

2.1 基础地理信息数据

基础地理信息数据主要包括数字线划图数据(DLG)、数字高程模型数据(DEM)、数字正射影像数据(DOM)、数字栅格图数据(DRG)、城市三维模型数据和其它相关数据等，为路灯管理过程中节电规划等功能提供基础地理信息数据基础。

2.2 地上城市空间信息数据

地上城市空间信息数据包括城市管理过程中所涉及到的公用设施、道路交通、市容环境、园林绿化、房屋土地、其他设施等各类数据，承担城市某种功能的所有城市空间信息的数据，包括位置信息、物理属性和管理属性等全要素信息。

根据照明设施的管理需求，智慧照明系统以从城市空间信息数据中分离出的路灯、电力设施、其他设备和环境信息四大类数据作为数据支撑，同时路灯管理部门还需要路灯控制特有的控制设备的相关数据对城市照明设施进行管理。综上所述，智慧照明系统的对5大类城市空间信息数据有需求，具体分类如表1所示。

表1 地上城市空间信息数据Table 1 Over Ground Urban Space Information Data

2.3 地下路灯管线数据

地下管线信息数据是城市基础设施的重要组成部分，日夜担负着输送物质、能量和传输信息的作用，是城市赖以生存和发展的物质基础之一，被称为城市的“生命线”。城市地下管线信息数据主要包括：给水、排水、燃气、热力、电力、电信、工业、综合管沟八大类管线信息，包含八大类专业管线的地理位置信息、埋深、材质、埋设年限、附属设施、管理属性及其他属性信息等全过程监管信息。

根据智慧照明系统的功能需求，主要需要完整的路灯管线数据，以满足日常的管理和维护；同时需要部分其他管线数据，以满足开挖工程前的规划需求和开挖工程中的安全性要求。

2.4 路灯设备专业数据

路灯专业数据也是路灯管理过程中所需的重要数据。为了便于对城市路灯进行信息化管理，保证路灯维护时人员的分工明确，需要城市路灯维护的工区划分图；为了能够对路灯设施进行精细化管理，并可以利用数据挖掘等技术手段进行辅助决策，则需要路灯设施的采购信息、路灯设施的库存信息、路灯设备台账、路灯维护人员信息等。

2.5 动态监测数据

要完成对城市照明设施的智能化管理，除了基础地理信息数据、地上城市空间信息数据、地下管线数据和路灯专业数据这四类静态信息数据外，还需要提供精细化到单灯的电流、电压等动态信息数据；同时，为了实现路灯照明强度，并能够根据当前照度、天气等环境因素进行智能调节，还需要对照度、温度、湿度等环境信息数据进行采集；另外，为了能够及时对自然灾害或人为因素所导致的设备状态异常或设备损坏进行报警，还需要对路灯供电设备以及链路状态进行监测。智慧照明系统所需的动态信息数据如表2所示。

表2 路灯设施动态数据Table 2 Lights Facilities Dynamic Data

3 智慧照明信息系统设计

以完备的地上地下数据为基础的城市智慧照明信息系统整体上主要由两部分组成。分别是智慧照明信息服务平台和智慧照明应用服务平台。

智慧照明信息服务平台是由基础地理信息数据、地上城市空间信息数据、地下管线信息数据、路灯专业数据和动态监测数据为基础数据，为智慧照明应用服务平台提供数据支撑和基础[5]；

智慧照明应用服务平台是由以物联网技术为核心的设备监控分系统、以路灯专业数据为基础的设施管理分系统、以城市全数据为基础，工作流为引擎的生产管理分系统、以现代地理信息系统(GIS)为载体的城市照明设施可视化亮灯策略管理分系统和以动态监测数据为基础的监控数据管理分系统五部分组成[6]，满足用户在城市照明管理过程中的各类应用业务需求。

3.1 智慧照明信息服务平台

智慧照明信息服务平台是智慧照明信息系统的数据中心，存储中心与支撑中心，负责系统二、三维地图的接入与更新，照明设备数据的存储与显示，数据的编辑与备份，设备指令的收发与解析，数据网络的接入，系统用户的权限管理等功能。智慧照明信息服务平台功能示意图如图2所示。

图2 智慧照明信息服务平台功能示意图Fig.2 Smart Lighting Information Serviece Platform Schematic

信息服务平台通过接入网关，接入底层控制设备与传感器传回的异构数据，并对其进行数据校验与分析，确保数据的安全性。随后进行数据解析，处理成相应的数据流，以接口的形式送给智慧照明应用服务平台的各个应用模块。同时智慧照明应用服务平台的控制数据也通过相反的过程网关传送至底层的控制设备与传感器。

智慧照明信息服务平台包含照明设备信息管理功能，存储各类照明设备的异构信息，可通过数据编辑功能进行编辑。

用户权限管理功能规定了信息系统的浏览者、管理者、应用者的具体权限，可创建新的用户角色，也可对用户权限进行具体设定。统一认证及授权服务功能为智慧照明应用平台提供了统一的用户鉴权和授权服务，当信息系统的使用者通过智慧照明应用服务平台在向平台请求信息时，信息系统会根据预先设定的用户权限，响应或拒绝用户请求。

3.2 智慧照明应用服务平台

智慧照明应用服务平台是基于智慧照明数据服务平台的多维融合数据提供设备监控、生产管理、设施管理、亮灯策略管理和监控数据管理五大应用功能，以满足城市照明日常管理过程中设施监测、设施控制、设施维护、节电规划和运维管理五大方面的应用需求。智慧照明应用服务平台的组成如图3所示。

图3 智慧照明应用服务平台组成Fig.3 Smart Lighting Application Service Platfom Composition

3.2.1 设备监控分系统

设备监控分系统以物联网技术为基础，结合基础地理信息、城市空间信息、地下管线信息以及路灯基础信息，采用各种信息化手段对路灯的电流、电压、照明强度等路灯主要参数进行实时监测，并对地下管线、配电箱等输电设备的输电状态以及完整性进行实时观测；同时将故障点信息与报警信息及时上传。从而保证整个路灯用电线路的安全性。具备根据采集到的环境状态信息对路灯的配照方案进行智能调节的功能。

3.2.2 设施管理分系统

设施管理分系统能够对路灯设施的现有库存、使用状态等信息形成全信息化的管理。该系统可以对路灯设施的安装、维护、管理过程中所涉及到的购买入库、使用出库、设施使用和设施报废等过程形成全信息化的管理；同时为用户提供设施状态查询功能，用户可以通过该功能对路灯设施的工作状态、物理属性和管理属性等信息进行查询，并能够在二、三维地图上对路灯设施信息进行展示。另外，用户还可以按类型、工区等不同的分组方式对路灯设施进行分组查询。

3.2.3 生产管理分系统

生产管理分系统的系统功能是，根据设备监控分系统中获得的故障点精确位置信息在线形成维修工单，并将工单及时派发给维修站，或者通过移动派发将工单直接派发到维修人员手中。另外，生产管理分系统允许市民进行故障报修，从而实现报修管理功能。同时，为路灯维修过程中维修人员的临时通电等请求进行信息化流程审批，并将路灯设施的状态进行更新，上传至照明信息服务平台。另外，该系统能够为日常的亮灯、稽查等流程提供全信息化的流程审批。

3.2.4 亮灯策略管理分系统

亮灯策略管理分系统为超明设施的日常开关灯提供预设策略接口，用户可以通过该接口对路灯日常的开关灯策略和节能策略进行预先设定，并支持优先级设定和策略组设定，并支持快捷配置功能。同时，结合城市空间信息系统的三维数据对节电效果进行可视化的直观展示，用户可以通过该功能对预设的开关灯策略和节电策略的照明效果进行直观评估。

3.2.5 监控数据管理分系统

监控数据管理分系统以设备监控分系统监控得到的监控数据为基础，实现报警数据、设备采集数据、上电时间数据等的管理。具有将系统内的监控数据以统计图表的方式进行展示，支持数据的年表、月表的切换展示。支持对用电量、节能率、亮灯率等数据的统计报表展示。同时，系统具备可扩展模块，具备多种信息采集和展示接口，可扩展进行照度测量、PM2.5测量，空气湿度探测、酸雨监测，温度监测，位置等。

4 结论

智慧照明系统的建设是智慧城市建设的一个重要组成部分，能够满足国家节能减排的发展要求，顺应国家智慧城市建设的政策方针。通过对国内外智慧照明发展现状的详细调研与分析，本文详细介绍了一种基于地上地下数据的智慧照明信息系统建设方案。该系统是以完备的地上地下数据为基础，建设一套具有设备监控、设施管理、生产管理等功能的智慧照明信息系统，满足城市照明管理部门日常管理工作的需要，从而达到提高其管理的智能化、信息化程度的目的，最终达到提高能源利用率，节省用电资源的效果。

[1] 叶峰，张治华.智慧照明及其在苏州市的应用实践[J].照明工程学报，2013，24(4)：44-47.

[2] 王正浩，张晓鹏.基于GIS的路灯资产信息管理系统设计与实现[J].照明工程学报，2011，22(2)：89-93.

[3] 马剑，边宇，王秀锦，等.应用GIS的城市夜景照明规划支持系统研究[J].照明工程学报，2007，18 (1)：13-16.

[4] Tsao J Y. Solid-State Lighting: Lamp Targets and Implications for the Semiconductor Chip [J]. IEEE Circuits and Devicemagazine,2004(4): 28-37.

[5] BBC.iPad-controlled street lights installed in London. [EB/OL].(2012-11-4) [2014-12-25]. http: //www.bbc.com/news/ukengland-london-20197434.

[6] Zigbee Alliance.New ZigBee PRO Feature: Green Power Connecting Battery-Free Devices. [EB/OL]. (2012-12) [2014-12-25].