智慧路灯标准体系框架研究

庄晓波，李文鹏，杨 樾

(1.上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201114；2.上海罗曼照明科技股份有限公司，上海 200082)



智慧路灯标准体系框架研究

庄晓波1，李文鹏2，杨 樾1

(1.上海时代之光照明电器检测有限公司，上海 201114；2.上海罗曼照明科技股份有限公司，上海 200082)

本文介绍了智慧路灯的应用和国内外标准现状，并对智慧路灯照明子系统、显示屏子系统、光伏子系统、充电桩子系统、传感器子系统、音视频子系统、通信子系统、软件子系统、电磁兼容和现场验收等进行标准梳理，最后探讨了智慧路灯标准体系框架。

智慧照明；智慧路灯；标准体系框架

引言

作为智慧城市的重要组成部分，智慧照明是智慧城市的公共服务应用项目之一，将其更好地融合到智慧城市建设的大潮中，具有重要意义。智慧照明是综合计算、网络、物理环境的多维复杂系统，具备全新城市照明系统CityPad的功能，并融合微基站、视频探头、多媒体屏、信息交互屏、太阳能光伏、传感器以及LED照明于一体。

而照明与通信的结合，甚至与传感器、物联网等的结合，都是崭新的课题。多领域的交叉融合，带来了一系列的问题，如组件间的通信和接口标准以及相应的测试标准等。智慧照明标准体系尚未建立，国内外都没有相应的系列标准，这就需要我们研究构建相应的标准体系，确立标准框架，使各类智慧照明产品的质量能从安全、性能和电磁兼容等方面进行科学合理的评价，为智慧照明行业健康发展建立标准方面的技术基础。

本文将着重探讨智慧照明的室外应用——智慧路灯的标准体系框架。

1 智慧路灯的应用现状

通过路灯改造，将大功率的高压钠灯路灯改造成节能的LED路灯，并在LED路灯上增加一个单灯控制器，通过PLC(电力线载波)或ZigBee协议，可以将所有的路灯进行信息化管理，实现巡检和防盗功能，如图1所示。用户使用电脑、iPad或手机终端通过因特网来控制路灯中央控制管理系统(简称中央控台)，中央控台再通过因特网和GPRS网络把指令发给集中控制器(简称集中控台)，集中控台再通过ZigBee无线协议或PLC有线协议控制旗下的每盏LED路灯(如图1(b)所示，三层架构)。中央控台也可以直接通过3G或4G网络将指令发送到每盏路灯(如图1(a)所示，两层架构)。从而后台可以对LED智能路灯实现开关控制、调光控制(PWM或0～10V调光)、巡检、自由编组、地图指引、按天文时钟自动运行、故障报警、偷盗报警和远程抄表等功能[1]。这是智慧路灯的初级阶段，也是如今应用最多的工程案例。

图1 智慧路灯系统示意图(初级阶段)Fig.1 Schematic diagram of smart pole (primary stage)

路灯作为规则分布的城市基础设施，是分布在城市中最广泛、最均匀的物联网，有望成为智慧城市最重要的载体。如图2所示，在智慧主灯上搭载充电桩、微基站、信息屏、摄像头、RFID电子标签和光伏电池板等，在智慧辅灯上加载通信子系统和多种传感器，通过PLC/Zigbee/6Lowpan等协议连接成网，再通过4G或光纤把数据传输到后台，可以实现小到对窨井盖监测，大到整个城市景观效果、园林绿化灌溉控制；上到道路交通状况，下到地下管网安全、城市排涝的全方位检测与控制；真正把智慧城市建设落到实处。这是智慧路灯的高级阶段，目前处于快速发展期。

需要说明的是，随着人们健康意识和对无线上网速度要求的提高，“邻避效应”扩展，部分宏基站将被微基站取代，带有微基站的智慧路灯本身就是4G/5G网络的载体。

2 国内外智慧路灯标准现状

2.1 国际智慧路灯标准现状

1)IEC。国际上，2014年11月IEC/TC34/AG2在东京向TC34提交了改组组织架构的建议；TC34技术委员会采纳了如下的建议，即在原有的SC 34A(灯)、SC 34B(灯头&灯座)、SC 34C(附件)、SC 34D(灯具)的4个分委会的基础上，新增第5个分委会SC 34E(智慧照明系统)，如图3所示。

由于SC 34E分委会需要IEC各成员国投票表决，行政审批时间长；IEC TC34又成立了AG4工作组开展智慧照明标准化相关工作，AG4关于智能灯具和智能照明系统的定义(征求意见稿)如下：①intelligent luminaire(智慧灯具)：luminaire equipped with components that have sensing, communication, and processing capability(智慧灯具是配备了具有传感、通信和处理能力的组件的灯具)；②intelligent lighting system(智慧照明系统)：collection of one or more intelligent luminaires together with one or more controlling devices(智慧照明系统是一个或多个智慧灯具与一个或多个控制装置的组合)。

图2 智慧路灯系统示意图(高级阶段)Fig.2 Schematic diagram of smart pole (advanced stage)

图3 IEC TC34新架构Fig.3 The new structure of IEC TC34

2016年5月，IEC T34 AG4在华盛顿召开了第二次工作组会议。会议最终确定《照明系统 术语和定义》、《自适应照明系统光源待机功率的测试》、《照明系统 一般要求》和《用于具体应用领域的照明系统标准开发指南》4项标准提案作为优先启动项目开展预研筹备工作，其中3项提案来自中国。

2)ISO。2016年4月，国际标准化组织ISO/TC 274光与照明技术委员会通过投票正式同意建立ISO/TC 274/WG2(第二工作组)，该工作组秘书处设在中国建筑科学研究院，由中国管理。ISO/TC 274/WG2工作组将重点开展ISO 21274 《Light and Lighting —Commissioning Process of Adaptive Lighting Systems》(光与照明——智能照明系统调试方法)的编制工作，并将与来自奥地利、加拿大、荷兰、德国等11个国家共同研究探讨未来国际智能照明领域相关标准化工作。2016年6月，ISO/TC274/WG 2第一次全体会议在意大利都灵召开。会上各国专家重点讨论了ISO/PWI 21274名称、范围，以及智能照明术语、定义以及标准化工作路线等问题。

3)国际其他组织。国际上还有一些组织在积极推动智慧照明的发展，如互联照明联盟TCLA(The Connected Lighting Alliance)，该组织并不参与制定标准，而是采纳已有的开放标准来支持无线照明解决方案的全球普及和发展，推荐ZLL(ZigBee Light Link)协议用于路灯，推荐Thread协议用于楼宇照明。如成立于2012年的TALQ联盟，其旨在建立一个可在全球范围内接受的用于室外照明的中央控制管理系统软件接口协议，目前已发布TALQ技术规范1.0.2版本。再如Fairhair联盟，其旨在指导和简化楼宇中照明和楼宇自控生态系统向物联网技术的转化，并消除关于IT基础设施、安全性和兼容性方面的担忧。Fairhair联盟的六家发起成员——飞利浦照明、路创、西门子、欧司朗、思科和芯科科技意识到单个的楼宇系统服务公司很难打破当前存在的不同的楼宇服务通信标准之间的藩篱，行业更加需要跨领域的通力合作来打造通用的IT和IoT技术，以适合当今楼宇服务中的主流通信标准。Fairhair联盟并不创建新的或附加的应用层协议，相反，Fairhair联盟与主流的生态系统如BACnet、KNX和ZigBee紧密合作，以使这些技术转化为IoT技术。Fairhair的解决方案将使用支持IPv6的网络技术，如802.15.4网状网络(mesh network)，Wi-Fi和以太网。Fairhair联盟的长期愿景是实现一种低成本、高安全性的基于IP的统一网络基础架构，并将其作为可互操作的照明和楼宇自动化系统的基础。

2.2 国内智慧路灯标准现状

国内也有相关标准发布，如中国电力企业联合会(CEC)发布了6项国家标准：《路灯控制管理系统 总则》(征求意见稿)；《路灯控制管理系统 主站技术规范》(征求意见稿)；《路灯控制管理系统 通信协议》(征求意见稿)；《路灯控制管理系统 路灯控制器技术规范》(征求意见稿)；《路灯控制管理系统 路灯控制管理终端技术规范》(征求意见稿)；《路灯控制管理系统 安全防护技术规范》(征求意见稿)。住房和城乡建设部发布了CJJ/T 227—2014 《城市照明自动控制系统技术规范》；国家半导体照明工程研发及产业联盟(CSA)发布了：CSA 018—2013《LED公共照明智能系统接口应用层通信协议》；CSA/TR 001—2014《LED照明控制系统标准化综述》；CSA 040—201X《家居智能照明设备无线通信模块接口规范》(征求意见稿)；CSA 041—201X 《家居智能照明设备功能属性规范》(征求意见稿)；CSA/TR 003—201X《家居智能照明系统架构及互联互通技术》(征求意见稿)；CSA/TR 004—201X《LED智能家居互联照明控制协议技术报告》(征求意见稿)；CSA 045—201X《智能照明体系构架与技术参考模型》(提案)。上海市城乡建设和交通委员会发布了DG/TJ 08-2182—2015 《道路LED照明应用技术规范》。深圳市LED产业标准联盟发布了：SQL/LSA 004.1—2011 《LED路灯智能照明技术规范 第1部分：控制系统》；SQL/LSA 004.2—2012 《LED路灯智能照明技术规范 第2部分：电力线载波控制子系统》；SQL/LSA 004.3—2011 《LED路灯智能照明技术规范 第3部分：应用层通信协议》；SQL/LSA 004.4—2011《LED路灯智能照明技术规范 第4部分：信息安全》。国家照明电器质检中心技术联盟(CALT)发布了CALT 004—2016《道路LED照明智能控制系统技术规范》(报批稿)。

3 智慧路灯各子系统标准现状研究

目前，智慧路灯处于快速发展期，现阶段示范的产品已是照明、显示屏、光伏、充电桩、传感器、通信和软件等产业的跨界合成。未来还将实现硬件可植入、软件可叠加、应用可拓展等，并可能向更大的领域延伸，如智慧医疗、智慧金融、智慧体育等。由于智慧路灯相关技术和市场尚处在不断地发展变化中，加上跨越多个领域和需要有关管理部门的制度支撑等问题，标准化工作难度很大。上述的多个组织制定的有关智慧照明的标准都各有侧重点，智慧照明标准是碎片化的。本节将对智慧路灯主要的几个子系统进行标准梳理。

3.1 照明子系统

照明子系统的相关标准见表1，可以分为安全标准、电磁兼容标准、性能标准(主要考核LED路灯的光学性能和灯具效能等)、环境标准、现场检测(对道路的平均亮度、亮度总均匀度、亮度纵向均匀度、平均照度、照度均匀度、眩光、环境比以及功率密度等提出要求)和综合标准。

3.2 显示屏子系统

显示屏子系统的相关标准见表2，可以分为安全标准、电磁兼容标准、性能标准(主要针对颜色)、环境标准(包括防水、防尘，高低温，振动，跌落和盐雾等)和综合标准。目前，缺乏标准对智慧路灯用显示屏的尺寸和最大亮度等进行限定。

表1 照明子系统相关标准Table 1 The related standards of lighting subsystem

表2 显示屏子系统相关标准Table 2 The related standards of display subsystem

3.3 光伏子系统

光伏子系统的相关标准有以下6个：CQC 1602—2013《光伏电源供电的LED道路和街路照明系统认证技术规范》；GB/T 9535—1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》；GB 24460—2009《太阳能光伏照明装置总技术规范》；GB/T 26849—2011《太阳能光伏照明用电子控制装置性能要求》；IEC 61730—2:2004《光伏(PV)组件安全鉴定第2部分：技术要求》；IEC 62124:2004《独立光伏系统——设计验证》。

其中，GB 24460—2009标准要求，整体结构具有足够的强度承受10级风荷载试验，装置防护等级应大于IP54，4 m以上高度的灯杆应具有良好的防雷和接地保护措施，接地电阻应小于30 Ω，带电体与金属部件之间绝缘电阻应大于2 MΩ, 箱体需设计成使用专用工具才能打开的结构[2]。

3.4 充电桩子系统

充电桩子系统的相关标准有以下5个：GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》；GB/T 20234.1—2015《电动汽车传导充电用连接装置 第1部分：通用要求》；GB/T 20234.2—2015《电动汽车传导充电用连接装置 第2部分：交流充电接口》；GB/T 20234.3—2015《电动汽车传导充电用连接装置 第3部分：直流充电接口》；GB/T 27930—2015《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》。

3.5 传感器子系统

目前，用于智慧路灯的传感器主要有MEMS(微机电系统)传感器、光敏传感器、红外传感器、超声波传感器和温湿度传感器等，相关的标准并不齐全，主要有以下7个标准：

GB/T 7665—2005《传感器通用术语》；GB/T 30269.2—2013《信息技术 传感器网络 第2部分术语》；GB 10408.5—2000《入侵探测器 第五部分-室内用被动红外线探测器》；GB 10408.6—2009《微波和被动红外复合入侵探测器》；GB/T 30269.701—2014《信息技术 传感器网络第701部分：传感器接口：信号接口》；GB/T 15478—2015《压力传感器性能试验方法》；GB/T 15768—1995《电容式湿敏元件与湿度传感器总规范》。

3.6 音视频子系统

音视频子系统的相关标准有以下4个：GB 8898—2011 《音频、视频及类似电子设备 安全要求》；GB 20815—2006 《视频安防监控数字录像设备》；YD/T 1666—2007《远程视频监控系统的安全技术要求》；YD/T 1806—2008 《基于IP的远程视频监控设备技术要求》。

3.7 通信子系统

智慧路灯通信，从通信接入方式上，可以分为有线通信方式和无线通信方式。有线通信主要方式为：PLC，DALI，DMX512，KNX/EIB，BACNet，RS-485和Ethernet。无线通信主要方式为：ZigBee，WiFi，Buletooth，EnOcean，UWB，NFC和IrDA[3-4]。本节主要对以下常用的10个通信协议的标准(或者称之为通信规范)和5个自定义的通信协议进行梳理：

1)PLC(电力线载波):GB/Z 20177.1—2006《控制网络LONWORKS技术规范 第1部分：协议规范》；GB/Z 20177.2—2006 《控制网络LONWORKS技术规范 第2部分：电力线信道规范》；GB/Z 20177.3—2006 《控制网络LONWORKS技术规范 第3部分：自由拓扑双绞线信道规范》；GB/Z 20177.4—2006 《控制网络LONWORKS技术规范 第4部分：基于隧道技术在IP信道上传输控制网络协议的规范》；

2)DALI(数字可寻址照明接口)：DALI 1：GB/T 30104系列(共12个)，等同采用IEC 62386 1.0版本；DALI 2：IEC 62386 2.0版本，目前已发布4个标准(相应的国标正在修订中)，分别是：IEC 62386—101:2014 《数字可寻址照明接口 第101部分：一般要求 系统组件》；IEC 62386—102:2014 《数字可寻址照明接口 第102部分：一般要求 控制装置》；IEC 62386—103:2014 《数字可寻址照明接口 第103部分：一般要求 控制设备》；IEC 62386—201:2015 RLV 《数字可寻址照明接口 第201部分：控制装置的特殊要求 荧光灯(设备类型0)》；其他标准如209 颜色控制和303 感应传感器等还在报批中；

3)DMX512(美国舞台灯光协会发布的一种灯光控制器与灯具设备进行数据传输的标准)：WH/T 32—2008《DMX 512-A灯光控制数据传输协议》；

4)KNX: GB/T 20965—2013《控制网络HBES技术规范 住宅和楼宇控制系统》；

5)BACNet(楼宇自动控制网络数据通信协议): GB/T 28847.1—2012《建筑自动化和控制系统 第1部分：概述》；GB/T 28847.2—2012 《建筑自动化和控制系统 第2部分：硬件》；GB/T 28847.3—2012 《建筑自动化和控制系统 第3部分：功能》；

6)RS-485: TIA/EIA-485-A《485总线标准》；

7)Ethernet: IEEE 802.3, IEEE 802.11以太网系列标准，无线局域网系列标准；

8)ZigBee：IEEE 802.15.4通信协议，GB/T 15629.15—2010 《信息技术 系统间远程通信和信息交换局域网和城域网 特定要求 第15部分：低速无线个域网(WPAN)媒体访问控制和物理层规范》(修改采用IEEE 802.15.4：2006)；

9)WiFi：IEEE 802.11a/b/g/n通信协议；无应用层协议；Allseen联盟成立智能照明工作组，正在定义应用层协议；

10)Bluetooth: IEEE 802.15.1：物理层和MAC层规范；无应用层协议。

5个自定义通信协议：TALQ技术规范1.0.2版《中央控制管理系统软件接口协议》；中国电力企业联合会(CEC)发布的国家标准 《路灯控制管理系统 通信协议》(征求意见稿)；CJJ/T 227—2014《城市照明自动控制系统技术规范 附录A城市照明自动控制系统通信协议要求》；CSA 018—2013《LED公共照明智能系统接口应用层通信协议》；深圳市LED产业标准联盟发布的SQL/LSA 004.3—2011《LED路灯智能照明技术规范 第3部分：应用层通信协议》。

3.8 软件子系统

软件子系统大体可分为嵌入式软件和管理服务平台。关于嵌入式软件，相关标准主要有如下4个：GB/T 28169—2011《嵌入式软件 C语言编码规范》；GB/T 28171—2011《嵌入式软件可靠性测试方法》；GB/T 28172—2011《嵌入式软件质量保证要求》；GB/T 30961—2014《嵌入式软件质量度量》。位于后台的管理服务平台是整个智慧路灯系统的大脑，它通过对智慧路灯采集而来的大数据进行分析处理，可以有效地应对城市管理中节能环保、道路交通、市民服务等诸多公共问题，甚至协助打击犯罪。智慧更多地体现在软件上。

国际上，大公司不但重视智慧路灯的硬件投入，更加重视软件的开发，如Philips建立了CityTouch云平台，GE建立了Predix云平台，并在网络安全方面投入大量的人力和物力，寄希望于基于云平台的大数据挖掘来提供服务，如GE在圣地亚哥的智慧路灯项目已提供实时交通信息、停车引导和枪声检测等服务。与国际大公司相比，国内的智慧照明公司重视硬件的投入，不太重视后台的软件，尤其是安全考量和研发投入较少。这些智慧路灯产品在大范围投入市场后，可能会被安全漏洞摧毁，且漏洞一旦暴露，后期的修复升级成本极高。

2016年央视3·15晚会上揭露大批智能硬件安全漏洞，如大疆无人机被劫持、智能楼宇系统被恶搞、智能家居被随意控制、智能摄像头使用户隐私全无和智能POS机盗刷银行卡等。这部分曝光非常有前瞻性，把智能设备的安全隐患摆到消费者面前，不仅是给这个领域的公司、创业者以及尝鲜的用户提了个醒，也给这个飞速发展智能硬件行业扎了一针预防针。

关于网络安全，相关标准主要有如下10个：GB/T 25068.1—2012 《信息技术 安全技术 IT网络安全 第1部分：网络安全管理》；GB/T 25068.2—2012《信息技术 安全技术 IT网络安全 第2部分：网络安全体系结构》；GB/T 25068.3—2010《信息技术 安全技术 IT网络安全 第3部分：使用安全网关的网间通信安全保护》；GB/T 25068.4—2010《信息技术 安全技术 IT网络安全 第4部分：远程接入的安全保护》；GB/T 25068.5—2010《信息技术 安全技术 IT网络安全 第5部分：使用虚拟专用网的跨网通信安全保护》；GB/T 20270—2006《信息安全技术网络基础安全技术要求》；GB/T 25069—2010《信息安全技术术语》；GB/T 2887—2000《电子计算机场地通用规范》；GB/T 29234—2012《基于公用电信网的宽带客户网络安全技术要求》；SQL/LSA 004.4—2012《LED路灯智能照明技术规范 第4部分：信息安全》。

3.9 电磁兼容

电磁兼容包括了谐波、电压波动和闪烁、无线电骚扰特性的限值和测量方法、抗扰度、静电放电抗扰度、浪涌抗扰度和射频场感应的传导骚扰抗扰度等项目。目前，智慧路灯的各个硬件子系统都有相应的EMC标准，但缺少整机的EMC标准。

3.10 现场验收

1)灯杆。灯杆相关标准有2个：QB/T XXXXX—201X 《灯杆 第1部分：一般要求》(报批稿)；QB/T XXXXX—201X 《灯杆 第2部分：钢质灯杆》(报批稿)。以上2个灯杆标准主要对灯杆的机械性能进行考核，如尺寸及公差、检修门耐冲击性能、外壳防护等级、抗风和耐腐蚀等。

2)设计。设计相关标准有5个：CJJ 45—2015《城市道路照明设计标准》；CJJ/T 227—2014《城市照明自动控制系统技术规范》；CJJ 89—2012《城市道路照明工程施工及验收规程》；DG/TJ 08-2182—2015《道路LED照明应用技术规范》；DG/TJ 08-2033—2008《道路隧道设计规范》。

4 智慧路灯标准体系框架探讨

智慧路灯是跨界融合的复杂系统，标准体系尚未建立，本节在梳理智慧路灯各子系统标准现状的基础上，参考照明行业[5-11]和其他行业[12-14]的标准体系以及相应的国家标准[15]，提出了智慧路灯系统标准体系框图，如图4所示。

图4 智慧路灯系统标准体系框图Fig.4 The standard system framework of smart pole

由于智慧路灯融合了微基站、视频探头、多媒体屏、信息交互屏、太阳能光伏、传感器以及LED照明于一体，智慧路灯系统是跨领域的多维复杂系统，具备全新城市照明系统CityPad的功能，是智慧城市的重要载体，这就涉及多部门的管理协调，因此智慧路灯系统标准急需强有力的外部支撑。如显示屏是否能放置在主干道的路灯上，屏幕尺寸和最大亮度的要求是什么这都需要管理部门给出明确的规范。如智慧路灯底部箱体安装空间较为局促，需制定相应标准将底部箱体进行分仓设计，高低压设备和线路进行分仓安置，保证设备和检修人员的安全[16]。

对于智慧路灯系统的基本功能，至少应有远程控制、故障报警和巡检功能。对于评价指标，应从节能、健康、安全和舒适等角度来综合考量，如系统效率、中间视觉效应和光生物效应等。对于子系统的内部支撑，应对多功能灯杆的机械强度进行考核，并规范各子系统的电源线(如220V AC和12V/24V DC等)和控制线，以及子系统之间交互的接口协议、接线和测试方法等，再对组件间的电磁兼容进行测试。对于现场验收，应对智慧路灯的基本功能进行测试，并对系统可靠性和网络可靠性进行考核，如通信丢包率、无线同频干扰和中继测试等。对于管理，可以分成设施监控、设施管理、生产管理、亮灯策略管理和监控数据管理等，服务于路灯行业管理部门以及行政管理部门等用户[17]。对于大数据采集、分析、处理，大数据可以包括温度、湿度、光照、电压、电流、PM2.5、噪声、雨量、风速、车流、地震、地下管网、窨井盖等。

5 结束语

智慧路灯已成为智慧城市的重要发展趋势，而智慧路灯的建设是一项长期的、复杂的系统工程，从技术上来看，智慧路灯是多学科多领域交叉融合的产品；从管理上来看，它涵盖市政、交通、公共安全、环境和照明等多个方面；从服务上来看，它可以提供大数据采集分析处理、公共信息发布、导航定位和无线上网服务。其中，标准化是支撑智慧路灯建设的重要手段，标准化可以有效规范智慧路灯的规划、设计、建设、运行及设备制造，促进技术的产业化和商业化，避免资源浪费和重复投入。

值得一提的是，标准体系的编制是动态的，虽然目前的标准体系框架考虑了近期和长远的需求，但随着技术的不断发展，也应该实时进行适当的调整，这样才能不断完善。

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Research on the Standard System Framework of Smart Pole

ZHUANG Xiaobo1, LI Wenpeng2, YANG Yue1

(1.ShanghaiAlphaLightingEquipmentTestingLtd.,Shanghai201114,China; 2.ShanghaiLuomanLightingTechnologiesInc.,Shanghai200082,China)

The application of smart pole and international and domestic standards are described in this article. The standards of subsystem of smart pole have been sorted out, such as lighting, display, PV, charging stake, sensor, audio & video, communication, software, EMC and field inspection. And then, the standard system framework of smart pole has been inquired.

intelligent lighting; smart pole; standard system framework

TM923

A

10.3969j.issn.1004-440X.2016.04.003