基于物联网的城市智慧照明研究

解宝新

（中国联合网络通信有限公司黑龙江省分公司数字化研究院）

1 引言

随着经济社会的发展，城镇化水平不断提高，城市公共区域照明设备逐渐增多，电力消耗不断增加，对公共照明管理提出了更高的要求。目前简单、粗放的城市照明管理，服务质量和节能水平无法满足城市照明精细化管理的要求，高效管理与高效节能成为两大难题。同时，由于互联网，物联网，云计算，大数据、地理信息技术兴起，还可以在城市照明远程集中控制基础上，利用照明设施构建WIFI、微基站、视频监控、广告屏播控、城市环境实时监测、紧急呼叫、广播等方面拓展城市照明管理系统的应用开发。

2 城市照明现状

现代城市照明设施数量越来越多，以往的过于粗放、被动、无监督和评价机制的传统管理模式已不能满足现代化城市照明管理的需要，创建一种全新的管理模式来推动城市的照明管理和亮化管理已成为迫在眉睫的首要工作。

目前城市照明管理还是采用比较传统的时钟控制方式，特别是重大节日或阴雨天不能根据需要进行亮灯情况调整，不能对单灯进行控制，无法实现按需照明。另外，缺乏路灯故障处理情况跟踪、分析机制，影响照明生产管理考核，从而影响到领导的管理决策判断。

城市照明管理精细化、节能精准化是智慧照明的发展方向和价值所在。经过长期发展，城市照明从最初的手动开关，演变为分散式时控/光控，再发展到目前主流的集中式智能监控[1]。传统智慧照明多采用电力线载波（部分场景采用ZigBee）结合2G/3G/4G的通信方式，通信效果和单灯控制灵活性受到限制。随着技术的发展，窄带物联网（NB-IoT）、eMTC、LoRa等物联网技术层出不穷，为智慧照明发展提供更大更强的网络支撑。

3 城市智慧照明架构

基于物联网的城市智慧照明，主要由现场监控传感器、信号传输网络和监控中心构成。在监控中心通过运行调度和应急指挥系统对照明设施进行实时监控，在大屏幕上显示照明设备运行状况和能耗情况。根据所采用通信方式的不同，智慧照明整体架构有所不同。基于电力线载波通信（PLC）、LoRa等通信方式，PLC、LoRa通信需要现场网关（集中器）[2]。采用窄带物联网技术，单灯控制不需要集中网关，智慧照明整体架构更为清晰简单（见图1）。

前端感知层为加载在路灯杆上的基础设备，主要包括LED灯、无线AP、视频监控、大屏、应急求助、RFID、物联网传感器等。感知层负责接收前端基础模块的各类信息，包括：状态信息、报警信息、异常信息等，同时感知层可接收后台的指令后可对前端设备进行控制。视频监控等数据后续可接入到市政、环保、公安、交警、公众服务等部门对应的平台当中，使得数据可以在不同部门当中共享，提升办案效率。

传输层为前端感知层与管控平台层之间的纽带，通过传输层，前端感知层所有的管理数据及业务应用数据均是通过传输层发送到平台。同时平台下发的各类指令经传输层给到前端感知层。

图1 基于物联网技术的智慧照明架构

管控平台层负责接收来自应用层的请求，验证请求的数据，调用相应的业务逻辑进行数据处理，并将处理结果返回给应用层，并提供接口平台将其他相关系统接入。应用层主要根据各个不同的应用部门分配不同的权限和账号，目的是各个应用部门通过应用层可以很方便的涉及本部门的业务进行管理，也包含不同应用的实时联动功能。

4 平台安全体系

物联网安全风险有可能扩散到整个网络及核心系统。城市照明作为重要的城市基础设施，安全威胁可能导致运行服务、用电安全、能源浪费等多方面问题。因此需要建立自动探测、超低时延、反应快速的智慧照明安全防御体系，保证整个系统在遭遇攻击时仍能安全可靠运行。

智慧照明平台安全包括物联网平台安全和应用平台安全。为了确保安全性，采用了一系列安全管理措施。系统定义了多种用户角色，每种角色可独立设置操作权限和显示界面，未取得权限无法进行相关操作。同时，用户所有操作都在日志中记录并永久保存。对重要操作设计二次密码，防止误操作。智慧照明系统存储着大量关键敏感数据，一个细小的疏忽、遗漏就可能造成的敏感信息的破坏、泄漏，从而导致严重的后果。智慧照明终端设备需要具备防攻击能力，以防非法接入。PC端（WEB）和移动端（APP）数据存储都采取了有效加密和隔离手段，应用数据传输过程不会因应用平台本身漏洞而被窃取或破坏。

在网络安全方面主要考虑网络架构安全、网络访问控制、边界完整性检查、入侵防御、网络设备防护等，釆取的主要安全措施和技术包括防火墙、IPS、防病毒软件、防病毒网关和强身份认证等。

网络划分为网络边界区、汇聚核心区、智慧路灯接入区和中心管理区四个安全区域。网络边界区利用防火墙系统进行安全防护，通过防火墙的访问控制、攻击防护等安全服务提对外出流量和进入流量进行严格控制。汇聚核心区部署核心交换机、汇聚交换机和安全设备，各智慧路灯通过光纤等传输链路集中汇聚至汇聚设备，再通过核心设备与外部网络和数据库进行交互。智慧路灯接入区实现各智慧照明设施的接入。

5 智慧照明功能

5.1 基于GIS的照明设施资源管理

照明设施资源管理，即通过对灯具、开关、变压器、配电箱、控制回路等照明设施进行定位和按统一规划进行编码，以地理信息为基础进行可视化动态管理，具有数据准确、方便查询、统计和数据实时更新等优点，为照明设施养护和维修提供依据。以照明智能监控和单灯节能管理为基础，利用大数据分析技术还可以进行能耗统计分析、实时供电态势感知。在实际建设中，为达到集约建设、资源共享的目的，灯杆编码数据库和识别标签可以参考公安110和其他城市管理部门已有的定位参照服务。

5.2 智能化集中监控

以“三遥”（遥控、遥测、遥信）为主要手段实现智能化集中监控。照明设施运行控制、状态监测、分析图表在监控中心实时展现。管理人员可以随时对各种照明设施进行查询、统计、状态分析，采用GIS技术，实现基于具体位置的可视化管理与远程操控，最终实现集中化、智能化、自动化监控管理。

5.3 精准化单灯节能管理

在智能监控的基础上，以单灯节能控制为管理目标，可根据时间、人流、车流、天气等条件预设参数设定合理的节能方案，在保证照明质量的基础上进行单灯节能控制，真正实现“按需照明”，从而降低电能消耗、延长灯具寿命。

城市照明管理者通过单灯管理功能在监控中心就可对每一盏灯的工作状态、电流、电压、故障等信息实时“在线巡测”。将“现场人工巡检”改为“远程监控巡检”的维护方式，根据报警信息，实现精准巡视，有效提高维护人员及车辆的使用效率，极大降低了维护成本。

5.4 流程化生产运维管理

对照明设施维护维修中设施巡检、信息收集、案件建立、任务派遣、处理反馈、处理核查、结案等多个环节进行智能化管理，实现维修资源指导分配，能够有效、准确地指导任务及分派人员作业，提高运维效率。

对于外业人员移动化监控和办公的需要，提供智慧照明移动监控APP，实现监控数据实时查看、开关灯操作等功能；支持工单新建、派发、处理全过程流转，方便现场监控维护，提高故障流转与处理效率。

6 路灯杆的信息化扩展应用

利用城市照明所在位置安装路灯充电桩一体化设备，可在不占用额外土地资源的前提下，建设电动汽车充电一体化设备，因而比传统的充电站、充电桩的建设具备显著优势。直流充电桩可以为电动汽车蓄电池直接充电，节省交直流转换环节，提高了效率并实现电能节约。

利用城市照明灯杆建设视频监控系统，对一些治安重点监控区域，如居民小区、城区路面、商业中心、娱乐场所、车站广场、重点单位等场所实施远程实时监控，及时了解现场车流、人流及异常情况，对于公共安全、治安管理、案件取证具有重要意义。城市居民可通过一键呼叫和远端进行语音实时对讲，解决传统报警时候民众对于事件发生位置的描述不清问题，也可以与视频监控联动实现视频通话的功能。

通过每个照明灯杆的广告屏，可以实时发布政府相关信息，时事新闻，提高市民文化水平，同时也为建设智慧城市的便民服务提供更好的条件。

7 社会推广价值

通过城市智慧照明系统，可监控管理粒度细化到每一盏灯，增强应急事件处置能力、分析预测能力，从本质上提升城市公共照明管理能力，切实保障照明系统运行质量和服务水平。通过自动调节照明亮度或采用区域亮灯、单点亮灯等自由组合的路灯控制方式，实现按需照明、节能降耗，推进城市照明的科学管理和绿色节能。

改变传统的人工巡查模式，减少管护人员、车辆外出巡查次数，对照明设施实现智能监控、筛选，定位故障灯具，及时发现路灯故障、老化、短路及短路等问题，大大减轻维护人员的工作强度，并有效降低维护成本。

城市照明是现代城市必备的公共基础设施，通过基于照明灯杆智慧化改造，可实现镇域公共基础设施以及信息化基础设施的集约化建设。

8 结语

利用基于物联网的城市智慧照明，在保障照明质量的前提下，能精准化单灯节能管控方式，为不同的应用场合提供不同的照明水平，真正实现按需照明、低碳照明，为解决环境污染做出贡献。同时，可以提高城市照明基础设施智能化水平，为智慧城市提供信息点接入、城市大数据监测采集等服务，推动城市全面协调可持续发展。