分布式照明系统在智慧城市中的应用*

李晓跃，郭丽萍，胡伟良，汤锦兰

吉安职业技术学院，江西 吉安 343000

0 引言

据华经情报网数据显示，全球智能照明市场进入高速发展阶段。2020年，全球智能照明市场规模突破130亿元。工业照明在全球智能照明领域中应用最广泛，2020年市场占比达51%。随着我国从“移动互联”向“万物互联”新时代的转型，物联网、车联网、人工智能、大数据等新兴产业崛起，城市景观照明系统也在不断发展更新，从单纯的提供照明到拥有艺术功能，再到现在正在大力发展的智慧照明控制系统，从仅具备照明功能的系统到如今的功能多样、照明一体化的高科技产物，已经具备构成智慧城市的基础设施的软硬件条件。城市照明系统呈现跨片区、跨街道、跨建筑、跨楼道分布，基础设施数量庞大、覆盖范围广，是智慧城市的最佳感知终端载体。将分布式照明系统与物联网结合是推进智慧城市基础设施建设的最佳突破口。

1 物联网技术

物联网是指各类传感器和现有互联网相互衔接的新技术，具有普通设备对象化、自制终端互联化和普通服务智能化的特征“万物互联”就是把网络技术运用于万物组成“物联网”，如把感应器装备嵌入交通、水利、医疗、农业、安防、政务等行业使用的设备中，然后将“物联网”与“互联网”整合互通，实现人类社会与物理系统的信息融通。利用内网、互联网、专网环境，采用适当的信息安全保障机制，可为用户提供安全可靠乃至个性化的实时在线检测、定位、追溯、报警、联动等精准化、智能化的管理服务功能。

物联网技术在智慧城市中应用广泛。智慧城市的连接通常基于不断提供丰富信息数据的物联网网络。为了获取这些数据，智慧城市必须依赖大量的智能设备，物联网网络可以完成城市信息收集共享的任务，进而解决城市监管治理难题。

2 分布式照明系统的特点和组成

分布式照明系统是针对网络化的景观照明设备，通过照明软件进行统一管理的系统。分布式照明系统具有开关调节、智能调光、定时任务、照明情景模式、音乐模式、GIS地理信息、监控报警、能耗统计、环境监测等功能；从模块上可分为基础照明、灯光秀、环境监测、智能安防、预警信息模块。管理者可根据当地需求切换多种照明场景效果，如在特殊节假日可采用整体联动、分组联动或单体照明等工作模式。

分布式照明系统除具备智慧照明基本功能外，现已逐渐向环境信息采集、安防监控、预警信息发布、车流量监测、应急可视广播等功能方向发展。其中，环境采集设备包含光照传感器、烟雾传感器、微波传感器、PM检测仪；预警信息发布设备包括LED显示屏、广播；安防监控设备包含各类型的高清摄像机、遥控器，在广播系统的协助下，可以实现可视聚焦，分布在道路两侧的摄像机还可以进行道路的定点车流量监控。分布式照明系统感知设备体系如图1所示。

图1 照明系统感知设备体系

2.1 分布式照明系统的特点

（1）高度模块化。分布式照明系统的硬件网络部署采用先进的分布式拓扑结构，将照明网络布局高度分散，并将视频监控、信息预警、广播等子系统的音视频信号进行功能分块、网络分区，实现高度自治化、智能化，具有自我诊断和容错功能。模块化设计能够解决信号噪声干扰、远距离传输衰减、信号质量下降等技术难点。因此，分布式系统结构十分可靠简单，设计、安装、运行、维护、检修也十分方便。

（2）强大的并发能力。分布式照明系统在处理数据的并发能力上采用自上而下的水平扩展方法，该方法的优点在于可线性扩充系统性能。因此，分布式视频监控子系统可以完全颠覆传统的“中控+矩阵+传输+拼接+融合”的多级配置方法，让音频、视频、控制单元完全网络化[1]，实现点对点的音视频对话，非常适用于城市指挥调度中心。

（3）高可靠性。基于物联网的分布式照明系统可建立无中心化的自组织网络，网络去除了中心路由器，依靠先进的分布式算法寻找合适的路径传输数据，即网络中每个节点均具备通信能力。当网络中任意路由节点出现故障，其他临近节点可以充当“临时”路由器，最大限度地保障分布式照明系统正常工作。一般来说，分布式照明系统可支持双向通信，即每一个网络节点同时支持数据的接收和转发，因此单个节点故障对于系统无影响，无须排查整个照明网络系统，为运营维护提供便捷，具有真正意义上的网络自适应、低功耗、安全可靠的特征。

2.2 基于物联网的分布式照明系统的组成

基于物联网的分布式照明系统一般分为物联网感知端、传输端、数据端、智慧城市照明平台，如图2所示。一般来说，照明系统可以双向通信，感知端可以将信息数据通过有线、无线网络等实时传递给智慧城市照明平台；智慧城市照明平台会根据数据端的分析结果，向感知端发出执行命令，并告知运维部门及时开展相关活动。例如，当物联网感知端的温感、烟感、摄像机三者均捕捉到火情，数据端会自主分析火险情况，若情况不好，会通知火警并通过广播、短信等通知附近居民做好防范。

图2 分布式照明系统的组成

2.2.1 感知端

主要分布在城市商业、街道、楼宇、公园、山体、水体等公共场所，形成了离散化、分布式子网络，借助物联网融合不同网络，打造更大的区域分布式网络。在分布式照明系统感知层，以分布式节点为单位，每个节点由路由设备、控制单元、终端设备组成。节点以4G路由器为数据传输核心，节点前端集成基础照明设备与城市感知设备。基础照明设备包含单灯控制器、LED路灯、LED显示屏、智慧灯杆；城市感知设备包含高清摄像机、环境检测仪器、电力电表、定位仪、射频识别等设备。

2.2.2 传输端

可以将不同片区、不同领域信号联通并传输至数据平台。照明系统在架设网络时会将不同领域信号分离，如专用控制网络、视频网络、音频网络，以保证减少信号干扰。分布式节点网络传输主要采用电信运营商为解决智能硬件联网和管理推出的4G物联网SIM卡。物理网SIM卡的外观样式和普通SIM卡相同，在照明系统中颇受欢迎。物联网卡采用物联网专用网络号段，能够满足搭建物联网公共服务网络、建设物联网专用单元的需求，可以为分布式照明系统提供可靠、安全且稳定的网络化服务；物联网卡采用无线通信技术，在照明系统网络架设有线光纤时，通常会遇到道路无法破开施工的困扰，此时无线通信技术为首选方案。

2.2.3 数据端

具有分析、研判、处置功能。可以将采集到的多方面运行信息结合用户期望进行深度分析，并将处理策略自动反馈到照明设备，保证照明灯光的亮度、色温处于合理区间。数据分析还能够精准定位设备故障及坐标，并及时发出短信警报信息，提醒管理人员及时到达现场检测与维修。在大数据背景下，智慧城市照明系统的数据处理能力不断提升，电力网络的运行效率越来越高，为保证各项数据得到更加高效的利用，要结合智慧城市路灯的照明情况，做好亮度调节工作，在保证智慧城市照明系统可靠运行的基础上，减少照明系统出现运行故障的次数[2]。

2.2.4 智慧城市照明平台

依靠完善的信息资源和精准的预测模型及应急机制[3]，实现照明场景化、智慧化、可视化、精细化的管理。通过挖掘场景化的数据，将照明服务贯穿于智能照明的所有场景，让城市中的每一个人都能享受到智慧照明建设的红利。在数据治理下，照明系统功能越来越精细化，具备专业、灵活多变的应急模式，可以提供快速应急响应、精准资源调派能力，用于精准提升城市资源利用效能。照明系统的智慧化体现在智慧城市规划、技术架构搭建、设备运营、维护、信息处理、反馈等活动的统一，打破数据孤岛，推进政府高效管理、产业快速发展、民生普遍受惠。

3 基于物联网的分布式照明系统的应用

3.1 网络化智慧照明的应用

智慧照明控制设备以功能性照明为主，照明设备的特点包括统一的负载回路管理能力、单灯设备工作状态的实时监测能力。除了照明设备本身的控制，针对不同应用场景也提出了有较大差异的场景需求，如景观亮化场景需求、室内亮化场景需求和路灯照明场景需求。智慧照明控制系统应用场景多样，在道路照明场景下，可实现无线远程开关灯操作、自动或人工干预远程无极调光节能，并具有场景定制化的联动模式，以及数据采集、故障告警等功能。在城市中心广场的灯光秀中，可实现投光灯、射灯、筒灯联合音乐喷泉的应用，吸引游客参观，提升城市形象；在桥梁环境中，可以通过监控中心远程实时获取照明设备的运行状态，既提高了设备管理效率，又降低了运行和维护的成本；针对物流、港口等使用大功率照明的场，能提供最佳的指向性照明，系统侧重于通过单灯控制与作业区域的联动来保证最佳指向性照明，既保证最佳工作照度，又能可靠、低投入地实现节能；在以城市楼宇、山体为片区的美化场景应用中，智慧照明系统可以根据不同场合、人流量进行时间段、工作模式的细分，关掉不必要的照明。通过调光技术、控制技术的结合应用，不但可以为建筑物创造完美的灯光场景，减少人力成本，提升管理“软实力”，还可以减少人为疏忽造成的电能浪费。

3.2 智慧城市调度指挥中心的应用

运用智慧城市交通调度指挥中心可以提升城市管理水平。基于物联网的分布式照明系统可融合GIS、音频、视频、短信等，并结合周边应急指挥产品联合打造一体化城市调度指挥中心，具备道路环境检测、道路视频监测、道路安全广播、道路事故报警等功能。分布式照明道路检测节点通过交换机连接到中央计算单元，通过总控制终端实现各类信号的控制，为智慧城市的构架起到了一定的积极作用。城市道路运行数据来自以前端照明节点为载体架设的监测仪器，如摄像头、红外感应器、环境PM检测仪，是监测城市运行的重要信息资源。例如，城市交通调度指挥中心以大数据技术为依托，应用数据分析、数据管理、数据处理、数据可视化等关键技术，可以快速分析出事故点，为决策者提供事故解决策略。例如，依托大数据技术、人工智能技术，指挥中心可借助高清摄像机抓拍道路行人照片，得到抓拍地点、抓拍时间，并快速建立人脸信息模型，为智能安防提供重要的数据支撑。

结合智慧城市调度指挥中心大数据与人们生产生活数据、政府企业等多行业数据，将激发更多的价值潜力，提升城市的管理水平。例如，在北京已开展绿色智能城市照明监测指挥中心建设，在相关照明设备的状态监测、紧急抢修、资产管理、客户服务及政治保障等方面发挥了积极作用。

4 总结

综上所述，在当前智慧城市大力推进的背景下，应大力建设城市的基础感知设施。运用基于物联网的分布式照明系统，能够实时感知城市的运行状态，其可充当智慧城市基础感知设施，进一步降低城市管理的难度和成本，对创建新时代智慧城市发挥一定的推动作用。