智慧路灯信息化系统构建研究

张 辉，高照阳

（南京工业职业技术大学 机械工程学院，江苏 南京 210023）

0 引 言

交通道路照明是城市公共基础设施的重要组成部分。随着城市化进程加快，交通道路照明灯具数量不断增加，耗能越来越大，电力供应趋于紧张。此外，城市照明的人工控制、路灯巡检等维护成本高昂，给城市管理带来很大困难。管理部门需要更高效的管理和节能方案，以促进城市照明和绿色节能的科学管理。因此，智能化管理路灯改造方案迫在眉睫。

智慧照明是新型智慧城市建设的重要组成部分，它利用传感器技术、地理信息系统（GIS）技术和LoRaWAN通信技术等将城市中的各孤立路灯串联起来形成物联网系统，并将采集到的信息传输到城市运行管控平台，根据交通流量、时间、天气条件等因素自动设置方案，实现亮度自动调节、照明远程控制、故障主动报警、灯线防盗、远程抄表等功能，完成对交通道路路灯的集中远程控制和管理。智能路灯能够有效控制能耗，节约电力资源，提高公共照明管理水平，降低维护管理成本；利用大数据分析等信息处理技术对海量感知信息进行处理，为智能响应和智能决策提供支持，满足民生、环境、公共安全等多方面需求，使交通道路照明达到“智慧”状态。

此外，由于城市拥有数量庞大的路灯设施，是分布最密集的城市基础设施，便于信息的采集和发布，因此，智慧路灯系统可以作为智慧城市建设的最佳切入点和服务端口。智慧路灯系统作为未来城市物联网的重要信息采集源头，可以促进智慧市政在灯光照明业务领域的落地，提升城市和市政服务的能力。

1 城市照明系统建设发展现状

根据《“十三五”城市绿色照明规划纲要》指导要求，本研究通过调查包括直辖市、省会城市和地级市在内的80多个城市的道路照明数据发现，目前大部分城市交通道路照明系统中路灯的开、关控制仍由每台配电箱分散控制，只有北京、上海等重点城市的部分地区采用了网络监控管理，并在极小范围内实现了“三遥控制”（遥测、遥控、遥信）智能控制系统控制照明设备。这种控制方式缺乏灵活性，不能实时获取每个路灯的状态，不能根据实际情况对路灯进行单灯控制和监控，调节路灯的亮度，达不到高效的节能效果。如果能够构建城市照明综合管控平台，通过信息化手段对城市照明资产统计、能耗监测、监督评估进行数据化管理，实现城市照明信息资源的开放共享，将极大地满足现代城市照明的智慧化管控需求。

当前构建智慧城市道路照明系统主要涉及两个方面：（1）节能控制：首先对基础路灯照明和开关控制改造，实现对单灯的节能管理；其次利用物联网、云计算和大数据等新型技术打造智慧路灯综合管控平台，实现对区域路灯的节能优化控制。（2）打造成智慧城市信息采集端口和服务端口。

构建智慧城市道路照明系统的具体实施方案如下：

（1）使智慧路灯系统具备有效的节能减排的能力

首先，对基础路灯进行节能化改造。将传统的金卤灯或高压钠灯类的高耗能光源替换为新型节能LED光源，并安装可以通过0～10 V、PWM等接口实现调光降功率运行的单灯控制器对路灯进行智能控制，提升城市路灯的智慧化控制水平，同时又达到了节能减排的目的。

其次，构建具备数据采集分析能力的智慧路灯综合管控平台。在原有“三遥控制”系统的基础上，以GIS平台为基础，融合物联网、云计算、大数据等技术，实现灯光节能管理、设施安全监控、车流路况分析和生产管理等功能。也就是通过日照情况自动调节照明亮度或根据车流变化、道路行人情况采用间隔亮灯等自由组合的路灯控制方式，实现按需照明、节能降耗。

相比全路段单开关的控制方式，以智慧路灯综合管控平台为核心的智能照明系统，通过网络化、精细化、标准化的远程管理，能够精准定位故障设备、智能监控单灯能耗、分析和调控道路灯光分布，减少了管护人员和车辆外出巡检次数，大大降低了维护人员工作强度和运营成本。目前，国内已有300座以上的城市开启了智能照明管理系统的试点工作，并在街道、广场公园、学校社区等区域的照明节能方面取得了显著成效。

（2）以智慧路灯系统作为智慧城市信息采集和服务端口

城市路灯作为城市分布最密集的基础设施，如果只作为照明工具将是一种巨大的资源浪费。通过信息技术手段，对灯杆进行改造后集成各类型传感器和终端设备作为智慧城市信息采集和服务的端口，将灯杆采集的数据上传到云端分类汇总后并入政府机构中的交通系统、警务系统、财政系统等为智慧城市的大数据应用提供支持。技术升级后，路灯灯杆将集成WiFi基站、摄像头、雷达、显示屏、充电桩等变成一个信息综合载体，具备环境监测、噪声监测、车辆监控、安防监控、地下管网监控、洪涝灾害预警、市民应急报警等功能，如图1所示。这些灯杆组成的路灯系统实际上就变成了一个庞大的城市神经网络，为智慧城市综合管控平台提供了丰富的数据。智慧路灯作为城市物联网重要的信息采集来源，能够在提升节能减排能力的同时，有效促进城市及市政服务能力的提升。

图1 智慧路灯集成功能示意图

随着物联网、云计算、大数据等新兴技术不断融入城市基础设施建设，城市管理与服务也变得越来越智慧化。智慧路灯系统作为智慧城市系统的子模块，凭借其庞大的数量和广泛的分布范围，可以成为城市各类信息采集和服务的重要载体，拓宽城市管理服务的智慧化潜力。

2 智慧路灯系统架构

本研究提出的智慧路灯系统按照信息感知、数据传输、智慧应用的数据流程模式划分为三层：感知层、网络层和应用层，如图2所示。按照“高内聚+低耦合”的构建理念，使各层级模块间既要彼此独立又要具备协作能力。感知前端从道路环境现场采集并从现有信息库中提取目标数据后，依靠各类型信息传输网络将汇总数据供应至大数据处理中心开展数据治理（理、采、存、管、用），然后提出智慧化的决策和解决方案以解决城市交通管制过程中面临的问题，辅助智慧城市建设顺利开展。

图2 智慧路灯系统架构

（1）感知层

感知层是指利用物联网信息感知技术，如RFID、GIS、摄像头、遥感遥测等信息传感设备或技术，针对性地提取城市道路中人、车、环境等综合信息并按照数据中心的处理需求分类整理，为城市交管高效运行提供决策依据。本研究提出的智慧路灯感知层以基础信息的感知和监测为核心，通过集成智能灯杆、温湿度传感器、光敏传感器、分贝仪、摄像头、单灯控制器、显示大屏、外设音响等设备，全面获取声、光、电、热、湿度、噪音、粉尘、人流、车流等各类信息。

（2）网络层

网络层是指利用网络传输技术把感知层采集到的各类数据安全、可靠、无障碍地传送至信息处理中心，它解决的是数据远距离传输的问题。本研究提出的智慧路灯网络层细分为下部物联网层和上部基础网络层。下部物联网层主要利用NB-IoT、ZigBee、LoRaWAN等通信手段，构建数据短距离传输网络；上部基础网络层主要利用互联网、通信网、广电网等覆盖城市的网络，实现底部物联网层将信息安全高效地远传至大数据处理中心。

（3）应用层

应用层是智慧路灯系统的“神经中枢”，通过对网络层上传的数据进行融合处理和智能分析，能够为道路照明、环境监测、视频监控、信息查询、信息发布、用户管理提供智慧化决策依据。例如：在综合管控中心操作界面上能实时查看所有路灯状态并实现单灯控制、灯组控制、广播控制等控制模式，同时提供GIS定位显示每盏路灯的地图定位；利用人流、车流和经纬度日光数据自动调节路灯照明亮度和亮灯模式降低照明能耗；路灯故障或线缆损坏时能自动上报故障数据，并将预警消息通过手机短信、电子邮件等方式提醒道路养护人员；局域路段出现拥堵后，自动上传拥堵路段位置并规划通行方案，通过灯杆广播系统提示通行车辆优化行程；定期自动生成能耗报表和数据变化趋势并提出建议决策等。

3 智慧路灯系统建设方案

本研究提出的智慧路灯系统主要包含七个应用子系统和一个数据分析平台，分别为：路灯管控子系统、视频监控子系统、环境监测子系统、应急充电系统、报警求助子系统、信号传输子系统、信息发布子系统和智控管理云平台。以上应用子系统间可以独立工作，也可以根据实际需求自由联合运作（如图3所示），具备较强的个性化设置能力，共同构成了以数据为基础的“感传智用”综合管控系统。

图3 智慧路灯系统运行示意图

（1）路灯管控子系统

路灯管控子系统以高效能LED作为照明光源并具备照明智能控制功能，可以按照时控光控综合控制、逻辑分组控制、景观照明控制、节能优先控制等模式进行路灯开关智能管理，具备对单个灯具、组灯具、区域灯具的监控能力，能够根据路面状况实时动态调节灯光照度值，有效节约能耗；此外，还具备故障实时报警功能。照明开闭指令下达后，接收路灯没有按照指令要求开或闭，系统就会即刻主动报警，并将可能故障信息、灯具位置等信息以手机消息或APP消息的方式反馈到后台运维人员手中，实现了照明数据的全流程掌控。

（2）视频监控子系统

视频监控子系统通过布置于灯杆上的360°全景高清摄像头直接获取道路现场数据，例如人流、车流、交通事故、道路障碍等；后台管理人员可以全局概览、总体查看交通情况，也可以对局部区域、重点路段详细查看；同时具备调用事发现场周边路段监控的能力，能够为交管人员指挥判断提供及时准确的决策依据，最大程度地减少事故损失和保障人民生命财产安全。此外，全区域路面通勤情况会被实时上传至云端智控管理云平台，针对拥堵路段会主动规划合理通行路线并通过广播或灯杆上的显示大屏反馈给行车司机，减缓交通拥堵，节省司机通勤时间。

（3）环境监测子系统

环境监测子系统通过集成于路灯灯杆上的各类型环境传感器，可实时监测温度、湿度、粉尘、气压、风向、风速、雨量、噪声等路面环境信息，然后将检测信息上报到云端智控管理云平台进行数据综合分析处理，通过城市电视台、广播、灯杆显示屏、导航播报实时发布信息，方便交通出行。此外，这些数据还可以为气象局、环保局等部门提供基础数据，指导政府规划管理。

（4）应急充电系统

应急充电系统包含电动汽车交流电充电桩并按里程间隔设置于路灯灯杆上，同时配备充电停车位，可实现按照时间、度数、金额、运行里程充电，也可作为居民购电终端。该系统内设有电动汽车品牌和型号数据库，可以根据电动汽车的型号自动匹配充电电压等级；对于数据库中没有的车辆型号，用户可根据液晶显示屏指示操作人工选择充电电压和模式，保障了充电安全性的同时，也解决了城市电动车充电难的问题。

（5）报警求助子系统

报警求助子系统对接警务系统市民信息数据库，具备人脸识别、视频对话功能。当市民遇到紧急情况时，只须按下一键求助按钮，户外分机会即刻呼叫监控中心，此时辖区110指挥中心平台上会弹窗显示报警人位置、报警人身份信息、报警人现场视频等，并联动最近的警务中心实现快速响应，就近出警。该系统可以有效地打击犯罪份子，维护城市治安秩序。

（6）信号传输子系统

信号传输子系统集成无线AP作为WLAN网络的接入点，其信号强度大于-65 dBm时覆盖半径大于灯杆间距，实现区域盲点的覆盖。WiFi热点可以采用大功率双频无线接入点覆盖模式，并采用支持新一代802.11ac协议的室外型双频无线AP，支持3×3MIMO、2.4 GHz和5 GHz频率、无线网桥，兼容IEEE 802.11a/b/g/n/ac标准。双频可以同时开展多项业务，提供更高的接入容量，具有完善的业务支持能力和用户接入控制能力、高等级的网络安全性、灵活的组网和环境适应能力、简单的设备管理和维护能力、高可靠性和防护等级等特点，满足交通路面环境网络部署要求。此外，由于城市照明系统中温湿度、粉尘等传感器采集的数据量不大，因此可以灵活采用功耗更低、距离更远、抗干扰能力更强、组网灵活的LoRaWAN传输技术，辅助信息传输网络建设。

（7）信息发布子系统

信息发布子系统包含LED显示和广播发布系统，内嵌LAN、WiFi6、5G智能管理模块，平时可以发布公益广告、道德法制类提升百姓素质的信息；特殊情况下能够承载人流疏散、紧急情况提示、寻人广播、区域地图显示、空气污染状况显示等功能。

（8）智控管理云平台

智控管理云平台是智慧路灯系统数据汇集中心节点，承担着整个系统的数据处理、分析、监管、维护的重任，是实现智慧化管控的核心环节。具有远程控制、地图监控、实时检修、系统报警、能耗分析、绩效分析、系统报警、项目管理、账号管理、资产管理等功能。

远程控制是指具备自动或手动远程开关、快速部署任务的能力，可以根据需要对路灯自由编组和实现分组划区控制，也可按亮灯时间+亮灯模式等自由组合，实现灵活部署。

地图监控可以通过地理信息系统提供图形化的操作界面，直观地显示路灯分布情况，并且具备批量部署和统一操作的功能，可以实现统一管理和集中维护；此外，还能实时监测线路、电压、电流、功率及各开关量状态，显示设备工作状态等。

能耗分析是指将采集的电流、电压、功率等数据信息，经过统一处理后发布设备的运行数据报表，提供决策支持；此外，还能综合分析设备运行情况，提供节能率、亮灯率统计和电费参考数据，以及评估节能措施的成效和关联影响等。

系统警报是指实现设备故障报警功能，例如意外开关灯、线路异常等故障报警。故障发生后，系统会主动报警并开始警报跟踪和定位，可以通过多种途径推送警报。此外，还可自定义警报条件和策略，设置警报回溯和统计功能。

4 智慧路灯系统关键技术研究

4.1 路灯单灯控制技术

智慧路灯系统的核心是实现路灯灯光的自动控制，通过本研究提出的恒照度单灯控制器技术可以实现最优化节能。

（1）单灯控制器硬件设计

单灯控制器设计目的是实现后台对路灯的单灯控制，同时具备对路灯电源的通断、LED光源的光亮调节、路灯耗电计量、路灯工作电压和电流在线监测功能。此外，单灯控制器还需要具备无线联网功能，依靠LTE模块实现与远程监控服务器的链接，实时上报工作状态和报警信息。单灯控制器的硬件设计框图如图4所示。

图4 单灯控制器的硬件设计框图

（2）单灯控制器软件设计

单灯控制器硬件系统配备有低功耗和快速计算能力的微处理器芯片，以实现单灯控制指令的决策和执行。单灯控制器的软件需要嵌入在该处理器上以实现远程通信和多种方式的控制与参数监测。单灯控制器软件设计如图5所示。

图5 单灯控制器嵌入式软件设计框图

（3）单灯控制器控制方法

单灯控制器具备多种控制方式对路灯进行控制，包括：实时控制、定时控制、经纬度控制、光照控制、“经纬度+照度”综合控制等。

实时控制：用户通过智控管理云平台实时对路灯进行开关和调光控制，实时控制交互流程如图6所示。

图6 实时控制的交互流程

定时控制：单灯控制器可以根据需要在工作曲线上设定多个自动动作点，并自动将设定值存储到单灯控制器中，随后单灯控制器将按照工作曲线开始自动控制灯光亮度。单灯控制器的自动工作曲线如图7所示。

图7 单灯控制器自动工作曲线

经纬度控制：不同季节在不同经纬度的城市日落时间会有差异，通过对太阳入射角计算可以获得各个城市每一天的日出日落时间，然后将日出日落时间作为路灯照明开关的分割点，以此实现对路灯的自动控制。

光照控制：利用光敏传感器将采集到的照度值关联至系统，当照度低于设定阈值时，系统向路灯发出开灯指令；当照度高于设定阈值时，系统向路灯发出关灯指令。

“经纬度+照度”综合控制：虽然经纬度控制可以根据日出和日落时间实现对路灯的开关控制，但在阴雨、雷暴等特殊气象条件下道路亮度达不到国家规定值，而此时系统也并没有开启路灯。这种特殊情况下按照度进行优先控制就格外重要。为此，本研究增加了经纬度和照度结合的自动控制模块，如图8所示，是否亮灯执行经纬度和照度逻辑或运算，两者只要一个满足条件，即打开路灯。

图8 经纬度和照度综合控制方案

4.2 LoRaWAN通信技术

LoRaWAN 通信技术具有低成本、无须布线、容量大、专有网络、远距离、抗干扰能力强、应用灵活（可群控、单控）的特点，目前在城市智慧路灯控制和管理领域获得广泛应用。LoRaWAN网络架构主要包括终端、基站、网络服务器（NS）和应用服务器四部分，如图9所示。其中，基站和终端之间采用星型网络拓扑，由于LoRa的长距离特性使得两者间可以单跳传输。基站对NS和终端之间的LoRaWAN协议数据可以转发，并将LoRaWAN数据分别承载在LoRa射频传输和TCP/IP上。LoRaWAN技术模式保证了其远距离传输能力，在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一。因此，非常适用于采集点分散、采集环境恶劣，但又对实时性和可靠性要求比较高的场合。

图9 技术结构示意图

5 建设效益分析

本研究以华东某县当前道路照明设施现状为目标对象，进行建设效益分析。调研发现，该市现有共计55条主干道或辅路，布设6 267盏250 W钠灯、1 159盏400 W钠灯。具体路灯现状信息见表1所列。

表1 华东某县路灯照明设施现状

道路照明时间按照每天12 h统计，采用LED灯源代替400 W钠灯后，每盏灯的年耗电量可节省：（0.4×12-0.2×12）×365=876 kWh；1 159盏400 W钠灯年总计节电量为：876×1 159≈102×10kWh。采用LED灯源代替250 W钠灯后每盏灯年耗电量可节省：（0.25×12-0.12×12）×365=569.4 kWh；6 267盏250 W钠灯年总计节电量为：569.4×6 267≈357×10kWh。此外，安装单灯控制器后可以实现路灯照明的二次节能，年节能约20%，即86×10kWh。综上可见，仅采用LED灯源替换传统钠光灯就可以一年节省约544×10kWh电量，节能效果显著。如果进一步采用智能管控云平台对灯光进行适时亮度调节，将改造后的50 W LED灯在晚6点至8点、10点至12点功率降至70%，凌晨12点至6点功率降至30%，又可以节省约25%的用电量，即136×10kWh。按照1元/kW的费用计算，改造后一年就可以节省680万元。

此外，交通道路智慧照明系统不仅能够提高运维效率，同时也会降低维护成本，减少费用支出。以某市为例，采用交通道路智慧照明系统后，运维成本一年减少了56%。传统照明方式和智慧照明系统的运维方式以及运维成本对比情况分别见表2、表3所列。

表2 运维方式对比

表3 改造前后年运维成本对比

6 结 语

本研究通过应用“云大物移智”等前沿技术将城市路灯关联形成物联网来实现对路灯的远程集中控制与管理，具有根据车流量、时间、天气情况等条件设定方案自动调节亮度、远程照明控制、故障主动报警、灯具线缆防盗、远程抄表等功能。所提出的智慧路灯系统不仅可以有效节省电能消耗，提升道路照明管理水平，实现运维成本降低，还可以为智慧城市管理提供信息采集入口和服务端口。将通过智慧路灯系统采集的各类数据上传到云端，经过数据处理后可与政府内部的交通系统、警务系统、财政系统等进行数据交互，辅助政府在民生、环境、公共安全等领域做出智能化辅助决策，实现城市及市政服务能力的提升。