智慧照明及其在蘇州市的應(yīng)用實(shí)踐

葉 峰 張治華

(1.蘇州市城市照明管理處，江蘇蘇州 215005;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所，上海五零盛同信息科技有限公司，上海 200063)

1 智慧照明的研究背景

智慧照明脫胎于智慧城市，是智慧城市的有機(jī)組成部分，是綠色照明在智慧城市中的最佳實(shí)踐。

1.1 照明信息化工作中數(shù)據(jù)鴻溝日益顯現(xiàn)

十年前，我們建設(shè)“數(shù)字照明”，利用計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)手段管理城市照明中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)［1～4］。這些信息化手段幫助我們存儲(chǔ)、計(jì)算、查詢(xún)數(shù)據(jù)，成為城市照明管理工作的有力臂助。

隨著照明管理信息化程度的不斷提高，數(shù)據(jù)鴻溝也逐漸顯露出來(lái)。一方面計(jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)了越來(lái)越龐大的數(shù)據(jù):實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、照片、視頻、基礎(chǔ)資料、圖紙、工作日志等等;另一方面，相較于如此龐大的數(shù)據(jù)量，管理者在決策中可從這些數(shù)據(jù)獲取的信息量卻并不樂(lè)觀。

造成數(shù)據(jù)鴻溝的原因有很多。包括各信息系統(tǒng)之間聯(lián)系不足、信息系統(tǒng)和日常管理等非信息系統(tǒng)之間聯(lián)系不足、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理程度低、信息的查詢(xún)和統(tǒng)計(jì)依賴(lài)于人的操作、以及數(shù)據(jù)不一致等問(wèn)題。

1.2 綠色照明不能僅依賴(lài)硬節(jié)能

節(jié)能高效的綠色照明是今后城市照明的必然趨勢(shì)。《“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要》中明確提出:大力倡導(dǎo)綠色照明消費(fèi)方式:以構(gòu)建綠色生態(tài)與健康文明的城市照明光環(huán)境為目標(biāo)，以保障和改善民生作為加快轉(zhuǎn)變城市照明發(fā)展方式的基本出發(fā)點(diǎn)，在滿足城市照明基本功能的前提下降低照明的單位能耗，提高城市照明的質(zhì)量和節(jié)能水平，實(shí)現(xiàn)城市照明發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變［5］。

在提高城市照明質(zhì)量的同時(shí)降低能耗，這對(duì)照明節(jié)能提出了很高的要求。節(jié)能方式包括設(shè)備節(jié)能的硬節(jié)能和管理節(jié)能的軟節(jié)能兩種。硬節(jié)能取決于科技發(fā)展水平和設(shè)備改造力度，前者挖潛余地有限，后者建設(shè)投入高。軟節(jié)能通過(guò)轉(zhuǎn)變管理方式，減少不必要的照明能耗，具有較好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，這也是李克強(qiáng)總理所提倡的“改革紅利”的精神所在。

1.3 智慧照明的提出

不管是數(shù)據(jù)鴻溝問(wèn)題，還是軟節(jié)能，都需要照明管理相關(guān)的信息系統(tǒng)具備更高的智慧，需要系統(tǒng)對(duì)環(huán)境條件和設(shè)施條件做出及時(shí)準(zhǔn)確的判斷，需要設(shè)備之間的相互感應(yīng)、系統(tǒng)之間的聯(lián)動(dòng)和強(qiáng)大的計(jì)算能力。

智慧照明由“多源感知、深度集成和智能決策”三層模型構(gòu)成。三層模型通過(guò)促進(jìn)照明業(yè)務(wù)子系統(tǒng)之間、系統(tǒng)和人之間的聯(lián)系成線、成網(wǎng)、成面，推動(dòng)數(shù)據(jù)流動(dòng)和共享，提高數(shù)據(jù)到有效信息之間的轉(zhuǎn)化率，讓系統(tǒng)更“智慧”，為管理工作提供更有效的支撐。

2 智慧照明的理論基礎(chǔ)

2.1 “智慧”的產(chǎn)生過(guò)程

提高“智慧”，實(shí)質(zhì)上是更科學(xué)地決策。一個(gè)科學(xué)管理決策的產(chǎn)生，通常都經(jīng)歷“數(shù)據(jù)→信息→決策”這樣的過(guò)程。所以，決策的科學(xué)程度F(dm)可用如下公式表示:

其中，dm表示決策，d表示數(shù)據(jù)量，k(i)表示信息轉(zhuǎn)化率，k(dm)表示決策轉(zhuǎn)化率。

要提高決策的科學(xué)性，提高“智慧”，需從三方面著手:

(1)增加可獲得的數(shù)據(jù)量;

(2)通過(guò)增加系統(tǒng)中個(gè)體之間的聯(lián)系密度，提高數(shù)據(jù)到信息之間的信息轉(zhuǎn)化率;

(3)通過(guò)合理的決策機(jī)制和科學(xué)的決策工具，提高信息到?jīng)Q策之間的決策轉(zhuǎn)化率。

2.2 智慧照明在提高照明管理科學(xué)性上的工作機(jī)制

智慧照明實(shí)現(xiàn)“智慧”的關(guān)鍵在于:通過(guò)多源感知、深度集成、智能決策，發(fā)揮各子系統(tǒng)的外部效應(yīng)，系統(tǒng)之間縱橫聯(lián)系成網(wǎng)，增強(qiáng)系統(tǒng)之間知識(shí)共享的密度，提高系統(tǒng)整體的“智慧度”。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 智慧照明三層模型Fig.1 Three tier model of smart lighting

(1)多源感知:把三遙監(jiān)控、單燈監(jiān)控、視頻監(jiān)控、GPS定位、RFID感知、內(nèi)部巡修、外部工單等多種監(jiān)控手段熔于一體，多源信息集中到同一平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一獲取、統(tǒng)一處理、統(tǒng)一應(yīng)用。

(2)深度集成:通過(guò)系統(tǒng)深度集成實(shí)現(xiàn)1+1遠(yuǎn)大于2的效用。系統(tǒng)之間通過(guò)消息互通實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，通過(guò)數(shù)據(jù)共享實(shí)現(xiàn)信息整合，通過(guò)GIS平臺(tái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一服務(wù)。

(3)智能決策:利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)根據(jù)數(shù)據(jù)的現(xiàn)狀和過(guò)去推知未來(lái)。多源感知和深度集成提供的豐富數(shù)據(jù)為挖掘有價(jià)值的信息提供了可能。

3 智慧照明的應(yīng)用模式

根據(jù)城市照明管理工作的特點(diǎn)，可以歸納出智慧照明的三個(gè)典型應(yīng)用模式:

3.1 基于智慧照明的軟節(jié)能模式

對(duì)城市照明的服務(wù)對(duì)象來(lái)說(shuō)，不同位置、不同時(shí)間的照度需求不同，對(duì)應(yīng)于照明管理工作，不同區(qū)片、不同位置、不同燈型、不同光源、不同線路的開(kāi)關(guān)燈時(shí)間和電壓高低存在不同的需求。在智慧照明框架下，軟節(jié)能的運(yùn)作模式如圖2所示。

圖2 基于智慧照明的軟節(jié)能模式示意圖Fig.2 Energy saving model based on smart lighting

傳統(tǒng)的“三遙”監(jiān)控系統(tǒng)中，通過(guò)電氣參數(shù)遙測(cè)和光照度實(shí)時(shí)測(cè)量實(shí)施開(kāi)關(guān)燈，開(kāi)關(guān)策略基于人工事先定義的開(kāi)關(guān)邏輯，無(wú)法適應(yīng)復(fù)雜多變的開(kāi)關(guān)需求。在智慧照明框架中，三遙系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)邏輯，是設(shè)施類(lèi)型管理的輸出，也是能耗管理的間接輸入，根據(jù)日常設(shè)施管理工作和能耗管理需求，自適應(yīng)調(diào)整開(kāi)關(guān)邏輯。通過(guò)智慧化，實(shí)現(xiàn)軟節(jié)能。

3.2 基于智慧照明的運(yùn)維管理模式

對(duì)運(yùn)維管理來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的運(yùn)行模式存在諸多問(wèn)題，主要包括:(1)設(shè)施變更臺(tái)帳不完善，可供查用的數(shù)據(jù)數(shù)量較少、質(zhì)量較低;(2)歷史故障固化為決策經(jīng)驗(yàn)的較少;(3)材料管理控制力和主動(dòng)性不足。在智慧照明框架中，運(yùn)維管理的運(yùn)作模式如圖3所示，主要特點(diǎn)包括:(1)設(shè)施變更通過(guò)結(jié)構(gòu)化的工作日?qǐng)?bào)和工作量、材料消耗量、設(shè)施現(xiàn)狀直接掛鉤，在人員部署和材料調(diào)配上都掌握了主動(dòng)性;(2)歷史故障與相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)、電氣參數(shù)、操作記錄等聯(lián)合分析，既減少三遙系統(tǒng)的誤報(bào)率，又提高故障發(fā)生的預(yù)見(jiàn)性。

圖3 基于智慧照明的運(yùn)維管理模式示意圖Fig.3 Operation and administration model based on smart lighting

3.3 基于智慧照明框架的應(yīng)急搶修模式

對(duì)應(yīng)急搶修來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵是信息的實(shí)時(shí)性和決策的快速性。在智慧照明框架中，應(yīng)急搶修的運(yùn)轉(zhuǎn)模式如圖4所示。利用GIS技術(shù)的空間分析能力，可實(shí)現(xiàn):(1)根據(jù)線路連通關(guān)系和實(shí)時(shí)電氣參數(shù)，自動(dòng)評(píng)估斷點(diǎn)、關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、影響范圍，并給出建議的緊急措施 (如啟用某個(gè)節(jié)點(diǎn)的備用線路)，以及采取該措施后會(huì)產(chǎn)生的結(jié)果;(2)判斷距離故障地點(diǎn)最近的設(shè)施設(shè)備、人力、車(chē)輛等資源，給出最短到達(dá)路徑，排出優(yōu)先級(jí)，幫助指揮者做出最佳決策。

圖4 基于智慧照明的應(yīng)急搶修模式示意圖Fig.4 Emergency repair model based on smart lighting

4 蘇州市智慧照明的建設(shè)實(shí)踐

基于智慧照明理念，蘇州市城市照明管理處結(jié)合照明管理工作中存在的實(shí)際問(wèn)題，對(duì)照明監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行全方位的升級(jí)改造，一方面利用監(jiān)控系統(tǒng)的故障發(fā)現(xiàn)和處置能力，融合RFID、視頻監(jiān)控、GPS監(jiān)控等多種物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控手段，引入工作流技術(shù)，建立照明故障處理的多角度全方位聯(lián)動(dòng)體系;另一方面利用GIS技術(shù)的對(duì)空間數(shù)據(jù)的管理能力，將所有的照明設(shè)施和相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)一納入空間數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

4.1 蘇州智慧照明中的多源感知

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，強(qiáng)化對(duì)照明設(shè)施的監(jiān)控，提升系統(tǒng)的智能化水平，提高應(yīng)急響應(yīng)速度。包括升級(jí)三遙、單燈監(jiān)控，建設(shè)基于RFID的照明設(shè)施移動(dòng)巡檢子系統(tǒng)，集成車(chē)輛定位系統(tǒng)，建設(shè)固定與移動(dòng)相結(jié)合的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息、位置信息、無(wú)線感應(yīng)信息、實(shí)時(shí)電氣參數(shù)、遠(yuǎn)程控制信息的多源感知。

4.2 蘇州智慧照明中的深度集成

深度集成包括建設(shè)照明設(shè)施GIS平臺(tái)、流程管理平臺(tái)、子系統(tǒng)集成等。

照明設(shè)施GIS平臺(tái):建設(shè)城市照明管理各項(xiàng)信息的綜合展示、查詢(xún)和分析平臺(tái)。系統(tǒng)利用設(shè)施專(zhuān)題圖、實(shí)時(shí)地圖、地理底圖、遙感影像、動(dòng)畫(huà)符號(hào)、統(tǒng)計(jì)圖、統(tǒng)計(jì)報(bào)表、自定義查詢(xún)、快速定位、自動(dòng)彈窗、短信提示等多種手段展示信息，滿足多層次多角度的信息查詢(xún)、展示及分析需求，提高了知識(shí)分析的能力和信息處理的效率。

流程管理平臺(tái):通過(guò)工單流轉(zhuǎn)控制實(shí)現(xiàn)對(duì)照明維護(hù)工作的過(guò)程化、精細(xì)化管理;對(duì)照明設(shè)施改造如設(shè)施拆除、新增資料實(shí)現(xiàn)過(guò)程管理。

三遙監(jiān)控與工單報(bào)修的集成:在故障發(fā)生后，系統(tǒng)可自動(dòng)根據(jù)電壓、電流等實(shí)時(shí)參數(shù)判斷可能的故障原因，并調(diào)出故障設(shè)施的最新資料，自動(dòng)創(chuàng)建工單，然后自動(dòng)發(fā)生警示短信，現(xiàn)場(chǎng)維修的工人在現(xiàn)場(chǎng)可通過(guò)RFID技術(shù)獲取設(shè)施信息，完成維修后可通過(guò)RFID設(shè)備更新設(shè)施資料。

工單系統(tǒng)、工作日?qǐng)?bào)和資料維護(hù)之間的集成:通過(guò)工單規(guī)范日常維修處理工作，通過(guò)工作日志跟進(jìn)工作進(jìn)度，借助工作日志推動(dòng)資料維護(hù)，通過(guò)資料維護(hù)保持設(shè)施資料準(zhǔn)確可靠，可有效為日常維修提供數(shù)據(jù)資料，準(zhǔn)確把握資料現(xiàn)狀、維護(hù)效率、設(shè)施消耗情況。

視頻監(jiān)控與車(chē)輛定位的集成:在應(yīng)急搶修中，不僅隨時(shí)可查詢(xún)車(chē)輛所在位置，也可隨時(shí)看到車(chē)輛前方的狀況，做出指揮決策。

4.3 蘇州智慧照明中的智能決策

在照明數(shù)據(jù)庫(kù)和GIS平臺(tái)建設(shè)的基礎(chǔ)上，利用空間數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，分析照明線路網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀、能耗和社會(huì)效益的分布現(xiàn)狀、照度分布現(xiàn)狀、設(shè)施故障率的現(xiàn)狀等，為已有照明設(shè)施改造規(guī)劃設(shè)計(jì)和照明管理提供支持。

5 結(jié)論與展望

在蘇州的建設(shè)實(shí)踐中，智慧照明理念得到了較好的貫徹，尤其是多源感知和深度集成都較好的發(fā)揮了作用。但要知道信息化建設(shè)非一日之功，系統(tǒng)深入集成帶來(lái)的智慧效應(yīng)還需進(jìn)一步拓展。

從近期來(lái)講，智慧照明在智能決策上還需深入研究，重點(diǎn)包括以下兩方面的內(nèi)容:

(1)現(xiàn)狀評(píng)估。根據(jù)線路之間的連通關(guān)系和電壓、電流的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析照明體系中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)故障現(xiàn)狀推斷引起該故障的節(jié)點(diǎn)和應(yīng)該采取的措施。自動(dòng)評(píng)估高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，生成評(píng)估報(bào)告。

(2)設(shè)施預(yù)警。照明設(shè)施的壽命受種類(lèi)、品牌、安裝環(huán)境、線路質(zhì)量、養(yǎng)護(hù)頻率等多種因素影響，通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，可得到養(yǎng)護(hù)規(guī)律，并結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行提前預(yù)警。比如燈泡出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象的時(shí)候，該線路上的其他燈泡也容易發(fā)生損壞，通過(guò)單燈監(jiān)控發(fā)現(xiàn)時(shí)，可根據(jù)該規(guī)律提高報(bào)警等級(jí)。比如確定某類(lèi)燈泡未來(lái)屬于高更換率品種時(shí)，而庫(kù)存又不足時(shí)，可提醒采購(gòu)人員及時(shí)采購(gòu)。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)講，智慧照明作為智慧城市的有機(jī)組成部分，與智慧城市其他部分的互融互通將帶來(lái)更大效益。下面試舉兩點(diǎn):

(1)智慧城市橫向合作。如與交通部門(mén)的“智慧交通“合作，利用車(chē)流量信息建立路燈開(kāi)關(guān)策略，比如在車(chē)流量少的路段或后半夜，自動(dòng)關(guān)閉部分路燈，該策略基于車(chē)流量監(jiān)控信息實(shí)時(shí)調(diào)整，充分體現(xiàn)了智慧特征，在提高照度服務(wù)水平的同時(shí)，達(dá)到最優(yōu)的能源使用效果。

(2)提升路燈功能。隨著硬件成本的降低和模式識(shí)別技術(shù)的進(jìn)步，在每一個(gè)路燈上加裝視頻監(jiān)控設(shè)備將成為現(xiàn)實(shí)［6］，數(shù)據(jù)通過(guò)電力載波或城市公共wifi傳播，路燈成為城市的智慧眼。

［1］王正浩，張曉鵬.基于GIS的路燈資產(chǎn)信息管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) ［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2011，22(2):89～93.

［2］梁云，賀新軍，孫美鳳.新一代無(wú)線通信技術(shù)在城市照明智能監(jiān)控網(wǎng)中的介紹 ［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2009，20(2):63～69.

［3］馬劍，邊宇，王秀錦等.應(yīng)用 GIS的城市夜景照明規(guī)劃支持系統(tǒng)研究［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2007，18(1):13～16.

［4］文斌，溫永寧.基于AM FM GIS的路燈設(shè)備設(shè)施管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.江蘇測(cè)繪，2002，25(1):9～11.

［5］中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.“十二五”城市綠色照明規(guī)劃綱要.http: www.gov.cn gzdt 2011 －11 15 content_1993931.html/，2011 －11 －4.

［6］金燕云，虞小林，鄒志革.基于路燈的智慧城市信息化建設(shè) ［J］.電力信息化，2012，10(2):6～9.