城市物聯網照明云平臺及應用

林 濤，葉 峰，王 強，李 今

(1.中國電科五十所，上海 200063；2.蘇州市城市照明管理處，蘇州 215005)

1 概述

隨著城市化進程日益加快，城市照明管理[1]已不再局限于對路燈的管理，而是發展成為對所有展現城市景觀、體現城市形象照明設施的統一管理，目前全國各個城市都在結合自己城市的特點建設道路照明和亮化工程。為了能夠有效的對各種城市照明設施進行控制和管理，先后有許多城市建設了城市照明監控系統，解決了城市照明統一的啟閉、數據采集、故障報警等問題，提高了照明控制的實時性，大大提升了管理效率和城市照明監管水平。但單單解決這一問題是遠遠不夠的，隨著城市的建設發展，城市的規模越來越大，照明管理部門管理范圍擴大，燈的種類和數量也增多，社會對城市照明提出了更高更新的要求，使得城市照明資產管理的難度越來越大，運營成本也越來越高。同時仍有不少管理部門(比如縣、鄉鎮、小區等)由于受到自身規模、運營費用等因素影響，并不能采用傳統的建設模式來實現照明監控本地化管理。為此，作為城市照明的管理部門迫切需要一種現代化的管理平臺，來提升其管理效率同時降低運行成本。

2 國內外發展現狀

城市亮化工程已成為城市的名片，各地都把城市夜景照明建設作為改變城市面貌、改善投資環境的重要手段，付出的人力和物力越來越沉重。國內不少照明管理部門一直在尋求解決方案，一些大中城市建設了“城市照明無線監控系統”，對提高城市照明系統的控制管理水平發揮了一定的積極作用。在此基礎上，有的城市還在積極探索城市照明數字化管理和路燈節能的技術和途徑，包括照明資產GIS管理、照明節電設備、無功補償器、電子鎮流器等。但就城市智能照明監控管理系統研究發展水平而言，現在仍然停留在對城市照明低壓配電設備的控制管理上，遠沒有實現對全部設備工作狀態的有效智能感知，更談不上智能控制管理。而對于城市智能照明節電設備的應用也基本都停留在單體設備的使用，沒有實現對設備的智能監測和智能管理，既不能確保所有設備都能良好地工作，又不能保證節能工作時滿足城市照明的功能標準和照度要求[2]。

放眼國外，目前歐美不少發達國家都已開始在城市照明物聯網領域加大了開發和投資力度，特別是在單燈監控領域，比如最近由多個國際產業巨頭，包括東莞勤上光電(Kingsun)股份有限公司、Harvard Engineering、飛利浦(Philips)、施耐德(Schreder)、Streetlight vision和奧德堡(Thorn/Zumtobel)發起并參與組建的TALQ聯盟，正在著手創建全球公認的戶外照明網絡管理軟件接口。目的是建立一份介于中央管理系統和戶外照明網絡之間定義清晰的協議規范，并對規范進行推廣、符合性認證等方式，從而推動戶外照明網絡系統的應用發展。這樣，客戶可以使用單一的用戶接口界面管理他們的戶外照明設施，并可以與其他廠家的產品進行兼容。這個想法就已經涉及到了云的概念，如果這一規范被認可并推廣，將給世界的城市照明管理帶來革命性的突破。

再返觀國內市場，經過二十年左右的發展，城市照明集中控制技術已經趨于成熟，90%的省會城市、60%以上的地級市已經完成了路燈監控系統的建設。但是由于地域發展的不平衡和系統規模的限制，仍有大量的地方處于城市照明智能化管理的空白。同時即使在已開展相應工作的城市，要進一步提高照明管理水平直至“智慧”還有很漫長的道路，國內城市照明監控基于物聯網的應用也才剛剛起步。

3 物聯網照明云平臺組成

如圖1所示,物聯網照明云平臺設計為三部分：集團云中心側、現場云控制器構成的終端側和用戶應用側。

3.1 集團云中心側

系統架構如圖2所示。集團云中心側包含了大量的軟硬件建設，系統整體架構設計分為物理資源層、資源池層、管理中間件層、構建層。

根據“規模大、虛擬化、按需服務、通用性”的建設目標,構建基于云計算的智慧照明管理平臺。物理資源層包括計算機、存儲器、網絡設施、數據庫和軟件等。資源池層將大量相同類型的資源構成同構的資源池，構建該層更多的是物理資源的集成和管理工作。管理中間件層負責對云計算的資源進行管理，并對眾多應用任務進行調度，使資源能夠高效、安全地為應用提供服務。構建層將云計算能力封裝成標準webservice服務，并納入到SOA體系進行管理和使用[3]。云中心將提供照明管理服務快速交付、虛擬化通訊網絡、關聯數據挖掘、獨享的GIS資源等服務。

3.1.1 虛擬化通訊

虛擬化通訊是由一個通訊服務器的集群構成，并由云計算控制中心的核心組件“動態負載與調度服務主控系統”通過用戶或終端的訪問量實時的統一的進行協調與管理。而每個通訊服務器中的通訊子系統可通過該主控系統發送的調度指令進行可控的動態增減，以實現最大幅度的享用單臺通訊服務器的有效資源。

3.1.2 數據挖掘技術

隨著照明監控系統的大量普及安裝，監控系統所獲取并存儲的視頻數據容量正以驚人的速度增長，這些數據包含了現實世界中的大量信息，能夠為我們在照明管理上帶來巨大的價值。照明云平臺使分析數以萬計的數據集，并從中獲取信息變為可能。我們可以通過云計算強大處理問題，采用蒙特卡羅算法[4]對海量運行數據結果來分析他們的共性，得到貼近真實情況的故障概率模型，來對當前設備未來運行風險進行分析。

圖1 物聯網照明云平臺組成圖Fig.1 Lighting cloud platform of IOT

3.1.3 獨享的GIS資源

智慧照明云GIS服務基于一個開放的、標準的平臺——ArcGIS Online[5]。該平臺內含世界地圖基礎地圖及影像集，以及全球GIS用戶共享并在目錄中登記的近100000個數據集及地圖服務。通過融入我們的照明設施地理信息服務技術，結合覆蓋全國的路網數據庫和照明設施數據庫，能夠為使用者提供一個獨享的GIS服務。服務內容不僅包括設施位置、拓撲關系等基礎地理數據，還包括設施運行狀態檢測報告、照明設施管理決策參考等知識服務。用戶可以通過靈活的部署來擴展系統，能夠輕松的訪問、查詢和使用這些地理空間資源來創建和共享資產信息資源和執行地理空間分析，實現以較低的成本來獲取GIS產生的價值。

3.2 現場云控制器構成的終端側

現場云控制器構成的終端側涉及的內容也相當多，目前可實施的主要可分為：物聯網通信網絡建設、現場云控制器建設以及照明設施電子標簽化。

3.2.1 物聯網通信網絡建設

構建大區域跨介質的物聯網通信網絡，實現全國范圍內照明設備與集團云中心的互通、互聯。具體而言：就是依托現代通信技術，包括：GPRS、CDMA、3G、光纖、WiFi、Zigbee、電力載波等等。將集團云中心與所有監管城市照明設施的云控制器實現數據交互，在此過程中可能要根據各種通信方式的特點進行多級通訊。比如：集團云中心到低壓配電柜(變壓器、節電器)控制終端設備采用GPRS/3G 公網通訊網絡，從低壓配電柜控制終端設備到單燈控制器可采用Zigbee或電力載波構成二級通訊網絡，而此時低壓配電柜控制終端設備可作為通信網關實現了集團云中心與單燈控制器的數據交互。

3.2.2 現場云控制器

云控制器主要功能是實現監控和智能感知城市照明現場所有設備(包括：供電變壓器、照明配電箱、供電電纜、單燈照明電器設備、照明節電器設備等)的工作參數、工作狀態，并能對其實現智能控制，從而實現城市照明設備數字化、精細化管理，并實現城市照明能源的能效管理，避免照明能源浪費，最大程度節約照明能源。對于云控制器，目前在城市照明領域可以推廣的有很多，先介紹幾種：

(1)低壓配電柜(變壓器)處安裝照明終端監控設備。可實現對低壓配電柜現場工況參數檢測、監視、控制。根據需要，還可在相關照明配電箱(變壓器)處可安裝智能照明節電器設備。

(2)每盞路燈光源設備處安裝路燈單燈云控制器設備，可實現路燈工作參數檢測工作狀態及控制。同時加裝單燈節能設備并與單燈控制器聯通，可實現單點光源的節能控制。

(3)路燈照明配電電纜末端安裝路燈電纜參數檢測及防盜報警設備。通過安裝上述設備，全面檢測、感知、控制城市路燈照明設備工作參數、工作狀態。

3.2.3 照明設施電子標簽化

為解決照明維護管理工作中巡檢工作內容復雜、管理難度大的特點，通過引入RFID[6]電子標簽來實現對實物資產的電子化管理，并建立智能巡檢系統。該巡檢系統有以下特點：

(1)RFID具有不怕污染、安全可靠、不易復制的特點，能在惡劣環境下長期使用，有效提高信息錄入的準確性，杜絕巡檢工作不到位的情況。

(2)RFID手持智能終端的數據采集模式能有效降低工作繁復性，提高資產管理和人員巡檢的效率和舒適性。

(3)通過對在冊資產的全生命周期信息的連續記錄(包括人、地、物、時等信息)，為決策者提供有效的資訊。

城市照明設施種類非常繁多：各種類型的燈桿、燈具、光源、地下與架空線纜、接線井、配電柜、箱變、油開關、智能控制箱、監控網絡通信設備、巡燈車輛、高空作業車等數十種設施設備。所以，首先應建立統一的電子標簽的編碼標準，并將其在城市的照明甚至是市政領域推廣，最終將系統應用于生產、流通、出入庫、現場安裝和維護更換的整個管理過程。

3.3 用戶應用側

智慧照明云平臺是一個面向多用戶的架構，依托于標準化的終端，為用戶提供一種構建快速、配置方便、交付敏捷的增值型服務。云平臺能根據使用者要求提供相應搭建照明管理所需要的硬件運作平臺、軟件功能模塊、網絡基礎設施、個性化門戶界面等，用戶可以通過互聯網訪問該應用服務來獲取現場終端的實時運行情況，照明管理部門無需再購買軟硬件、建設機房即可通過互聯網使用監控系統，節省了大量用于購買IT產品、技術和維護運行的資金，滿足了“投資少、見效快”的要求，同時提高了系統的可擴展性與易維護性，讓用戶真正享受到“云”服務。

4 城市物聯網照明云平臺應用案例

圖3為建設在公司內的一個超大型集團云中心平臺，在這個集團云中心平臺可以看到全國各地的城市照明運行情況。圖4為GIS地圖上顯示的現場云控制器，點擊最新數據即可查看圖5所示的現場信息。

圖3 集團云中心平臺Fig.3 Group clouds platform

圖4 現場云控制器Fig.4 Cloud controller

圖5 數據顯示Fig.5 Data display

通過這個云平臺的實施，可以實時查看全國各地照明運行情況。當地的管理者只需簡單的一臺計算機上網就可以查看當地的運行情況。集團云中心的值班人員通過查看主動上報的故障信息以及運行數據，來了解現場云控制器的運行狀態，發現異常情況可以及時處理。該平臺建立了照明管理的實時、長效機制，通過調整管理流程，克服了突擊式、運動式、被動、滯后、多頭管理等弊端，真正實現了市政管理的制度化、規范化，大大提升城市的照明管理水平。

5 項目實施的意義

基于云計算的應用被視為信息技術第三次浪潮，是引領未來信息產業創新的關鍵戰略性技術和手段。智慧照明云平臺的建設，實現城市照明管理的數字化和智能化，實現對城市照明能源的科學有效管理，可提高行業整體管理水平，降低管理成本，提高城市照明管理單位對城市照明故障問題的響應處理能力，對整體改善城市形象，提高市民滿意度有著十分重要的意義。同時該平臺還可以實現城市照明能源的有效控制管理，節約照明能源，實現城市整體節能減排，從而達到節能、減排、環保的目的。

[1] 李農.城市照明總體規劃與實例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 中國建筑工業出版社.城市道路照明設計標準[M].北京：中國建筑工業出版社，2007.

[3] 全國信息技術標準化技術委員會SOA標準工作組，中國電子技術標準化研究院.中國SOA最佳應用及云計算融合實踐[M].北京：電子工業出版社，2012.

[4] 李強.線性模型下的蒙特卡羅算法和數據挖掘[D].重慶：重慶大學，2005.

[5] (美)Maribeth Price.李玉龍，張懷東等譯.ArcGIS地理信息系統教程[M].北京：電子工業出版社，2012.

[6] 劉巖.RFID通信測試技術及應用[M].北京：人民郵電出版社,2010.