基于地上地下數據的智慧照明信息系統總體設計

孔繁宇，崔健博，鄒同元，褚鵬飛

(1.哈爾濱市信息化建設項目管理中心，黑龍江 哈爾濱 150028；2.哈爾濱航天恒星數據系統科技有限公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

引言

隨著城市現代化進程日益加快，城市照明發展迅速，對完善城市功能、改善城市環境、提高人民生活水平發揮了重要的作用。但城市照明的過快發展，加大了能源的需求和消耗，同時對城市照明的管理也提出了更高的要求。據有關部門統計，目前城市路燈照明的電能利用率不到65%，粗放式照明、照明電能浪費的情況比較普遍。城市路燈照明節約的電能每提高一個百分點，將節省費用8～9億元，路燈節能市場前景巨大[1]。

城市路燈照明管理過程中電能利用率過低的原因主要有兩個方面：一是路燈管理仍停留在人工管理階段，沒有智能化、信息化的智慧照明信息系統；二是在節電規劃過程中，由于數據不夠全面、完善，很難制定有效的路燈節電策略[2]。

目前，我國已有一些城市進行了智慧照明信息系統建設的初步嘗試，如蘇州、杭州、上海、廣州等，這些城市所建設的智慧照明信息系統在節約能源和維護成本、提高城市照明信息化管理程度等方面有一定成效。但是由于城市基礎信息數據不夠完善或利用不夠合理充分，導致提升效果并不明顯。

針對目前大部分城市路燈照明管理過程中信息化手段匱乏的現狀，本文介紹了一種基于地上地下數據的智慧照明信息系統總體設計方案，本方案將地下路燈管線數據、地上城市空間數據、路燈專業數據以及動態監測數據相融合，為城市路燈照明節電規劃提供數據基礎；同時詳細介紹了智慧照明信息系統的系統功能，滿足路燈管理過程中的業務需求。

1 智慧照明系統總體設計

本系統是以城市地上地下空間數據為基礎，結合城市路燈管理部門現有信息化成果和路燈專業數據，通過應用數據挖掘、物聯網、大數據、移動互聯網和網絡通信等關鍵性技術手段，打造一套具有路燈設施管理、遠程控制、實時監控、故障報警、設施防盜、數據統計分析等功能的城市級“智慧照明”系統，從而提升公共照明管理水平，保障城市道路亮化覆蓋率，節約照明設施運維成本，節省電力資源[3]。

“智慧照明”系統的總體架構如圖1所示。

圖1 總體架構Fig.1 Overall architecture

智慧照明系統涉及的信息主體包括了地上路燈設施數據、地下路燈管線數據和路燈周邊環境數據三種，將收集到的燈、線和環境的靜態空間信息和動態監測信息匯聚在智慧照明平臺通過多維數據融合實現設施監控、設施管理、生產管理、亮燈策略管理、監控數據管理五大系統功能，服務于路燈行業管理部門以及行政管理部門等用戶，最終達到照明設施的智能化，照明管理的信息化、規劃決策的科學化、照明應急的及時化、照明維護的便捷化。

智慧照明系統由應用層、平臺層、傳輸層和監控層組成。監控層集成空間地理信息，地下路燈管線信息數據和地上路燈設施信息數據等多種路燈相關信息數據，并與照度傳感器等各類擴展的傳感器設備相融合以進行信息感知和獲取，使用集中控制器和單燈控制器對照明設施進行智能調控；傳輸層利用成熟的GPRS/3G/4G等傳輸技術實現感知層設備和上層智慧照明信息系統進行通訊并接收來自智慧照明信息系統的調度指令；平臺層包括了照明信息服務平臺和路燈信息數據庫，該層通過收集的各方信息，為應用層的各項應用提供數據與服務支撐；應用層與移動通信網絡相連，接收用戶的操作指令，可通過PC，移動終端等實施控制，通過監控大廳實施監視，并實現路燈調控，設施管理，狀態監控，節約能源，路燈維護，規劃設計和故障報警等功能[4]。

通過該套系統，以靜態地上地下空間信息數據和感知層獲取的動態監測信息數據為基礎，實現對城市照明的“點、線、面”實時測控和節能管理，及時掌握城市照明的建設運營情況，統計城市照明設施的基本信息和能耗情況。同時協助路燈管理部門完善照明信息統計制度，建立照明節能評價體系，加強對城市照明指導工作的針對性和科學性。以政策、組織、行業標準等作為保障體系，從而提高路燈管理過程的信息化、智能化程度，以達到科學管理、節約能源的目的。

2 智慧照明系統數據基礎

智慧照明系統為了滿足路燈管理部門對照明設施建設、管理、維護等過程中的各類業務需求，需要數據全面完整、更新及時準確、智能化程度高的基礎地理信息數據、地上城市空間信息數據、地下路燈管線數據、路燈設備專業數據和動態監測數據。

2.1 基礎地理信息數據

基礎地理信息數據主要包括數字線劃圖數據(DLG)、數字高程模型數據(DEM)、數字正射影像數據(DOM)、數字柵格圖數據(DRG)、城市三維模型數據和其它相關數據等，為路燈管理過程中節電規劃等功能提供基礎地理信息數據基礎。

2.2 地上城市空間信息數據

地上城市空間信息數據包括城市管理過程中所涉及到的公用設施、道路交通、市容環境、園林綠化、房屋土地、其他設施等各類數據，承擔城市某種功能的所有城市空間信息的數據，包括位置信息、物理屬性和管理屬性等全要素信息。

根據照明設施的管理需求，智慧照明系統以從城市空間信息數據中分離出的路燈、電力設施、其他設備和環境信息四大類數據作為數據支撐，同時路燈管理部門還需要路燈控制特有的控制設備的相關數據對城市照明設施進行管理。綜上所述，智慧照明系統的對5大類城市空間信息數據有需求，具體分類如表1所示。

表1 地上城市空間信息數據Table 1 Over Ground Urban Space Information Data

2.3 地下路燈管線數據

地下管線信息數據是城市基礎設施的重要組成部分，日夜擔負著輸送物質、能量和傳輸信息的作用，是城市賴以生存和發展的物質基礎之一，被稱為城市的“生命線”。城市地下管線信息數據主要包括：給水、排水、燃氣、熱力、電力、電信、工業、綜合管溝八大類管線信息，包含八大類專業管線的地理位置信息、埋深、材質、埋設年限、附屬設施、管理屬性及其他屬性信息等全過程監管信息。

根據智慧照明系統的功能需求，主要需要完整的路燈管線數據，以滿足日常的管理和維護；同時需要部分其他管線數據，以滿足開挖工程前的規劃需求和開挖工程中的安全性要求。

2.4 路燈設備專業數據

路燈專業數據也是路燈管理過程中所需的重要數據。為了便于對城市路燈進行信息化管理，保證路燈維護時人員的分工明確，需要城市路燈維護的工區劃分圖；為了能夠對路燈設施進行精細化管理，并可以利用數據挖掘等技術手段進行輔助決策，則需要路燈設施的采購信息、路燈設施的庫存信息、路燈設備臺賬、路燈維護人員信息等。

2.5 動態監測數據

要完成對城市照明設施的智能化管理，除了基礎地理信息數據、地上城市空間信息數據、地下管線數據和路燈專業數據這四類靜態信息數據外，還需要提供精細化到單燈的電流、電壓等動態信息數據；同時，為了實現路燈照明強度，并能夠根據當前照度、天氣等環境因素進行智能調節，還需要對照度、溫度、濕度等環境信息數據進行采集；另外，為了能夠及時對自然災害或人為因素所導致的設備狀態異常或設備損壞進行報警，還需要對路燈供電設備以及鏈路狀態進行監測。智慧照明系統所需的動態信息數據如表2所示。

表2 路燈設施動態數據Table 2 Lights Facilities Dynamic Data

3 智慧照明信息系統設計

以完備的地上地下數據為基礎的城市智慧照明信息系統整體上主要由兩部分組成。分別是智慧照明信息服務平臺和智慧照明應用服務平臺。

智慧照明信息服務平臺是由基礎地理信息數據、地上城市空間信息數據、地下管線信息數據、路燈專業數據和動態監測數據為基礎數據，為智慧照明應用服務平臺提供數據支撐和基礎[5]；

智慧照明應用服務平臺是由以物聯網技術為核心的設備監控分系統、以路燈專業數據為基礎的設施管理分系統、以城市全數據為基礎，工作流為引擎的生產管理分系統、以現代地理信息系統(GIS)為載體的城市照明設施可視化亮燈策略管理分系統和以動態監測數據為基礎的監控數據管理分系統五部分組成[6]，滿足用戶在城市照明管理過程中的各類應用業務需求。

3.1 智慧照明信息服務平臺

智慧照明信息服務平臺是智慧照明信息系統的數據中心，存儲中心與支撐中心，負責系統二、三維地圖的接入與更新，照明設備數據的存儲與顯示，數據的編輯與備份，設備指令的收發與解析，數據網絡的接入，系統用戶的權限管理等功能。智慧照明信息服務平臺功能示意圖如圖2所示。

圖2 智慧照明信息服務平臺功能示意圖Fig.2 Smart Lighting Information Serviece Platform Schematic

信息服務平臺通過接入網關，接入底層控制設備與傳感器傳回的異構數據，并對其進行數據校驗與分析，確保數據的安全性。隨后進行數據解析，處理成相應的數據流，以接口的形式送給智慧照明應用服務平臺的各個應用模塊。同時智慧照明應用服務平臺的控制數據也通過相反的過程網關傳送至底層的控制設備與傳感器。

智慧照明信息服務平臺包含照明設備信息管理功能，存儲各類照明設備的異構信息，可通過數據編輯功能進行編輯。

用戶權限管理功能規定了信息系統的瀏覽者、管理者、應用者的具體權限，可創建新的用戶角色，也可對用戶權限進行具體設定。統一認證及授權服務功能為智慧照明應用平臺提供了統一的用戶鑒權和授權服務，當信息系統的使用者通過智慧照明應用服務平臺在向平臺請求信息時，信息系統會根據預先設定的用戶權限，響應或拒絕用戶請求。

3.2 智慧照明應用服務平臺

智慧照明應用服務平臺是基于智慧照明數據服務平臺的多維融合數據提供設備監控、生產管理、設施管理、亮燈策略管理和監控數據管理五大應用功能，以滿足城市照明日常管理過程中設施監測、設施控制、設施維護、節電規劃和運維管理五大方面的應用需求。智慧照明應用服務平臺的組成如圖3所示。

圖3 智慧照明應用服務平臺組成Fig.3 Smart Lighting Application Service Platfom Composition

3.2.1 設備監控分系統

設備監控分系統以物聯網技術為基礎，結合基礎地理信息、城市空間信息、地下管線信息以及路燈基礎信息，采用各種信息化手段對路燈的電流、電壓、照明強度等路燈主要參數進行實時監測，并對地下管線、配電箱等輸電設備的輸電狀態以及完整性進行實時觀測；同時將故障點信息與報警信息及時上傳。從而保證整個路燈用電線路的安全性。具備根據采集到的環境狀態信息對路燈的配照方案進行智能調節的功能。

3.2.2 設施管理分系統

設施管理分系統能夠對路燈設施的現有庫存、使用狀態等信息形成全信息化的管理。該系統可以對路燈設施的安裝、維護、管理過程中所涉及到的購買入庫、使用出庫、設施使用和設施報廢等過程形成全信息化的管理；同時為用戶提供設施狀態查詢功能，用戶可以通過該功能對路燈設施的工作狀態、物理屬性和管理屬性等信息進行查詢，并能夠在二、三維地圖上對路燈設施信息進行展示。另外，用戶還可以按類型、工區等不同的分組方式對路燈設施進行分組查詢。

3.2.3 生產管理分系統

生產管理分系統的系統功能是，根據設備監控分系統中獲得的故障點精確位置信息在線形成維修工單，并將工單及時派發給維修站，或者通過移動派發將工單直接派發到維修人員手中。另外，生產管理分系統允許市民進行故障報修，從而實現報修管理功能。同時，為路燈維修過程中維修人員的臨時通電等請求進行信息化流程審批，并將路燈設施的狀態進行更新，上傳至照明信息服務平臺。另外，該系統能夠為日常的亮燈、稽查等流程提供全信息化的流程審批。

3.2.4 亮燈策略管理分系統

亮燈策略管理分系統為超明設施的日常開關燈提供預設策略接口，用戶可以通過該接口對路燈日常的開關燈策略和節能策略進行預先設定，并支持優先級設定和策略組設定，并支持快捷配置功能。同時，結合城市空間信息系統的三維數據對節電效果進行可視化的直觀展示，用戶可以通過該功能對預設的開關燈策略和節電策略的照明效果進行直觀評估。

3.2.5 監控數據管理分系統

監控數據管理分系統以設備監控分系統監控得到的監控數據為基礎，實現報警數據、設備采集數據、上電時間數據等的管理。具有將系統內的監控數據以統計圖表的方式進行展示，支持數據的年表、月表的切換展示。支持對用電量、節能率、亮燈率等數據的統計報表展示。同時，系統具備可擴展模塊，具備多種信息采集和展示接口，可擴展進行照度測量、PM2.5測量，空氣濕度探測、酸雨監測，溫度監測，位置等。

4 結論

智慧照明系統的建設是智慧城市建設的一個重要組成部分，能夠滿足國家節能減排的發展要求，順應國家智慧城市建設的政策方針。通過對國內外智慧照明發展現狀的詳細調研與分析，本文詳細介紹了一種基于地上地下數據的智慧照明信息系統建設方案。該系統是以完備的地上地下數據為基礎，建設一套具有設備監控、設施管理、生產管理等功能的智慧照明信息系統，滿足城市照明管理部門日常管理工作的需要，從而達到提高其管理的智能化、信息化程度的目的，最終達到提高能源利用率，節省用電資源的效果。

[1] 葉峰，張治華.智慧照明及其在蘇州市的應用實踐[J].照明工程學報，2013，24(4)：44-47.

[2] 王正浩，張曉鵬.基于GIS的路燈資產信息管理系統設計與實現[J].照明工程學報，2011，22(2)：89-93.

[3] 馬劍，邊宇，王秀錦，等.應用GIS的城市夜景照明規劃支持系統研究[J].照明工程學報，2007，18 (1)：13-16.

[4] Tsao J Y. Solid-State Lighting: Lamp Targets and Implications for the Semiconductor Chip [J]. IEEE Circuits and Devicemagazine,2004(4): 28-37.

[5] BBC.iPad-controlled street lights installed in London. [EB/OL].(2012-11-4) [2014-12-25]. http: //www.bbc.com/news/ukengland-london-20197434.

[6] Zigbee Alliance.New ZigBee PRO Feature: Green Power Connecting Battery-Free Devices. [EB/OL]. (2012-12) [2014-12-25].