城市道路智慧照明探討

陳仲林，翁 季

(重慶大學(xué) 建筑城規(guī)學(xué)院，重慶 400045)

0 引言

城市道路智慧照明是信息時(shí)代城市道路照明的新形態(tài)。它目的是使信息技術(shù)深入應(yīng)用到城市道路照明管理和使用各個(gè)過程中，使人們出行更安全、快速、節(jié)能，使人們生活更便捷、美好，提升城市形象，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

城市道路智慧照明是信息時(shí)代發(fā)展的必然產(chǎn)物。從道路照明的目標(biāo)來說，城市道路智慧照明就是給出行的人們提供適時(shí)適度所需的道路照明水平，這就要求城市道路照明充分借助物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，在夜間車輛稀少時(shí)，僅將人們前方道路照明路燈適時(shí)適度打開，通過后如沒有后續(xù)車輛，則在一定時(shí)間后調(diào)低路燈照明水平，節(jié)約電能。總之，城市道路智慧照明就是可以使路燈迅速、靈活、正確地判斷道路上人們對照明的需求，并給人們適時(shí)適度提供所需的照明水平。這種城市道路智慧照明系統(tǒng)應(yīng)采用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，通過具有不同功能的傳感器偵測環(huán)境光和人們實(shí)時(shí)需要的變化，動態(tài)調(diào)整照明水平。城市道路智慧照明的組成，即物聯(lián)網(wǎng)路燈加上光環(huán)境智慧模式，強(qiáng)調(diào)了該系統(tǒng)必須采用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，并實(shí)時(shí)調(diào)整道路照明水平，從這個(gè)角度看，該系統(tǒng)具有專業(yè)人員一樣的智慧。因此，把城市道路智慧照明看成是互聯(lián)網(wǎng)加上路燈就會降低路燈在智能方面的要求，縮小了智慧照明在大數(shù)據(jù)處理和天氣等周圍環(huán)境建模方面的研究范圍。雖然把城市道路智慧照明看成是互聯(lián)網(wǎng)加上路燈，或者說成是聯(lián)網(wǎng)路燈，非常通俗易懂，簡單明了，但是，對于城市道路照明智慧而言，缺少光環(huán)境智慧模式和物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用，就降低了實(shí)時(shí)自動按需調(diào)整照明水平要求，造成智慧程度不夠。

1 研究概況

利用智慧城市研究成果，開展城市道路智慧照明研究，是當(dāng)今道路照明發(fā)展的趨勢和特征。

目前，國內(nèi)外照明企業(yè)和照明科技工作者都在研究智慧照明，但研究成果主要體現(xiàn)在硬件上。例如:研制出不少遠(yuǎn)程道路照明控制平臺，像飛利浦和愛立信公司推出了聯(lián)網(wǎng)路燈系統(tǒng)。安徽合肥采用互聯(lián)網(wǎng)和路燈的城市道路智慧照明系統(tǒng)，對全市17 萬盞路燈進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。這樣的成果不斷涌現(xiàn)，引起了照明工程理論工作者高度重視。2014年v，在丹麥阿爾貝特斯隆舉辦的“顯微鏡下的城市”國際研討會上，有學(xué)者介紹了利用太陽能和風(fēng)能，以及采用LED 節(jié)能光源的城市智慧照明實(shí)際工程案例，并展示了位于丹麥Hersted 工業(yè)區(qū)長約10 km 的生活試驗(yàn)區(qū)，該工程采用了裝有廣角紅外攝像頭的智慧路燈系統(tǒng)，能監(jiān)控過往的車輛、行人以及小動物。無人時(shí)，路燈保持低亮度;有人時(shí)，路燈提前升高亮度，從而使城市道路照明更加人性化，并有效節(jié)能。

從以上國內(nèi)外城市道路智慧照明應(yīng)用情況來看，從智慧照明理論層面進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步明確智慧照明的研究內(nèi)容和研究方法是十分必要的。利用智慧照明可迅速處理路面上情況，并進(jìn)行適度照明，提高該系統(tǒng)的智能程度，這是一般遠(yuǎn)程照明控制平臺所達(dá)不到的。

2 光環(huán)境智慧模式

城市道路智慧照明要求精準(zhǔn)、動態(tài)地適度照明，這就要求智慧照明系統(tǒng)必須具備偵測環(huán)境光和需要變化信息的功能，再通過對環(huán)境變化信息的大數(shù)據(jù)處理，使系統(tǒng)具有更強(qiáng)大的決策力和洞察力，并通過道路照明智能控制來實(shí)現(xiàn)。因此，城市道路智慧照明系統(tǒng)應(yīng)是智慧燈具和光環(huán)境智慧模式組成的一個(gè)大系統(tǒng)，但是，為了使系統(tǒng)具有快速處理道路照明問題的能力，必須對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對當(dāng)?shù)厝宋摹夂颉⒓竟?jié)和道路、路況、周圍環(huán)境、路燈的空間位置信息、時(shí)間變化、氣壓、濕度、降雨量等進(jìn)行合理建模，建立城市道路照明光環(huán)境模式。采用適宜的統(tǒng)計(jì)分析方法，對采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，提取有用信息，進(jìn)行概括總結(jié)，這就必須采用行之有效的大數(shù)據(jù)處理方法。調(diào)查當(dāng)?shù)厝宋暮统鞘械缆返沫h(huán)境、路況，以及行人、車輛行駛狀況，構(gòu)思實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?yàn)證并完善，購買適宜的智慧路燈，通過對光環(huán)境智慧模式的研究，建立城市道路智慧照明系統(tǒng)。

2.1 感測功能

城市道路智慧照明系統(tǒng)必須具有很強(qiáng)的感測功能，它是提高該系統(tǒng)智慧程度的一個(gè)重要標(biāo)志。感測系統(tǒng)由許多具有各種功能的傳感器連接而成，它們彼此溝通、協(xié)作且不間斷地工作，使之像人一樣具有視覺、感覺等功能，判斷路面上車輛運(yùn)行和行人情況，并適時(shí)適宜地調(diào)整道路照明水平和質(zhì)量。作為城市道路照明的傳感器，主要是光傳感器，其利用光與物質(zhì)的相互作用，并把光信號轉(zhuǎn)換成電信號。適合于光纖通信系統(tǒng)的光傳感器主要是半導(dǎo)體光傳感器，這是因?yàn)楣怆姸O管體積小，靈敏度高，響應(yīng)速度快。實(shí)際應(yīng)用上，常采用PIN 光電二極管或APD 雪崩光電二極管。在城市道路照明系統(tǒng)中，主要采用可見光或近紅外波段的光傳感器，但為了察覺道路上行走的人或小動物，在光環(huán)境照明水平較低的條件下，宜采用紅外光傳感器。例如:有一種夜狼紅外傳感器，該型號紅外傳感器具有聯(lián)網(wǎng)技術(shù)先進(jìn)，質(zhì)量好，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。總之，為提高城市道路智慧照明的智慧程度，所選用的光傳感器在工作波段范圍內(nèi)要有高量子效率，響應(yīng)速度快，并具有良好的線性輸出性能，穩(wěn)定可靠。

城市道路智慧照明需要光傳感器采集大量數(shù)據(jù)，需要考慮燈具配光、光源功率和燈桿的空間位置、道路與周圍環(huán)境的屬性等因素，時(shí)間、季節(jié)、天氣、當(dāng)?shù)氐奈幕L(fēng)俗、愛好等條件，以及道路兩邊的自然物體或建(構(gòu))筑物的外形、立面狀況、紋理、顏色、反射狀況等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)體量巨大，數(shù)據(jù)類型繁多，包含了很多視頻、圖片、地理位置等多樣性信息，但數(shù)據(jù)價(jià)值密度低，數(shù)據(jù)更新速度快，對采集獲得的大數(shù)據(jù)，必須進(jìn)行導(dǎo)入和預(yù)處理，即時(shí)統(tǒng)計(jì)和分析，最后對有代表性的數(shù)據(jù)再進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則分析、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)聚類等分析工作，即進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘。總之，通過大數(shù)據(jù)分析后，才能獲得有價(jià)值的城市道路智慧照明信息。

2.2 數(shù)據(jù)挖掘

城市道路智慧照明的數(shù)據(jù)體量和類別太大，無法直接用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫工具對其內(nèi)容進(jìn)行抓取、管理和處理。因?yàn)閿?shù)據(jù)太多，超過了傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的處理能力，故采用數(shù)據(jù)挖掘算法，把少量的有用信息提取出來。數(shù)據(jù)挖掘算法是大數(shù)據(jù)分析的主要方法，它可以挖掘出數(shù)據(jù)的本質(zhì)規(guī)律性，同時(shí)會快速地進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析處理。

大數(shù)據(jù)分析離不開數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)管理，高質(zhì)量的數(shù)據(jù)和有效的數(shù)據(jù)管理，才能保證城市道路智慧照明的分析結(jié)果真實(shí)有效。因此，對于城市道路智慧照明研究來說，應(yīng)選擇專門應(yīng)用于大數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)安全交換的優(yōu)秀產(chǎn)品，能直觀地呈現(xiàn)大數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律性，進(jìn)行可視化分析。數(shù)據(jù)挖掘算法能快速找到數(shù)據(jù)內(nèi)在規(guī)律性，能建立科學(xué)模型，具有預(yù)測分析能力、數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)管理功能。

總之，城市道路智慧照明借助于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)挖掘等新技術(shù)方法，面向未來，構(gòu)建城市道路照明智慧環(huán)境。

3 研究方法

城市道路智慧照明是從數(shù)字城市照明發(fā)展起來的，并在地理信息系統(tǒng)(GIS)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)等基礎(chǔ)上，強(qiáng)調(diào)了可視化。結(jié)合城市道路智慧照明采集的大數(shù)據(jù)特點(diǎn)，把可視化分析作為大數(shù)據(jù)分析的一個(gè)主要任務(wù)，從大數(shù)據(jù)中挖掘規(guī)律性，建立城市道路照明光環(huán)境的智慧模式。

為了建立科學(xué)合理的模型，必須對被研究地區(qū)的城市道路照明和各種客觀實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)查分析，并考慮不同地區(qū)的氣候、風(fēng)俗、人文、道路及建(構(gòu))筑的差別，并在模型中加以區(qū)別。總之，在進(jìn)行城市道路智慧照明研究時(shí)，首先要進(jìn)行實(shí)地調(diào)查研究。當(dāng)然，也要搜集國內(nèi)外關(guān)于城市道路智慧照明方面的研究成果，還要參考與智慧城市和數(shù)字城市相關(guān)的研究理論和方法，其中包括選擇城市道路智慧照明合適的實(shí)驗(yàn)平臺。為了正常開展實(shí)驗(yàn)，可采用品質(zhì)優(yōu)良的LED聯(lián)網(wǎng)路燈。由于LED 照明光源可靠耐用，壽命長，響應(yīng)快，控制靈活，目前宜采用LED 照明光源作為城市道路智慧照明光源。此外，還要選擇適宜的傳感器，為了在較暗的路面照明條件下發(fā)現(xiàn)路面上的行人或動物，應(yīng)選擇紅外傳感器，如廣角紅外攝像頭，同時(shí)還要選用可見光傳感器，使傳感器的測量數(shù)據(jù)經(jīng)修正后能真實(shí)地反映道路照明水平。除了選用適宜的城市道路智慧照明硬件外，還要利用適宜的云計(jì)算服務(wù)平臺，采用性能優(yōu)良的大數(shù)據(jù)分析產(chǎn)品，對大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取有用的信息，并加以概括總結(jié)，形成有用的結(jié)論，挖掘大數(shù)據(jù)的規(guī)律性，研制光環(huán)境智慧模式。當(dāng)具有上述智慧照明平臺后，就可以選擇小區(qū)(校區(qū))內(nèi)適宜(有路燈照明，但車輛、行人較少)的路段進(jìn)行智慧照明系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)以LED 聯(lián)網(wǎng)路燈置換普通路燈，并在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b廣角紅外攝像頭和可見光攝像頭。當(dāng)智慧照明系統(tǒng)調(diào)試好后，在實(shí)驗(yàn)區(qū)域出入口處放置安全標(biāo)志，并有專人看守和指揮，組織行人或車輛通過實(shí)驗(yàn)區(qū)域，進(jìn)行城區(qū)道路智慧照明初步實(shí)驗(yàn)。然后對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，不斷完善城市道路智慧照明系統(tǒng)，并在當(dāng)?shù)啬骋坏燃壍缆飞线M(jìn)行智慧照明實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備工作。當(dāng)智慧照明系統(tǒng)成熟后，在市政部門和LED 聯(lián)網(wǎng)路燈的生產(chǎn)廠家配合下，開展城市道路智慧照明系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，檢驗(yàn)智慧照明理論和效果，評價(jià)道路照明節(jié)能最大化與人性化的高度統(tǒng)一程度。通過不同地區(qū)、不同氣候條件、不同環(huán)境的道路智慧照明實(shí)驗(yàn)研究，對不同道路級別的機(jī)動車交通道路智慧照明系統(tǒng)的年平均照明功率密度值提出建議。

4 小 結(jié)

智慧化是繼信息化之后，世界科技革命又一次新的突破。利用智慧技術(shù)，建設(shè)城市道路智慧照明系統(tǒng)，是當(dāng)今城市道路照明發(fā)展的必然趨勢。城市道路智慧照明系統(tǒng)是由智慧路燈和光環(huán)境智慧模式組成的一個(gè)大系統(tǒng)。智慧路燈是由物聯(lián)網(wǎng)和LED 路燈組成的道路照明系統(tǒng)，而光環(huán)境智慧模式是具有智能感測、通訊、計(jì)算、判斷、調(diào)光等功能的光環(huán)境系統(tǒng)，該系統(tǒng)能迅速、精準(zhǔn)、動態(tài)地解決道路照明問題。

城市道路智慧照明是以數(shù)據(jù)挖掘算法為特征的城市道路照明發(fā)展新模式。城市道路智慧照明就是根據(jù)感測到的海量數(shù)據(jù)，利用適宜的云計(jì)算服務(wù)平臺，挖掘出少量有用的信息，作出正確判斷，并進(jìn)行智能決策，聯(lián)動照明系統(tǒng)，達(dá)到利用光源照亮特定場所的目的，即把適宜的光量和光色照射到需要的場所，創(chuàng)造出良好的可見度和舒適的光環(huán)境，使城市道路滿足安全快速通行的需求并做到節(jié)能最大化。

［1］張泉清，侍冬平，陸劍鋒.城市智慧照明［J］.燈與照明，2015(2):8～10

［2］陳仲林.數(shù)字城市夜景照明規(guī)劃綜述［J］.燈與照明，2003(1):17～20