城市道路智慧照明物聯網的關鍵技術

劉友泉，章旭敏，高俊海，馮 銀，周遜盛

(1.杭州市城市照明發展中心，浙江 杭州 310007；2.杭州市路燈管理所，浙江 杭州 310020；3.浙江大云物聯科技有限公司，浙江 杭州 310012)

引言

伴隨著物聯網技術的興起，城市道路智慧照明已經從路燈照明本身的智能化逐步向基于路燈桿的綜合利用發展。路燈桿作為物聯網技術的載體，逐步過渡到集道路照明、信息發布、環境監測、視頻監控、充電樁等于一體的多功能智慧燈桿。2019年發布實施的《道路照明燈桿技術條件》對多功能桿給出了明確的定義為：桿體除道路照明功能以外，設置其他非道路照明的多功能燈桿[1]。多功能智慧燈桿集智慧照明、智慧交通、安防監控、環境監測、充電服務等于一體[2]，是多功能桿最重要的種類，也是智慧城市智能感知設備的最佳接入載體。北京等地出臺了一系列復合型路燈桿設計、施工、應用規范[3]。 隨著智慧城市建設的逐步推進，多功能智慧燈桿將迎來發展的巨大機遇。

當前，多功能智慧燈桿發展仍存在諸多難點，主要包括：①系統集成困難，集成成本高。多功能智慧燈桿以燈桿為載體，將城市照明控制、視頻監控、語音廣播、報警求助、環境檢測、汽車充電、信息交互、井蓋檢測等功能集于一桿，而每一種功能的組件有眾多的品牌，不同品牌的組件又有不同的通信協議，適配眾多不同的通信協議困難，系統集成難度大、成本高。②系統集成質量不高。由于燈桿集成了眾多不同功能的組件，每個集成產品系統長期運行的可靠性存在不確定性，因此如何通過第三方推薦、加速試驗、壓力測試以及現場檢測等多種方法掌控集成產品質量也是一個難題。③網絡復雜度造成數據采集穩定性不佳，影響業務連續性。多功能智慧燈桿中往往需要一個網關[4]，匯聚各個燈桿組件的數據。由于各組件通信接口的多樣性，RS485、LAN、LoRa等不同的通信方式并存，網絡環境復雜，網關必須要設計通信網絡自診斷及自適應技術，在對不同網絡合理調度通信的同時，實時診斷通信狀態，發現通信異常時具備網絡恢復及報警能力。

物聯網技術(internet of things, IOT)是破解城市道路多功能智慧燈桿發展難題的一項關鍵技術[5]。本文通過對物聯網的技術框架及關鍵技術的分析，探討如何應用物聯網技術解決多功能智慧燈桿的系統集成及網絡復雜度等難點問題。

1 物聯網的技術框架

物聯網架構一般分成感知層、網絡層、應用層[6]。隨著邊緣計算技術的興起[7]，邊緣網關在整體架構中成為關鍵設備。我們將其從網絡層中獨立劃分為一層，即形成如圖1所示的“云、管、邊、端”四層架構。

1)端(感知層)。端即感知層，包含各類傳感器及智能儀表。多功能智慧燈桿中的單燈控制器、信息屏、監控相機、環境傳感器等都屬于感知層設備。這些設備利用各種機制把被測量轉換為電信號，再由相應信號處理裝置進行處理，并可對外提供數據信息。從多功能智慧燈桿集成的角度看，可優先選用具有RS485(Modbus RTU協議)、傳統4—20 mA模擬量等標準接口的傳感器。

2)邊(邊緣網關)。邊緣網關的存在是多功能智慧燈桿物聯網框架區別于NB、LoRaWan物聯網體系的關鍵。邊緣網關的設計是為了在邊緣側聚合數據，以及在邊緣側完成端到端的信息協同。利用網關可編程的邊緣計算能力，無需通過云平臺中轉，即可完成端設備聯動，從而具備更高效更實時性的設備聯動效果。邊緣網關為了聚合數據，其面向端設備的網絡適應能力、協議解析能力是核心技術指標。

3)管(通信網絡)。管是邊緣網關到云端的網絡傳輸管道，由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡管理系統等組成，在物聯網中起到信息傳輸的作用，該層主要用于對邊緣網關和應用層之間的數據進行傳遞，它是連接端邊云各層的橋梁。通信網絡的數據傳輸安全性，采用合適的加密技術，避免信息泄密，也是通信網絡的重點設計內容。

4)云(應用層)。云端應用層位于物聯網架構的最頂層，其核心功能是經過云計算平臺的信息處理，形成面向不同業務應用服務[8]。應用層將物聯網技術與行業專業系統相結合，實現垂直行業應用[9]，如智慧照明、智慧醫療、共享汽車等，支撐跨行業跨系統之間的信息協同、共享、互通，從而實現對物理世界的實時控制、精確管理和科學決策。

圖1 物聯網技術框架

2 物聯網的關鍵技術

邊緣網關是智慧燈桿內各個組件集成在一起的關鍵部件，具備以下關鍵技術。

1)基于設備模型驅動的泛化物聯技術。它是實現物聯網系統中物理模型與真實設備間的匹配、物聯網萬物互聯的關鍵技術[10]。依托云平臺的設備管理功能，可自由創建端設備物理模型，從物理屬性、控制服務、通信協議解析腳本等維度對端設備進行描述，依托通用的網關通信組件、協議解析組件完成端設備泛化接入。[11]對于標準化協議，物理模型的創建可以簡化通信協議解析腳本配置，從而使得標準協議端設備的接入更為容易。在完成模型創建后，真實設備的添加是一個設備實例化的過程，只需要選擇設備類型(與模型一一對應)、填入真實設備的通信地址，即可自動添加該設備的屬性、服務及協議腳本。

2)邊緣協議解析及邊緣計算技術。對于多功能智慧燈桿的應用場景，本地化的邊緣計算能力有助于減少整個系統云端計算壓力，并增加端設備間的響應實時性。如圖2所示，從端設備數據接入開始，邊緣網關可發起主從通信模式端設備的數據采集，通過協議插件加載，從本地或服務器加載協議腳本，完成端設備查詢數據包組包，并發至通信隊列，經虛擬消息總線交驅動層發送至端設備。對于端設備的應答數據或者主動上報數據，邊緣網關同樣加載協議插件，并調用協議腳本中相應方法完成上報數據解析、數據格式標準化及數據存儲。邊緣計算模塊則負責對標準化的端設備數據進行邏輯運算處理[12]。邊緣計算線程首先識別各算法的執行周期，根據執行周期加載邊緣算法，依托邊緣計算引擎，識別云平臺可編輯的邊緣算法，加載運算數據并執行算法邏輯，生成端設備的控制指令。控制指令經由虛擬消息總線，傳遞至服務下發線程，由其通過邊緣協議服務組包功能，將控制指令組成端設備可識別的數據包下發至端設備，從而通過邊緣網關實現端端協同。

圖2 邊緣協議解析及邊緣計算流程

3)用戶可控數據流向技術。對于NB-IoT、LoRaWan等物聯網體系，端設備的數據將直接上傳到各廠商的公有云平臺，用戶無法選擇數據流向。如圖3所示，采用邊緣網關架構的物聯網體系，在端設備和云平臺之間增加了邊緣網關，通過邊緣網關匯聚的數據，可按用戶上傳至各用戶布置的私有云平臺，并由用戶配置將自主授權數據上傳到公有云平臺。

圖3 用戶可控數據流向示意圖

4)開放性生態架構。從物聯網的推廣應用看，采用開放性生態架構是構建物聯網設備生態體系的關鍵所在[8]。對于NB-IoT、LoRaWan等物聯網技術，需要端設備廠商主動適配，開發相應接口的端設備，才能加入到生態體系中。通過驅動協議下沉、協議轉換設備研發，依托供應商考查體系，選用合適的端設備廠商，主動適配其端設備產品，可以構建更靈活的端設備生態體系。

5)信息安全技術。物聯網除面臨物理安全、運行安全、數據安全等一般信息網絡的安全問題外，還面臨特有的威脅和攻擊, 如物理俘獲、傳輸威脅、阻塞干擾、信息篡改等[13]。對于感知層網絡，受端設備資源限制，可采用接入授權及輕量級數據加密組合的方式[14]。邊緣網關中內嵌允許接入感知層端設備列表，網關不接收未經授權設備上報數據。輕量級數據加密則可采用64位ECB分組加密算法，資源負荷較低。對于邊緣網關到云平臺之間的傳輸網絡，可采用網關授權、數據AES加密機制。通過邊云協同訪問控制，云端可阻止未經授權的訪問。同時，為防止數據包在網絡傳輸中被異常截獲，采用128位AES加密算法加密數據，增強數據安全性[15]。正常授權的邊緣網關數據傳輸到公有云平臺后，還涉及到云平臺的數據分發問題。公有云平臺容納了不同用戶網關上傳的數據，云平臺可將用戶賬號與端設備綁定，使得不同用戶間數據隔離，從而保護用戶隱私，避免信息泄露。

3 工程應用案例

以上介紹的依托邊緣網關的物聯網技術體系已被應用在多個智慧照明項目中，杭州市主城區路燈桿綜合利用項目是其典型應用案例之一。該項目包含節能改造和信息化建設兩部分，其中節能改造包含主城區范圍內的5.6萬盞路燈智慧化改造，安裝30765個免維護單燈控制器接入到云端管理平臺；信息化建設要完成“一中心兩個平臺”以及大橋吊桿索力監測、隧道結構安全監測、污水管網監測、河道船只定位、道路超重車輛監測等10個物聯網試點。

杭州市主城區路燈桿綜合利用項目中，路燈智慧化改造依托NB-IoT單燈控制器，直接連接云端管理平臺；信息化建設則采用邊緣網關架構，使用的LoRa網關具備LoRa無線、WIFI、LAN、RS485等多種端設備通信接口，可接入符合MODBUS RTU、CJ/T 188、DL/T 645等標準協議的智能設備，同時通過協議編輯可接入非標協議智能設備，如圖4所示，通過網關匯聚管網數據、環境數據、河道船只定位數據，并經網關連接云端管理平臺。

圖4 杭州主城區路燈桿綜合利用項目的市政信息化系統架構

云端管理平臺針對照明業務的管、養、建等不同環節，利用工作流引擎對業務流程進行改造，將線下巡察人員、管養車輛、設備設施、線路耗材等多維度管理對象納入統一管理體系，開放移動端運維能力，打通線上線下業務，強化故障與派工聯動，在適配當前業務特點的同時，為長效管理和績效考核提供基礎數據支撐，確保了管理閉環。在日常運營過程中，平臺對獲取到的大量城市照明基礎數據進行深化挖掘和分析，探尋數據間的關聯性，實現對設備故障的相關性分析、養護工單的原因排名，以及各種實時狀態數據的集中化展示，從而運用技術的手段輔助管理的決策，真正意義上實現城市智慧化、數字化照明管理。

該項目已經完成5.6萬盞路燈改造，單燈上線率超過99%。項目利用物聯網技術，將城市照明等市政基礎設施變得智能化，具備自我診斷、自我報警功能，提升了市政設施運維效率，降低了運維成本。

4 結束語

依托物聯網技術，城市道路智慧照明將成為智慧城市建設中重要的著力點。圍繞多功能智慧燈桿、打造端設備開放性生態體系、構建城市市政物聯網網絡，將各類市政設備方便地接入到城市運行管理平臺，可以提升市政設施運維效能、美化城市道路空間環境、節約城市基礎設施投資及運維成本。