分布式照明系統在智慧城市中的應用*

李曉躍，郭麗萍，胡偉良，湯錦蘭

吉安職業技術學院，江西 吉安 343000

0 引言

據華經情報網數據顯示，全球智能照明市場進入高速發展階段。2020年，全球智能照明市場規模突破130億元。工業照明在全球智能照明領域中應用最廣泛，2020年市場占比達51%。隨著我國從“移動互聯”向“萬物互聯”新時代的轉型，物聯網、車聯網、人工智能、大數據等新興產業崛起，城市景觀照明系統也在不斷發展更新，從單純的提供照明到擁有藝術功能，再到現在正在大力發展的智慧照明控制系統，從僅具備照明功能的系統到如今的功能多樣、照明一體化的高科技產物，已經具備構成智慧城市的基礎設施的軟硬件條件。城市照明系統呈現跨片區、跨街道、跨建筑、跨樓道分布，基礎設施數量龐大、覆蓋范圍廣，是智慧城市的最佳感知終端載體。將分布式照明系統與物聯網結合是推進智慧城市基礎設施建設的最佳突破口。

1 物聯網技術

物聯網是指各類傳感器和現有互聯網相互銜接的新技術，具有普通設備對象化、自制終端互聯化和普通服務智能化的特征“萬物互聯”就是把網絡技術運用于萬物組成“物聯網”，如把感應器裝備嵌入交通、水利、醫療、農業、安防、政務等行業使用的設備中，然后將“物聯網”與“互聯網”整合互通，實現人類社會與物理系統的信息融通。利用內網、互聯網、專網環境，采用適當的信息安全保障機制，可為用戶提供安全可靠乃至個性化的實時在線檢測、定位、追溯、報警、聯動等精準化、智能化的管理服務功能。

物聯網技術在智慧城市中應用廣泛。智慧城市的連接通常基于不斷提供豐富信息數據的物聯網網絡。為了獲取這些數據，智慧城市必須依賴大量的智能設備，物聯網網絡可以完成城市信息收集共享的任務，進而解決城市監管治理難題。

2 分布式照明系統的特點和組成

分布式照明系統是針對網絡化的景觀照明設備，通過照明軟件進行統一管理的系統。分布式照明系統具有開關調節、智能調光、定時任務、照明情景模式、音樂模式、GIS地理信息、監控報警、能耗統計、環境監測等功能；從模塊上可分為基礎照明、燈光秀、環境監測、智能安防、預警信息模塊。管理者可根據當地需求切換多種照明場景效果，如在特殊節假日可采用整體聯動、分組聯動或單體照明等工作模式。

分布式照明系統除具備智慧照明基本功能外，現已逐漸向環境信息采集、安防監控、預警信息發布、車流量監測、應急可視廣播等功能方向發展。其中，環境采集設備包含光照傳感器、煙霧傳感器、微波傳感器、PM檢測儀；預警信息發布設備包括LED顯示屏、廣播；安防監控設備包含各類型的高清攝像機、遙控器，在廣播系統的協助下，可以實現可視聚焦，分布在道路兩側的攝像機還可以進行道路的定點車流量監控。分布式照明系統感知設備體系如圖1所示。

圖1 照明系統感知設備體系

2.1 分布式照明系統的特點

（1）高度模塊化。分布式照明系統的硬件網絡部署采用先進的分布式拓撲結構，將照明網絡布局高度分散，并將視頻監控、信息預警、廣播等子系統的音視頻信號進行功能分塊、網絡分區，實現高度自治化、智能化，具有自我診斷和容錯功能。模塊化設計能夠解決信號噪聲干擾、遠距離傳輸衰減、信號質量下降等技術難點。因此，分布式系統結構十分可靠簡單，設計、安裝、運行、維護、檢修也十分方便。

（2）強大的并發能力。分布式照明系統在處理數據的并發能力上采用自上而下的水平擴展方法，該方法的優點在于可線性擴充系統性能。因此，分布式視頻監控子系統可以完全顛覆傳統的“中控+矩陣+傳輸+拼接+融合”的多級配置方法，讓音頻、視頻、控制單元完全網絡化[1]，實現點對點的音視頻對話，非常適用于城市指揮調度中心。

（3）高可靠性。基于物聯網的分布式照明系統可建立無中心化的自組織網絡，網絡去除了中心路由器，依靠先進的分布式算法尋找合適的路徑傳輸數據，即網絡中每個節點均具備通信能力。當網絡中任意路由節點出現故障，其他臨近節點可以充當“臨時”路由器，最大限度地保障分布式照明系統正常工作。一般來說，分布式照明系統可支持雙向通信，即每一個網絡節點同時支持數據的接收和轉發，因此單個節點故障對于系統無影響，無須排查整個照明網絡系統，為運營維護提供便捷，具有真正意義上的網絡自適應、低功耗、安全可靠的特征。

2.2 基于物聯網的分布式照明系統的組成

基于物聯網的分布式照明系統一般分為物聯網感知端、傳輸端、數據端、智慧城市照明平臺，如圖2所示。一般來說，照明系統可以雙向通信，感知端可以將信息數據通過有線、無線網絡等實時傳遞給智慧城市照明平臺；智慧城市照明平臺會根據數據端的分析結果，向感知端發出執行命令，并告知運維部門及時開展相關活動。例如，當物聯網感知端的溫感、煙感、攝像機三者均捕捉到火情，數據端會自主分析火險情況，若情況不好，會通知火警并通過廣播、短信等通知附近居民做好防范。

圖2 分布式照明系統的組成

2.2.1 感知端

主要分布在城市商業、街道、樓宇、公園、山體、水體等公共場所，形成了離散化、分布式子網絡，借助物聯網融合不同網絡，打造更大的區域分布式網絡。在分布式照明系統感知層，以分布式節點為單位，每個節點由路由設備、控制單元、終端設備組成。節點以4G路由器為數據傳輸核心，節點前端集成基礎照明設備與城市感知設備。基礎照明設備包含單燈控制器、LED路燈、LED顯示屏、智慧燈桿；城市感知設備包含高清攝像機、環境檢測儀器、電力電表、定位儀、射頻識別等設備。

2.2.2 傳輸端

可以將不同片區、不同領域信號聯通并傳輸至數據平臺。照明系統在架設網絡時會將不同領域信號分離，如專用控制網絡、視頻網絡、音頻網絡，以保證減少信號干擾。分布式節點網絡傳輸主要采用電信運營商為解決智能硬件聯網和管理推出的4G物聯網SIM卡。物理網SIM卡的外觀樣式和普通SIM卡相同，在照明系統中頗受歡迎。物聯網卡采用物聯網專用網絡號段，能夠滿足搭建物聯網公共服務網絡、建設物聯網專用單元的需求，可以為分布式照明系統提供可靠、安全且穩定的網絡化服務；物聯網卡采用無線通信技術，在照明系統網絡架設有線光纖時，通常會遇到道路無法破開施工的困擾，此時無線通信技術為首選方案。

2.2.3 數據端

具有分析、研判、處置功能。可以將采集到的多方面運行信息結合用戶期望進行深度分析，并將處理策略自動反饋到照明設備，保證照明燈光的亮度、色溫處于合理區間。數據分析還能夠精準定位設備故障及坐標，并及時發出短信警報信息，提醒管理人員及時到達現場檢測與維修。在大數據背景下，智慧城市照明系統的數據處理能力不斷提升，電力網絡的運行效率越來越高，為保證各項數據得到更加高效的利用，要結合智慧城市路燈的照明情況，做好亮度調節工作，在保證智慧城市照明系統可靠運行的基礎上，減少照明系統出現運行故障的次數[2]。

2.2.4 智慧城市照明平臺

依靠完善的信息資源和精準的預測模型及應急機制[3]，實現照明場景化、智慧化、可視化、精細化的管理。通過挖掘場景化的數據，將照明服務貫穿于智能照明的所有場景，讓城市中的每一個人都能享受到智慧照明建設的紅利。在數據治理下，照明系統功能越來越精細化，具備專業、靈活多變的應急模式，可以提供快速應急響應、精準資源調派能力，用于精準提升城市資源利用效能。照明系統的智慧化體現在智慧城市規劃、技術架構搭建、設備運營、維護、信息處理、反饋等活動的統一，打破數據孤島，推進政府高效管理、產業快速發展、民生普遍受惠。

3 基于物聯網的分布式照明系統的應用

3.1 網絡化智慧照明的應用

智慧照明控制設備以功能性照明為主，照明設備的特點包括統一的負載回路管理能力、單燈設備工作狀態的實時監測能力。除了照明設備本身的控制，針對不同應用場景也提出了有較大差異的場景需求，如景觀亮化場景需求、室內亮化場景需求和路燈照明場景需求。智慧照明控制系統應用場景多樣，在道路照明場景下，可實現無線遠程開關燈操作、自動或人工干預遠程無極調光節能，并具有場景定制化的聯動模式，以及數據采集、故障告警等功能。在城市中心廣場的燈光秀中，可實現投光燈、射燈、筒燈聯合音樂噴泉的應用，吸引游客參觀，提升城市形象；在橋梁環境中，可以通過監控中心遠程實時獲取照明設備的運行狀態，既提高了設備管理效率，又降低了運行和維護的成本；針對物流、港口等使用大功率照明的場，能提供最佳的指向性照明，系統側重于通過單燈控制與作業區域的聯動來保證最佳指向性照明，既保證最佳工作照度，又能可靠、低投入地實現節能；在以城市樓宇、山體為片區的美化場景應用中，智慧照明系統可以根據不同場合、人流量進行時間段、工作模式的細分，關掉不必要的照明。通過調光技術、控制技術的結合應用，不但可以為建筑物創造完美的燈光場景，減少人力成本，提升管理“軟實力”，還可以減少人為疏忽造成的電能浪費。

3.2 智慧城市調度指揮中心的應用

運用智慧城市交通調度指揮中心可以提升城市管理水平。基于物聯網的分布式照明系統可融合GIS、音頻、視頻、短信等，并結合周邊應急指揮產品聯合打造一體化城市調度指揮中心，具備道路環境檢測、道路視頻監測、道路安全廣播、道路事故報警等功能。分布式照明道路檢測節點通過交換機連接到中央計算單元，通過總控制終端實現各類信號的控制，為智慧城市的構架起到了一定的積極作用。城市道路運行數據來自以前端照明節點為載體架設的監測儀器，如攝像頭、紅外感應器、環境PM檢測儀，是監測城市運行的重要信息資源。例如，城市交通調度指揮中心以大數據技術為依托，應用數據分析、數據管理、數據處理、數據可視化等關鍵技術，可以快速分析出事故點，為決策者提供事故解決策略。例如，依托大數據技術、人工智能技術，指揮中心可借助高清攝像機抓拍道路行人照片，得到抓拍地點、抓拍時間，并快速建立人臉信息模型，為智能安防提供重要的數據支撐。

結合智慧城市調度指揮中心大數據與人們生產生活數據、政府企業等多行業數據，將激發更多的價值潛力，提升城市的管理水平。例如，在北京已開展綠色智能城市照明監測指揮中心建設，在相關照明設備的狀態監測、緊急搶修、資產管理、客戶服務及政治保障等方面發揮了積極作用。

4 總結

綜上所述，在當前智慧城市大力推進的背景下，應大力建設城市的基礎感知設施。運用基于物聯網的分布式照明系統，能夠實時感知城市的運行狀態，其可充當智慧城市基礎感知設施，進一步降低城市管理的難度和成本，對創建新時代智慧城市發揮一定的推動作用。