大數(shù)據(jù)技術(shù)在智慧城市照明建設(shè)中的應(yīng)用

劉紫燕等

【摘 要】我國城市照明節(jié)能具有巨大潛力，以城市路燈設(shè)施為例，其數(shù)量多、區(qū)域廣、用電總量巨大，但是能源利用率依然不高，浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。文章重點(diǎn)探索使用大數(shù)據(jù)方法實(shí)現(xiàn)智慧城市照明建設(shè)，提出了一種包含中央控制器、通信模塊和多種傳感器的智慧照明系統(tǒng)架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，以信息感知為基礎(chǔ)，進(jìn)一步組建城市智能交通和智能安防系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】大數(shù)據(jù)；智慧城市；照明管理；信息感知

【Abstract】The energy-saving technology on city lighting system comes with immense potential in our country. For example， there are numerous street lamps covering tons of area and takes immense amounts of energy consumption. However， the energy efficiency remains at low level， leading to the waste of electricity. This paper explores the way to achieve smart city illumination construction with utilizing the big data technology， and proposes the smart lighting system architecture of the central controller， the communication modules and a variety of sensors， etc. On this basis， the information perception is considered as the foundation to further constructing the city intelligent transportation and intelligent security system.

【Key words】Big data； Smart city； Illumination construction； Information perception

0 引言

智慧城市的建設(shè)涵蓋大量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，如基礎(chǔ)地理信息、規(guī)劃成果、交通、綜合管線、政策法規(guī)、人口等，如何存儲和使用這些數(shù)據(jù)成為決策者亟需解決的問題。云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了大數(shù)據(jù)的迅猛發(fā)展，為政府提供決策支持，對企業(yè)組織和業(yè)務(wù)流程提供幫助，對城市、交通、醫(yī)療、教育等產(chǎn)生巨大的影響[1]。

本文重點(diǎn)探索基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧城市照明管理，提出了一種包含多種傳感器、中央控制器和通信模塊的智慧照明系統(tǒng)架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，可以構(gòu)建一個(gè)基于云服務(wù)的城市公共照明管理大數(shù)據(jù)平臺，利用云服務(wù)無處不在的特性，實(shí)時(shí)采集城市照明設(shè)備的位置及運(yùn)行狀態(tài)信息，不僅可以為城市提供全方位的路燈信息化運(yùn)維服務(wù)，同時(shí)通過后臺大數(shù)據(jù)分析，挖掘城市路燈運(yùn)行與電網(wǎng)、氣象等的相關(guān)性，為城市照明節(jié)能提供決策支持，同時(shí)也可以為城市智能交通、智能安防提供有效的支撐。

1 大數(shù)據(jù)與智慧城市照明

大數(shù)據(jù)或稱巨量資料，指的是無法在一定時(shí)間內(nèi)用常規(guī)軟件工具對其內(nèi)容進(jìn)行抓取、管理和處理的數(shù)據(jù)集合[2]。智慧城市是把信息技術(shù)充分運(yùn)用在城市的各行各業(yè)之中的基于知識社會創(chuàng)新的城市信息化高級形態(tài)。

在中國，已有90多個(gè)城市開展了智慧城市建設(shè)。然而，在智慧城市的建設(shè)與應(yīng)用中，智慧城市產(chǎn)生的數(shù)據(jù)將從TB到PB級，隨之進(jìn)入大數(shù)據(jù)時(shí)代；大數(shù)據(jù)是智慧城市的核心要素，智慧城市的建設(shè)與應(yīng)用帶來數(shù)據(jù)量的急速增大，而大數(shù)據(jù)無處不在，遍布智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧生活等智慧城市的各個(gè)領(lǐng)域。對大數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲、分類、重組分析、再利用等一系列的智能化處理后，可將其結(jié)果為決策者提供參考[3]。

對于智慧城市的建設(shè)來說，可分為政府主導(dǎo)的建設(shè)和企業(yè)主導(dǎo)的建設(shè)，政府主導(dǎo)的建設(shè)側(cè)重于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的搜集、管理、分析、監(jiān)控和共享，建設(shè)目標(biāo)為智慧政府和公共平臺；企業(yè)主導(dǎo)的建設(shè)側(cè)重于行業(yè)應(yīng)用，主要建設(shè)目標(biāo)為智慧行業(yè)，如智慧交通、智慧醫(yī)療等。盡管側(cè)重點(diǎn)和建設(shè)目標(biāo)不同，但二者是一個(gè)相互協(xié)調(diào)的有機(jī)整體，政府主導(dǎo)的建設(shè)側(cè)重于基礎(chǔ)平臺的搭建，企業(yè)主導(dǎo)的建設(shè)則側(cè)重于實(shí)際應(yīng)用。

城市照明作為智慧城市建設(shè)中重要的組成部分，它服務(wù)于交通安全和人們的生產(chǎn)、生活。城市照明系統(tǒng)遍布城市的每一個(gè)角落，對現(xiàn)有的城市照明裝置進(jìn)行升級，可以簡單快捷的實(shí)現(xiàn)覆蓋面較廣的信息感知網(wǎng)絡(luò)的搭建，實(shí)現(xiàn)路燈管控智能化、信息采集多樣化和信息處理快速化。

2 智慧城市照明建設(shè)存在的問題

目前傳統(tǒng)照明方式還是暴露了不少問題，比如，無法對無功損耗電量進(jìn)行有效管理，對損壞設(shè)備無法進(jìn)行及時(shí)維護(hù)，某些路段、公園等在晚上時(shí)已經(jīng)無人的狀態(tài)下，依舊燈火通明，還有路燈、電纜等設(shè)備經(jīng)常被盜而沒有及時(shí)處理等。具體而言，我國城市照明建設(shè)存在問題包括以下幾個(gè)方面：

（1）重形象、輕科學(xué)規(guī)劃

目前很多城市的夜景照明均存在過于追求城市形象和亮度，科學(xué)分析論證不足、統(tǒng)一規(guī)劃或規(guī)劃相對滯后的問題。出現(xiàn)了該亮的不亮，不該亮的反而很亮現(xiàn)象，整個(gè)城市的夜景分散零亂，沒有主次和特點(diǎn)，這樣的設(shè)計(jì)規(guī)劃不僅浪費(fèi)了能源，而且整體照明效果也不好。

（2）重景觀、輕功能照明

筆者對多個(gè)城市照明項(xiàng)目實(shí)例進(jìn)行分析，其中夜景照明實(shí)例占整個(gè)城市照明工程實(shí)例的2/3；而功能性照明實(shí)例，如道路、橋梁、隧道等照明實(shí)例僅占整個(gè)城市照明工程實(shí)例的1/3左右。明顯反映出了城市照明工程規(guī)劃重景觀、輕功能照明，這也應(yīng)引起我們的高度重視。

（3）照明亮度超標(biāo)

在我國的部分城市因過于追求城市形象，盲目追求燈光照明的亮度，出現(xiàn)了部分城市的交通主要干道路面照明的平均照度，均大大高出我國或國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的照度值（國家規(guī)定主干道的平均照度為30lx），路面平均照度的平均值達(dá)到51lx，個(gè)別路面平均照度竟然達(dá)到105lx。這種盲目追求路面亮度的現(xiàn)象，不僅造成了電能的過度浪費(fèi)，而且還產(chǎn)生了照明眩光、光污染等問題，其照明的負(fù)面效應(yīng)較為突出。

（4）管理問題

由于城市路燈照明系統(tǒng)管理制度的不完善，造成只重建設(shè)輕管理的現(xiàn)象較為普遍，特別是照明工程建成竣工后，照明設(shè)施的維護(hù)管理工作未能跟上，以致不少工程出現(xiàn)亮燈率低，照明效果急劇下降的現(xiàn)象。

3 大數(shù)據(jù)推動智慧城市照明建設(shè)

本文以文獻(xiàn)[4]提出的大數(shù)據(jù)技術(shù)智慧城市照明系統(tǒng)為基礎(chǔ)，綜合考慮解決傳統(tǒng)照明管理不夠細(xì)致的問題，同時(shí)實(shí)現(xiàn)更加智能化的管理并達(dá)到高效節(jié)能目的，構(gòu)建了新的大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧城市照明管理系統(tǒng)，它充分融合先進(jìn)的通信、傳感、云計(jì)算等多種現(xiàn)代化科技手段，使照明在滿足公共照明需求的基礎(chǔ)上更為智能，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)由以下四層構(gòu)成：

（1）采集、控制執(zhí)行層：由多種傳感器、單燈控制器、防盜報(bào)警末端三部分構(gòu)成。傳感器模塊包括攝像頭、噪聲檢測傳感器、空氣污染檢測器、溫度傳感器、濕度傳感器、煙霧感應(yīng)器、亮度傳感器、紅外感應(yīng)器等，可采集路燈周圍環(huán)境數(shù)據(jù)信息。單燈控制器可采集路燈運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，并向路燈監(jiān)控終端（RTU）回傳路燈用電量、運(yùn)行狀態(tài)、照明強(qiáng)度等信息。

（2）前端分布控制層：路燈監(jiān)控終端（RTU）可匯聚分支范圍內(nèi)的傳感器采集信息、路燈用電量及運(yùn)行狀態(tài)等信息。

（3）通信傳輸層：路燈監(jiān)控終端（RTU）和監(jiān)控中心之間釆用無線傳感網(wǎng)或移動通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，路燈監(jiān)控終端（RTU）與每盞路燈單燈控制、電纜防盜末端之間的通訊通過電力線載波通信來實(shí)現(xiàn)。

（4）應(yīng)用處理層：綜合利用采集到的各類數(shù)據(jù)信息及電網(wǎng)、氣象等相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析，并通過所分析的結(jié)果反饋到各分支路燈監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)智能路燈的自適應(yīng)調(diào)節(jié)亮度從而達(dá)到節(jié)能的目的。同時(shí)，可輔助實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測路燈工作狀況，提供路燈故障類型報(bào)警及故障地點(diǎn)通知等功能。

除了對照明輸出支路、供電配電柜、路燈的電流、電壓、功率和能耗信息進(jìn)行采集外，系統(tǒng)還可采集諸如氣象數(shù)據(jù)、車流量和地理位置等信息，這些必將形成海量的數(shù)據(jù)。充分利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，動態(tài)分析并挖掘城市各項(xiàng)信息需求，輔助管理決策者，其邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 發(fā)展前景展望

可以預(yù)見在不久的將來，大數(shù)據(jù)將遍布智慧城市的方方面面。本文構(gòu)建的基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的智慧城市照明管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可以對其功能進(jìn)行擴(kuò)充和延展，進(jìn)而組建智慧城市的二大智能感知系統(tǒng)：智慧交通系統(tǒng)和智能安防系統(tǒng)。

4.1 智慧交通系統(tǒng)

智慧交通系統(tǒng)將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子控制技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)等有效地綜合運(yùn)用于整個(gè)交通運(yùn)輸管理體系，從而建立起一種大范圍內(nèi)、全方位發(fā)揮作用的，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的綜合運(yùn)輸和管理系統(tǒng)。

通過在智慧城市照明管理系統(tǒng)上安裝的傳感器，路燈可以感知行駛在馬路上的汽車速度以及某區(qū)域內(nèi)的汽車數(shù)量。將這些信息上傳至智慧城市智能交通監(jiān)控中心，控制中心就能以傳統(tǒng)方式（如手機(jī)短信、路邊LED廣告牌、收音機(jī)廣播等）及新媒體手段（如Web、微博、微信等）傳播出去，為司機(jī)選擇最佳行駛路線提供參考，為市民出行路線提供選擇依據(jù)，從而有效改善城市交通狀況。

系統(tǒng)通過路燈傳感器獲得的數(shù)據(jù)還可以用于輔助交通規(guī)劃決策，就公交網(wǎng)絡(luò)而言，傳統(tǒng)的方式需要在投入大量人力進(jìn)行OD（起點(diǎn)—終點(diǎn)）調(diào)查和數(shù)據(jù)收集。而路燈傳感器，則讓數(shù)據(jù)更為全面的展現(xiàn)在決策人員面前，人流、車流量數(shù)據(jù)全部可以精確掌握，同時(shí)再利用車輛擁堵時(shí)間，擁堵路段的大數(shù)據(jù)分析后，公交車的線路調(diào)整、增加與減少換乘站的決策就會更加有依據(jù)。

系統(tǒng)的核心是智能路燈，通過這些智能路燈和路燈聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，交通部門是能夠大大增強(qiáng)路面監(jiān)控能力。在有車輛違規(guī)停車，又或是路面上發(fā)生交通事故時(shí)，交警就能第一時(shí)間掌握路面狀況。另外，路燈還 能為交通規(guī)劃者提供參考數(shù)據(jù)，代替目前昂貴的監(jiān)測技術(shù)。

此外，在對路燈采集的大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析，就可以預(yù)測群體出行行為，對其可能出行的時(shí)間，出行路線，出行方式等等進(jìn)行預(yù)測，從而為城市車輛調(diào)度提供決策幫助。

4.2 智慧安防系統(tǒng)

智慧安防是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步產(chǎn)生的一個(gè)全新領(lǐng)域，它使得傳統(tǒng)的安防和計(jì)算機(jī)之間的界限在逐步消失。智慧安防系統(tǒng)通過全新的視頻監(jiān)控和圖像分析，可以幫助城市管理者實(shí)現(xiàn)可視化的感知。

通過系統(tǒng)上的傳感器裝置，可以建設(shè)覆蓋全市的感知網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)鎖定出警人員、警用車輛的地理位置，合理調(diào)度，在應(yīng)對警情的時(shí)候，及時(shí)鎖定警情區(qū)域，搜索附近警力資源，實(shí)時(shí)響應(yīng)，快速出警。

基于路燈上安裝的高清攝像頭，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測、采集智能路燈周邊的行人、車輛數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至安防平臺，組建一個(gè)覆蓋全市的智慧安防系統(tǒng)。在案件的偵破中，公安機(jī)關(guān)結(jié)合110報(bào)警平臺，鎖定案發(fā)區(qū)域的警情信息，通過調(diào)用攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，提高案件的偵破效率。

結(jié)合路燈上高清攝像頭采集到的人類行為數(shù)據(jù)，分析犯罪區(qū)域的視頻資料，可以發(fā)現(xiàn)相應(yīng)的犯罪趨勢和犯罪模式。完成對犯罪趨勢、熱點(diǎn)區(qū)域、熱點(diǎn)問題的科學(xué)預(yù)測，對于治安形勢的分析、研判、警力的部署以及重點(diǎn)工作的確定有著極其重要的作用。

在案件高發(fā)路段，行人在來不及，或者沒有條件電話報(bào)警的情況下，可以通過安裝在智能路燈上的“一鍵報(bào)警”按鈕，及時(shí)向附近的治安網(wǎng)點(diǎn)、警力報(bào)告自己的精確地理位置，治安中心接收到報(bào)警請求后可以及時(shí)調(diào)用路燈附近的視頻信息，分析案情，迅速出警。

5 結(jié)束語

本文針對智慧城市照明建設(shè)中存在的困難和問題，結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)提出了智慧城市照明系統(tǒng)體系框架，可對現(xiàn)有路燈進(jìn)行改造，通過在路燈上安裝多種傳感器、控制器和通信模塊，可方便快捷地實(shí)現(xiàn)破壞程度低、覆蓋范圍廣、建設(shè)成本低、智能化程度高的智慧城市信息感知網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可以為我國的智慧城市照明建設(shè)提供有力支撐。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]