城市照明規(guī)劃中的智慧照明指標(biāo)研究

王錫銘，張明宇，王 超，吳傳德

(天津大學(xué) 天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津 300072)

引言

隨著智慧城市建設(shè)的不斷推進，新形勢下的城市照明規(guī)劃應(yīng)當(dāng)如何編制成為了一個新的研究領(lǐng)域。為了更好地協(xié)同智慧城市發(fā)展，城市照明同樣需要實現(xiàn)智慧化、聯(lián)動化、網(wǎng)絡(luò)化與協(xié)同化。作為基礎(chǔ)，研究確立照明規(guī)劃中的智慧照明指標(biāo)是具有現(xiàn)實意義和應(yīng)用價值的。

作為智慧城市規(guī)劃的一項重要組成部分，城市照明規(guī)劃的內(nèi)涵也得到進一步的擴展[1]。智慧城市的建設(shè)明確了城市照明規(guī)劃未來的發(fā)展方向，提高了城市照明規(guī)劃中網(wǎng)絡(luò)信息化地位，強化了在規(guī)劃編制與實施過程中與其他城市系統(tǒng)的聯(lián)動與配合。智慧城市照明規(guī)劃的分區(qū)定位與框架體系(空間總量、空間布局的確定)應(yīng)在參照城市總體規(guī)劃的基礎(chǔ)上，貫徹智慧城市發(fā)展綱要中的相關(guān)要求，同時智慧城市各功能區(qū)設(shè)立了信息收發(fā)單元，照明規(guī)劃建設(shè)的分區(qū)構(gòu)成也需對應(yīng)其特點進行調(diào)整。

以上說明了城市照明規(guī)劃的智慧化是一項由上至下的，由智慧城市的理論細(xì)化落實而成的系統(tǒng)工程。本文將從城市需求、智慧城市需求、城市照明規(guī)劃需求對應(yīng)到智慧城市照明規(guī)劃的功能指標(biāo)確定，層次遞進逐步完成分析。

1 智慧城市需求分析

1.1 城市需求

國內(nèi)外的城市研究有一項基本共識，即城市是一個復(fù)雜的綜合系統(tǒng)，由五大核心系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)以協(xié)作的方式協(xié)同運行[2]。這五大核心系統(tǒng)包括：基礎(chǔ)設(shè)施、資源環(huán)境、市政管理、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟和社會民生，對應(yīng)城市發(fā)展需求理論五個方面，即基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、資源環(huán)境提升、城市管理精細(xì)化、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟優(yōu)化和社會民生服務(wù),共同組成城市生態(tài)系統(tǒng)。我國當(dāng)前的發(fā)展階段中，城市五大核心功能系統(tǒng)面臨著全新的機遇與挑戰(zhàn)，這就要求該五大系統(tǒng)之間能夠形成有效的整合與協(xié)作。

1.2 智慧城市需求分析

“智慧城市”的建設(shè)可有效解決五大核心系統(tǒng)所面臨的挑戰(zhàn)，對城市建設(shè)與發(fā)展過程中產(chǎn)生的各種問題進行有效地應(yīng)對。中國智慧城市論壇2020年發(fā)布的《智慧城市研究報告》中提出了智慧城市五個建設(shè)目標(biāo)，對應(yīng)五大核心系統(tǒng)可將建設(shè)目標(biāo)概括為：

1)基礎(chǔ)設(shè)施智能化。新一代的公共城市綜合信息公共基礎(chǔ)通訊設(shè)施的優(yōu)化建設(shè),具有高度的城市一體化、智能化鮮明的時代發(fā)展趨勢特點。

2)生活環(huán)境宜居化。提高了數(shù)字化環(huán)境信息技術(shù)在城市居民的生活環(huán)境中的覆蓋和應(yīng)用的范圍,建立了環(huán)境信息化智能監(jiān)測與管理體系，進一步地提升了居民的環(huán)境。

3)城市管理精細(xì)化。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控等現(xiàn)代信息技術(shù)手段應(yīng)用于智慧城市的建設(shè)和運行管理過程中，使得智慧城市的建設(shè)和運行更加安全高效。

4)重點產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新化。全方面推動信息技術(shù)重點產(chǎn)業(yè)，鼓勵云計算、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的應(yīng)用。

5)公共服務(wù)便捷化。推動包括智慧健康醫(yī)療、智慧社區(qū)、智慧家庭教育等智慧城市的應(yīng)用,讓每個居民從日常生活中享受到科技發(fā)展成果。

以上五點構(gòu)成了智慧城市總體需求，同時借鑒目前已經(jīng)編制完成的智慧城市指標(biāo)體系，總結(jié)為：信息基礎(chǔ)設(shè)施、公共基礎(chǔ)設(shè)施、智慧能源、智慧環(huán)保、智慧政務(wù)、智慧城管、智慧產(chǎn)業(yè)、智慧醫(yī)療、智慧教育、智慧民生等?？偨Y(jié)以上指標(biāo)并將其與智慧城市的五大方面進行對應(yīng)，梳理出具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 智慧城市總體需求對應(yīng)關(guān)系表

2 智慧城市照明規(guī)劃需求分析

2.1 智慧城市規(guī)劃需求

通過智慧城市規(guī)劃需求分析，將智慧城市需求劃分為五個方面，即基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、資源環(huán)境提升、城市管理精細(xì)化、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟優(yōu)化、社會民生服務(wù)。結(jié)合各應(yīng)用需求、相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與文獻研究[3]、智慧城市評價體系統(tǒng)籌分析智慧城市需求及“十三五”規(guī)劃的要求，智慧城市規(guī)劃應(yīng)圍繞智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)劃、智慧城市資源環(huán)境空間提升、智慧城市功能及管理規(guī)劃、產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)規(guī)劃、公共服務(wù)設(shè)施規(guī)劃，五個方面開展智慧化應(yīng)用規(guī)劃。

2.2 智慧城市照明規(guī)劃需求

智慧城市建設(shè)的五大需求為城市建設(shè)的五大方面提供了要求與指引。智慧城市規(guī)劃建設(shè)作為智慧城市建的子集，進一步明確與限定了規(guī)劃維度下智慧城市發(fā)展的具體需求，最后通過城市照明規(guī)劃的結(jié)構(gòu)與智慧城市規(guī)劃相對應(yīng)，智慧城市規(guī)劃提供需求目標(biāo)，城市照明規(guī)劃提供業(yè)務(wù)場景，推導(dǎo)出城市照明規(guī)劃的具體需求[4]如圖1所示。

綜上，智慧城市對于城市照明規(guī)劃實際的影響可以概括為以下六個方面：對于城市信息互聯(lián)互通系統(tǒng)的影響、對于城市照明基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的影響、對于城市照明節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)的影響、對于城市照明管理服務(wù)系統(tǒng)的影響、對于發(fā)展城市夜間經(jīng)濟的影響以及對于智慧人居光環(huán)境營造的影響。

圖1 智慧城市照明需求對應(yīng)表

2.3 智慧城市照明實現(xiàn)功能

分析智慧城市建設(shè)五大方面落實到城市智慧照明規(guī)劃中的具體要求，即具體的智慧城市照明規(guī)劃實現(xiàn)的功能時，國內(nèi)外學(xué)者的通常做法是智慧照明建筑板塊明確底層需求從而實現(xiàn)對應(yīng)。本文通過對應(yīng)智慧城市具體建設(shè)板塊，結(jié)合城市照明規(guī)劃的實際業(yè)務(wù)需求，提出智慧照明需要實現(xiàn)的功能，包含：智慧城市照明信息平臺、智慧城市照明基礎(chǔ)設(shè)施、智慧照明節(jié)能環(huán)保、智慧照明空間優(yōu)化、與智慧城市管理的配合輔助、城市夜間經(jīng)濟、智慧光環(huán)境、智慧光健康、智慧光品質(zhì)、交通輔助共計10項功能。推導(dǎo)過程如圖2所示。

3 智慧城市照明指標(biāo)研究

以上五類智慧城市建設(shè)需求需要通過城市照明規(guī)劃中的相關(guān)指標(biāo)進行回應(yīng)，本文結(jié)合智慧城市照明需要實現(xiàn)的功能論述與分析推導(dǎo)出智慧城市照明的相關(guān)指標(biāo)。

3.1 城市信息互連互通系統(tǒng)

城市照明信息互連互通系統(tǒng)涵蓋智慧城市照明平臺類指標(biāo)。智慧城市照明系統(tǒng)的架構(gòu)分為智慧照明總體規(guī)劃階段、智慧照明詳細(xì)規(guī)劃階段、智慧照明用戶終端設(shè)計三層架構(gòu)，以及有線傳輸、無線傳輸(5G物聯(lián)網(wǎng)等)兩條路徑。每層架構(gòu)及路徑均應(yīng)有其對應(yīng)指標(biāo)。具體運作方式見圖3[6]。其重點需求在于整個照明信息化平臺的搭建能力，其中包含兩部分：網(wǎng)絡(luò)與信息能力、技術(shù)創(chuàng)新能力。

圖3 智慧城市照明系統(tǒng)架構(gòu)圖

1)網(wǎng)絡(luò)與信息能力指標(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)與信息能力指標(biāo)是城市智慧平臺搭建的核心能力，其內(nèi)容包含兩部分：信息資源能力、網(wǎng)絡(luò)安全能力。其中信息資源能力主要考察對于城市信息資源的綜合運用能力，具體包括：①照明信息資源開放率，向公眾開放的程度，向資源數(shù)據(jù)研究機構(gòu)的資源開放程度；②信息資源共享率，主要指城市管理機構(gòu)之間信息資源聯(lián)網(wǎng)共享的比例；③通信協(xié)議通用度，智慧照明系統(tǒng)的多種信息采集收發(fā)裝置的底層通信協(xié)議的通用度會影響到整個系統(tǒng)的易用性和可靠性；④信息資源開發(fā)利用占比；⑤互聯(lián)網(wǎng)帶寬承載力，考察地區(qū)的帶寬承載能力是否適應(yīng)智慧照明對于帶寬的巨大需求[7]。

表2 城市信息互聯(lián)互通系統(tǒng)指標(biāo)集

2)技術(shù)創(chuàng)新能力指標(biāo)。

創(chuàng)新能力是促進智慧照明發(fā)展的重要因素，在城市智慧照明中的創(chuàng)新能力主要包含兩部分：信息技術(shù)創(chuàng)新能力與照明技術(shù)創(chuàng)新能力。信息技術(shù)創(chuàng)新能力主要包含： 新一代信息技術(shù)應(yīng)用比，即5G、近場通信或者NB-IOT等技術(shù)的應(yīng)用的占比；新型的科研成果的轉(zhuǎn)化率，技術(shù)研發(fā)創(chuàng)新率。照明技術(shù)的創(chuàng)新能力中包含新一代光源技術(shù)的應(yīng)用占比，即應(yīng)用新一代光源技術(shù)的燈具之占比。

3.2 城市照明基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)

城市照明基礎(chǔ)設(shè)施類指標(biāo)包含三個組成部分，分為智慧城市照明空間覆蓋類指標(biāo)、智慧照明硬件質(zhì)量評價類指標(biāo)、網(wǎng)絡(luò)硬件評價類指標(biāo)。用于考察評價城市智慧照明規(guī)劃設(shè)計過程中智慧照明的各個硬件組成部分的分布情況，硬件質(zhì)量等要素[8]。

1)智慧城市照明空間覆蓋類指標(biāo)。

現(xiàn)行的城市照明規(guī)劃在城市照明空間結(jié)構(gòu)體系與分級的內(nèi)容中主要控制的是城市照明框架體系，包括道路體系、節(jié)點體系、山水體系、片區(qū)體系；城市照明分級體系：重要級、一般級、控制級。所以現(xiàn)階段在城市照明框架體系中智慧照明體系應(yīng)當(dāng)覆蓋在重點道路、重點節(jié)點、城市級重要山水景區(qū)、重點片區(qū)內(nèi)的大型公共建筑(廣場、車站、大型文化體育場館等)中，用智慧照明系統(tǒng)在其中的覆蓋率作為評價指標(biāo)。具體指標(biāo)見表3。

2)智慧照明硬件質(zhì)量評價類指標(biāo)。

智能燈桿作為城市智慧照明的主要載體，與傳統(tǒng)路燈一樣沿著城市道路分布，其分布特點決定了此類智能設(shè)備易于組網(wǎng)聯(lián)結(jié)，如同城市的“血管”、“神經(jīng)”，起著路面照明調(diào)節(jié)、各類信息收集、發(fā)布、交互、拓展其他的智能功能的作用。智慧燈桿可以說是城市智慧照明中最重要的硬件組成部分，所以智慧燈桿以及其相關(guān)的供配電設(shè)施的質(zhì)量評價也是城市智慧照明評價體系中重要的組成部分。具體指標(biāo)見表3。

表3 城市信息互聯(lián)互通系統(tǒng)指標(biāo)集

其中智慧燈桿監(jiān)控傳感硬件評價作為智慧燈桿功能性的參考評價，主要考慮目前的技術(shù)水平下智慧燈桿整體的完善度與先進性的評價。智慧照明電容量匹配度也是一項重要指標(biāo)，多功能智慧燈桿與傳統(tǒng)燈桿相比新增多項功能同時還具有拓展性，這就要求在布置了智慧燈桿的區(qū)域需要重新計算確定合理的電容量、提供科學(xué)合理的供配電方案，以達(dá)到最佳的使用效果。

3)網(wǎng)絡(luò)硬件評價類指標(biāo)。

網(wǎng)絡(luò)硬件在智慧照明指標(biāo)中的重要性不亞于智慧燈桿，它為智慧照明整體的組網(wǎng)通信以及輔助智慧城市的深度融合都起到關(guān)鍵作用，指標(biāo)主要考察相關(guān)寬帶的建設(shè)情況以及開放政策。具體指標(biāo)見表3。

3.3 城市照明空間資源優(yōu)化

空間資源優(yōu)化包含兩部分意義，其一是城市智慧照明空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化，即通過智慧化的照明分區(qū)、動態(tài)化的照明分級優(yōu)化原有的城市晚間光環(huán)境；其二是資源優(yōu)化，即城市照明規(guī)劃的節(jié)能環(huán)保指標(biāo)。

1)空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化。城市智慧照明空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要包含：①智慧城市要素選取評價，智慧照明結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成要素的選取，在原有要素的基礎(chǔ)上需考慮城市智慧數(shù)據(jù)中心、5G基站等節(jié)點要素[9]；②產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)全面性評價，應(yīng)回應(yīng)智慧城市中智慧產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整對結(jié)構(gòu)體系帶來的新影響；③照明結(jié)構(gòu)一致性評價，智慧照明結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建需以智慧城市總體規(guī)劃的要求保持一致與協(xié)調(diào)。

2)節(jié)能與環(huán)保。節(jié)能與環(huán)保是城市照明規(guī)劃中一個重要的組成部分，在智慧城市照明規(guī)劃中由于技術(shù)更新同樣會為節(jié)能環(huán)保實際成效帶來新的機遇與挑戰(zhàn)。

由于智慧照明系統(tǒng)采用自動調(diào)光燈具且一些先進的系統(tǒng)會有照度監(jiān)測功能，更易于將路面的亮度控制在相對合理的范圍內(nèi)。通過具體指標(biāo)反映節(jié)能狀況，詳見表4。

其中，景觀照明對象的規(guī)?？刂坡史从车氖侵腔壅彰饕?guī)劃后的景觀照明規(guī)模數(shù)量與智慧照明規(guī)劃前的景觀照明規(guī)模數(shù)量的比率，旨在控制城市內(nèi)不要過度增加景觀照明以降低能耗。

照明環(huán)保主要體現(xiàn)在兩部分：①對于光污染的控制;②周期內(nèi)對于硬件設(shè)備的回收問題。指標(biāo)詳見表4。

表4 城市照明空間資源優(yōu)化指標(biāo)集

3.4 與智慧城市管理的配合輔助類指標(biāo)

作為智慧城市的一項重要組成部分，城市智慧照明需要充分與智慧城市進行聯(lián)動配合以推動整個城市的智慧化信息化，更好地服務(wù)市民，使市民感受到智慧化城市所帶來的便利。

1)惠民服務(wù)類?；菝穹?wù)是智慧照明以人為本的重要體現(xiàn)，整體指標(biāo)包含兩大類：輔助智慧城市的信息平臺建設(shè)、城市照明管理服務(wù)。其中輔助智慧城市的信息平臺建設(shè)是考察城市智慧照明系統(tǒng)在參與智慧城市平臺運作時的開放性、管理的協(xié)同性、智慧化率等。城市照明管理服務(wù)則是考察在城市照明管理的過程中為市民提供服務(wù)的時效性滿意度等內(nèi)容，是智慧照明公共服務(wù)的重要體現(xiàn)。

2)交通輔助類。良好的夜間道路照明是夜間交通安全的重要保證，特別是當(dāng)智慧燈桿具備監(jiān)控能力之后，一定程度上可以輔助道路交通安全系統(tǒng)[10]。整體指標(biāo)包含兩大類：與城市交通安全配合、交通信息服務(wù)。其中與城市交通安全配合的部分包括有指標(biāo)：①路況監(jiān)控覆蓋率，即傳感器可以監(jiān)測到的城區(qū)范圍與主要城區(qū)面積之比，這反映了城區(qū)中可以實現(xiàn)自動檢測車況路況的范圍，由于燈桿的密集特點，將比傳統(tǒng)的交通信息采集方式更加全面細(xì)致[11]；②公路應(yīng)急救援反饋速度，這反映了整套智慧城市交通安全大數(shù)據(jù)系統(tǒng)的反應(yīng)速度與帶寬容量；③夜間交通事故發(fā)生數(shù)。

3)行政管理能力。行政管理能力是智慧照明規(guī)劃最終成效的重要先決條件，完善的規(guī)劃編制與政策的保障機制是智慧照明平臺搭建的有效保障。行政管理能力類指標(biāo)主要包含兩部分：政策支持能力、全周期保障能力。其中政策支持能力指在城市智慧照明平臺搭建的過程中政策支持力度，內(nèi)容包括：①平均政務(wù)審批時間；②投融資支持力度。這兩項指標(biāo)都與對智慧照明平臺搭建的效率有直接關(guān)系，前者在各項審批效率上產(chǎn)生影響，后者影響建設(shè)過程中經(jīng)濟支持的力度。其余指標(biāo)詳見表5。

表5 與智慧城市管理的配合輔助類指標(biāo)集

3.5 城市夜經(jīng)濟

城市夜經(jīng)濟中的智慧照明指標(biāo)主要體現(xiàn)在兩個方面：夜景觀覽類指標(biāo)、夜經(jīng)濟促進類指標(biāo)(表6)。

智慧照明夜景觀覽類指標(biāo)包含：平日、節(jié)慶景觀集中控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性、先進性，游覽線路的光環(huán)境監(jiān)測反饋。結(jié)合照明規(guī)劃原則，突出夜景旅游規(guī)劃時空優(yōu)化的智慧度與靈活性。

表6 城市夜經(jīng)濟指標(biāo)集

夜經(jīng)濟促進類指標(biāo)包含夜間商業(yè)活動中心與智慧照明節(jié)點的匹配度、夜市規(guī)劃的統(tǒng)籌度、夜市功能性和拓展性。

3.6 人居光環(huán)境

對智慧人居光環(huán)境營造指標(biāo)包含三個主要方面，即健康類指標(biāo)、安全類指標(biāo)、品質(zhì)類指標(biāo)。

對于光健康層面，得益于智慧城市以及新技術(shù)的應(yīng)用，照明規(guī)劃可以進一步細(xì)化的城市照明結(jié)構(gòu)體系的顆粒度，通過智慧燈桿網(wǎng)絡(luò)精準(zhǔn)反饋，從規(guī)劃層面上改善光污染以及對居民區(qū)的光侵?jǐn)_問題。具體指標(biāo)見表7[12]。

光安全類指標(biāo)包含有安全輔助視覺引導(dǎo)評價、景觀照明動態(tài)調(diào)節(jié)評價。其中安全輔助視覺引導(dǎo)評價是智慧照明又一突出特點，由于智慧照明燈具在除了傳統(tǒng)的照明功能之外還具有傳達(dá)信息的特點，因此智慧照明的輔助視覺引導(dǎo)也是一個重要的考察指標(biāo)[13]，即是否通過照明或者標(biāo)識引導(dǎo)等方式令駕駛?cè)撕托腥烁用鞔_的得到交通指示或者車況路況等信息，進而提高道路交通安全性[14]，見圖4。

圖4 夜間斑馬線道視覺輔助引導(dǎo)(LED光源內(nèi)嵌斑馬線)

智慧光環(huán)境品質(zhì)類指標(biāo)主要回應(yīng)智慧照明規(guī)劃調(diào)整后的提升需求，主要體現(xiàn)在照度水平、光色分布水平、頻閃水平等[15]。

表7 人居光環(huán)境評價類指標(biāo)集

4 結(jié)語

本文通過明確智慧城市對城市照明規(guī)劃的具體需求入手，總結(jié)分析了城市照明規(guī)劃應(yīng)如何回應(yīng)智慧城市的要求，提出包含城市信息互聯(lián)互通系統(tǒng)、城市照明基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)等在內(nèi)的六大類共計51個指標(biāo)，初步形成了智慧城市照明規(guī)劃指標(biāo)集。使得城市照明規(guī)劃在原有完成“點”、“線”、“面”的規(guī)劃結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上需對應(yīng)區(qū)域、重要程度等級實現(xiàn)智慧照明需求，使得城市智慧照明更好的為市民服務(wù)，成為智慧城市不可或缺的組成部分。