智慧照明管理平台建设关键技术研究

智慧照明管理平台建设关键技术研究

范雷

唯得智慧（湖北）科技有限公司   湖北省  武汉市  430000）

摘要：随着“智慧城市”建设的推进，智慧照明成为智慧城市建设的重要抓手，智慧照明管理平台的重要性也与日俱增。文中对国内行业现状和问题进行了分析，提出了智慧照明管理平台建设整体框架，并对平台建设中涉及到的技术关键点和业务关键点进行了分析和讨论。这些技术点的实现以及平台的搭建能有效提升城市照明管理的智慧化水平，节约能源、提升照明管理质量。

关键字：城市照明；智能策略；“三遥”控制；物联网；节能减排。

0引言

近年来智慧城市作为城市发展的新兴模式，是国家推进技术融合、业务融合、数据融合，实现跨层级、跨地域、跨系统、跨部门、跨业务的协同管理和服务的重要抓手。智慧照明作为智慧城市的重要组成是智慧城市的最佳入口和服务载体，传统的“三遥”和简单的监控管理已不能完全满足城市照明管理的需要，如何利用城市物联网、大数据、云计算等新技术成果，通过数据赋能构建新型智慧照明管理平台，对城市照明管理以及城市化建设公共服务都具有重要意义，是当前城市照明信息化建设的重点问题。

1照明信息化建设现状

1.1 城市照明信息化建设现状

经过城市照明行业管理20 多年的快速发展，照明管理和监控已经基本实现光控、时控，以及“三遥(遥控、摇信、遥测)等控制系统”[1]，有条件的管理单位建立了以地理信息系统（GIS）为基础，结合业务管理需要的各类型平台，各型平台涉及数据更为复杂，数据量快速增加。这些智能化系统的建设，有效提升了城市照明管理的信息化水平，提高了管理效率，创造了更安全、舒适、经济、健康的人居环境 ,将城市照明的监控与管理推向信息化、智慧化。

1.2 城市照明管理存在的问题

从行业整体情况来看，城市照明部门业务信息化建设短板也比较突出，表现在:

(1)底数不清：路灯、灯具等信息往往还处于人工统计和登记 , 难以准确统计其数量和查找安装位置，缺少标准化的GIS数据;

(2)控制不细:大多数平台对路灯控制只控制到路段,缺乏对每个路灯、灯具的精细化管理和维护；传统的“三遥”系统仅能够完成回路级采集和控制, 无法对单个路灯进行准确定位和实时操控[2]。

(3)节能手段单一：大多数管理单位已经完成或已经部署灯具的LED节能改造降低能耗，但缺少服务于管理要求，更为精准的亮灯管理策略；

(4)缺乏有力的运维支持：运维基本依托人工巡查，问题和故障处置时效性往往达不到群众要求，缺乏更先进的技术和平台来支撑日常维护管理和精准快速集中管控；

(5)管理系统分散：受限于建设的周期性和技术的发展，管理单位往往有不同时期建设平台需要维护，不同平台在数据标准、业务流程、技术架构上往往互不兼容，给照明管理增加了难度。

上述问题反映出照明管理信息系统的建设水平已经落后于智慧城市的建设需要，亟待在技术架构、关键业务和技术上取得提升。智慧照明管理平台是解决上述问题的有效手段。

2智慧照明管理平台总体结构

城市智慧照明管理平台综合使用互联网、地理信息系统（GIS）、城市物联网（IoT）、大数据和智能分析等先进技术，构建城市照明管理“两个网、一张图、一套数据、N种专业应用”的综合管理平台。平台结合“全域管理”新模式，利用物联网和互联网，摸清照明“家底”信息，实现设备数据、事件报警，业务流程、决策分析数据的GIS可视化集成，为照明管理提供设备物联化、资产精细化、分析智慧化、决策科学化、业务流程化的管理平台，为保障城市正常运行和提升政府服务能力提供全方位平台支撑。

图1. 智慧照明管理平台总体结构

3智慧照明管理平台关键技术研究

3.1城市照明物联网建设

路灯灯杆的城域分布和自供电的特性使灯杆成为智慧城市物联网建设的重要承载体，城市照明物联网具备智能照明、高效节能、环境监测、道路监测、业务分析等工具和应用，物联设备模型驱动的泛化物联模型及其实现是实现物联网系统中互联的关键技术。平台构建中通过智能集中控制器实现和管理传感器物联模型与真实设备间的映射、多类型传感器、控制器等物联设备的协议对接，业务分析和智能联动、数据上报和接收的安全转发等。

智能集中控制器是城市照明物联网建设的关键性设备，具有电源管理、网络管理、传感器设备对接、协议安全转发、智能分析和联动以及边缘计算处理等能力，提供4G、Wifi、以太网、RS232、RS485、Modbus蓝牙等多种接口。利用智能集中控制器搭配单灯控制器可以快速搭建智慧照明系统，实现对照明管理中（配电）箱、电(回路)、（灯）杆、灯（控制器）各类设备实时数据采集、数据传输上报，大数据分析研判、节能智能策略分析以及设备启闭、调光指令下发等，实现城市照明节能与智慧化管控。在智慧照明系统基础上扩展传感器、专用设备实现的智慧灯杆系统可实现照明设备数据、环境数据、流量数据、传感器数据、视频数据等监测对象数据的实时采集，数据可通过集中控制器的数据汇聚和协议转发接入到城管、市政、环保、公安、交警、公众服务等部门对应的平台当中，使得数据可以在不同部门当中共享，实现数据融合共享，提高业务效率。

3.2以GIS为基础的智慧照明“可视化一张图”

随着地理信息系统（GIS）在国内的应用普及，在地图上显示灯杆位置、灯控位置已经成为了常见的“一张图”的功能。另一方面，“一张图”显示设备位置仅仅是使用了GIS系统的空间定位这个基本功能，如何利用GIS系统深层次的网络分析、拓扑分析、以及多维度数据集成显示和交互需要在智慧照明“可视化一张图上实现”。

可视化一张图基于三维GIS平台，具体内容包括资产和设备位置信息管理、采集数据上图、事件报警数据上图、运维任务、人员、车辆轨迹上图以及数据分析和研判结果图上可视化，可视化一张图需要适配照明大数据应用场景，支持10万个以上地图点的绘制、聚合计算。

可视化一张图具备数字孪生应用，可以以DEM（数字高程模型）、DSM（数字地表模型）数据为基础数据，结合街道、园区三维场景和设备三维模型，进行全域时空数据三维可视化、故障报警自动三维定位、设备查询和远程控制、运维导航、人员车辆追踪等业务功能。

3.3大数据赋能

城市智慧照明管理的大数据赋能体现在建立基于照明大数据的“数据-智慧”决策范式，是以大数据为基础，以计算（算法）为手段，以平台为支撑，以最优决策为目标，建立城市照明大数据演变的智慧决策模型[3]，模型的关键点在于通过对大规模、多样性、快速性、低价值密度的数据资源进行持续性的实时采集、聚类分析、业务耦合以及可视化呈现，发现数据自身以及数据之间蕴含的规律和价值，实现对照明管理事态的全面感知与运维风险的精准识别，提炼出运营状态特征画像，以及运维管理分析模型。

运营状态特征画像根据运维管理维度对当前运营状态进行分析的功能，画像支持的维度包括设备在线率监测及统计分析、亮灯率监测及统计分析、能耗监测及统计分析、节能统计分析、运维工单监测及统计分析、告警统计、故障事故监测及统计分析。画像分析结果包括雷达图和综合评分、改进建议等。

运维管理分析模型采用多维度特征提取算法，结合监测数据时序分析建模和空间分布模型，建立城市照明系统故障诊断和预警模型。针对照明大数据处理的实时性、并发性和可拓展性等要求，主要研制型号故障率分析模型、故障高发空间分布分析、运维需求预测、运维能力热力分析、节能统计分析的分析模型。可扩展的服务器集群上实现大规模数据并行处理的多种数据挖掘算法库。

3.4智能节能策略

对城市功能照明及夜景照明进行分时、分模式智能调控，可以在满足城市服务需求的同时，有效降低能耗[4]，大多数已建设的照明管理系统根据定时策略或者经纬度策略对照明进行分时控制，但缺乏更有效的智能调控。

智慧照明控制系统的能耗监测和节能策略呈现于多参数、强耦合等复杂特性[5]，将城市级别的节能策略在空间和时间域上进行分解，建立基于多参数模糊控制系统模型。空间域上，城市空间被分解成细化成不同的道路和路段，不同道路和路段的车流、人流、环境活动、要素并不一致，可以通过监测获得的用能数据或是结合实地的传感器（例如雷达传感器）数据研判，利用模糊控制规则建立相应的智慧照明模糊控制模型，以细分的路段和单灯作为能耗计算和节能分析节点进行节能策略配置；时间域上，针对多种场景的照明控制要求，进一步建立能耗统计判定和节能规则，从而建立不同路段和场景进行融合的照明控制模型，真正实现“按需照明”的智能节能策略决策，为实现碳达标服务。

3.5数据支撑的流程化运维

智慧照明管理平台采用数据支撑的流程化运维，数据支撑体现在两方面，一方面来自数据赋能的大数据分析研判，为运维计划、应急处置提供了依据，另一方面的数据来自持多数据来源的事件信息聚合，事件信息来源也分为两块，一部分是平台内部根据业务规格自动巡检规格发现的事件、报警，另一部分是来自平台外的信息，可以是来自市民来电、上级平台转发、短信告知、巡查APP上报问题等。所有的事件、问题可以根据业务规则自动转化为工单任务进行排查和维修，进入处理流程。系统基于动态的事件数据自动控制流程实现维护管理工作精确可控。流程由事件数据驱动，具有触发生成任务、任务下发、转发、过程跟踪催办、完结上报、进度监督和分项统计分析等功能。通过流程化的运维管理系统，以业务流转为核心，以综合信息服务为基础，以内外部信息综合查询为服务，全面提高路灯管理局各部门的办公效率、规范管理行为，提升单位的核心价值。打造城市照明管理的“设备-数据-运维”一体化业务平台，便于运维和管理人员实时掌握照明灯具的真实运行状况，有效应对照明灯具的突发故障及应急处理，提升城市照明系统的管理养护水平。 

4 结束语

我国照明管理平台的建设方兴未艾，各地建设重点、建设水平并不一致，文中针对行业照明管理中存在共性问题，针对性提出城市智慧照明管理平台的建设框架和关键技术，为提升公共照明管理水平，推动城市照明精细化管理,促进城市照明节能减排服务，并可作为智慧城市建设的有益参考。

参考文献

[1]张宏征，吴雨婷，冯子龙，王立雄，于娟.智慧照明应用在智慧城市中的作用[J].照明工程学报，2020（5）：125-130

[2]杨斌，王加阳.基于微服务架构的智慧照明管理平台。计算机系统应用.2021,30(09)：110-115

[3]邱国栋，王易.“数据-智慧”决策模型:基于大数据的理论构建研究［J］.中国软科学，2018（12）:17-30

[4]刘友泉，新形势下城市夜景照明建设的节能策略 ［J］.《光源与照明》,2022（04）：19-21

[5]唐明旭，基于AHP-FCE运营公路隧道照明能耗动态评价 ［J］.《交通节能与环保》:2023（05）:1-10

作者简介：范雷（1974），男，湖北，华中理工大学机电一体化专业毕业，美国RPI大学访问学者。湖北信息产业厅、省经济和信息化委员会从事多年信息化及两化融合工作，现任唯得智慧（湖北）科技有限公司、深路医学科技（武汉）有限公司董事长兼总经理。