林 濤，葉 峰，王 強(qiáng)，李 今

(1.中國(guó)電科五十所，上海 200063；2.蘇州市城市照明管理處，蘇州 215005)

1 概述

隨著城市化進(jìn)程日益加快，城市照明管理[1]已不再局限于對(duì)路燈的管理，而是發(fā)展成為對(duì)所有展現(xiàn)城市景觀、體現(xiàn)城市形象照明設(shè)施的統(tǒng)一管理，目前全國(guó)各個(gè)城市都在結(jié)合自己城市的特點(diǎn)建設(shè)道路照明和亮化工程。為了能夠有效的對(duì)各種城市照明設(shè)施進(jìn)行控制和管理，先后有許多城市建設(shè)了城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，解決了城市照明統(tǒng)一的啟閉、數(shù)據(jù)采集、故障報(bào)警等問(wèn)題，提高了照明控制的實(shí)時(shí)性，大大提升了管理效率和城市照明監(jiān)管水平。但單單解決這一問(wèn)題是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，隨著城市的建設(shè)發(fā)展，城市的規(guī)模越來(lái)越大，照明管理部門管理范圍擴(kuò)大，燈的種類和數(shù)量也增多，社會(huì)對(duì)城市照明提出了更高更新的要求，使得城市照明資產(chǎn)管理的難度越來(lái)越大，運(yùn)營(yíng)成本也越來(lái)越高。同時(shí)仍有不少管理部門(比如縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)、小區(qū)等)由于受到自身規(guī)模、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用等因素影響，并不能采用傳統(tǒng)的建設(shè)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)照明監(jiān)控本地化管理。為此，作為城市照明的管理部門迫切需要一種現(xiàn)代化的管理平臺(tái)，來(lái)提升其管理效率同時(shí)降低運(yùn)行成本。

2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

城市亮化工程已成為城市的名片，各地都把城市夜景照明建設(shè)作為改變城市面貌、改善投資環(huán)境的重要手段，付出的人力和物力越來(lái)越沉重。國(guó)內(nèi)不少照明管理部門一直在尋求解決方案，一些大中城市建設(shè)了“城市照明無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)”，對(duì)提高城市照明系統(tǒng)的控制管理水平發(fā)揮了一定的積極作用。在此基礎(chǔ)上，有的城市還在積極探索城市照明數(shù)字化管理和路燈節(jié)能的技術(shù)和途徑，包括照明資產(chǎn)GIS管理、照明節(jié)電設(shè)備、無(wú)功補(bǔ)償器、電子鎮(zhèn)流器等。但就城市智能照明監(jiān)控管理系統(tǒng)研究發(fā)展水平而言，現(xiàn)在仍然停留在對(duì)城市照明低壓配電設(shè)備的控制管理上，遠(yuǎn)沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)全部設(shè)備工作狀態(tài)的有效智能感知，更談不上智能控制管理。而對(duì)于城市智能照明節(jié)電設(shè)備的應(yīng)用也基本都停留在單體設(shè)備的使用，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的智能監(jiān)測(cè)和智能管理，既不能確保所有設(shè)備都能良好地工作，又不能保證節(jié)能工作時(shí)滿足城市照明的功能標(biāo)準(zhǔn)和照度要求[2]。

放眼國(guó)外，目前歐美不少發(fā)達(dá)國(guó)家都已開(kāi)始在城市照明物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域加大了開(kāi)發(fā)和投資力度，特別是在單燈監(jiān)控領(lǐng)域，比如最近由多個(gè)國(guó)際產(chǎn)業(yè)巨頭，包括東莞勤上光電(Kingsun)股份有限公司、Harvard Engineering、飛利浦(Philips)、施耐德(Schreder)、Streetlight vision和奧德堡(Thorn/Zumtobel)發(fā)起并參與組建的TALQ聯(lián)盟，正在著手創(chuàng)建全球公認(rèn)的戶外照明網(wǎng)絡(luò)管理軟件接口。目的是建立一份介于中央管理系統(tǒng)和戶外照明網(wǎng)絡(luò)之間定義清晰的協(xié)議規(guī)范，并對(duì)規(guī)范進(jìn)行推廣、符合性認(rèn)證等方式，從而推動(dòng)戶外照明網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的應(yīng)用發(fā)展。這樣，客戶可以使用單一的用戶接口界面管理他們的戶外照明設(shè)施，并可以與其他廠家的產(chǎn)品進(jìn)行兼容。這個(gè)想法就已經(jīng)涉及到了云的概念，如果這一規(guī)范被認(rèn)可并推廣，將給世界的城市照明管理帶來(lái)革命性的突破。

再返觀國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，經(jīng)過(guò)二十年左右的發(fā)展，城市照明集中控制技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，90%的省會(huì)城市、60%以上的地級(jí)市已經(jīng)完成了路燈監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)。但是由于地域發(fā)展的不平衡和系統(tǒng)規(guī)模的限制，仍有大量的地方處于城市照明智能化管理的空白。同時(shí)即使在已開(kāi)展相應(yīng)工作的城市，要進(jìn)一步提高照明管理水平直至“智慧”還有很漫長(zhǎng)的道路，國(guó)內(nèi)城市照明監(jiān)控基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也才剛剛起步。

3 物聯(lián)網(wǎng)照明云平臺(tái)組成

如圖1所示,物聯(lián)網(wǎng)照明云平臺(tái)設(shè)計(jì)為三部分：集團(tuán)云中心側(cè)、現(xiàn)場(chǎng)云控制器構(gòu)成的終端側(cè)和用戶應(yīng)用側(cè)。

3.1 集團(tuán)云中心側(cè)

系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。集團(tuán)云中心側(cè)包含了大量的軟硬件建設(shè)，系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)分為物理資源層、資源池層、管理中間件層、構(gòu)建層。

根據(jù)“規(guī)模大、虛擬化、按需服務(wù)、通用性”的建設(shè)目標(biāo),構(gòu)建基于云計(jì)算的智慧照明管理平臺(tái)。物理資源層包括計(jì)算機(jī)、存儲(chǔ)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫(kù)和軟件等。資源池層將大量相同類型的資源構(gòu)成同構(gòu)的資源池，構(gòu)建該層更多的是物理資源的集成和管理工作。管理中間件層負(fù)責(zé)對(duì)云計(jì)算的資源進(jìn)行管理，并對(duì)眾多應(yīng)用任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，使資源能夠高效、安全地為應(yīng)用提供服務(wù)。構(gòu)建層將云計(jì)算能力封裝成標(biāo)準(zhǔn)webservice服務(wù)，并納入到SOA體系進(jìn)行管理和使用[3]。云中心將提供照明管理服務(wù)快速交付、虛擬化通訊網(wǎng)絡(luò)、關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)挖掘、獨(dú)享的GIS資源等服務(wù)。

3.1.1 虛擬化通訊

虛擬化通訊是由一個(gè)通訊服務(wù)器的集群構(gòu)成，并由云計(jì)算控制中心的核心組件“動(dòng)態(tài)負(fù)載與調(diào)度服務(wù)主控系統(tǒng)”通過(guò)用戶或終端的訪問(wèn)量實(shí)時(shí)的統(tǒng)一的進(jìn)行協(xié)調(diào)與管理。而每個(gè)通訊服務(wù)器中的通訊子系統(tǒng)可通過(guò)該主控系統(tǒng)發(fā)送的調(diào)度指令進(jìn)行可控的動(dòng)態(tài)增減，以實(shí)現(xiàn)最大幅度的享用單臺(tái)通訊服務(wù)器的有效資源。

3.1.2 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)

隨著照明監(jiān)控系統(tǒng)的大量普及安裝，監(jiān)控系統(tǒng)所獲取并存儲(chǔ)的視頻數(shù)據(jù)容量正以驚人的速度增長(zhǎng)，這些數(shù)據(jù)包含了現(xiàn)實(shí)世界中的大量信息，能夠?yàn)槲覀冊(cè)谡彰鞴芾砩蠋?lái)巨大的價(jià)值。照明云平臺(tái)使分析數(shù)以萬(wàn)計(jì)的數(shù)據(jù)集，并從中獲取信息變?yōu)榭赡?。我們可以通過(guò)云計(jì)算強(qiáng)大處理問(wèn)題，采用蒙特卡羅算法[4]對(duì)海量運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果來(lái)分析他們的共性，得到貼近真實(shí)情況的故障概率模型，來(lái)對(duì)當(dāng)前設(shè)備未來(lái)運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)照明云平臺(tái)組成圖Fig.1 Lighting cloud platform of IOT

3.1.3 獨(dú)享的GIS資源

智慧照明云GIS服務(wù)基于一個(gè)開(kāi)放的、標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)——ArcGIS Online[5]。該平臺(tái)內(nèi)含世界地圖基礎(chǔ)地圖及影像集，以及全球GIS用戶共享并在目錄中登記的近100000個(gè)數(shù)據(jù)集及地圖服務(wù)。通過(guò)融入我們的照明設(shè)施地理信息服務(wù)技術(shù)，結(jié)合覆蓋全國(guó)的路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)和照明設(shè)施數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠?yàn)槭褂谜咛峁┮粋€(gè)獨(dú)享的GIS服務(wù)。服務(wù)內(nèi)容不僅包括設(shè)施位置、拓?fù)潢P(guān)系等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，還包括設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)報(bào)告、照明設(shè)施管理決策參考等知識(shí)服務(wù)。用戶可以通過(guò)靈活的部署來(lái)擴(kuò)展系統(tǒng)，能夠輕松的訪問(wèn)、查詢和使用這些地理空間資源來(lái)創(chuàng)建和共享資產(chǎn)信息資源和執(zhí)行地理空間分析，實(shí)現(xiàn)以較低的成本來(lái)獲取GIS產(chǎn)生的價(jià)值。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)云控制器構(gòu)成的終端側(cè)

現(xiàn)場(chǎng)云控制器構(gòu)成的終端側(cè)涉及的內(nèi)容也相當(dāng)多，目前可實(shí)施的主要可分為：物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、現(xiàn)場(chǎng)云控制器建設(shè)以及照明設(shè)施電子標(biāo)簽化。

3.2.1 物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

構(gòu)建大區(qū)域跨介質(zhì)的物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)全國(guó)范圍內(nèi)照明設(shè)備與集團(tuán)云中心的互通、互聯(lián)。具體而言：就是依托現(xiàn)代通信技術(shù)，包括：GPRS、CDMA、3G、光纖、WiFi、Zigbee、電力載波等等。將集團(tuán)云中心與所有監(jiān)管城市照明設(shè)施的云控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，在此過(guò)程中可能要根據(jù)各種通信方式的特點(diǎn)進(jìn)行多級(jí)通訊。比如：集團(tuán)云中心到低壓配電柜(變壓器、節(jié)電器)控制終端設(shè)備采用GPRS/3G 公網(wǎng)通訊網(wǎng)絡(luò)，從低壓配電柜控制終端設(shè)備到單燈控制器可采用Zigbee或電力載波構(gòu)成二級(jí)通訊網(wǎng)絡(luò)，而此時(shí)低壓配電柜控制終端設(shè)備可作為通信網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)了集團(tuán)云中心與單燈控制器的數(shù)據(jù)交互。

3.2.2 現(xiàn)場(chǎng)云控制器

云控制器主要功能是實(shí)現(xiàn)監(jiān)控和智能感知城市照明現(xiàn)場(chǎng)所有設(shè)備(包括：供電變壓器、照明配電箱、供電電纜、單燈照明電器設(shè)備、照明節(jié)電器設(shè)備等)的工作參數(shù)、工作狀態(tài)，并能對(duì)其實(shí)現(xiàn)智能控制，從而實(shí)現(xiàn)城市照明設(shè)備數(shù)字化、精細(xì)化管理，并實(shí)現(xiàn)城市照明能源的能效管理，避免照明能源浪費(fèi)，最大程度節(jié)約照明能源。對(duì)于云控制器，目前在城市照明領(lǐng)域可以推廣的有很多，先介紹幾種：

(1)低壓配電柜(變壓器)處安裝照明終端監(jiān)控設(shè)備?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)低壓配電柜現(xiàn)場(chǎng)工況參數(shù)檢測(cè)、監(jiān)視、控制。根據(jù)需要，還可在相關(guān)照明配電箱(變壓器)處可安裝智能照明節(jié)電器設(shè)備。

(2)每盞路燈光源設(shè)備處安裝路燈單燈云控制器設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)路燈工作參數(shù)檢測(cè)工作狀態(tài)及控制。同時(shí)加裝單燈節(jié)能設(shè)備并與單燈控制器聯(lián)通，可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)光源的節(jié)能控制。

(3)路燈照明配電電纜末端安裝路燈電纜參數(shù)檢測(cè)及防盜報(bào)警設(shè)備。通過(guò)安裝上述設(shè)備，全面檢測(cè)、感知、控制城市路燈照明設(shè)備工作參數(shù)、工作狀態(tài)。

3.2.3 照明設(shè)施電子標(biāo)簽化

為解決照明維護(hù)管理工作中巡檢工作內(nèi)容復(fù)雜、管理難度大的特點(diǎn)，通過(guò)引入RFID[6]電子標(biāo)簽來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)物資產(chǎn)的電子化管理，并建立智能巡檢系統(tǒng)。該巡檢系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：

(1)RFID具有不怕污染、安全可靠、不易復(fù)制的特點(diǎn)，能在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期使用，有效提高信息錄入的準(zhǔn)確性，杜絕巡檢工作不到位的情況。

(2)RFID手持智能終端的數(shù)據(jù)采集模式能有效降低工作繁復(fù)性，提高資產(chǎn)管理和人員巡檢的效率和舒適性。

(3)通過(guò)對(duì)在冊(cè)資產(chǎn)的全生命周期信息的連續(xù)記錄(包括人、地、物、時(shí)等信息)，為決策者提供有效的資訊。

城市照明設(shè)施種類非常繁多：各種類型的燈桿、燈具、光源、地下與架空線纜、接線井、配電柜、箱變、油開(kāi)關(guān)、智能控制箱、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備、巡燈車輛、高空作業(yè)車等數(shù)十種設(shè)施設(shè)備。所以，首先應(yīng)建立統(tǒng)一的電子標(biāo)簽的編碼標(biāo)準(zhǔn)，并將其在城市的照明甚至是市政領(lǐng)域推廣，最終將系統(tǒng)應(yīng)用于生產(chǎn)、流通、出入庫(kù)、現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)更換的整個(gè)管理過(guò)程。

3.3 用戶應(yīng)用側(cè)

智慧照明云平臺(tái)是一個(gè)面向多用戶的架構(gòu)，依托于標(biāo)準(zhǔn)化的終端，為用戶提供一種構(gòu)建快速、配置方便、交付敏捷的增值型服務(wù)。云平臺(tái)能根據(jù)使用者要求提供相應(yīng)搭建照明管理所需要的硬件運(yùn)作平臺(tái)、軟件功能模塊、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、個(gè)性化門戶界面等，用戶可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)訪問(wèn)該應(yīng)用服務(wù)來(lái)獲取現(xiàn)場(chǎng)終端的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，照明管理部門無(wú)需再購(gòu)買軟硬件、建設(shè)機(jī)房即可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使用監(jiān)控系統(tǒng)，節(jié)省了大量用于購(gòu)買IT產(chǎn)品、技術(shù)和維護(hù)運(yùn)行的資金，滿足了“投資少、見(jiàn)效快”的要求，同時(shí)提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性與易維護(hù)性，讓用戶真正享受到“云”服務(wù)。

4 城市物聯(lián)網(wǎng)照明云平臺(tái)應(yīng)用案例

圖3為建設(shè)在公司內(nèi)的一個(gè)超大型集團(tuán)云中心平臺(tái)，在這個(gè)集團(tuán)云中心平臺(tái)可以看到全國(guó)各地的城市照明運(yùn)行情況。圖4為GIS地圖上顯示的現(xiàn)場(chǎng)云控制器，點(diǎn)擊最新數(shù)據(jù)即可查看圖5所示的現(xiàn)場(chǎng)信息。

圖3 集團(tuán)云中心平臺(tái)Fig.3 Group clouds platform

圖4 現(xiàn)場(chǎng)云控制器Fig.4 Cloud controller

圖5 數(shù)據(jù)顯示Fig.5 Data display

通過(guò)這個(gè)云平臺(tái)的實(shí)施，可以實(shí)時(shí)查看全國(guó)各地照明運(yùn)行情況。當(dāng)?shù)氐墓芾碚咧恍韬?jiǎn)單的一臺(tái)計(jì)算機(jī)上網(wǎng)就可以查看當(dāng)?shù)氐倪\(yùn)行情況。集團(tuán)云中心的值班人員通過(guò)查看主動(dòng)上報(bào)的故障信息以及運(yùn)行數(shù)據(jù)，來(lái)了解現(xiàn)場(chǎng)云控制器的運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)異常情況可以及時(shí)處理。該平臺(tái)建立了照明管理的實(shí)時(shí)、長(zhǎng)效機(jī)制，通過(guò)調(diào)整管理流程，克服了突擊式、運(yùn)動(dòng)式、被動(dòng)、滯后、多頭管理等弊端，真正實(shí)現(xiàn)了市政管理的制度化、規(guī)范化，大大提升城市的照明管理水平。

5 項(xiàng)目實(shí)施的意義

基于云計(jì)算的應(yīng)用被視為信息技術(shù)第三次浪潮，是引領(lǐng)未來(lái)信息產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新的關(guān)鍵戰(zhàn)略性技術(shù)和手段。智慧照明云平臺(tái)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)城市照明管理的數(shù)字化和智能化，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市照明能源的科學(xué)有效管理，可提高行業(yè)整體管理水平，降低管理成本，提高城市照明管理單位對(duì)城市照明故障問(wèn)題的響應(yīng)處理能力，對(duì)整體改善城市形象，提高市民滿意度有著十分重要的意義。同時(shí)該平臺(tái)還可以實(shí)現(xiàn)城市照明能源的有效控制管理，節(jié)約照明能源，實(shí)現(xiàn)城市整體節(jié)能減排，從而達(dá)到節(jié)能、減排、環(huán)保的目的。

[1] 李農(nóng).城市照明總體規(guī)劃與實(shí)例詳解[M].北京：人民郵電出版社，2012.

[2] 中國(guó)建筑工業(yè)出版社.城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

[3] 全國(guó)信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)SOA標(biāo)準(zhǔn)工作組，中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院.中國(guó)SOA最佳應(yīng)用及云計(jì)算融合實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] 李強(qiáng).線性模型下的蒙特卡羅算法和數(shù)據(jù)挖掘[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.

[5] (美)Maribeth Price.李玉龍，張懷東等譯.ArcGIS地理信息系統(tǒng)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[6] 劉巖.RFID通信測(cè)試技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：人民郵電出版社,2010.