包 瑞， 王明輝， 馬衛(wèi)國(guó)， 齊國(guó)軍， 潘柰全， 劉 姝

(1.復(fù)旦大學(xué)工程與應(yīng)用技術(shù)研究院，上海200433；2.豪爾賽科技集團(tuán)股份有限公司，北京100070)

0 引言

2011年11月28日，工業(yè)和信息化部發(fā)布《物聯(lián)網(wǎng)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》后，我國(guó)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了快速發(fā)展，如何利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)提高社會(huì)管理、公共服務(wù)和生活智能化水平也成為科研工作者的研究熱點(diǎn)[1-3]。夜景照明作為美麗城市和人民幸福生活的一部分，在提升城市形象、促進(jìn)城市夜經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用[2]。同時(shí)由于城市級(jí)照明的規(guī)模越做越大，照明管理平臺(tái)的管理范圍越來(lái)越大，管理難度越來(lái)越高，運(yùn)營(yíng)成本隨之也越來(lái)越高。

在我國(guó)大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、5G通訊技術(shù)和建設(shè)新型智慧城市的背景下，夜景照明領(lǐng)域也在逐步研究應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)照明燈具的聯(lián)網(wǎng)管理、故障反饋和智能控制等，尤其是在城市級(jí)夜景照明的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以使城市夜景照明功能更強(qiáng)大，管理更智能，運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本更低。

1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

物聯(lián)網(wǎng)(The Internet of Things，簡(jiǎn)稱IoT)是指基于各種有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將各種信息傳感器、射頻技術(shù)、圖像處理技術(shù)、定位系統(tǒng)以及信息處理技術(shù)等與設(shè)備有效結(jié)合，將設(shè)備采集到的信息和數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、分析、計(jì)算和判斷，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、自動(dòng)報(bào)警、控制、診斷和維護(hù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“管理、控制、營(yíng)運(yùn)”一體化[4]，具有萬(wàn)物互聯(lián)、全面感知、可靠傳遞、智能處理的特征[1]。

在物聯(lián)網(wǎng)感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的典型體系架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)層以移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)設(shè)施，技術(shù)較為成熟，我國(guó)目前的研究主要集中于5G相關(guān)的新一代移動(dòng)通訊技術(shù)及其應(yīng)用，已于2019年6月6日開始商用化；感知層是物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)萬(wàn)物互聯(lián)、全面感知的核心和關(guān)鍵技術(shù)，需要結(jié)合各個(gè)應(yīng)用行業(yè)的需要來(lái)研究改進(jìn)低功耗、小型化和低成本的傳感器件；應(yīng)用層以大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合人工智能技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)中經(jīng)過(guò)處理的有用數(shù)據(jù)和信息以圖像、圖表等可視化的形式進(jìn)行呈現(xiàn)，方便人的控制和管理。

2 城市級(jí)夜景照明

2.1 夜景照明

夜景照明是泛指除體育場(chǎng)場(chǎng)地、建筑工地和道路照明等功能性照明以外，所有室外公共活動(dòng)空間或景物的夜間景觀的照明。夜景照明利用燈光將城市中的各種建筑、橋梁、水景噴泉等照亮，形成具有藝術(shù)美感和城市文化特色的美麗夜景。良好的照明環(huán)境對(duì)完善城市功能建設(shè)、提高百姓生活質(zhì)量、維護(hù)城市治安環(huán)境、構(gòu)造和諧社會(huì)都具有重要的意義[3]。

隨著照明技術(shù)的不斷發(fā)展，城市夜景照明也在不斷創(chuàng)新進(jìn)步。LED照明產(chǎn)品在夜景照明中的應(yīng)用，使照明燈具更易于被控制來(lái)呈現(xiàn)各種不同的燈光顏色和變化形式，甚至可以通過(guò)大量LED光源的聯(lián)動(dòng)控制來(lái)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)視頻效果。媒體立面是近年來(lái)通過(guò)將小型LED燈具安裝在建筑外立面從而可以呈現(xiàn)豐富的文字、圖像和動(dòng)態(tài)視頻效果的一種新型夜景照明方式。媒體立面的出現(xiàn)，使夜景照明進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期，開始在各大城市得到廣泛應(yīng)用。

夜景照明的發(fā)展，使科技與藝術(shù)結(jié)合的夜景不僅僅是建構(gòu)筑物的裝飾景觀，更逐漸成為一個(gè)城市的文化符號(hào)，成為現(xiàn)代城市的一種時(shí)尚追求，并成為衡量一個(gè)城市文明程度的標(biāo)準(zhǔn)[5]。

2.2 城市級(jí)夜景照明

隨著LED照明技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)的發(fā)展，使城市空間中不同建構(gòu)筑物上的夜景照明燈具能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接而成為一個(gè)統(tǒng)一的照明系統(tǒng)，并通過(guò)智能控制技術(shù)進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，從而打造出城市級(jí)的夜景照明。

在2016年杭州G20峰會(huì)、2017年廈門金磚國(guó)家峰會(huì)、2018年青島上合峰會(huì)等國(guó)家重要外事活動(dòng)期間，城市級(jí)多棟樓媒體立面的視頻聯(lián)動(dòng)表現(xiàn)形式，為活動(dòng)所在地打造出了美倫美奐的全新城市夜景，給國(guó)內(nèi)外游客帶來(lái)了震撼的夜景體驗(yàn)，展現(xiàn)了我國(guó)在科技、藝術(shù)與文化方面取得的最新進(jìn)展，也使城市級(jí)夜景照明成為我國(guó)新的國(guó)家形象。

城市級(jí)夜景照明最主要的兩個(gè)特點(diǎn):一是地域范圍大，二是照明系統(tǒng)內(nèi)需要控制的光源數(shù)量多。因此，傳統(tǒng)單一的有線網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)已經(jīng)不能滿足應(yīng)用的需要，在一些不具備光纖鋪設(shè)條件的地方，如公園景區(qū)、河流湖泊、游船等地方，就可能需要給燈具內(nèi)置通訊模塊，將控制信號(hào)通過(guò)3G或4G的移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸給燈具，同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)各種不同類型的燈具、音響等設(shè)備都需要將反饋數(shù)據(jù)通過(guò)不同的協(xié)議和通訊網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)浇y(tǒng)一的云平臺(tái)，再在城市管理平臺(tái)上進(jìn)行分析和處理。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，是城市級(jí)夜景照明的基礎(chǔ)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，使城市級(jí)夜景照明得到了快速發(fā)展，同時(shí)，城市級(jí)夜景照明所帶動(dòng)的夜游經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，也對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)提出了更多的需求和技術(shù)要求，比如多行業(yè)、專業(yè)設(shè)備的互聯(lián)互通，多層級(jí)夜景管理控制平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，城市級(jí)公共基礎(chǔ)設(shè)施管理平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題等。

3 城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

在我國(guó)大力發(fā)展物聯(lián)網(wǎng)作為工業(yè)和生活基礎(chǔ)設(shè)施的背景下，我國(guó)城市夜景照明也處于新技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要轉(zhuǎn)型期。夜景照明與新一代信息技術(shù)的結(jié)合，將綜合利用傳感器、地理信息、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)算法、互聯(lián)網(wǎng)等多專業(yè)領(lǐng)域的最新技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)更集成、更節(jié)能、更人性化以及更智能的城市景觀控制和管理，解決照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)跨平臺(tái)、多領(lǐng)域資源整合的問(wèn)題[3]。本文從云、管、邊、端四個(gè)層面[6]來(lái)分析基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的城市夜景照明系統(tǒng)。城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的云平臺(tái)

在城市級(jí)夜景照明系統(tǒng)中，管理控制中心是整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)互聯(lián)、智能管理的核心中樞?；谖锫?lián)網(wǎng)云平臺(tái)的城市夜景照明監(jiān)控管理中心，可以通過(guò)定位系統(tǒng)和云數(shù)據(jù)在線顯示各處的夜景照明設(shè)備的運(yùn)行情況。以某城市夜景照明系統(tǒng)為例，圖2～3為該市夜景照明的總控平臺(tái)，可以對(duì)全市主要城區(qū)共3 000多棟建筑的夜景照明系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程統(tǒng)一管理，并對(duì)下屬各行政區(qū)進(jìn)行權(quán)限分配。圖2為地圖模式顯示的總管理界面，點(diǎn)擊圖上的現(xiàn)場(chǎng)控制器設(shè)備標(biāo)記即可查看該現(xiàn)場(chǎng)控制器的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，如電流、電壓、輸入功率、連續(xù)使用時(shí)間、月度累計(jì)耗電量等。圖3為城市夜景照明管理云平臺(tái)調(diào)取的現(xiàn)場(chǎng)控制器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

城市夜景照明系統(tǒng)總控平臺(tái)的設(shè)備架構(gòu)如圖4所示。基于城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，智能景觀燈光管理云平臺(tái)可以對(duì)全市區(qū)不同區(qū)域的幾千棟建筑分別進(jìn)行不同情景模式及開關(guān)燈策略的設(shè)置，對(duì)燈光秀進(jìn)行統(tǒng)一時(shí)控管理；還可以對(duì)燈光控制設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等硬件設(shè)施進(jìn)行資產(chǎn)管理，對(duì)故障報(bào)警和維修任務(wù)進(jìn)行信息下發(fā)；并支持能效監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)報(bào)表功能，為管理者提供便捷、靈活、高效的管理。

圖2 城市夜景照明系統(tǒng)云平臺(tái)的地圖模式管理界面

圖3 城市夜景照明系統(tǒng)云平臺(tái)顯示的現(xiàn)場(chǎng)控制器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

圖4 城市夜景照明系統(tǒng)總控平臺(tái)的設(shè)備架構(gòu)圖

3.2 城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

現(xiàn)代的城市夜景照明系統(tǒng)中，除了使用媒體立面燈具、道路照明燈具等照明設(shè)備外，同時(shí)也融合了舞臺(tái)燈光設(shè)備、激光投影設(shè)備、噴泉系統(tǒng)、音響系統(tǒng)等其他專業(yè)設(shè)備，城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖5所示。不同設(shè)備所適用的控制通訊協(xié)議也有區(qū)別。城市級(jí)夜景照明系統(tǒng)在各個(gè)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)控制器需要選用不同的通訊協(xié)議來(lái)采集設(shè)備數(shù)據(jù)和傳輸控制指令，如表1。然后，現(xiàn)場(chǎng)控制器再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)條件，選擇不同的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)將設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸至照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的云平臺(tái)。對(duì)具有動(dòng)畫表演功能的媒體立面建筑，在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)條件下，為保證通訊信號(hào)穩(wěn)定和視頻流暢度，應(yīng)采用光纖有線網(wǎng)絡(luò)，使用Http協(xié)議(TCP/IP協(xié)議)。其他建筑如果不具備光纖鋪設(shè)條件，可以選擇采用4G網(wǎng)絡(luò)。

城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的控制通訊協(xié)議 表1

圖5 城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使燈具及其他景觀設(shè)備通過(guò)已經(jīng)存在的網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制管理，為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與物理世界的融合提供了更直接的方式，使得物聯(lián)網(wǎng)的通訊與合作更加精確、高效和智能。

3.3 城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的邊緣計(jì)算系統(tǒng)

為了對(duì)城市夜景照明系統(tǒng)中的燈具和其他景觀設(shè)備進(jìn)行智能化的管理和控制，需要研究夜景照明的專家管理系統(tǒng)，對(duì)照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行選擇、分析、計(jì)算，并作出預(yù)測(cè)性判斷，給出管理建議。專家管理系統(tǒng)分兩部分，一部分是位于云平臺(tái)上的分析和管理系統(tǒng)(見(jiàn)3.1)，另一部分更重要、更有應(yīng)用潛力的則是位于感知層的邊緣計(jì)算系統(tǒng)。

邊緣計(jì)算的定義為在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用核心能力的分布式開放平臺(tái)[7]。邊緣計(jì)算系統(tǒng)需要分析大量數(shù)據(jù)并挖掘出有價(jià)值的設(shè)備信息，同時(shí)結(jié)合環(huán)境數(shù)據(jù)，使照明燈具可以根據(jù)環(huán)境照度自動(dòng)開啟、關(guān)閉燈光；可以根據(jù)攝像頭捕捉到的行人和車輛的靠近而自動(dòng)提升照明功率輸出，或顯示不同燈光模式顯示效果；在必要情況下，如危及安全時(shí)，還可以作出判斷、及時(shí)發(fā)出控制指令，避免更大損失。通過(guò)邊緣計(jì)算可以提高數(shù)據(jù)傳輸性能，保證處理的實(shí)時(shí)性，同時(shí)降低云端的計(jì)算負(fù)載[8]。

在城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，專家管理系統(tǒng)是該物聯(lián)網(wǎng)的照明行業(yè)屬性中最具價(jià)值的部分，同時(shí)邊緣計(jì)算系統(tǒng)是當(dāng)前夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中研究最薄弱的環(huán)節(jié)，也是未來(lái)最具研究?jī)r(jià)值的課題。

3.4 城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的感知終端

物聯(lián)網(wǎng)是通過(guò)在物理實(shí)體中嵌入電子元件、傳感器、軟件和網(wǎng)絡(luò)接口來(lái)組成網(wǎng)絡(luò)，而這些嵌入部分使得這些物理實(shí)體可以感知、收集并交換數(shù)據(jù)。在夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，感知終端可以分為:照明設(shè)備及其搭載的傳感器、演繹設(shè)備及其搭載的傳感器、電力設(shè)備及其搭載的傳感器、安全保障設(shè)備及其搭載的傳感器、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備及其搭載的傳感器等。

3.4.1 照明設(shè)備及其搭載的傳感器

在夜景照明系統(tǒng)中，照明設(shè)備包括景觀照明燈具、媒體立面燈具、道路照明燈具、部分室內(nèi)照明燈具等，也包括這些燈具的驅(qū)動(dòng)裝置、固定機(jī)械裝置等附件。通過(guò)其搭載的傳感器，可以感知燈具的電學(xué)參數(shù)、光學(xué)參數(shù)、顏色、溫度，甚至位置、角度等。

3.4.2 演繹設(shè)備及其搭載的傳感器

夜景照明系統(tǒng)中的演繹設(shè)備有激光燈、光束燈、投影設(shè)備、舞臺(tái)燈光和機(jī)械設(shè)備、水景噴泉等等，還有節(jié)目表演人員隨身佩戴的動(dòng)作傳感器，隨著新科技的發(fā)展應(yīng)用，還可能融入有VR互動(dòng)裝置等，這些新技術(shù)新產(chǎn)品的應(yīng)用，給現(xiàn)代夜景照明系統(tǒng)注入了新的生命力，同時(shí)也給夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用技術(shù)研究帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。

3.4.3 電力設(shè)備及其搭載的傳感器

夜景照明系統(tǒng)中，通過(guò)安裝智能電表、智能控制模塊、智能網(wǎng)關(guān)和互感器，可以獲得照明配電箱內(nèi)的電壓、電流、功率、用電量等信息，不僅可以用來(lái)統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)能耗進(jìn)行能源管理，還可以根據(jù)安全值范圍設(shè)定報(bào)警值，當(dāng)設(shè)備非正常工作時(shí)，可立即驅(qū)動(dòng)電源開關(guān)、交流接觸器、防雷浪涌保護(hù)器等發(fā)生動(dòng)作，避免危害到系統(tǒng)的其他設(shè)備。同時(shí)，這些數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在云平臺(tái)中還可以與其他信息進(jìn)行綜合比對(duì)和分析計(jì)算，通過(guò)專家管理系統(tǒng)的人工智能學(xué)習(xí)，不斷更新報(bào)警算法，做到精確管理，避免誤報(bào)誤操作；并能根據(jù)人流量進(jìn)行精細(xì)化的照明模式和照度管理，最大限度節(jié)約能源[9]。

3.4.4 安防設(shè)備及其搭載的傳感器

城市中的美麗夜景往往會(huì)吸引大量游客駐足觀賞，而公共安全也是城市夜景照明系統(tǒng)需要考慮的重要問(wèn)題。在智慧城市的規(guī)劃設(shè)計(jì)中，通過(guò)具有人臉識(shí)別功能的攝像頭對(duì)公共區(qū)域進(jìn)行監(jiān)控是保障城市安全的重要措施。因此，城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中，各種拍照攝像設(shè)備、錄音設(shè)備、報(bào)警裝置、電話等也是重要的感知終端設(shè)備。

3.4.5 環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備及其搭載的傳感器

為了使夜景照明可以根據(jù)環(huán)境照度條件、天氣條件等環(huán)境信息進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，使之適應(yīng)人們的生理和心理需求，需要在夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中增加環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，感知自然光的光強(qiáng)、甚至不同天氣條件下的光譜信息。同時(shí)，隨著人們生活質(zhì)量越來(lái)越高，具備監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度、PM2.5濃度、紫外線強(qiáng)度等大氣環(huán)境的傳感器也可以納入城市夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合天氣預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)，及時(shí)在LED屏上公示，實(shí)現(xiàn)在惡劣天氣到來(lái)前對(duì)人們進(jìn)行提醒，及時(shí)疏散人群。

3.4.6 智慧燈桿

城市照明燈桿因其無(wú)處不在和具備供電能力的特點(diǎn)，城市管理中的很多物聯(lián)網(wǎng)感知終端都會(huì)選擇智慧燈桿作為安裝載體。智慧燈桿上可以集成功能性道路照明燈具、裝飾性夜景照明燈具、攝像頭、環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備、智能井蓋感知終端、WIFI、4G基站、LED顯示屏、智慧交通導(dǎo)引、充電樁等。功能強(qiáng)大的智慧燈桿已經(jīng)成為城市物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要載體，也是目前建設(shè)5G微基站的重要載體。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著照明技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)的城市夜景照明技術(shù)也得到了快速發(fā)展，在國(guó)家大力發(fā)展夜經(jīng)濟(jì)的政策助力下，城市夜景照明在杭州、廈門、青島、上海、武漢、太原等各大城市都成功吸引了大量的游客，成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要驅(qū)動(dòng)力。夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的搭建和使用，為城市夜景及公共區(qū)域的綜合管理提供了更先進(jìn)、更便捷、更低成本的智能管理模式，是未來(lái)智慧城市建設(shè)的發(fā)展方向。作為照明、演繹、互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、AI、VR等多專業(yè)跨界融合的新興技術(shù)領(lǐng)域，夜景照明物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)從云平臺(tái)、通訊網(wǎng)絡(luò)、邊緣計(jì)算到感知終端，都有著巨大的研究潛力和發(fā)展前景，也將成為我國(guó)智慧城市建設(shè)的重要基礎(chǔ)。