張宏征，吳雨婷，馮子龍，王立雄，于 娟

(天津大學 建筑學院；天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術重點實驗室，天津 300072)

引言

智慧城市是以新一代信息技術為基礎的創(chuàng)新性城市建設策略，旨在為市民創(chuàng)造更好的宜居環(huán)境[1，2]。智慧照明作為智慧城市的重要組成部分，目前能夠高效提升照明質(zhì)量，改善人居環(huán)境[3]。智慧照明采用LED光源，利用智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)、場景設置等功能，達到按需照明和精準配光的目的，使照明管理更加智能[4]。

隨著LED應用的日益成熟和信息技術的迭代更新，智慧照明的研究熱點，由針對LED與信息技術的智能控制系統(tǒng)層面，轉(zhuǎn)向以智慧燈桿為代表的智能化、集成化信息基礎設施層面。智慧燈桿“多桿合一、一桿多用”[5]，成為智慧照明進一步撬動智慧城市建設的杠桿。如同燈桿被賦予多功能的用途，智慧照明也被賦予了更多內(nèi)涵：在高效提供高品質(zhì)城市照明環(huán)境的同時，成為智慧城市建設中諸多建設要素、產(chǎn)業(yè)層面的關鍵基點。

本文在解析智慧城市需求的基礎上，提煉出智慧城市對智慧照明的要求。以城市道路照明為例，提取智慧照明能夠參與的智慧城市建設要素，構(gòu)建智慧城市道路照明建設體系，總結(jié)智慧照明的應對工作，旨在深入挖掘智慧照明應用能夠在智慧城市中發(fā)揮的作用。

1 智慧城市概述

智慧城市的概念源于IBM公司提出的“智慧地球”理念[6]，指出智慧城市意味著更透徹的感知、更全面的互聯(lián)互通與更深入的智能。Mohanty[7]和Rathore[8]等認為物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展催生了智慧城市。智慧城市從信息技術應用擴展到城市治理方案、城市發(fā)展新模式，進而成為涉及多行業(yè)、多產(chǎn)業(yè)的社會生態(tài)理念。智慧城市的核心是以問題為導向，用更加智慧的方式來解決城市化過程的發(fā)展和轉(zhuǎn)型問題。近年來，為解決現(xiàn)階段智慧城市建設的瓶頸與困難，北京、上海、廣州、杭州等越來越多的城市加入到建設以人的需求為導向的“城市大腦”[9]行列之中。國務院于2016年提出“新型智慧城市”概念，以人的需求為導向，以“創(chuàng)新、協(xié)調(diào)、綠色、開放、共享”理念為引領，以新一代信息技術為基礎，通過信息量化，使得政府的管理更加科學、高效，市民能夠參與到城市建設與監(jiān)督、更便捷的享受公共服務與宜居的生活環(huán)境，開創(chuàng)了具有中國特色的智慧城市新發(fā)展模式。

1.1 智慧城市建設目標

智慧城市具有5個階段性目標[10，11]：通過達成“基礎設施智能化”和“網(wǎng)絡安全長效化”的基礎保障性目標，實現(xiàn)“城市管理精細化”的管理目標，進而實現(xiàn)“公共服務便捷化”和“生活環(huán)境宜居化”智慧城市運營的根本目標(表1)。

表1 智慧城市建設目標

以智能化的基礎設施作為信息收集載體，長效化的網(wǎng)絡安全保障信息收集與決策傳遞正常，構(gòu)建起智慧城市的信息收集與發(fā)布優(yōu)勢?；诖藘?yōu)勢，城市管理快速全面精細化的解決城市問題、公共服務更為便捷化的為市民提供信息便利、生活環(huán)境被高效的規(guī)劃治理而更加宜居化。

1.2 智慧城市研究內(nèi)容

基于智慧城市的建設目標，智慧城市的本質(zhì)是集中人的智慧，利用信息技術，建設智慧基礎設施，發(fā)展智慧產(chǎn)業(yè)，加強城市治理，強化民生服務，創(chuàng)建宜居環(huán)境，因此智慧城市的具體研究內(nèi)容是在智慧人群的推動力下，研究智慧基礎設施建設、智慧管理、智慧民生、智慧環(huán)境，形成對應的智慧產(chǎn)業(yè)，最終構(gòu)建成熟的智慧城市(表2)。

表2 智慧城市研究內(nèi)容

1.3 智慧城市建設要素

與智慧城市建設目標和研究內(nèi)容對應，智慧城市的實質(zhì)性建設要素包括：安全、交通、設施、資源、經(jīng)濟、歷史文化、空間、社區(qū)、綠色建筑和園林綠地，分別構(gòu)建智慧城市的公共服務基礎、智慧民生基礎、宜居環(huán)境基礎(圖1)。

圖1 智慧城市的建設要素Fig.1 Construction elements of smart city

1.4 智慧城市評價體系

智慧城市的快速發(fā)展帶來智慧城市評價的研究熱點,不同評價主體的評價體系如表3[12-18]，側(cè)重點雖有不同，但評價指標均可歸類到技術基礎、社會管理、市民民生3類別之內(nèi)，分別對位智慧城市的實質(zhì)性建設深度、運行實踐的技術成熟度和目標達成程度。

1.5 智慧城市需求及對應的智慧照明要求

如圖2所示，依據(jù)評價體系的評價指標類別，梳理建設目標與研究內(nèi)容，能夠厘清智慧城市需求：(1)建設需求，是指在智慧城市建設初期，對于基礎設施、網(wǎng)絡、專業(yè)人員、相關產(chǎn)業(yè)等基礎性要素的需求。(2)運行需求，是指智慧城市運行過程中的安全防護、信息監(jiān)測、設施維護、產(chǎn)業(yè)管理、服務運營等實踐性要素需求。(3)以人為本的需求，是指智慧城市最終能夠給市民提供的公共服務和生活環(huán)境等以人為本的民生需求。

表3 智慧城市的評價體系

圖2 智慧城市需求Fig.2 Smart city demand

智慧照明對接智慧城市需求，是其持續(xù)深化改革、打破發(fā)展壁壘的有效途徑。對應于智慧城市的建設和運行需求，智慧照明的基礎設施建設和運營管理應兼顧考慮其他智慧產(chǎn)業(yè)需求，即達成多功能集成和信息多維共享的要求；對應于智慧城市的人本需求，智慧照明與其他智慧產(chǎn)業(yè)具有相同的物聯(lián)網(wǎng)要求，即達成物與物、物與人、人與人的互聯(lián)互通互動要求。

2 智慧城市道路照明建設要素

道路照明作為城市照明的基礎，也是城市基礎設施的重要組成部分，在城市中具有分布廣闊均勻的特點。道路照明基礎設施的“點位滲透”和“網(wǎng)絡覆蓋”優(yōu)勢，使之具有信息收集、發(fā)布及互動的便利，因而也成為5G互聯(lián)網(wǎng)時代照明行業(yè)智慧化的發(fā)展前瞻基地[19]。對應智慧城市3大需求對智慧照明的多功能集成、信息多維共享，互聯(lián)互通互動要求，梳理并解析城市道路照明能夠參與承擔的智慧城市建設要素，論述如下：

2.1 城市安全以及防災減災

是指利用其基礎設施的“點位滲透”優(yōu)勢集成以下城市安全以及防災減災功能：

1)安全災害信息的“零距離”收集。道路交通事故、人為破壞襲擊行為、自然極端氣候狀況等城市安全災害信息的收集需要與現(xiàn)場的“零距離”，傳感器與道路照明基礎設施集成是最佳的解決策略。

2)安全災害預警信息的“零延遲”發(fā)布。安全災害預警信息的發(fā)布重在及時，與道路照明基礎設施集成的預警裝置，能夠?qū)⒌缆芳爸苓厖^(qū)域安全災害的可能性、強度，破壞力信息“零延遲”發(fā)布給區(qū)域內(nèi)的市民，以保證快速響應。

3)安全災害信息的“零障礙”查詢和報告。如播報前方100 m交通事故點或施工點實時狀況的顯示屏、一鍵報警裝置等，與道路照明基礎設施集成的安全災害信息查詢和報告媒介，能夠讓市民“零障礙”參與災害防控。

2.2 城市交通規(guī)劃與管理

是指利用其基礎設施的“網(wǎng)絡覆蓋”優(yōu)勢集成以下城市交通規(guī)劃與管理功能：

1)實時路況信息的“全局”監(jiān)控。城市交通規(guī)劃與管理重在對區(qū)域內(nèi)交通流量、道路使用情況等實時路況信息的整體掌控，與道路照明基礎設施集成的監(jiān)控裝置，能夠做到“全局”實時路況監(jiān)控信息的共享。

2)路況導航信息的“延時”預告。目前導航系統(tǒng)是根據(jù)實時擁堵路況規(guī)避路線選擇。與道路照明基礎設施集成的預測裝置，可以通過收集到的擁堵路長和通行速度信息，預測擁堵時間。對比依據(jù)“實時擁堵”的導航系統(tǒng)，考慮了“延時擁堵”的路線規(guī)劃是更優(yōu)的決策，使道路得到更充分的利用，提高運行效率，促進城市道路交通管理體制的一體化。

2.3 城市空間發(fā)展動態(tài)監(jiān)控

是指利用其基礎設施的“點位滲透”和“網(wǎng)絡覆蓋”的雙優(yōu)勢，通過監(jiān)控傳感器與道路照明基礎設施集成，對建筑物密度、使用時間(因辦公或住宅等建筑功能性質(zhì)而不同)，人流密度、流動方向等城市空間使用信息，達成最高效的現(xiàn)場“零距離”與區(qū)域“全局”監(jiān)控，對城市空間發(fā)展進行有效的監(jiān)測，為城市規(guī)劃者提供城市資料。

2.4 智慧社區(qū)建設

是指利用其基礎設施的“點位滲透”優(yōu)勢集成以下智慧社區(qū)建設功能：

1)社區(qū)安全信息的“零距離”收集。社區(qū)內(nèi)人為破壞行為、道路或設施安全隱患等等社區(qū)安全信息的收集也需要與現(xiàn)場的“零距離”，傳感器與社區(qū)道路照明基礎設施集成同樣是最佳的解決策略。

2)社區(qū)通告信息的“零障礙”發(fā)布。社區(qū)通告信息與社區(qū)道路照明基礎設施集成的發(fā)布裝置，能夠最低程度打擾市民的同時做到廣而告之，是最便捷高效的“零障礙”發(fā)布途徑。

3)社區(qū)服務信息的“零障礙”查詢和報告。同智慧燈桿，同社區(qū)道路照明基礎設施集成的醫(yī)療保健信息、WiFi基站、教育機構(gòu)信息、一鍵求助、社區(qū)網(wǎng)絡、汽車充電樁等多功能媒介。能夠讓市民“零障礙”獲取智慧社區(qū)的便民服務，完善智慧社區(qū)的建設。

2.5 園林綠化監(jiān)測與管理

是指利用其基礎設施的“點位滲透”優(yōu)勢，達成對生長狀況信息的“零距離”監(jiān)測與“零延遲”處理。溫濕度、有無病蟲害和生長情況等園林綠化信息的收集，借助植被與道路的“零距離”，達成監(jiān)測傳感器與道路照明基礎設施的集成，將采集到的信息“零延遲”傳送給城市園林管理部門，大大提高城市園林綠化的管理養(yǎng)護效率。

3 智慧城市道路照明建設體系

綜上所述，智慧城市道路照明的各項建設要素，達成設施多功能集成的共性基礎是信息的“零距離”收集與“全局”監(jiān)控、“實時”預測加“延時”預告與“零延遲”發(fā)布處理、以及“零障礙”查詢和報告。因此，智慧城市道路照明的建設體系以信息多維共享為宗旨，達成網(wǎng)絡化與安全化的信息基礎要求、集成化的信息共享要求、節(jié)約化的信息時效要求、人性化的信息服務要求。

1)網(wǎng)絡化的智慧照明體系。網(wǎng)絡化是城市道路照明建設分布的現(xiàn)狀特點，也是智慧照明服務于智慧城市信息收集與共享的基礎要求。因此，網(wǎng)絡化的智慧照明體系是指通過網(wǎng)絡化分布的智慧城市道路照明基礎設施，一方面能夠統(tǒng)籌智慧城市全區(qū)域的城市照明管理，另一方面集成上述5項智慧城市道路照明建設要素對應智慧產(chǎn)業(yè)的信息收集與發(fā)布，即創(chuàng)建網(wǎng)絡化的城市照明管理和建設要素信息共享體系。網(wǎng)絡化是集約、低碳、綠色、智能的基礎，把智慧照明與其他智慧產(chǎn)業(yè)組成有機整體，城市照明管理部門與其他各職能部門相互促進協(xié)作，能夠做到精細化、智能化管理，使得管理更加高效，提高城市運營效率。

2)安全化的智慧照明體系。安全化是道路照明的建設目的，即為夜間出行的人們提供安全的照明環(huán)境，也是智慧照明能夠正常運行智慧城市信息收集傳遞的基礎保障。因此，安全化的智慧照明體系是指基于多功能集成設施的安全運行，一方面通過智慧照明，保證光環(huán)境質(zhì)量，提升城市安全度；另一方面是多功能集成設施在信息收集與傳遞上的安全性能。安全化是智慧城市網(wǎng)絡安全長效化建設目標的具體落實，智慧照明為智慧城市的城市安全建設和智慧產(chǎn)業(yè)的安全運行奠定基礎。

3)集成化的智慧照明體系。集成化是智慧城市道路照明基礎設施的多功能要求，也是智慧城市道路照明5項建設要素信息共享要求。集成化的智慧照明體系體現(xiàn)在與其他智慧產(chǎn)業(yè)共用基礎設施、共享信息。集成化是智慧照明真正打破專業(yè)發(fā)展壁壘的根本途徑，使智慧照明集成信息傳遞與公共服務功能，使智慧產(chǎn)業(yè)之間的信息交流更加專業(yè)。

4)節(jié)約化的智慧照明體系。節(jié)約化是智慧照明運行和集成化智慧照明體系的必然結(jié)果，通過智慧照明的智慧管理與智能調(diào)控，達成照明能耗的降低；通過共用基礎設施、共享信息達成智慧產(chǎn)業(yè)的低成本建設與運營。節(jié)約化是在智慧照明方便、及時、高效的性能基礎上，實現(xiàn)智慧照明建設要素的數(shù)字化、精準化、協(xié)同化、一體化[20]。

5)人性化的智慧照明體系。人性化的智慧照明體系是在保障城市安全、節(jié)約資源能源基礎上，根據(jù)智慧城市需求按需照明的城市照明新思維，是智慧照明持續(xù)更新改革的根本動力；也是智慧照明將智慧城市的公共服務便捷化建設目標的具體落實，將新型智慧城市的建設推向更全面、更高、更可持續(xù)的發(fā)展階段。

4 智慧照明應對工作

智慧城市離不開智慧照明，智慧道路照明又是智慧照明的重中之重，目前城市道路照明領域的優(yōu)勢是：掌握覆蓋整個城市的路燈系統(tǒng)資源。但也存在劣勢：缺少其他資源，較少涉及城市建設、信息技術領域。智慧照明應對智慧城市需求，需要完成以下4點任務：

1)推動物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等新一代信息技術科學創(chuàng)新的應用；

2)強化信息網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)中心等信息基礎設施建設；

3)促進跨部門、跨行業(yè)、跨地區(qū)的信息共享和業(yè)務協(xié)同；

4)強化信息資源社會化開發(fā)利用、推廣智慧化信息應用和新型信息服務。

這與智慧產(chǎn)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)要求是相同的，即達成物與物、物與人、人與人的互聯(lián)互通互動要求。智慧城市1.0時代以信息基礎設施建設為主要特征，更加強調(diào)建設無線城市、城市光網(wǎng)等信息基礎設施；智慧城市2.0時代以智慧應用建設為主要特征，更加強調(diào)建設市民可感知的智慧城市，從智慧社區(qū)、智慧園區(qū)和智慧商圈等時空維度，解決日常生活痛點，以場景創(chuàng)新讓市民體驗智慧城市的魅力；智慧城市3.0時代以AI賦能城市為主要特征，強調(diào)機器學習、模式識別等人工智能技術應用，釋放數(shù)據(jù)潛能，讓城市更具有思考力、決策力和行動力[21]。對應未來的智慧城市3.0時代，工作集中在以下4方面。

1)理論突破。將城市道路照明有機地融入智慧城市建設中的一個重要步驟就是：要在道路照明建設理論上有創(chuàng)新性的突破。建立這一理論的基礎就是，認真透徹研究智慧城市理論與標準，理清智慧城市需求與照明的聯(lián)系，做好頂層設計。

智慧城市1.0時代，即“垂直信息孤島”。主要特征是政府主導，分系統(tǒng)建設，數(shù)據(jù)隔離分散，在垂直領域里專業(yè)、精細化管理，如交通領域中交管、運輸部門的數(shù)據(jù)交換。智慧城市2.0時代，即“數(shù)據(jù)集中和互聯(lián)互通”。主要特征是企業(yè)加入，打破信息孤島，實現(xiàn)以城市為單位的目標、規(guī)劃和資源的統(tǒng)籌，政府部門間、政府與企業(yè)之間數(shù)據(jù)交換共享，媒體娛樂、教育、零售、健康等進入智慧化階段。智慧城市3.0時代，即“全面互聯(lián)和以人為本”，核心特征是城市互聯(lián)、數(shù)據(jù)開放、以人為本，實現(xiàn)城與城、國與國之間的信息、文化交流。構(gòu)建數(shù)據(jù)生態(tài)圈，推動大數(shù)據(jù)應用，建立數(shù)據(jù)開放機制，推進城市互聯(lián)，構(gòu)建智慧城市群等。目前，智能燈桿或多桿合一的路燈完成了1.0時代。要達到2.0甚至3.0時代，需要深入理解智慧城市技術標準，建立具備數(shù)據(jù)交換共享的道路照明設計建設新理論。

2)組織創(chuàng)新。智慧城市2.0時代的“數(shù)據(jù)集中和互聯(lián)互通”要求基礎設施多功能集成，傳統(tǒng)路燈行業(yè)難以獨立解決應對。因此，跳出路燈產(chǎn)業(yè)自身的小圈子，尋找測量、信息、數(shù)據(jù)交換、智能控制等專業(yè)伙伴，建立研發(fā)聯(lián)盟或研究院，以智慧城市技術標準為指針，借鑒智能手機綜合了開放系統(tǒng)功能、無線接入互聯(lián)網(wǎng)功能、PDA的功能、圖像拍照處理功能等非傳統(tǒng)通信業(yè)務的發(fā)展思路，實現(xiàn)道路照明的智慧目標。

3)精準發(fā)力?；谥腔鄢鞘行枨笫崂沓龅?項智慧照明建設要素，不僅是對基礎設施提出多功能集成要求，在物化產(chǎn)品背后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與接口、數(shù)字模型與算法、平臺與操作系統(tǒng)等核心技術上也需要重點投入下大功夫。通過專業(yè)的智慧人群培養(yǎng)，對應智慧產(chǎn)業(yè)專業(yè)需求，精準發(fā)力，對接智慧城市3.0時代的“全面互聯(lián)和以人為本”要求。

4)自身轉(zhuǎn)變。對接智慧城市1.0至3.0時代需求的實質(zhì)是智慧照明的持續(xù)深化改革的過程，智慧照明由單一照明產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)槎喈a(chǎn)業(yè)集成，從服務城市信息收集深化至信息共享，承擔起智慧城市的更多需求，打破自身發(fā)展壁壘的同時，實現(xiàn)行業(yè)的結(jié)構(gòu)調(diào)整與轉(zhuǎn)型升級。

5 結(jié)語

智慧照明蓄勢待發(fā)，面對未來智慧城市，需要更多創(chuàng)新模式、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新服務。建立城市公共照明系統(tǒng)、研究智慧城市理論與標準，做好頂層設計、拎清智慧城市需求與智慧照明的聯(lián)系，未來智慧照明與智慧城市將形成一個多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展聯(lián)盟，滿足智慧城市和各項智慧應用的發(fā)展需求，進一步打破行業(yè)、領域之間的信息壁壘，實現(xiàn)跨行業(yè)、跨領域信息互通，為深層次智慧管理的提供基礎條件，更好地服務于社會大眾、企業(yè)和政府。