基于物联网技术的城市级夜景照明系统研究

包 瑞， 王明辉， 马卫国， 齐国军， 潘柰全， 刘 姝

(1.复旦大学工程与应用技术研究院，上海200433；2.豪尔赛科技集团股份有限公司，北京100070)

0 引言

2011年11月28日，工业和信息化部发布《物联网“十二五”发展规划》后，我国的物联网技术得到了快速发展，如何利用物联网技术来提高社会管理、公共服务和生活智能化水平也成为科研工作者的研究热点[1-3]。夜景照明作为美丽城市和人民幸福生活的一部分，在提升城市形象、促进城市夜经济发展中发挥了重要作用[2]。同时由于城市级照明的规模越做越大，照明管理平台的管理范围越来越大，管理难度越来越高，运营成本随之也越来越高。

在我国大力发展物联网技术、5G通讯技术和建设新型智慧城市的背景下，夜景照明领域也在逐步研究应用物联网技术以实现照明灯具的联网管理、故障反馈和智能控制等，尤其是在城市级夜景照明的远程监控管理中，物联网技术可以使城市夜景照明功能更强大，管理更智能，运营维护成本更低。

1 物联网技术概述

物联网(The Internet of Things，简称IoT)是指基于各种有线或无线网络技术，将各种信息传感器、射频技术、图像处理技术、定位系统以及信息处理技术等与设备有效结合，将设备采集到的信息和数据进行整合、分析、计算和判断，以实现远程监视、自动报警、控制、诊断和维护，进而实现“管理、控制、营运”一体化[4]，具有万物互联、全面感知、可靠传递、智能处理的特征[1]。

在物联网感知层、网络层和应用层的典型体系架构中，网络层以移动通信网络为基础设施，技术较为成熟，我国目前的研究主要集中于5G相关的新一代移动通讯技术及其应用，已于2019年6月6日开始商用化；感知层是物联网实现万物互联、全面感知的核心和关键技术，需要结合各个应用行业的需要来研究改进低功耗、小型化和低成本的传感器件；应用层以大数据为基础，结合人工智能技术和虚拟现实技术，将物联网中经过处理的有用数据和信息以图像、图表等可视化的形式进行呈现，方便人的控制和管理。

2 城市级夜景照明

2.1 夜景照明

夜景照明是泛指除体育场场地、建筑工地和道路照明等功能性照明以外，所有室外公共活动空间或景物的夜间景观的照明。夜景照明利用灯光将城市中的各种建筑、桥梁、水景喷泉等照亮，形成具有艺术美感和城市文化特色的美丽夜景。良好的照明环境对完善城市功能建设、提高百姓生活质量、维护城市治安环境、构造和谐社会都具有重要的意义[3]。

随着照明技术的不断发展，城市夜景照明也在不断创新进步。LED照明产品在夜景照明中的应用，使照明灯具更易于被控制来呈现各种不同的灯光颜色和变化形式，甚至可以通过大量LED光源的联动控制来呈现动态视频效果。媒体立面是近年来通过将小型LED灯具安装在建筑外立面从而可以呈现丰富的文字、图像和动态视频效果的一种新型夜景照明方式。媒体立面的出现，使夜景照明进入一个快速发展时期，开始在各大城市得到广泛应用。

夜景照明的发展，使科技与艺术结合的夜景不仅仅是建构筑物的装饰景观，更逐渐成为一个城市的文化符号，成为现代城市的一种时尚追求，并成为衡量一个城市文明程度的标准[5]。

2.2 城市级夜景照明

随着LED照明技术、物联网技术和网络通讯技术的发展，使城市空间中不同建构筑物上的夜景照明灯具能够通过网络连接而成为一个统一的照明系统，并通过智能控制技术进行联动控制，从而打造出城市级的夜景照明。

在2016年杭州G20峰会、2017年厦门金砖国家峰会、2018年青岛上合峰会等国家重要外事活动期间，城市级多栋楼媒体立面的视频联动表现形式，为活动所在地打造出了美伦美奂的全新城市夜景，给国内外游客带来了震撼的夜景体验，展现了我国在科技、艺术与文化方面取得的最新进展，也使城市级夜景照明成为我国新的国家形象。

城市级夜景照明最主要的两个特点:一是地域范围大，二是照明系统内需要控制的光源数量多。因此，传统单一的有线网络连接技术已经不能满足应用的需要，在一些不具备光纤铺设条件的地方，如公园景区、河流湖泊、游船等地方，就可能需要给灯具内置通讯模块，将控制信号通过3G或4G的移动通讯网络传输给灯具，同时系统内各种不同类型的灯具、音响等设备都需要将反馈数据通过不同的协议和通讯网络传输到统一的云平台，再在城市管理平台上进行分析和处理。物联网技术，是城市级夜景照明的基础。

物联网技术的发展，使城市级夜景照明得到了快速发展，同时，城市级夜景照明所带动的夜游经济的发展，也对物联网技术提出了更多的需求和技术要求，比如多行业、专业设备的互联互通，多层级夜景管理控制平台的网络架构，城市级公共基础设施管理平台的网络安全问题等。

3 城市夜景照明物联网系统

在我国大力发展物联网作为工业和生活基础设施的背景下，我国城市夜景照明也处于新技术应用和产业升级的重要转型期。夜景照明与新一代信息技术的结合，将综合利用传感器、地理信息、网络通讯技术、计算机算法、互联网等多专业领域的最新技术，来实现更集成、更节能、更人性化以及更智能的城市景观控制和管理，解决照明物联网系统跨平台、多领域资源整合的问题[3]。本文从云、管、边、端四个层面[6]来分析基于物联网技术的城市夜景照明系统。城市夜景照明物联网系统架构图如图1所示。

图1 城市夜景照明物联网系统架构图

3.1 城市夜景照明物联网系统的云平台

在城市级夜景照明系统中，管理控制中心是整个系统实现有机互联、智能管理的核心中枢。基于物联网云平台的城市夜景照明监控管理中心，可以通过定位系统和云数据在线显示各处的夜景照明设备的运行情况。以某城市夜景照明系统为例，图2～3为该市夜景照明的总控平台，可以对全市主要城区共3 000多栋建筑的夜景照明系统进行远程统一管理，并对下属各行政区进行权限分配。图2为地图模式显示的总管理界面，点击图上的现场控制器设备标记即可查看该现场控制器的实时运行数据，如电流、电压、输入功率、连续使用时间、月度累计耗电量等。图3为城市夜景照明管理云平台调取的现场控制器实时数据。

城市夜景照明系统总控平台的设备架构如图4所示。基于城市夜景照明物联网系统，智能景观灯光管理云平台可以对全市区不同区域的几千栋建筑分别进行不同情景模式及开关灯策略的设置，对灯光秀进行统一时控管理；还可以对灯光控制设备、网络通讯设备等硬件设施进行资产管理，对故障报警和维修任务进行信息下发；并支持能效监测和数据报表功能，为管理者提供便捷、灵活、高效的管理。

图2 城市夜景照明系统云平台的地图模式管理界面

图3 城市夜景照明系统云平台显示的现场控制器实时数据

图4 城市夜景照明系统总控平台的设备架构图

3.2 城市夜景照明物联网系统的网络架构

现代的城市夜景照明系统中，除了使用媒体立面灯具、道路照明灯具等照明设备外，同时也融合了舞台灯光设备、激光投影设备、喷泉系统、音响系统等其他专业设备，城市夜景照明物联网系统的网络架构如图5所示。不同设备所适用的控制通讯协议也有区别。城市级夜景照明系统在各个设备现场的现场控制器需要选用不同的通讯协议来采集设备数据和传输控制指令，如表1。然后，现场控制器再根据现场的网络条件，选择不同的网络交换机、通过不同的网络协议来将设备数据传输至照明物联网系统的云平台。对具有动画表演功能的媒体立面建筑，在当前的网络技术条件下，为保证通讯信号稳定和视频流畅度，应采用光纤有线网络，使用Http协议(TCP/IP协议)。其他建筑如果不具备光纤铺设条件，可以选择采用4G网络。

城市夜景照明物联网系统中的控制通讯协议 表1

图5 城市夜景照明物联网系统的网络架构

物联网技术使灯具及其他景观设备通过已经存在的网络通信设施进行远程数据传输和控制管理，为计算机系统与物理世界的融合提供了更直接的方式，使得物联网的通讯与合作更加精确、高效和智能。

3.3 城市夜景照明物联网系统的边缘计算系统

为了对城市夜景照明系统中的灯具和其他景观设备进行智能化的管理和控制，需要研究夜景照明的专家管理系统，对照明系统的数据进行选择、分析、计算，并作出预测性判断，给出管理建议。专家管理系统分两部分，一部分是位于云平台上的分析和管理系统(见3.1)，另一部分更重要、更有应用潜力的则是位于感知层的边缘计算系统。

边缘计算的定义为在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台[7]。边缘计算系统需要分析大量数据并挖掘出有价值的设备信息，同时结合环境数据，使照明灯具可以根据环境照度自动开启、关闭灯光；可以根据摄像头捕捉到的行人和车辆的靠近而自动提升照明功率输出，或显示不同灯光模式显示效果；在必要情况下，如危及安全时，还可以作出判断、及时发出控制指令，避免更大损失。通过边缘计算可以提高数据传输性能，保证处理的实时性，同时降低云端的计算负载[8]。

在城市夜景照明物联网系统中，专家管理系统是该物联网的照明行业属性中最具价值的部分，同时边缘计算系统是当前夜景照明物联网系统中研究最薄弱的环节，也是未来最具研究价值的课题。

3.4 城市夜景照明物联网系统的感知终端

物联网是通过在物理实体中嵌入电子元件、传感器、软件和网络接口来组成网络，而这些嵌入部分使得这些物理实体可以感知、收集并交换数据。在夜景照明物联网系统中，感知终端可以分为:照明设备及其搭载的传感器、演绎设备及其搭载的传感器、电力设备及其搭载的传感器、安全保障设备及其搭载的传感器、环境监测设备及其搭载的传感器等。

3.4.1 照明设备及其搭载的传感器

在夜景照明系统中，照明设备包括景观照明灯具、媒体立面灯具、道路照明灯具、部分室内照明灯具等，也包括这些灯具的驱动装置、固定机械装置等附件。通过其搭载的传感器，可以感知灯具的电学参数、光学参数、颜色、温度，甚至位置、角度等。

3.4.2 演绎设备及其搭载的传感器

夜景照明系统中的演绎设备有激光灯、光束灯、投影设备、舞台灯光和机械设备、水景喷泉等等，还有节目表演人员随身佩戴的动作传感器，随着新科技的发展应用，还可能融入有VR互动装置等，这些新技术新产品的应用，给现代夜景照明系统注入了新的生命力，同时也给夜景照明物联网系统的应用技术研究带来了新的挑战。

3.4.3 电力设备及其搭载的传感器

夜景照明系统中，通过安装智能电表、智能控制模块、智能网关和互感器，可以获得照明配电箱内的电压、电流、功率、用电量等信息，不仅可以用来统计系统能耗进行能源管理，还可以根据安全值范围设定报警值，当设备非正常工作时，可立即驱动电源开关、交流接触器、防雷浪涌保护器等发生动作，避免危害到系统的其他设备。同时，这些数据通过网络在云平台中还可以与其他信息进行综合比对和分析计算，通过专家管理系统的人工智能学习，不断更新报警算法，做到精确管理，避免误报误操作；并能根据人流量进行精细化的照明模式和照度管理，最大限度节约能源[9]。

3.4.4 安防设备及其搭载的传感器

城市中的美丽夜景往往会吸引大量游客驻足观赏，而公共安全也是城市夜景照明系统需要考虑的重要问题。在智慧城市的规划设计中，通过具有人脸识别功能的摄像头对公共区域进行监控是保障城市安全的重要措施。因此，城市夜景照明物联网系统中，各种拍照摄像设备、录音设备、报警装置、电话等也是重要的感知终端设备。

3.4.5 环境监测设备及其搭载的传感器

为了使夜景照明可以根据环境照度条件、天气条件等环境信息进行智能调节，使之适应人们的生理和心理需求，需要在夜景照明物联网系统中增加环境监测设备，感知自然光的光强、甚至不同天气条件下的光谱信息。同时，随着人们生活质量越来越高，具备监测环境温度、湿度、PM2.5浓度、紫外线强度等大气环境的传感器也可以纳入城市夜景照明物联网系统，结合天气预测专家系统，及时在LED屏上公示，实现在恶劣天气到来前对人们进行提醒，及时疏散人群。

3.4.6 智慧灯杆

城市照明灯杆因其无处不在和具备供电能力的特点，城市管理中的很多物联网感知终端都会选择智慧灯杆作为安装载体。智慧灯杆上可以集成功能性道路照明灯具、装饰性夜景照明灯具、摄像头、环境监测设备、智能井盖感知终端、WIFI、4G基站、LED显示屏、智慧交通导引、充电桩等。功能强大的智慧灯杆已经成为城市物联网系统的重要载体，也是目前建设5G微基站的重要载体。

4 结束语

随着照明技术和物联网技术的不断发展，我国的城市夜景照明技术也得到了快速发展，在国家大力发展夜经济的政策助力下，城市夜景照明在杭州、厦门、青岛、上海、武汉、太原等各大城市都成功吸引了大量的游客，成为我国经济发展的重要驱动力。夜景照明物联网系统的搭建和使用，为城市夜景及公共区域的综合管理提供了更先进、更便捷、更低成本的智能管理模式，是未来智慧城市建设的发展方向。作为照明、演绎、互联网、计算机、AI、VR等多专业跨界融合的新兴技术领域，夜景照明物联网系统从云平台、通讯网络、边缘计算到感知终端，都有着巨大的研究潜力和发展前景，也将成为我国智慧城市建设的重要基础。