智慧照明应用在智慧城市中的作用

张宏征，吴雨婷，冯子龙，王立雄，于 娟

(天津大学 建筑学院；天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津 300072)

引言

智慧城市是以新一代信息技术为基础的创新性城市建设策略，旨在为市民创造更好的宜居环境[1，2]。智慧照明作为智慧城市的重要组成部分，目前能够高效提升照明质量，改善人居环境[3]。智慧照明采用LED光源，利用智能控制系统，实现亮度调节、场景设置等功能，达到按需照明和精准配光的目的，使照明管理更加智能[4]。

随着LED应用的日益成熟和信息技术的迭代更新，智慧照明的研究热点，由针对LED与信息技术的智能控制系统层面，转向以智慧灯杆为代表的智能化、集成化信息基础设施层面。智慧灯杆“多杆合一、一杆多用”[5]，成为智慧照明进一步撬动智慧城市建设的杠杆。如同灯杆被赋予多功能的用途，智慧照明也被赋予了更多内涵：在高效提供高品质城市照明环境的同时，成为智慧城市建设中诸多建设要素、产业层面的关键基点。

本文在解析智慧城市需求的基础上，提炼出智慧城市对智慧照明的要求。以城市道路照明为例，提取智慧照明能够参与的智慧城市建设要素，构建智慧城市道路照明建设体系，总结智慧照明的应对工作，旨在深入挖掘智慧照明应用能够在智慧城市中发挥的作用。

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]，指出智慧城市意味着更透彻的感知、更全面的互联互通与更深入的智能。Mohanty[7]和Rathore[8]等认为物联网的发展催生了智慧城市。智慧城市从信息技术应用扩展到城市治理方案、城市发展新模式，进而成为涉及多行业、多产业的社会生态理念。智慧城市的核心是以问题为导向，用更加智慧的方式来解决城市化过程的发展和转型问题。近年来，为解决现阶段智慧城市建设的瓶颈与困难，北京、上海、广州、杭州等越来越多的城市加入到建设以人的需求为导向的“城市大脑”[9]行列之中。国务院于2016年提出“新型智慧城市”概念，以人的需求为导向，以“创新、协调、绿色、开放、共享”理念为引领，以新一代信息技术为基础，通过信息量化，使得政府的管理更加科学、高效，市民能够参与到城市建设与监督、更便捷的享受公共服务与宜居的生活环境，开创了具有中国特色的智慧城市新发展模式。

1.1 智慧城市建设目标

智慧城市具有5个阶段性目标[10，11]：通过达成“基础设施智能化”和“网络安全长效化”的基础保障性目标，实现“城市管理精细化”的管理目标，进而实现“公共服务便捷化”和“生活环境宜居化”智慧城市运营的根本目标(表1)。

表1 智慧城市建设目标

以智能化的基础设施作为信息收集载体，长效化的网络安全保障信息收集与决策传递正常，构建起智慧城市的信息收集与发布优势。基于此优势，城市管理快速全面精细化的解决城市问题、公共服务更为便捷化的为市民提供信息便利、生活环境被高效的规划治理而更加宜居化。

1.2 智慧城市研究内容

基于智慧城市的建设目标，智慧城市的本质是集中人的智慧，利用信息技术，建设智慧基础设施，发展智慧产业，加强城市治理，强化民生服务，创建宜居环境，因此智慧城市的具体研究内容是在智慧人群的推动力下，研究智慧基础设施建设、智慧管理、智慧民生、智慧环境，形成对应的智慧产业，最终构建成熟的智慧城市(表2)。

表2 智慧城市研究内容

1.3 智慧城市建设要素

与智慧城市建设目标和研究内容对应，智慧城市的实质性建设要素包括：安全、交通、设施、资源、经济、历史文化、空间、社区、绿色建筑和园林绿地，分别构建智慧城市的公共服务基础、智慧民生基础、宜居环境基础(图1)。

图1 智慧城市的建设要素Fig.1 Construction elements of smart city

1.4 智慧城市评价体系

智慧城市的快速发展带来智慧城市评价的研究热点,不同评价主体的评价体系如表3[12-18]，侧重点虽有不同，但评价指标均可归类到技术基础、社会管理、市民民生3类别之内，分别对位智慧城市的实质性建设深度、运行实践的技术成熟度和目标达成程度。

1.5 智慧城市需求及对应的智慧照明要求

如图2所示，依据评价体系的评价指标类别，梳理建设目标与研究内容，能够厘清智慧城市需求：(1)建设需求，是指在智慧城市建设初期，对于基础设施、网络、专业人员、相关产业等基础性要素的需求。(2)运行需求，是指智慧城市运行过程中的安全防护、信息监测、设施维护、产业管理、服务运营等实践性要素需求。(3)以人为本的需求，是指智慧城市最终能够给市民提供的公共服务和生活环境等以人为本的民生需求。

表3 智慧城市的评价体系

图2 智慧城市需求Fig.2 Smart city demand

智慧照明对接智慧城市需求，是其持续深化改革、打破发展壁垒的有效途径。对应于智慧城市的建设和运行需求，智慧照明的基础设施建设和运营管理应兼顾考虑其他智慧产业需求，即达成多功能集成和信息多维共享的要求；对应于智慧城市的人本需求，智慧照明与其他智慧产业具有相同的物联网要求，即达成物与物、物与人、人与人的互联互通互动要求。

2 智慧城市道路照明建设要素

道路照明作为城市照明的基础，也是城市基础设施的重要组成部分，在城市中具有分布广阔均匀的特点。道路照明基础设施的“点位渗透”和“网络覆盖”优势，使之具有信息收集、发布及互动的便利，因而也成为5G互联网时代照明行业智慧化的发展前瞻基地[19]。对应智慧城市3大需求对智慧照明的多功能集成、信息多维共享，互联互通互动要求，梳理并解析城市道路照明能够参与承担的智慧城市建设要素，论述如下：

2.1 城市安全以及防灾减灾

是指利用其基础设施的“点位渗透”优势集成以下城市安全以及防灾减灾功能：

1)安全灾害信息的“零距离”收集。道路交通事故、人为破坏袭击行为、自然极端气候状况等城市安全灾害信息的收集需要与现场的“零距离”，传感器与道路照明基础设施集成是最佳的解决策略。

2)安全灾害预警信息的“零延迟”发布。安全灾害预警信息的发布重在及时，与道路照明基础设施集成的预警装置，能够将道路及周边区域安全灾害的可能性、强度，破坏力信息“零延迟”发布给区域内的市民，以保证快速响应。

3)安全灾害信息的“零障碍”查询和报告。如播报前方100 m交通事故点或施工点实时状况的显示屏、一键报警装置等，与道路照明基础设施集成的安全灾害信息查询和报告媒介，能够让市民“零障碍”参与灾害防控。

2.2 城市交通规划与管理

是指利用其基础设施的“网络覆盖”优势集成以下城市交通规划与管理功能：

1)实时路况信息的“全局”监控。城市交通规划与管理重在对区域内交通流量、道路使用情况等实时路况信息的整体掌控，与道路照明基础设施集成的监控装置，能够做到“全局”实时路况监控信息的共享。

2)路况导航信息的“延时”预告。目前导航系统是根据实时拥堵路况规避路线选择。与道路照明基础设施集成的预测装置，可以通过收集到的拥堵路长和通行速度信息，预测拥堵时间。对比依据“实时拥堵”的导航系统，考虑了“延时拥堵”的路线规划是更优的决策，使道路得到更充分的利用，提高运行效率，促进城市道路交通管理体制的一体化。

2.3 城市空间发展动态监控

是指利用其基础设施的“点位渗透”和“网络覆盖”的双优势，通过监控传感器与道路照明基础设施集成，对建筑物密度、使用时间(因办公或住宅等建筑功能性质而不同)，人流密度、流动方向等城市空间使用信息，达成最高效的现场“零距离”与区域“全局”监控，对城市空间发展进行有效的监测，为城市规划者提供城市资料。

2.4 智慧社区建设

是指利用其基础设施的“点位渗透”优势集成以下智慧社区建设功能：

1)社区安全信息的“零距离”收集。社区内人为破坏行为、道路或设施安全隐患等等社区安全信息的收集也需要与现场的“零距离”，传感器与社区道路照明基础设施集成同样是最佳的解决策略。

2)社区通告信息的“零障碍”发布。社区通告信息与社区道路照明基础设施集成的发布装置，能够最低程度打扰市民的同时做到广而告之，是最便捷高效的“零障碍”发布途径。

3)社区服务信息的“零障碍”查询和报告。同智慧灯杆，同社区道路照明基础设施集成的医疗保健信息、WiFi基站、教育机构信息、一键求助、社区网络、汽车充电桩等多功能媒介。能够让市民“零障碍”获取智慧社区的便民服务，完善智慧社区的建设。

2.5 园林绿化监测与管理

是指利用其基础设施的“点位渗透”优势，达成对生长状况信息的“零距离”监测与“零延迟”处理。温湿度、有无病虫害和生长情况等园林绿化信息的收集，借助植被与道路的“零距离”，达成监测传感器与道路照明基础设施的集成，将采集到的信息“零延迟”传送给城市园林管理部门，大大提高城市园林绿化的管理养护效率。

3 智慧城市道路照明建设体系

综上所述，智慧城市道路照明的各项建设要素，达成设施多功能集成的共性基础是信息的“零距离”收集与“全局”监控、“实时”预测加“延时”预告与“零延迟”发布处理、以及“零障碍”查询和报告。因此，智慧城市道路照明的建设体系以信息多维共享为宗旨，达成网络化与安全化的信息基础要求、集成化的信息共享要求、节约化的信息时效要求、人性化的信息服务要求。

1)网络化的智慧照明体系。网络化是城市道路照明建设分布的现状特点，也是智慧照明服务于智慧城市信息收集与共享的基础要求。因此，网络化的智慧照明体系是指通过网络化分布的智慧城市道路照明基础设施，一方面能够统筹智慧城市全区域的城市照明管理，另一方面集成上述5项智慧城市道路照明建设要素对应智慧产业的信息收集与发布，即创建网络化的城市照明管理和建设要素信息共享体系。网络化是集约、低碳、绿色、智能的基础，把智慧照明与其他智慧产业组成有机整体，城市照明管理部门与其他各职能部门相互促进协作，能够做到精细化、智能化管理，使得管理更加高效，提高城市运营效率。

2)安全化的智慧照明体系。安全化是道路照明的建设目的，即为夜间出行的人们提供安全的照明环境，也是智慧照明能够正常运行智慧城市信息收集传递的基础保障。因此，安全化的智慧照明体系是指基于多功能集成设施的安全运行，一方面通过智慧照明，保证光环境质量，提升城市安全度；另一方面是多功能集成设施在信息收集与传递上的安全性能。安全化是智慧城市网络安全长效化建设目标的具体落实，智慧照明为智慧城市的城市安全建设和智慧产业的安全运行奠定基础。

3)集成化的智慧照明体系。集成化是智慧城市道路照明基础设施的多功能要求，也是智慧城市道路照明5项建设要素信息共享要求。集成化的智慧照明体系体现在与其他智慧产业共用基础设施、共享信息。集成化是智慧照明真正打破专业发展壁垒的根本途径，使智慧照明集成信息传递与公共服务功能，使智慧产业之间的信息交流更加专业。

4)节约化的智慧照明体系。节约化是智慧照明运行和集成化智慧照明体系的必然结果，通过智慧照明的智慧管理与智能调控，达成照明能耗的降低；通过共用基础设施、共享信息达成智慧产业的低成本建设与运营。节约化是在智慧照明方便、及时、高效的性能基础上，实现智慧照明建设要素的数字化、精准化、协同化、一体化[20]。

5)人性化的智慧照明体系。人性化的智慧照明体系是在保障城市安全、节约资源能源基础上，根据智慧城市需求按需照明的城市照明新思维，是智慧照明持续更新改革的根本动力；也是智慧照明将智慧城市的公共服务便捷化建设目标的具体落实，将新型智慧城市的建设推向更全面、更高、更可持续的发展阶段。

4 智慧照明应对工作

智慧城市离不开智慧照明，智慧道路照明又是智慧照明的重中之重，目前城市道路照明领域的优势是：掌握覆盖整个城市的路灯系统资源。但也存在劣势：缺少其他资源，较少涉及城市建设、信息技术领域。智慧照明应对智慧城市需求，需要完成以下4点任务：

1)推动物联网、大数据、云计算等新一代信息技术科学创新的应用；

2)强化信息网络、数据中心等信息基础设施建设；

3)促进跨部门、跨行业、跨地区的信息共享和业务协同；

4)强化信息资源社会化开发利用、推广智慧化信息应用和新型信息服务。

这与智慧产业的物联网要求是相同的，即达成物与物、物与人、人与人的互联互通互动要求。智慧城市1.0时代以信息基础设施建设为主要特征，更加强调建设无线城市、城市光网等信息基础设施；智慧城市2.0时代以智慧应用建设为主要特征，更加强调建设市民可感知的智慧城市，从智慧社区、智慧园区和智慧商圈等时空维度，解决日常生活痛点，以场景创新让市民体验智慧城市的魅力；智慧城市3.0时代以AI赋能城市为主要特征，强调机器学习、模式识别等人工智能技术应用，释放数据潜能，让城市更具有思考力、决策力和行动力[21]。对应未来的智慧城市3.0时代，工作集中在以下4方面。

1)理论突破。将城市道路照明有机地融入智慧城市建设中的一个重要步骤就是：要在道路照明建设理论上有创新性的突破。建立这一理论的基础就是，认真透彻研究智慧城市理论与标准，理清智慧城市需求与照明的联系，做好顶层设计。

智慧城市1.0时代，即“垂直信息孤岛”。主要特征是政府主导，分系统建设，数据隔离分散，在垂直领域里专业、精细化管理，如交通领域中交管、运输部门的数据交换。智慧城市2.0时代，即“数据集中和互联互通”。主要特征是企业加入，打破信息孤岛，实现以城市为单位的目标、规划和资源的统筹，政府部门间、政府与企业之间数据交换共享，媒体娱乐、教育、零售、健康等进入智慧化阶段。智慧城市3.0时代，即“全面互联和以人为本”，核心特征是城市互联、数据开放、以人为本，实现城与城、国与国之间的信息、文化交流。构建数据生态圈，推动大数据应用，建立数据开放机制，推进城市互联，构建智慧城市群等。目前，智能灯杆或多杆合一的路灯完成了1.0时代。要达到2.0甚至3.0时代，需要深入理解智慧城市技术标准，建立具备数据交换共享的道路照明设计建设新理论。

2)组织创新。智慧城市2.0时代的“数据集中和互联互通”要求基础设施多功能集成，传统路灯行业难以独立解决应对。因此，跳出路灯产业自身的小圈子，寻找测量、信息、数据交换、智能控制等专业伙伴，建立研发联盟或研究院，以智慧城市技术标准为指针，借鉴智能手机综合了开放系统功能、无线接入互联网功能、PDA的功能、图像拍照处理功能等非传统通信业务的发展思路，实现道路照明的智慧目标。

3)精准发力。基于智慧城市需求梳理出的5项智慧照明建设要素，不仅是对基础设施提出多功能集成要求，在物化产品背后的数据结构与接口、数字模型与算法、平台与操作系统等核心技术上也需要重点投入下大功夫。通过专业的智慧人群培养，对应智慧产业专业需求，精准发力，对接智慧城市3.0时代的“全面互联和以人为本”要求。

4)自身转变。对接智慧城市1.0至3.0时代需求的实质是智慧照明的持续深化改革的过程，智慧照明由单一照明产业转变为多产业集成，从服务城市信息收集深化至信息共享，承担起智慧城市的更多需求，打破自身发展壁垒的同时，实现行业的结构调整与转型升级。

5 结语

智慧照明蓄势待发，面对未来智慧城市，需要更多创新模式、创新思维和创新服务。建立城市公共照明系统、研究智慧城市理论与标准，做好顶层设计、拎清智慧城市需求与智慧照明的联系，未来智慧照明与智慧城市将形成一个多产业的发展联盟，满足智慧城市和各项智慧应用的发展需求，进一步打破行业、领域之间的信息壁垒，实现跨行业、跨领域信息互通，为深层次智慧管理的提供基础条件，更好地服务于社会大众、企业和政府。