基于物联网技术的城市景观照明智能控制系统及其应用——以上海虹口北外滩景观照明提升项目为例

周 娜,李军云，杨 贇

(1.上海现代建筑装饰环境设计研究院有限公司，上海 200041；2.众盒智能科技(上海)有限公司，上海 201800)

引言

随着城市的建设和发展，夜景照明对城市形象的塑造及城市经济的发展起着越来越重要的作用。照明控制系统是城市景观照明效果呈现和管理的关键部分。目前，城市景观照明控制多数为单体建筑独立控制，缺乏统一控制和管理；粗放的运营管理导致照明设备故障无法得到及时维护。当今，城市景观照明规模越来越大，效果需求更为多样化，对照明控制系统的智能化要求也就越来越高。因此，传统的照明管理方式已不再适用。

伴随着计算机技术和通信技术的发展，物联网技术得到了广泛应用。物联网技术具有可靠、灵活、易于扩展等优势，将其应用于智能照明系统当中，更能满足管理者高效、节能的使用需求。

本文以实际案例为依托，针对存量灯光提升问题，阐述了基于物联网技术的城市景观照明智能控制系统的应用情况及其应用于城市景观照明的系统优势。

1 物联网技术与城市景观照明控制

1.1 物联网技术

物联网技术以互联网技术为基础，通过信息传感设备按约定的协议将物体与网络相连，进行信息交换和沟通，实现万物互联。物联网还可以基于互联网基础上实现网络的延伸与拓展。通过通信标准协议，与其他网络建立实时的数据连接，实现对网络节点的智能化控制和管理。其具有全面感知、可靠传递、智能处理的特征[1]，被广泛应用于很多领域。

5G通信技术的成熟应用，使得信息的传输更为快速、稳定。大数据计算、人工智能技术的使用，使得管理数据可视化更强，管理更为智能和便捷。

1.2 城市景观照明及其控制

城市景观照明是展示城市形象，营造舒适的夜间生活环境，促进夜经济发展的重要手段之一。随着经济和照明技术的发展，人们对城市景观照明的视觉需求变得更为多样化、艺术化， LED媒体立面、光影秀、光艺术装置、互动灯光等出现在城市夜景照明中，城市夜景照明由简单静态场景向“舞台化”演绎发展。且城市夜景照明涉及地域范围大，需控制灯具数量及种类多，需要呈现不同的场景模式，这都对照明控制系统的智能化提出了新的要求。

目前，多数城市照明控制在智能化管理方面均存在不足。早期的城市景观照明控制，主要为人工控制、时钟控制、回路控制等，存在控制无法系统化、联动化的问题，且管理效率低、成本高。近年来，照明控制技术进一步发展，通过GPRS网络、电力载波等媒介实现了远程控制，但控制场景也较为单一、规范化不足。

2 城市景观照明智能控制系统——以虹口北外滩景观照明提升项目为例

2.1 虹口北外滩景观照明项目介绍

虹口北外滩属于上海黄浦江两岸沿线 45 km 范围内的核心段之一，范围为外白渡桥至秦皇岛码头之间。根据黄浦江两岸景观照明总体方案要求，设计对滨江 2.5 km 景观照明和滨江天际线重要建筑照明进行了提升。整体夜景设计既保证了与相连接区域的和谐统一，又体现出了虹口的航运文化、水文化特色，以“水韵北外滩、启航新上海”为设计主题。经过两年的建设，北外滩滨江夜景已呈现有特色、有层次、有格调、有风韵的“华光虹口、炫彩滨江”的完整效果。根据不同时间的不同使用需求，夜景场景设置分为常态模式(图1)、周末模式、重大节假日模式和深夜模式。

图1 北外滩景观照明提升设计效果图(常态模式)Fig.1 Design renderings of the landscape lighting improvement of the north Bund (normal mode)

改造前，北外滩景观照明已初具规模，很多楼宇已具有外立面夜景照明。特别是白玉兰广场、港务大厦、国客中心建筑群等几处重要楼宇已具有动态变化的媒体立面。但已有景观照明均以单体建筑照明系统为主，几处媒体立面显示内容不统一、各自为政，缺乏对区域整体夜景灯光的统一有效控制、管理和运维，难以形成具有特色和整体性的夜景观效果。基于存量优化、资源整合的设计原则，设计充分利用已有照明灯具，通过智能照明控制系统的搭建，将北外滩原有和新建景观照明均接入区景观照明智能控制系统，以便对区域景观照明的统一管控。并将几处已有媒体立面的楼宇照明保留，通过系统优化，显示画面内容的专门创作，使白玉兰广场、港务大厦、国客中心建筑组成的“2+6”建筑群形成了整体、协调、规模化的联动效果(图2)。

在区景观照明智能控制系统搭建过程中，已有灯光楼宇照明控制系统的控制设备种类繁杂、品牌众多，兼容性也差，出现一楼一方案的现象，这成为了本次景观照明控制系统提升的痛点、难点。

图2 北外滩“2+6”建筑群照明提升实景效果Fig.2 The real effect of “2+6” building group lighting improvement in the north Bund

2.2 系统架构

系统结合互联网+物联网技术、新一代通讯技术、大数据分析技术、AI人工智能、云端数据分析等新技术，实现对景观照明灯具智能化、集成化、精细化管理和控制，构建一个高效、安全、智能、创新、资源可持续发展的城市级智慧照明管理平台。系统架构由4个层面组成，分别为：云(服务应用层)、管(传输网络层)、边(边缘网关)、端(设备感知层)。

端即控制终端和感知设备，包含LED控制终端、LED灯具和各类传感器，完成信息采集，为照明系统决策提供可靠的数据支撑。LED灯具需含RDM信息反馈芯片，能将灯具运行的数据(如：电流、电压、温度等)反馈到控制终端。传感器则对光照度、人体红外、声音、温湿度等环境参数采集。

边就是边缘网关，其具备边缘计算能力，在靠近物或数据源头的一侧，采用网络、计算、存储、应用核心能力为一体的开放平台，就近提供最近端服务。利用边缘网关，可以分担部署在云端的计算资源，在边缘节点实现数据优化、实时响应等。例如，边缘网关收集到控制终端上传的RDM灯具运行数据(数据量比较大)，会在边缘网关先进行比对，出现异常时才向平台上报，无需实时上报至平台再做判断，以节约网络资源。当通讯网络不好时(或离线时)，使设备具备按既定计划工作的能力。

管即是传输网络层，是边缘网关到云端的网络传输通道，由运营商网络(电信、联通、移动的宽带或4G/5G网络)、NB-IoT、Rola、PLC等异构网络组成。将边缘网关和云端的数据进行连接。

云为服务应用层，是照明智能控制系统的核心，通过云计算平台对上传数据进行分析、存储，管理决策等。

北外滩景观照明智能控制系统就是基于物联网“云、管、边、端” 的架构进行搭建，通过无线的数据指令传输和反馈，实现了北外滩景观照明的智能集中控制(图3)。以一栋楼宇或者一处景观照明作为一个节点，该节点端通过强电和弱电控制设备实现灯具的控制和数据采集。强电控制设备包括数字电表、智能模块、电参数采集模块等，实现对电源回路的开关和电参数数据的收集。弱电控制设备主要对带控灯具的变化效果进行控制和数据反馈，包括主控器、分控器、信号接收器等。对于现有存量灯光的纳控，通过与存量灯具厂家的协议对接进行程序开发实现。每个节点端接收来自边缘主机的信号指令进行效果呈现，并将灯具设备运营信息临时存储于边缘主机。边缘主机通过网络将各节点反馈数据定时上传到虹口区智慧照明管理云平台。所有节点端都像这样下达命令和数据反馈，便实现了整个照明控制系统的工作。系统平台采用的B/C/S混合异构体架构，既可以机房本地布署，也可以云布署，数据双重备份。可远程使用移动电脑、IPAD、手机等终端进行控制；也可根据管理的需要，设置本地集控中心，实现本地控制，并通过监控大屏对夜景效果进行清晰查看。控制更为灵活、更具安全性。

系统除了能对景观照明强弱电控制，还可实现音频设备、视频设备、舞美灯光、环境监测等应用集成控制，平台兼容多种接口协议及其变异协议(如：Art-NET、Modbus、C-BUS、KNX、DMX512、RDM、RS485、RS232、NB-IOT、Rola等)，为项目的扩展及升级改造提供技术支撑。

图3 北外滩景观照明智能控制系统架构Fig.3 Landscape lighting intelligent control system structure of the north Bund

2.3 权限管理

为实现不同场景模式的效果，便于不同场景需求的控制管理，系统采用三级权限管理设计(图4)。管理权限优先级设置：市集控高于区集控，区集控高于控制节点。当重大节日或者市级特殊活动时，黄浦江核心区三区夜景灯光需要进行联动，市集控平台通过向区集控平台请求权限后，获得统一控制权，实现三区联动效果。当区级特殊活动时，北外滩夜景灯光由区集控控制，实现北外滩的灯光联动。平日模式时，区集控可下发权限，单栋楼自行控制。

图4 北外滩景观照明控制权限设置Fig.4 Authority setting of landscape lighting control in the north Bund

2.4 系统功能

为了实现了景观照明的智能化控制、精细化管理，本系统根据实际情况，按需设计，具备照明控制、运营管理、实时监控、信息安全等方面的功能。

2.4.1 照明控制

1)系统满足多种控制方式：集控中心本地控制，远程移动终端控制。

2)可实现多种场景控制：可根据需求定义常态模式、节日模式、重大节假日模式等控制场景。

3)本照明系统可兼容多种接口协议及其变异协议，实现了景观照明强弱电控制、“2+6”建筑群媒体立面联动、广播设备、光束灯、雾森系统等“一键式”联动控制。

2.4.2 运营管理

1)数据管理：设备远程抄表，能耗监测，运行参数统计，设备故障报警、日志情况等，数据经过分析，以直观的图表形式呈现。

2)设备管理：直观查询和控制设备运行状态、在线情况，GIS定位显示设备分布情况等。

2.4.3 实时监控

1)运行状态监控：安装监控摄像头，对夜景呈现效果进行实时的直观监控。

2)环境感知监控：通过感应设备检测环境变化，如：温度、湿度、PM2.5、环境噪音等。

3)设备异常处理：对集控工作状态设定参数范围，超过相应值进行异常报警，并自行启动关联操作，如：4G离线、设备箱非正常开启、箱内温度、湿度过高等。设备异常告警将第一时间通过短信、邮件、微信等方式推送给管理者，实现了设备异常及时上报和快速处理，减少人工巡视的成本。

2.4.4 信息安全

1)设备管理安全：照明系统的登录和操作由专人进行，照明系统的进入需由管理者同意才能注册加入。管理过程不得随意删除或更改设备。

2)网络通信安全：系统平台设有网络安全组，终端与平台采用“4G/5G+虚拟VPN”的方式进行通讯，数据的传输采用加密方式，避免网络攻击。

2.5 系统特点

1)兼容性。北外滩滨江原有灯光楼宇使用的照明控制系统接近20家不同厂家，要将所有的楼宇都进行统一控制，对系统的兼容性要求很高。通过程序开发将原有不同系统与新装系统做协议接口对接，将存量灯光通过4G边缘主机方式接入虹口区物联网智慧照明管理平台，完成了存量纳控(图5)。

图5 北外滩景观照明控制系统纳控情况Fig.5 The situation that the landscape lighting of the north Bund is incorporated into the lighting control system

2)智能化。系统设计充分考虑了运营管理的智能性，在平台中增加了很多便于后期运维的功能，如权限管理、GSI设备位置信息管理功能、资产管理功能、环境监测功能、设备异常报警功能、4 K高清视频流媒体功能以及建筑BIM管理功能，使得管理更为高效，省时省力。

3)节能性。本平台采用4G组网方式，结合节点边缘控制技术，以及依托强大的云端处理能力，确保了每个场景的演绎和场景间切换的可靠性和实时性。项目中没有拉过一根光纤和专线，最大程度的降低了实施和运维成本。同时，根据需求设置不同场景模式，控制开启时长，达到节能运营的目的。

4)精细化。资产管理功能方面，大数据统计和分析能将每个控制节点的能耗、工作状态、照明设备的设备信息、使用时间、故障反馈按照预设定的时间周期自动生成报表并以数据可视化的界面为照明管理者提供管理决策信息。让照明控制系统不光只是控制灯光的开关及变化作用，还要作为智慧城市的一部分为城市运营管理者提供更及时、灵活、高效、全面的信息及决策依据，实现资产的精细化管理。

5)便利性。智能控制终端可对灯光效果数据进行存储，灯光效果可以进行任意组合或者定时切换，便于较为复杂的光影秀效果的调试和展示。在重大节假日光影秀表演时，智慧照明管理平台通过先进的算法与表演时间轴相结合的技术，解决了4G网络下灯光秀表演的延时问题，确保了灯光表演的及时性，真正实现强弱电“一键式”联动表演，操作方便快捷(图6)。

图6 北外滩景观照明管理平台控制操作界面Fig.6 Control operation interface of the landscape lighting management platform of the north Bund

3 城市景观照明智能控制系统应用拓展

城市景观照明的控制不仅仅是启闭灯光，还涉及效果控制、光影秀表演、后期运维管理等功能。还可将城市路灯接入系统，以智慧灯杆为载体，将各类市政设施接入管理平台，如：交通信号灯、摄像头监控、网络信号的发布、城市环境噪音的监控、信息的发布等，构建城市市政物联网。

通过城市景观照明控制系统可收集到大量的数据，如何利用这些数据辅助管理者进行管理优化和决策，这也是未来智慧照明需要进一步研究的方向。

照明可结合互联网、计算机、AI、VR等新兴技术，进行跨领域、多专业的研究，物联网系统的照明控制系统从云、管、边、端各方面，仍具有很大的研究潜力。以及如何与智慧城市其他各方面的融合，这都将是未来需拓展研究的方向。

4 结语

本文以北外滩景观照明提升项目为例，基于物联网技术搭建景观照明智能控制系统，实现了大量存量城市景观照明的联动控制，满足了多样化的效果呈现需求。通过端口协议的对接与打通，系统扩展接入广播音响设备，实现了光影效果与音乐的同步联动。系统可对设备运行状态进行实时监测和故障报警等，满足城市照明的统一管理。经过项目建设后的运行，控制系统运行状态稳定，具有兼容性、智能化、节能性、精细化、便利性的特点，符合城市景观照明智能化控制、精细化管理的要求，对城市景观照明的建设和智慧城市的建设起到了一定的借鉴作用。通过物联网照明系统的搭建，以大数据和大系统的共享模式，进行资源的整合，实现高效运行、智能控制、绿色节能的灯光管控，这将是未来智慧城市建设的发展趋势。

致谢：感谢上海市虹口区绿化和市容管理局、虹口区景观建设管理所对项目建设的大力支持。