王洪亮
北京创安利市政建设（集团）有限责任公司 100106
摘要：随着社会的不断进步与发展，智慧城市建设已在多个城市掀起了建设热潮。而智慧路灯作为智慧城市建设中的关键一环，其影响着整个智慧城市的建设水平。普通的路灯一般只具备照明的功能，而智慧路灯在具备照明功能的基础上，还能实现对信息的采集和存储，这样就给整个城市的发展建设提供了重要的数据信息，提高了整个城市的服务能力。
关键词：智慧路灯；城市道路照明；应用；关键技术
为了满足智慧城市道路照明系统中技术需要，本文主要从城市照明系统发展现状进行论述。基于对智慧灯具LED、PLC通信的高速物联网、云技术的智慧照明控制系统等关键技术进行阐述，通过多种关键技术的研究，建立高速的通信网络与可靠云计算、云技术与智能控制的相结合、传感器技术的应用，使城市道路照明变得更加智慧。随着国内的城市化快速发展，道路照明的需求也不断增加，LED灯具将逐步取代传统灯具成为道路照明的首选。国家发改委发布《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》以来，智慧道路照明技术取得了快速发展。
1.智慧城市道路照明系统发展现状
针对智慧城市道路照明系统中的关键核心技术，主要体现在智慧灯具，传输网络，云平台控制系统，专用传感器等技术中，国内外也进行了一些相关研究，国际上如飞利浦、欧司朗、国内如华体、华为等进行了相关技术研究，研究内容主要是采用智慧灯杆方案，采用不同的数据传输通道，数据在平台进行融合，这种没有有效进行设备的优化利用，而是简单对物理设备进行了一个加法处理，而没有采用智慧灯具的方式进行从传感器、高速传输网络、云平台系统、大数据分析的一体化研制模式。当前的照明管理系统虽然在终端接入控制和状态监控方面已取得了极大的进步，然而，针对具体应用设计开发的专用照明数据云平台还未得到充分的测试和应用，仍然缺乏深入和系统的研究。
2.目前主要存在的问题
2.1高光效LED智慧灯具
灯具光效低，无色温调节技术，灯具不具备集成智慧照明需要的传感器数据采集功能。
2.2高速物联网通信技术
现有智慧照明通信常见低速PLC,ZIGBEE,485等通信介质，普遍存在不稳定、施工复杂的技术难点，难以满足灯具控制，数据高速传输的需要。
2.3海量异构物联网终端接入瓶颈
城市室外照明需求规模的不断增大，采集数据种类不断增多，而市场上现有系统以至于对智慧灯具的应用始终停留在简单控制、网络接入等初级阶段。
2.4城市环境参数检测技术
基于室外使用环境需要采用专业传感器，而市场上常见的均为商业用途传感器，无法满足传感器长寿命，高可靠，低功耗，易与灯具集成等技术要求。
3.3关键技术研究与应用
3.1关键技术研究
①高光效智慧灯具:
低光损、变色温配光技术:配光是照明技术中的关键技术，减小配光中的光能损失，提高配光均匀性是配光中需要解决的重要技术，采用介质填充技术，减少光学反射面，调高系统的投光率。不同材料的耐候性、与透镜材料的符合J险将是项目中的研究重点;高效散热技术研究:根据散热的传导、对流、辐射三种途径进行研究，在LED散热设计中，重点提高热传导、对流散热效果;可组态单灯控制器:通过研究控制器的可组态、高可靠功能，EMC指标符合国标3级水平;可接入的数据信号种类大于巧中，编制可接入信号规范、采用自适应组态技术，控制器自动扫描连接的传感器种类及数量，自动传输到云控制平台。
②高速物联网关键技术研究:
边缘网关是智慧灯杆内各个组件集成在一起的关键部件，具备以下关键技术。
1)基于设备模型驱动的泛化物联技术。它是实现物联网系统中物理模型与真实设备间的匹配、物联网万物互联的关键技术Dof。依托云平台的设备管理功能，可自由创建端设备物理模型，从物理属性、控制服务、通信协议解析脚本等维度对端设备进行描述，依托通用的网关通信组件、协议解析组件完成端设备泛化接入。对于标准化协议，物理模型的创建可以简化通信协议解析脚本配置，从而使得标准协议端设备的接入更为容易。在完成模型创建后，真实设备的添加是一个设备实例化的过程，只需要选择设备类型(与模型一一对应)、填入真实设备的通信地址，即可自动添加该设备的属性、服务及协议脚本。
2)边缘协议解析及边缘计算技术。对于多功能智慧灯杆的应用场景，本地化的边缘计算能力有助于减少整个系统云端计算压力，并增加端设备间的响应实时性。从端设备数据接入开始，边缘网关可发起主从通信模式端设备的数据采集，通过协议插件加载，从本地或服务器加载协议脚本，完成端设备查询数据包组包，并发至通信队列，经虚拟消息总线交驱动层发送至端设备。对于端设备的应答数据或者主动上报数据，边缘网关同样加载协议插件，并调用协议脚本中相应方法完成上报数据解析、数据格式标准化及数据存储。边缘计算模块则负责对标准化的端设备数据进行逻辑运算处理。边缘计算线程首先识别各算法的执行周期，根据执行周期加载边缘算法，依托边缘计算引擎，识别云平台可编辑的边缘算法，加载运算数据并执行算法逻辑，生成端设备的控制指令。控制指令经由虚拟消息总线，传递至服务下发线程，由其通过边缘协议服务组包功能，将控制指令组成端设备可识别的数据包下发至端设备，从而通过边缘网关实现端端协同。
3)用户可控数据流向技术。对于NBDoT,LoRaWan等物联网体系，端设备的数据将直接上传到各厂商的公有云平台，用户无法选择数据流向。采用边缘网关架构的物联网体系，在端设备和云平台之间增加了边缘网关，通过边缘网关汇聚的数据，可按用户上传至各用户布置的私有云平台，并由用户配置将自主授权数据上传到公有云平台。
4)开放性生态架构。从物联网的推广应用看，采用开放性生态架构是构建物联网设备生态体系的关键所在。对于oT,LoRaWan等物联网技术，需要端设备厂商主动适配，开发相应接口的端设备，才能加入到生态体系中。通过驱动协议下沉、协议转换设备研发，依托供应商考查体系，选用合适的端设备厂商，主动适配其端设备产品，可以构建更灵活的端设备生态体系。
5)信息安全技术。物联网除面临物理安全、运行安全、数据安全等一般信息网络的安全问题外，还面临特有的威胁和攻击，如物理俘获、传输威胁、阻塞干扰、信息篡改等。电力线是非常复杂的通讯信道，它是一个时变系统，而且对通信信号有很强的衰减性。针对电力线通信的复杂性，通过采用物联网高速应用进行专用PLC芯片设计应用。
③基于智慧照明PLC通信协议研究:
针对电力线载波通信的困难，特别是中国电力线的特殊情况，研究各种最先进的技术及方法，把它们进行有机的组合，并加以优化提炼，将研究一套应用于智慧照明PLC的通信协议。
图1边缘协议解析及边缘计算流程
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图2用户可控数据流向示意图
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3.2基于云技术的智慧照明控制系统研究:
综合拟运用云计算技术、大数据分析技术和模糊控制理论等多种先进技术手段，通过实现智慧照明数据云平台、智慧照明大数据分析和应用、智慧照明多参数控制策略这三大核心模块，研发智慧照明控制云平台系统，实现针对道路照明应用场景的智能化照明控制，满足节能环保和行车安全的室外照明需求。智慧照明数据云平台:针对海量高并发物联网终端数据接入和存储问题，基于开源云平台，利用对等分布式存储、热点数据处理和存储虚拟化等技术，实现对照明数据的无缝接入和存储管理。针对智慧照明云计算平台的节能优化调度问题，拟利用自适应优化分配和异步渐进式动态迁移算法，实现高效节能的云调度系统。针对云平台应用安全问题，拟采用基于用户角色的分级授权机制，重点研究基于用户角色权限的云平台安全保障技术，实现云平台对用户权限和许可行为的约束。智慧照明大数据分析技术:
针对基于大数据的交通事故分析与预警问题，拟采用关联规则挖掘算法，同时基于贝叶斯网络结构联合多属性节点建立交通事故预测模型。
结语
随着我国“传感中国”战略的实施，物联网的建设成为我国今后信息化建设的重心，道路智慧照明系统通过多种关键技术的研究建立高速的通信网络与可靠云计算、传感网技术的使智慧路灯/城市变得更加聪明，使用这个网络来连接路灯和物联网传感器来创建可靠及可持续的智慧路灯/城市网络，以便把路灯转变为一个动态、资源高效的平台。
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