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浅析智慧照明在智慧城市建设中的引领作用

2019-03-21    

来源:中国设计师网

   作者:王勤  

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导语: ”在LED光源、驱动电源、灯具配光、智能控制系统、传感器、互联网和物联网等技术和工艺的日臻成熟和广泛运用的当下,智慧与照明相遇,人类对照明的需求就不仅仅是为了在黑暗中能看清物体和识别方向的基本功能了,照明行业也就从单纯的光源、电器、灯具研发、生产、应用,逐渐与建筑电气、园林景观、环境艺术、建筑外观、一体化建材、网络科技领域的科技成果融合,形成了一系列以照明为核心的系统工程。

  1 引言

  爱默生说:“智慧的可靠标志就是能够在平凡中发现奇迹。”在LED光源、驱动电源、灯具配光、智能控制系统、传感器、互联网和物联网等技术和工艺的日臻成熟和广泛运用的当下,智慧与照明相遇,人类对照明的需求就不仅仅是为了在黑暗中能看清物体和识别方向的基本功能了,照明行业也就从单纯的光源、电器、灯具研发、生产、应用,逐渐与建筑电气、园林景观、环境艺术、建筑外观、一体化建材、网络科技领域的科技成果融合,形成了一系列以照明为核心的系统工程,从而成就了专业从事智慧照明的领军人物、领军企业和设计、施工队伍,智慧照明悄悄地来到我们的生活和工作中,智慧照明成为智慧城市建设的标杆,引领智慧园区、智慧景区、智慧市政、城市夜间光环境工程建设步入跳跃式的发展阶段,架起了通往智慧城市的金桥。

  2 智慧城市

  2.1 智慧城市的概念

  智慧城市是利用新一代信息技术,在泛信息全面感知和互联的基础上,实现人、物、城市功能系统之间无缝连接与协同联动的智能自感知、自适应、自优化,从而对政府服务、商务活动、民生、环保、公共安全等多种城市需求做出智能优化和及时响应,形成具备可持续发展、便捷、高效、绿色、安全的智慧城市形态。

  2.2 国内智慧城市进程

  2013年1月29日,住房城乡建设部公布首批国家智慧城市试点名单。

  2013年4月10日,由住房城乡建设部建筑节能与科技司组织的智慧城市创建任务书编织培训会在北京举行。

  2014年8月29日,经国务院同意,发改委、工信部、科技部、公安部、财政部、国土部、住建部、交通部等八部委印发《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》。

  2015年是智慧城市建设规模实施的元年。笔者认为也是中国城市建设开始弯道超车赶超发达国家的起点。

  2.3 智慧城市体系架构

  华为智慧城市解决方案整体架构见图1。

  华为认为:智慧城市是一个复杂的“巨系统”,涉及投融资、顶层设计、集成、运营、业务应用、ICT基础建设等多个环节。因此,只有各个环节的企业在各自领域做好自己擅长的事情,才能促进智慧城市生态圈的良性发展,提供满足客户需求、自身不断进化的智慧城市整体解决方案。在智慧城市领域,华为聚焦ICT基础设施与解决方案提供技术支持与售后服务。

  


  图1 华为智慧城市解决方案整体架构

  笔者理解:在智慧城市系统架构中有感知、网路、数据、应用四个层次无数个信息采集终端和传感系统;在网络层强调城市通信网和城市物联网;在感知层包含在数据层包含云数据处理中心和公共信息服务平台、大数据支持平台;在应用层里包含智慧城市的大脑——智慧城市管理运营中心,中枢神经系统——智慧政务、智慧城管、平安城市、数字环保、数字园林、智能交通、智慧医疗、智慧教育、智慧照明等多个子系统。由于《“十二五”城市绿色照明规划纲要》的实施,在整个智慧城市系统架构中,城市照明设施是最健全、最完备、数字化管理最到位的城市基础设施,几乎不用投资即可承载其他感知和应用子系统装备,实现智慧城市核心功能(见图3),因此,智慧照明自然存在于智慧城市系统架构的感知层和应用层两个层面里(见图2)。

  


  图2 智慧城市系统架构里的智慧照明

  


  图3 智慧照明与其他智慧城市子系统的关系

  3 智慧照明

  3.1 智慧照明基于智能照明

  智能照明是指利用人工智能、无线通讯数据传输、智能化信息处理、物联网、传感器、控制系统等技术,使照明设施具有色温、亮度、色彩、点线面的光源的软启动、定时控制、场景设置等功能,并达到预定的照明标准要求,满足不同个性的需求,同时按照程序反馈问题的照明系统工程。智慧照明是智能照明的更高级阶段。

  3.2 智慧照明是照明非照明

  IEC-SC34E--AC4定义是:智慧灯具,智慧灯具是配备了具有传感、通信和处理能力的组件的灯具;智慧照明系统,智慧照明系统是一个或多个智慧灯具与一个或多个控制装置的组合。

  飞乐音响定义是:智慧照明打造的是一个“灯、网、云”的物联网核心概念。核心产品是“一盏灯”,即以LED灯作为集成感知终端和集成工作终端。重点是布设“一张网”,用于感知和传输,最终集成到管理后台“一朵云”上,打造数据云、服务云和智慧云。建设一套基于智慧照明的灯什练合利用练合生态系统,买现“1+X”综合应用,构建城币基础设施建设新模式,实现多方共盈利,引导智慧城市建设进入可持续发展阶段(见图4)。

  华为认为:数以亿计的照明设施联网将是市政物联网建设的开端,从市政照明开始,将交通管理、环境监控、市政管理、市政照明等智能设备联接起来,打造全联接市政物联网,可架构“智慧城市”的未来。

  笔者认为:智慧照明是软件与硬件、物质与意识、科技与艺术的完美结合,以城市毛发和皮肤形式出现,直通智慧城市中枢神经的系统工程。智慧照明基于人的规划设计,涵盖一切照明、承载智慧城市感知层和应用层多个子系统、能人机互动、能表达情感、符合大自然发展态势。智慧照明有自己的程序语言和灯光语言,灯光语言在对历史、文化、艺术、人情世故的叙述,对宇宙万物、大千世界、古今城池、人文景观的显现和强调过程中所表达的喜怒哀乐,能被不同国界、不同肤色、不同种族、不同语言、不同背景的人所发现、感知、体会,从而产生共鸣。智慧照明不仅能满足宇宙间万物对光的不同需求,也能颠覆人类肉眼所能看到的宇宙万物和大千世界色与形。正所谓“照见五蕴皆空、色即空空即色”(见图5 )。

  


  图4 飞乐音响智慧照明园区架构

  


  图5 智慧景观照明之意境

  3.3 智慧照明系统中的灯是灯非灯

  无论是智慧路灯还是智慧壁灯等,均是在保持灯的基本功能基础上,以灯杆或灯座为载体,整合监控摄像头、4G微基站、公共广播、多媒体信息屏、新能源汽车充电桩、GPS坐标定位、环境信息采集器、停车收费站、报警器、实时数据反馈与发布、水位测量器、光伏发电机、风能发电机、应急照明系统等硬件功能,通过先进的信息感知技术、数据通信传输技术、灯光控制技术、计算机处理技术,将采集到的数据和信息传输到“智慧照明软件系统平台”,以之作为管理后台,实现大数据交互环境下的智能照明、智慧交通、数字城管、智能环卫、公共安全、无线城市、信息发布、一键报警等智慧城市管理核心功能(见图6)。

  


  图6 智慧灯具展示图

  3.4 智慧照明拥有完整的产业链

  3.4.1 标准、规范

  (1)智慧照明标准编制、研究与国际接轨。2016年4月国际标准化组织光与照明技术委员会通过投票正式同意建立ISO/TC274/WC2,任命中国建筑科学研究院环能院光环境与照明研究中心主任王书晓博士为该工作组召集人,并将该工作组秘书处设在该院,由中国管理。

  ISO/TC274/WC2成员采目奥地利、加拿大、荷兰、德国等十一个国家,共同探讨禾采国际智能照明领域的相关标准,编制《Light and lighting-Commissioning Process of AdaptiveLighting Systems)),该标准将是国际智能照明领域的第一个国际标准。2016年5月,IECTC34 AC4在华盛顿会议确定《照明系统术语和定义》、《自适应照明系统光源待机功率的测试》、《照明系统一般要求》和《用于具体应用领域的照明系统标准开发指南》四项标准提案作为优先启动项目开展预研筹备工作,其中三项来自中国张伟博士的提案。

  (2)智慧路灯标准编制、研究国际领先。2011年8月,深圳市LED产业标准联盟发布了:《LED路灯智能照明技术规范第1部分:控制系统》(SQL/LSA004.1-2011)、((LED路灯智能照明技术规范第2部分:电力线载波控制子系统》(SQL/LSA004.2-2011)、《LED路灯智能照明技术规范第3部分:应用层通信协议》(S QL/LS A004.3 - 2011)。

  2012年11月,国家半导体照明工程研发及产业联盟发布了联盟标准:《LED公共照明智能系统接口应用层通信协议》(CSA018-2012)。

  2013年3月,中华人民共和国住房和城乡建设部发布了行业产品标准《LED路灯》(CJ/T420-2013)。

  2015年6月,中国电力企业联合会标准化中心和中国电力科学研究院等单位负责起草了国家标准《路灯控制管理系统总则》、《路灯控制管理系统主站技术规范》、《路灯控制管理系统通信协议》、《路灯控制管理系统路灯控制器技术规范》、《路灯控制管理系统路灯控制管理终端技术规范》、《路灯控制管理系统安全防护技术规范》等6项国家标准(征求意见稿)。

  2015年10月,由半导体照明联合创新国家重点实验室牵头,会同有关单位编制的国家标准《LED公共照明智能系统接口应用层通信协议》己经完成征求意见稿。

  2015年8月,上海市城乡建设和交通委员会发布了《道路LED照明应用技术规范》CDG/TJ08-2182-2015)。

  2015年6月,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会发布《LED城市道路照明应用技术要求》(GB/T31832-2015)。

  2015年11月,中华人民共和国住房和城乡建设部颁布了行业标准《城市道路照明设计标准》(CJJ45一2015)。

  2016年7月,国家半导体照明工程研发及产业联盟标委会(CSAS)管理委员会审核通过《智能照明体系构架与技术参考模型》(CSA045)立项申请,CSAS秘书处现正面向正式成员发出邀请,组建上述起草小组负责标准的制定工作。

  (3)标准、协议跨界共享。TALQ规范定义了一个中央管理系统和户外照明网络之间的应用层协议,TALQ协议是建立在标准的互联网协议和安全标准基础上的,它所支持的主要功能有单灯的多级控制,丰富的日历和编程功能,监测和数据记录功能,以及可扩展性和安全性的支持,规范使户外照明网络之间的互操作性成为可能;Fairhair联盟与主流的生态系统如BACnet, KNX和ZigBee紧密合作,以使这些技术转化为IoT技术,建立包括传感器、照明设备、温控器、调光器等IoT设备的统一楼宇网络基础架构,并将其作为可互操作的照明和楼宇自动化系统的基础。

  3.4.2光源、电器、灯具、控制、传感等日臻成熟

  目前,国内LED生产企业超过万家,LED从外延片的生产、芯片的制备、芯片的封装、LED照明模组化生产及LED产品应用在内的较为完整的产业链;国内具备一定规模的LED照明驱动电源企业己经超过400家,在智慧照明的发展的拉动下,2015年,国内生产的LED驱动电源技术日臻完善,高能效、小型化、集成化、智能化、数字电源技术成为LED电源技术主流;LED智能可变色温灯具实现了可变情景的照明光环境应用;停车场智能控制系统实现了基于车辆位置的停车场照明智能控制系统方案;可调色温LED筒灯、无影灯、消毒灯在医疗照明中投入使用;LED远程化、封闭式、全过程智能植物补光照明系统走进种苗培育基地和蔬菜大棚,推进了农业照明的二次发展;城市道路照明实现了光控、时控、车流感应自控;城市景观照明实现了点、线、面,声光电,图像、光色全城联动,项目联动分层无级调光,以LED光源为核心部件的照明工程可谓发展迅猛(图7)。

  


  图7 2009-2015年中国LED照明工程市场规模趋势

  3.4.3智慧照明解决万案系统组件完备弄全

  (1)智能终端:集成亮度传感器,支持无线RF Mesh组网;支持电压、电流、功率、功率因数、电能计量;支持照明设备动态调控。

  (2)敏捷控制器:核心控制组件,智能终端、敏捷物联网关的统一管理平台;通过标准北向接口向应用系统开放,便于合作伙伴根据客户实际需求,开发差异化的照明控制管理系统。

  (3)敏捷物联网关:支持通过3 G/LTE和无线RF Mesh网络;工业级设计,即使在最恶劣的环境也能可靠运行;可搭载轻量级计划组件,自定义照明策略可本地化部署。

  (4)照明控制管理系统:基于GIS位置信息、拓扑信息、运行状态可视化;照明设施状态实时监控,基于大数据的前瞻性分析预测,灵活设置控制策略和计划(图8)。

  3.4.4智慧城市子系统硬件生产的标准化程度

  伴随着跨界分享经济的到来,用于智慧城市建设,搭载在照明设施载体上的监控器、微基站、显示屏、充电桩、音视频、GPS、传感器、环境信息采集器、停车收费站、报警器、水位测量仪、太阳能光伏发电设备、风能发电设备、应急照明设备等系统硬件生产方面,己经基本实现了专业化、标准化、通用化,这些结构合理,安装操作维护便捷的子系统硬件,通过与智慧照明管理子系统后台互动,在智慧城市系统工程中起着不可替代的引领作用(图9)。

  


  图8 华为智慧照明方案架构

  


  图9 上海金领示范项目

  3.5智慧照明拥有强大的领军企业

  2015年A股上市公司中共有37家照明公司,年报披露数据,营收增长的企业占比为70.3%,增长来源于LED照明市场的份额不断扩大,但是净利润增长的企业只占56%。上市公司中营收和净利润增长第一、二名,其增长点均在智慧照明的应用方面。

  飞乐音响(600651),自2014年开始布局智慧照明,2015年以智慧城市建设为业务平台,以智慧路灯网为业务抓手,同时开展智能家居研发,不断拓展目身业务范围和销售渠道,先后完成了上海中心、上海金领之都、山东省临邑县等多个智慧项目,这些项目以智慧照明为核心的智慧城市建设示范项目,成为国内具有影响力的智慧照明系统解决方案服务商和智慧社区、智慧园区、智慧城市整体解决方案服务商(图10)。2015年11月~12月报净利润3.76亿同比增长481.79%,全行业第一名。

  咖伟股份(300317),2015年全力推进照明业务向毛利率更高的智能和互联网应用方向的升级,并集中力量拓展新的拓展新的“智能家居”和“智能安防”业务。2015年5月,在北美市场推出的首款“智能安防壁灯”引入“预防式安保”的理念,有效的将入室行窃防范在未发生之前。“智能安防壁灯”采用业界最为领先的硬件配置,结合智能控制、实时监控、远程通话、视频识别、云端存储等创新功能于一体,具有领先同类产品之影像分析能力,从影像中撷取出可能的威肋、信息,通过互联网实时进行远程预警,并对可疑行为进行云端存储,达成安全防护效果。该产品自上市以来,广受客户好评,销量增长迅速。2015年11月~12月实现营业收入190226.59万元,同比增长179.68%,全行业第二名。

  华为推出了业界首个照明物联网,其解决方案是通过引入标准无线RF Mesh通信协议构建自发现,自组网,设备即插即用,可快速自愈的智能传感网,以高速LTE/3G/GPRS敏捷物联网关作为远程通信桥梁,以开放、智能的敏捷控制器作为核心控制组件,可自由对接差异化的照明控制应用系统,旨在构建多级智能控制,可视化管理,安全可靠和全层次开放的照明物联网,实现照明设备全联接,构建按需控制的照明物联网。照明物联网的实施,可以帮助市政管理者规划更加科学的照明策略和计划。通过优化照明策略,实现需要亮的时候才亮,需要多亮就多亮的按需照明,做更绿色的照明,帮助城市照明节能最高可达80%;通过可视化管理,预防性维护,实现海量照明设施的便捷管理,做更简单的照明,帮助城市照明降低运营维护成本最高达90%;作为智慧城市感知层和应用层的核心子系统,能够快速集成其他第三方应用子系统和设备。

  华普永明(833888),LED行业内唯一一家定位于为智慧照明量身打造设计方案的产品生产公司,设计人员学科背景涵盖光学、热学、结构、工业设计、力学、电子电气、信息、美术等,核心设计人员均具备国际、国内重大工业产品项目的设计经验。华普永明己经申报国内外专利130多项,以平均每周超过一项专利的速度递增,这些专利己经形成一个不断扩充中的专利池,为客户提供一个安全的知识产权后盾,为客户免除LED行业的知识产权这个重大难题的困扰。

  3.6 三巨头联手打“微基站灯”,为智慧城币建设提供全新思路

  2015年9月18日,由华为、上海飞乐音响股份有限公司合作的内置微型基站“微基站灯”系统解决方案新品发布会在上海举行,并接入上海联通商用网络,这一事件标志着“微基站灯”系统解决方案开启了全球正式商用之旅。该方案将无线微基站集成在LED路灯杆中,在实现城市路灯网LED升级换代的同时,还可增强路网及周边的无线网络覆盖,由此,大幅提升用户网络使用体验,从而为智慧城市建设提供了全新的思路。“微基站灯”项目的正式商用,还加速了微基站“众包”部署的步伐,在该部署模式中,运营商、市政、电力公司、路灯集成商、基站设备供应商实现跨界合作,由传统的运营商主导站点获取、租赁模式,扩展到由路灯集成商、站址业主共同参与网络建设、整合资源模式,大幅提升了站址获取和网络部署的效率。随着信息感知智能化、便捷化、高效化时代的来临,“微基站灯”作为一个可扩展、可增值的城市智慧网络系统(见图11),今后有望在车联网、城市环境监测、城市便民服务、政府公告等平台的建设上发挥巨大的作用,产生更可观的经济效益。

  


  图10 飞乐音响智慧照明方案

  


  图11 微基站灯系统架构

  目前,华为在智慧城市解决方案层聚合了1100多家合作伙伴,在国外为100多个智慧城市建设提供并实施了整体解决方案服务,在国内在270多个城市进行了智慧城市子系统建设示范项目,在智慧城市建设方面,华为具有雄厚的技术实力和成功经验;飞乐音响有近百年的灯具生产经验,有一流的智慧照明产品研发、方案设计、工程施工团队,堪称智慧照明整体解决方案和智慧照明建设工程的领军者;中国联通拥有覆盖全国、通达世界的现代通信网络,拥有TD-LTE和LTE FDD两种4G牌照的“双4G”运营商。现在,华为、飞乐、联通共同打造以“微基站灯”为核心的智慧照明物联网系统,为智慧城市建设提供新思路,将有力地推动智慧城市的建设。

  4 结论

  智慧照明是在分享经济下,照明行业科技工作者与社会各界科技工作者跨界联合创新的结晶。智慧照明以人和人活动的空间为核心,以自然发展的态势为趋势,以达成人与大自然更加和谐相处为目标,把人的生活和工作变得更便捷、更快乐为己任。在智慧照明的产业链己经完善且运行自如的当下,智慧照明打造了无地不及的“灯、网、云”物联网,不仅仅为智慧城市建设提供了全新的思路,而且己经架起一座通往智慧城市的金色桥梁。因此,智慧照明作为智慧城市建设的引领者当之无愧!

  参考文献

  [l] 华为技术有限公司.华为在智慧城市(M3-031830-20160708-C-1.0).

  [2] 2015中国照明行业深度调研报告.中国照明网.

  [3] 刘斌,刘馄.小小路灯杆,能否撑起上海智慧城市建设大棋局.上海观察.

  [4] 中国产业信息网.

  [5] 飞乐音响.2015年年度报告.

  [6] 咖伟股份.2015年年度报告.

  [7] 智慧路灯标准体系框架研究.2016中国LED照明论坛论文集.


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