多功能智慧燈桿系統應用研究

肖 輝，李文超，朱應昶，李代雄，方 景，高 杰

(1.同濟大學控制科學與工程系，上海 201804；2.四川華體照明科技股份有限公司，四川成都610207；3.同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092；4.軍事科學院國防工程研究院項目技術審查中心，北京 100850)

引言

智慧城市就是運用信息和通信技術手段感測、分析、整合城市運行核心系統的各項關鍵信息，從而對包括民生、環保、公共安全、城市服務、工商業活動在內的各種需求做出智能響應，為城市中的人創造更美好的生活，促進城市的和諧、可持續成長。作為城市中分布廣、數量眾多的城市路燈，已從傳統的高壓鈉燈發展為高效節能的LED燈，通過采用ZigBee、NB-IoT等通信技術，不僅可以實現單燈控制、高效節能的道路照明，還可以搭載信息屏、充電樁、WiFi模塊、攝像頭、環境傳感器、交通信號燈等系統，成為智慧城市的信息采集、信息發布、信息傳輸入口和載體[1-4]。為了美化市容市貌，節約城市用地空間、建設成本和便于統一管理，多地政府出臺相關政策，包括《深圳市多功能智能桿建設發展行動計劃(2018—2020年)》《關于開展上海市架空線入地和合桿整治工作的實施意見》等，倡導燈桿共享，“一桿多用”“多桿合一”，積極推進多功能燈桿建設，對接智慧城市建設。

2019年，5G進入商用元年，隨著5G技術的商用化推廣，5G微基站建設導致大量站址的剛性需求劇增。中國電信科技委主任韋樂平預計,在2021—2027年大規模商用時，我國5G微基站數量應該有數千萬量級[5]。這將給智慧燈桿市場帶來巨大的機遇，進一步推動智慧路燈的建設與發展。作為未來智慧城市信息采集的主要入口，多功能智慧燈桿將多系統合一為智慧管理平臺，實現“一盞燈”連接“一張網”，將數據傳輸到“云”上，實現數據共享、信息融合，大幅提升城市運行的效率。

1 多功能智慧燈桿應用情況

1.1 應用現狀

從全球范圍來看，目前美國洛杉磯和圣地亞哥、德國柏林、希臘佩特雷等已經改造或重建智慧路燈桿，主要目的是實現節能和增強監控安防，也搭載傳感器、充電樁等[6]。我國目前已有300多個城市在布點多功能智慧燈桿建設，上海、深圳、成都等多個城市的多條道路燈桿已被改建和新建為多功能智慧燈桿系統，并投入使用[7]。我國城市道路照明正向著智能化方向發展，多功能合成桿、智慧路燈、多功能智慧燈桿系統是其發展過程中的主要代表。

1)多功能合成桿(綜合桿)。采用“多桿合一”“一桿多用”，在燈桿上搭載交通桿、信號桿和電警桿，稱為“綜合桿”。典型多功能合成桿應用示例如圖1所示。

圖1 多功能合成桿(四川華體照明)

2)智慧路燈。它以燈桿為基礎，通過搭載LED信息屏、充電樁、WiFi模塊、攝像頭、環境傳感器等多種設備或多系統，實現多種功能。典型智慧路燈應用示例如圖2所示。

圖2 智慧路燈(四川華體照明)

3)多功能智慧燈桿系統。它以燈桿為基礎，搭載5G微基站，采集、傳輸和發布信息，對接智慧城市、智慧園區，實現燈桿共享、智慧賦能。典型多功能智慧燈桿系統應用示例如圖3所示。

圖3 智慧燈桿系統(華為技術有限公司(上海))

圖1～圖3所示的案例僅為“多桿合一”“一桿多用”實際應用中很少的一部分，實際上還有很多工程應用案例。國家統計局相關數據顯示，截至2017年，全國各類桿體數量超過7000萬根，其中城市道路照明桿2593.6萬根。《2017年通信業統計公報》顯示，截至2017年，通信塔桿619萬根，其他桿體300萬根(含交通信號燈、指示牌、廣告牌)，未來5～7年共享合桿數量預計達2800萬根，智慧桿數量預計達700萬根。各省市的多桿合一改建工程和智慧路燈的布點、5G基站商業化對燈桿站址的需求、智慧燈桿未來千億級的市場規模，都將加速多功能智慧燈桿的發展。

1.2 應用中存在的問題

多功能智慧燈桿系統有助于推動以信息感知、泛在網絡和云計算技術為支撐的物聯網的發展，通過傳感器、攝像頭等進行信息收集，統一傳輸到智慧路燈管理平臺，再通過云計算將數據存儲到云端，并提供豐富的應用接口，為政府部門、公共組織和用戶提供應用支持。而智慧燈桿的發展是為了服務于智慧城市的建設，未來的智慧城市需要交通、環保、城管、公安等現有系統融合成統一的智慧平臺，將需要數量更多、功能更加豐富、更加智能的信息感知終端，未來的智慧城市市容市貌將更美觀、城市生活更加智能便捷，將需要更少的桿和更多的功能。多桿合一可以實現終端設備的統一、城市的美觀、生活的便利。但是，在建設和實現多功能智慧燈桿的過程中還存在著如下問題：

1)哪些桿可以合并，哪些桿不能合并，如何布局可以在滿足各系統需求的同時又具有協調一致性？

2)如何考慮建設成本的問題？

3)城市整體美觀性應達到什么程度？

4)如何實現信息層面的互連互通？

要解決上述問題，我們認為，需要從頂層設計的角度考慮，對多功能智慧燈桿系統進行綜合選址和優化布局，才能更好地服務于智慧城市的建設。

2 多功能智慧燈桿選址模型研究

在考慮多功能智慧燈桿系統選址時，以燈桿為基礎，將其他子系統與燈桿系統進行交叉選址，選擇各子系統可以集成到燈桿上的設備地址以及需要單獨立桿的設備地址，最后將所有選址方案集成到一起，再將可以集成到燈桿的設備地址進行合并，得到一整套多輸入多輸出的智慧燈桿系統選址方案。其中，在智慧燈桿系統的多個子系統中，現有的交通信號燈、攝像頭、交通指示牌等系統的選址原則已經標準化，在考慮多系統合并時，主要參考現行國家標準進行選址，而待建的LED信息屏、充電樁、5G微基站等，則作為選址對象，逐一進行優化，從而獲得整體方案。

2.1 子系統信息屏選址模型[8]

LED信息屏可顯示的信息內容比較多，主要包含：交通信息、天氣狀況、空氣質量、廣告等。智慧路燈的信息屏子系統建設目標是其發布信息所產生的信息效用最大。在實際考慮信息效用時，需要對不同信息進行分類，分別考慮其對應的信息效用，并對其進行量化。

以發布交通信息的LED屏為例，對LED信息發布屏進行布局規劃時，應考慮路段交通事件發生率、路段交通流量、安裝路段距顯示路段的距離、反應決策時間、信息獲取率和信息冗余度等影響因素。從定性角度去分析，應當安裝在交通流量較大的路段，位置靠近下一個路口，但不宜過近，顯示的路段離安裝路段較近，且是交通事故多發路段，同時顯示路段信息不宜過多，信息屏分布不宜過于密集。因此，采用分級分類策略，建立信息效用選址模型，確定智慧路燈的安裝路段以及在路段中的具體安裝位置，從而得到信息屏子系統的選址方案。

對于不同LED信息屏的安裝和位置，對交通的影響情況有所不同，有效的信息屏選址模型，可以縮短平均行程時間，減少擁堵率，改善城市交通狀況；同時將信息屏盡可能結合到路燈桿上，減少空間占地和建設成本，美化了城市形象，有助于智慧交通的發展和智慧城市的建設。

2.2 子系統充電樁選址模型

據公安部數據顯示，截至2018年底，我國新能源汽車保有量達261萬輛，其中純電動汽車保有量211萬輛，而公共充電樁和私人充電樁共計約77.7萬臺。由此計算，我國車樁比高于3∶1，遠低于規劃中的1∶1[9]。作為新能源汽車推廣應用產業鏈上最重要的環節和基礎設施保障，充電樁的基礎設施建設相對滯后。

在路網中的安裝包含充電樁子系統的智慧路燈，可以提升車樁比，利用選址模型，有效解決充電基礎設施在路網中全覆蓋的問題，并且可以提升部分地區的覆蓋深度；通過合理的布局，可以實現郊縣、企業、個人私密區域等協同，避免因充電樁使用頻率過低而造成的資源浪費；通過將充電樁集成到路燈桿，經由統一的智慧路燈管理平臺進行信息的收集與交互，未來可以實現充電設施的互聯互通，可以利用智慧路燈上的傳感器系統對充電樁狀態進行實時監測與反饋，降低充電樁的監測維護成本，有利于充電樁的日常維護。

為了滿足新能源汽車的充電需求，可以采用充電樁與充電站相結合的規劃布局。合理的選址方案應遵循的基本原則：

1)需求優先原則：應能保證路網各處的電動汽車均能在周圍一定范圍內找到充電樁，并且將充電平均排隊時間控制在可容忍的限度。

2)土地資源充分利用原則：在選址規劃時，對于充電樁可以安裝在路燈上的情況，應優先考慮安裝在路燈上，達到“多桿合一”“一桿多用”的效果。

3)經濟性原則：應盡可能地減少安裝充電樁的數量。

4)交通便利性原則：為了不影響交通，充電樁安裝位置應當盡量與交通路口保持一定距離。

5)節能原則：在規劃情況允許的條件下，可對選址方案進行適當調整，以使顧客排隊時間較短的情況下，額外消耗的電能較少。

2.3 子系統5G微基站選址模型

從5G微基站的基礎設施建設看，其單載扇功率為1 000 W，單站達3 000 W(采用直流供電；或采用配交轉直模塊，交流供電)，單站的總功耗近3 700 W，而4G典型配置整機功耗約1 200 W，是4G的3～4倍，對于設備的供電需求有很大提升，并且電源要求提供不間斷供電保障，從而確保網絡的穩定和安全。5G移動通信采用極高頻段，可以傳輸更多的信息，但是，傳輸距離大幅縮短，覆蓋能力減弱，5G微基站信號覆蓋半徑不超過200 m。考慮到覆蓋能力問題，5G基站布置將采用宏基站+微基站的方式，其中5G微基站由于其部署靈活、同頻干擾小等特點，將被用來進行熱點區域覆蓋和城市網絡覆蓋補盲。所以，5G基站的數量至少是4G的2～3倍，對站址的需求大大增加，并且5G基站的TCO將更高，其主要來自于站址獲取成本、基礎設施建設成本、站址租金、運維人工費、站點電費等[10]，成本問題也將成為運營商建設5G基站的考慮重點。

從多功能燈桿系統看，在城市中，路燈分布均勻，平均間距在百米之內，其位置固定、可識別性強，這種天然的資源優勢，可以滿足5G微基站數量和密集度的需求，并且有利于提升公路、鐵路等信號較差區域的覆蓋率；路燈的穩定供電系統可以滿足5G基站的需求，而不再需要單獨部署供電系統。若多功能燈桿系統搭載5G微基站，則可避免5G基站單獨布置所造成的空間浪費，可降低站址的獲取成本和建設成本，提升城市的美化程度。通過統一的智慧路燈管理平臺進行信息采集交互，實現大數據的有效利用，智慧燈桿系統上搭載的傳感裝置還可以對5G微基站的溫度、狀態等進行檢測，并且由智慧路燈管理平臺進行信息的云端傳輸，降低監測成本，便于微基站的維護和管理。因此，多功能燈桿系統是5G微基站的天然搭載平臺。其合理的選址方案應遵循的基本原則如下：

1)基本需求原則：根據5G微基站的覆蓋范圍(與掛高和頻段有關，大致范圍不足200 m)，配合宏基站，實現全覆蓋，并且實現熱點區域的覆蓋強度要求。

2)建設數量最少原則：由于5G基站的總成本比較高，所以要求建設5G微基站的總數最少

3)優先合桿原則：在基站數量最少的前提下，選址規劃時應優先考慮將5G微基站安裝在路燈桿上，可以實現節約空間、美化城市、減少重新立桿成本，達到“多桿合一，一桿多用”的效果。

4)覆蓋效果最佳原則：在滿足以上原則時，通過衡量重復覆蓋率和重復覆蓋面積，選擇整體覆蓋效果最佳的方案。

綜上所述，根據智慧城市的建設目標，從頂層設計出發，考慮多功能智慧燈桿的選址和布局規劃，對每種互不耦合的功能模塊，分別研究其建設目標與收益，從中選擇較優的布局規劃方案，再整合成綜合的、統一的選址方案。

3 總結與展望

智慧城市需要利用先進的信息技術和完備的基礎設施，讓城市具有全面感知、資源互連共享、智能協同，實現智慧服務和管理，讓城市朝著更深層次的信息化發展。未來智慧城市將需要大量的5G基站來支撐城市網絡建設，需要大量的攝像頭、傳感器等進行數據收集，需要設置大量的充電樁，改善能源利用，而這些設備都需要桿體支撐。另一方面，城市中包含的交通信號桿、燈桿等現存桿體的數量非常龐大，不同系統間相互割裂，并未實現互通互聯，數據采集存在一定困難。基于此，無論是考慮到智慧城市信息化發展、智慧市政的統一建設，還是城市的整體美觀性、基礎設施的建設成本，燈桿共享，“一桿多用”“多桿合一”勢在必行。而多功能智慧燈桿系統的建設、運維和管理涉及到多個政府部門，是多個系統的融合，也是多種數據的采集。因此，必須基于頂層設計的角度對各子系統分別建立選址模型，再統一規劃，構建智慧燈桿系統綜合選址方案，滿足選址合理和布局優化的要求，實現共建、共享。

基于頂層設計、分級分類策略的智慧燈桿系統選址方案，通過搭載和綜合利用交通桿、攝像頭、應急救助設備、環境傳感器及信息屏、充電樁、5G微基站等多設備及系統，對城市進行全面感知，并將得到的數據、信息傳輸至城市大腦(云端)，實現互通、共享，解決了城市基礎設施和各部門之間在城市治理中存在的痛點難點問題；通過人工智能、云計算等，對感知大數據、信息進行處理分析，為智慧交通、智慧安防、智慧醫療等提供精準服務，助力智慧城市的發展。