基于多業務需求整合的新型智慧燈桿規劃研究

郭瑋 王爽

摘? 要：隨著物聯網技術的不斷發展，小規模的智慧燈桿已落地建設。如何合理利用智慧燈桿的已有功能，讓資源整合化、規劃合理化、建設人性化尤為重要。該文介紹城市道路基礎設施建設現狀及政府出臺的相關政策，以此來說明新型智慧燈桿規劃方法的必要性，再逐一介紹智慧燈桿搭載的各業務需求規劃原則，并且形成融合多業務需求的新型智慧燈桿規劃方法，為后續智慧燈桿的規劃和建設提供一定的參考意見。

關鍵詞 ：智慧燈桿;多業務;需求整合

中圖分類號：TN929.5? ? 文獻標志碼：A

1 智慧燈桿的現狀及規劃的必要性

當下，城市道路基礎設施、安裝載體以及相關的數據系統均以“孤島”的形式存在，市政路燈桿、視頻監控桿和交通指示牌等桿體，電力、通信電纜和綜合管道等基礎設施獨立建設，各業務部門的系統獨立運行。城市道路基礎設施的建設情況從側面反映出城市管理水平，未進行需求整合的規劃會產生建設成本高、各業務部門系統信息孤立、城市市容市貌差等問題。

與此同時，各地市政府紛紛出臺智慧燈桿相關的推行和鼓勵政策，提出統籌推動智慧燈桿建設，包括建設以照明燈桿為基礎，集成音視頻監控設備、無線基站、Wi-Fi熱點、多媒體屏幕、充電樁以及天氣、環境等各種感知設備的新型智能設施。

新型智慧燈桿搭載的業務類型眾多，同時各業務類型規劃原則、業務數據收集方式、布點距離都有著較大差異，每根智慧燈桿均搭載相同業務類型的設備將造成造價過高、業務設備重復建設等問題，反之每根智慧燈桿均搭載不同業務類型的設備，將造成業務需求無法滿足的問題。因此，形成一種新型智慧燈桿規劃方法對智慧燈桿業務需求方設及投資建設方決策尤為重要。

2 智慧燈桿的多業務需求規劃原則

整合新型智慧燈桿多業務需求，將提高城市智能服務水平。從行業性質來看，智慧燈桿可分為通信、市政和電力3個類別，如圖1所示。需要結合業務類型、信息化標準及規劃目標進行規劃。

3 智慧燈桿規劃方法

根據各行業業務需求規劃原則可得，各類可搭載在智慧燈桿上的業務需求要求在道路布放的高度、布點距離或者覆蓋面積。在實際規劃當中，單單了解各個業務需求的布點距離等信息不能達到合理規劃的效果。該文提出一種依據冒泡排序（Bubble Sort）算法總結得出的規劃方法，假設記道路為L0，搭載在智慧燈桿上的多業務以道路雙側的形式布放，那么各業務需求分別可用以下方式呈現出來。

3.1 智能照明

智慧照明是智慧路燈的基礎，智能照明依托市政設施構建智慧城市的基礎結構需求，其規劃燈桿其間距、燈桿高度、路面有效寬度之間的關系按不同燈具的配光類型[1]，通常采用雙側道路平均間距的方式布放。

假設智能照明的總需求數記為L1，道路A、B兩側的需求數分別記為L11和L12，則：

L1=A1+B1+…+An-1+Bn-1

其中，道路A側需求數 L11=A1+A2+…+An-1+An

道路B側需求數 L12=B1+B2+…+Bn-1+Bn

如果兩燈之間間隔記為S1米，那么道路兩側所需的燈桿數L1可表示為：

L1=（L0/S1+1）×2

3.2 4G/5G/Wi-Fi（通信基站）和物聯網網關

考慮到通信基站和物聯網網關具有有效覆蓋半徑的特性，因此采用道路兩側交叉布放的方式，將通信基站和物聯網網關的需求數分別記為L2和L3，那么對應道路A、B兩側的通信基站布點距離可分別記為L21和L22，物聯網網關布點距離可分別記為L31和L32。

4G/5G/Wi-Fi總需求數為：

L2=A1+B2+A3…+Bn-1+An。

其中，道路A側需求數L21=A1+A3+…+An

道路B側需求數 L22=B2+B4+…+Bn-1

物聯網網關總需求數為：

L3=A1+B2+A3…+Bn-1+An

其中，道路A側需求數 L31=A1+A3…+An

道路B側需求數? L32=B2+B4+…+Bn-1

如果將通信基站和物聯網網關對應布點間隔分別記為S2和S3，則道路兩側通信基站總需求數L2可表示為

L2=2L0/S2+1。

道路A、B兩側的通信基站需求數L21和L22為：

L21=L22=L2/2=（2L0/S2+1）/2

道路兩側物聯網網關總需求數L3可表示為：

L3=2L0/S3+1。

道路A、B兩側的物聯網網關需求數L31和L32為：

3.3 視頻監控和一鍵救助

視頻監控和一鍵救助屬于2種相輔相成的業務需求，其監控布點以“空間”為單位，封閉成環，匯聚成網，具有協同防控的優勢。并且視頻監控主要特性為監控關鍵區域，原則上來看，同一道路上2個視頻監控頭一般采用兩種指標來衡量視頻監控布點的科學合理性，包括基于監控面積的覆蓋度和基于監控目標的覆蓋度，因此視頻監控和一鍵救助均采用道路雙側交叉布放的方式。

如果將視頻監控頭的需求數記為L4，則道路A、B兩側各自的布點需求數記為L41和L42，對應需求數可表示為：

L4=A1+B2+A3+…+Bn-1+An。

其中，道路A側需求數 L41=A1+A3+…+An

道路B側需求數 L42+B2+B4+…+Bn-1

如果將視頻監控頭到監視目標的布點距離記為S4，則：

（f為視頻監控頭焦距;h為視場高度;A為像場高度）

那么道路兩側的視頻監控頭的需求數也可表示為：

L4=2L0/S4+1，其中

由于視頻監控和一鍵救助2種業務是要求按1∶1的比例配置的，若將道路兩側的一鍵救助業務需求數記為L51和L52，那么L51=L52=L41=L42=1︰1。

3.4 廣播系統

規劃廣播業務的時候要充分考慮傳輸線路的要求，廣播揚聲器應根據分片覆蓋的原則，在廣播服務區內分散配置，對于廣場以及面積較大且高度大于4 m的廳堂等塊狀廣播服務區，要根據具體條件選用集中式或集中分散相結合的方式配置，保證廣播揚聲器在一定區域內的信噪比不小于15 dB，廣播系統具有在一定區域內傳播應急信息的特點，故采用道路雙側交叉布放的方式。廣播系統的擴散角α可表示為：

（H為廣播的安裝高度，h為人耳水平高度，S7為廣播布點間隔距離）

由上式可得，廣播布點間隔距離為：

將道路布放廣播業務的總需求數記為L7，道路A、B兩側交叉布放廣播業務的需求數記為L71和L72，那么L7=2L0/S7+1，其中

道路兩側的廣播系統需求數也可表示為：

L7=A1+B2+A3+…+Bn-1

其中，道路A側需求數 L71=A1+A3+…+An，道路B側需求數L72=B2+B4+…+Bn-1 。

3.5 充電樁

電動汽車充電量的總體需求是影響充電樁布局的關鍵點，可近似采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法（Markov Chain Monte Carlo，簡稱MCMC）去理解和規劃充電樁的布點情況。其中，假設在某條道路上通過的每日汽車總量Nt中的電動汽車為Nv，選擇在該條道路上進行充電的電動汽車的概率密度函數為f（x），可以得出如下結論：

Nt近似服從某種泊松分布p（x），p（x）的相關參數與該城市的交通車輛密集程度、汽車保有量、該道路的擁堵程度相關;即Nt～p（x）。

其中，λ為泊松分布的樣本均值，即離散分布期望;k為泊松分布下t0時間內通過該道路的汽車總數量;k！為泊松分布下通過該道路汽車總數的階乘，e為自然常數。

基于道路交通的條件限制，干道或主要支道的充電樁充電方式均規劃為快充模式，一般來說，快速充電樁充電時間為20 min～60 min，如果充電樁規劃數量為L9，充電樁規劃間距為S9，采用雙側交叉的方式布放，日車流量為P（輛/次），t0=1（天）則有如下關系：

L9=（2L0/S9+1）; P（xi（t0）=k）=（λto）k×e（-λto）/k！; k=1，2，3…

由此可以得，

其中，常采用的微積分求和公式表示，xi為馬爾科夫過程的單位時間節點i的變化狀態，f（xi）為變化時間序列下通過該條道路的充電樁汽車充電概率，p（xi=k）為泊松分布下該條道路k輛汽車通過的概率。

道路兩側充電樁的需求數也可表示為：

L9=A1+B2+A3+…+Bn-1+An

以第二章節道路距離L0=1000 m為例，快速充電時間在h/2～2h/3，不考慮排隊等待時間和閑時時間（23：00～7：00），則一天時間內，可以滿足的充電汽車流量為24輛/次～32輛/次，按最大車流量值考慮，取λ=Pmax=32（考慮最大充電汽車流量Pmax的前提下，作為樣本均值-

X=Pmax，得出最小充電樁規劃間距），則當P=（xi=k+1）/p（xi=k）≤1時，k≤λ-1，{p（xi=k）}關于k單調遞增，當P=Pmax時，k=31。取先驗概率δ=0.35，則L9≈11，可以得出S9=200 m。

由以上各類需求計算得出規劃距離，得到歸納得到序列{li}={l1，l2，…，ln}，i=1，2，3，…，n，采用冒泡排序（Bubble Sort）對序列進行升序排序，將升序序列設為{Pi}={P1，P2，…，Pm}，i=1，2，3，…，m。

對序列{Pi}依次進行如下操作。

取出最小序列數Pmin=P1，更新序列{Pm1}={0，P2-P1，…，Pm-P1}。

取出最小序列數Pmin=P2-P1，更新序列{Pm2}=，{0，0，P3-P2，…，Pm-P2}。

……

重復此類操作，直至取出Pmin=Pm-1-Pm-2，更新序列

{Pmm-1}={0，0，0，，Pm-Pm-1}

通過對m種需求類型進行m-1次的序列更新，可以得出實際需求序列的排序規劃方法：

最少設備需求數為P1，優先對其進行規劃和布放，最少設備需求數驅動其他需求規劃得到搭載m種設備需求的新型智慧燈桿。

更新序列{Pi}，最少設備需求數為P2-P1，其次對其進行規劃和布放，并以此驅動其他剩余需求規劃，得到搭載m-1種設備需求的新型智慧燈桿。

更新序列，直到最少設備需求數Pm-Pm-1為對其進行規劃和布放，到搭載1種設備需求的新型智慧燈桿。

最終得到一個m維的m-1步的多步規劃矩陣：

通過對多種需求的智慧燈桿進行序列化并排序，對多種需求序列進行m-1次更新和迭代，最終得到需求規劃矩陣{Pmm}，通過規劃矩陣可得出各智慧燈桿的設備搭載情況，為后續的投資分析和工程建設提供指導。

參考文獻

[1]杜琳.智慧交通中智慧照明技術探析[J].中國交通信息化，2018（11）：139-140，143.

[2]柳慶勇，王海濱，王天小，等.城市多功能智能桿投資建設運營模式研究[J].智能城市，2018，4（20）：1-3.

[3]湯峰.智慧燈桿在基于視頻分析的道路停車管理中的應用研究[J].智能建筑與智慧城市，2018（9）：56-59.