面向智慧城市建設的多功能信息桿柱系統設計

孫 瓊，孔玉輝，沙云鵬，楊欣可

（平高集團有限公司 河北雄安綜合能源科技分公司，河北 雄安 071600）

0 引 言

當前，城市建設逐漸向著智慧化和智能化的方向發展，由于支撐建設的相關技術在實際應用中存在諸多問題，因此造成了智慧化城市建設的止步不前[1]。例如，無線城市信息基站站址中的各類信息資源十分稀缺，在其城市建設和基礎設施建設的過程中無法實現同步，建設模式不清晰等均是制約智慧城市建設的主要問題[2]。其中，備受人們關注的問題是城市建設中能夠搭載多種無線設備的多功能信息桿柱。由于當前針對這一方面的建設技術和手段不夠成熟，因此存在著選址困難和取電復雜等問題，同時伴隨著桿柱數量少、分布散亂以及沒有秩序等現象，無法實現對整個城市區域范圍內的全覆蓋，更無法滿足智慧城市的建設需求。針對這一方面的問題，本文開展面向智慧城市建設的多功能信息桿柱系統設計研究。

1 硬件設計

1.1 無線AP設備選型

多功能信息桿柱系統主要需要完成對各類無線設備的搭載，針對這一問題，本文需要對該系統的核心硬件結構無線AP設備進行選型。選用TYCX456-545型號無線AP設備，實現智慧城市建設區域內網關/中繼模式的全覆蓋[3]。TY-CX456-545型號無線AP設備的工作電壓為22 V，工作頻段為2.7 GHz，覆蓋半徑250 m。以無線AP設備為圓心的圓形范圍內，無線傳輸速度為220 MB/s，無線傳輸速率為330 Mb/s，同時無線AP間采用業界標準的CAPWAP協議進行通信，無線網絡支持頻率為3.2 GHz。此外，TY-CX456-545型號無線AP設備還支持VPN、WDS以及WPS，滿足各類搭載設備的運行需要。針對本文系統中的網關和中級配置，可按照1:5的比例設置，在具體實施時還應當考慮到實際應用場景及傳輸距離的需要對其進行適當調整。將無線AP設備安裝在多功能信息桿柱的箱體內部，將天線結構與無線AP設備進行連接，并拉遠到箱體外部，以此保證全覆蓋效果。在箱體內部還應當預留適當空間，用于在后續系統優化和升級時可再引入多臺中繼和網關設備的安裝空間條件。

1.2 多功能信息桿柱本體結構規格設計

綜合本文面向智慧城市建設的多功能信息桿柱系統的加載需要安裝的無線AP設備數量等相關技術參數，對多功能信息桿柱本體結構規格進行設計。設置多功能信息桿柱本體高度為13.5 m（桿的高度可隨著城市實際建設需要進行適當調整，但最低不得小于5.5 m），桿柱上口橫截面直徑不得小于112 mm，下口橫截面直徑不得小于225 mm，并確保其錐度滿足智慧城市建設中對路燈桿提出的12:1000比例要求。根據城市照明需要，在桿柱上設置至少兩個，至多4個燈具，用以維持夜間城市路面的正常照明需求。為防止在雷雨天氣出現雷擊災害，還需要在桿柱底部安裝避雷針。圖1為本文多功能信息桿柱本體結構示意圖。

圖1 多功能信息桿柱本體結構示意圖

由圖1所示，在本文多功能信息桿柱本體距離地面6.5 m位置上設置多種不同形式的設備箱，將天線結構安裝在箱體的內部或頂部。一般情況下，設備箱的主要作用是用于廣告展示，也可采用裝飾型燈箱，選擇形式時應當保證該結構能夠與智慧城市建設整體風格相一致。此外，在本文多功能信息桿柱本體距離地面4.5 m位置上設置一個高度為1.5 m的支架，用于安裝監控攝像頭，在距離地面0.45 m處安裝低壓直流配電單元。

2 軟件設計

2.1 智慧城市多功能信息展示

在完成硬件設計的基礎上，本章采用設計智慧城市信息展示的方式完善系統軟件功能。設計過程中，結合智慧城市的基礎性建設需求，應對信息桿柱進行場景規劃設計，場景設計的過程如下。使用硬件設備采集與智慧城市相關的數據信息，展示數據信息，對信息進行組織性綜合管理。獲取的信息大多源于城市街區監控等，根據獲取的信息將其真實地應用與放置在信息展示區域場景中[4]。同時，對智慧城市內的建筑信息進行三維建模感知，結合獲取的建筑信息數據對區域信息展示進行真實設計。在此基礎上使用三維立體建模技術應用樹型建模結果，此過程以提高信息展示的真實度與清晰度為核心，并注意在建模過程中檢索功能的全面性。

為了確保軟件功能的完善性，在完成相關設計后，采用可視化技術對獲取的多種場景信息進行集成處理，遵循虛實結合方法中不同建筑物的構建方式，將智慧城市中功能模塊和交通道路進行組織結構規劃，并按照一定的規律對其進行重構。搭建智慧城市信息展示區域時，使用的計算機操作工具為Multigen Creator，此工具是一種可實現對信息實時互聯的工具包，在網絡協議的支撐下，對網絡進行組織控制[5]。控制過程中，沿用非阻塞信息接收模式對每間隔1.0幀的展示信息進行識別，確保智慧城市信息展示場景具備一定的信息交互能力與對信息的實時接收能力。

2.2 感知剩余電量的智慧路燈照明控制

在完成對智慧城市信息展示設計的基礎上，應根據信息桿柱的功能需求，對智慧路燈進行照明控制設計。設計過程中，將LED顯示屏作為支撐系統的關鍵指標，此項指標在設計中可引進安時積分法[6,7]。通過此種方法，將獲取的信息完全用于對信息的展示方面，以此做到對智慧路燈照明剩余電量和消耗電量等相關信息的實時感應。

當LED顯示屏展示智慧路燈照明的剩余電量不足25.0%時，此時計量路燈的電壓將發生自動調整，即通過降低電壓的方式減緩放電的速度。當電壓有存在上升的趨勢時，證明智慧路燈照明正在進行充電處理，當其上升到一定數值后，即可認為智慧路燈照明完成充電。對路燈充電的過程也可近似地認為是太陽能電池板儲能的過程，為了進一步實現對其儲能的控制，應在設計此方面功能時使用神經網絡技術對剩余電量進行準確定位。智慧路燈照明的電量等級按照使用規范通常被劃分為滿電電量、低電量、放電電量以及饋電電量4種。直接使用硬件設備中的多功能信息桿柱對電量信息進行感知，根據感知的數據調整路燈的工作模式，從而實現對感知剩余電量的智慧路燈照明控制設計。

3 對比實驗

為進一步驗證本文所設計面向智慧城市建設的多功能信息桿柱系統的實際應用優勢，現選擇將該系統應用于某地區正在進行智慧城市建設項目開展的城市中，將該系統的運行情況與以往傳統系統運行過程中的各類數據進行對比，完成對比實驗。隨機選擇該城市區域范圍內分布的5個桿柱系統作為實驗對象，在其中引入本文提出的桿柱系統，對比兩種系統的運行結果，選擇運行結果中的桿柱照明情況作為對比內容，并將其相關數據繪制成如表1所示的實驗結果對比表。

表1 兩種桿柱系統實驗結果對比表

由表1中的實驗結果可以看出，本文系統的亮度等級均優于傳統系統，并且亮燈持續天數也明顯比傳統系統時間更長，亮燈的概率均達到100%，在實際應用中能夠有效提高桿柱路燈的亮燈質量和效果。通過亮燈概率能夠進一步推導得出，本文系統對于低壓直流電源的使用效率明顯高于傳功系統，能夠有效降低資源的浪費，滿足智慧城市建設的綠色環保要求。同時，在實驗過程中，除了桿柱路燈照明情況以外，其他各個方面的應用功能均明顯優于傳統桿柱系統。

4 結 論

本文通過開展面向智慧城市建設的多功能信息桿柱系統設計研究，提出一種全新的桿柱系統，該系統包含低壓直流供電功能、監控功能、路燈照明功能以及AP設備搭載功能等。該桿柱系統的實際應用能夠有效滿足智慧城市建設對桿柱系統提出的要求，為智慧城市建設提供技術支撐。由于研究時間有限，本文僅針對桿柱系統的照明功能開展了對比實驗，并未實施對桿柱系統低壓直流供電功能和監控功能等的對比實驗驗證，在后續的研究中還將針對桿柱系統的各個功能進行更加全面地研究。