多功能LED智慧燈桿在城市道路建設(shè)中的應(yīng)用探討

林錦偉

中國市政工程中南設(shè)計研究總院有限公司 廣東 汕頭 515041

近年來，隨著人們對于生活質(zhì)量的重視不斷提升，對于許多外在的、能夠提升人們精神享受的事物的關(guān)注水平也越來越高，其中城市風(fēng)貌則是其中較為重要的外在因素。而建設(shè)良好的城市風(fēng)貌，離不開道路路燈設(shè)施的建設(shè)作為支撐。并且路燈作為現(xiàn)代化城市建設(shè)中至關(guān)重要的內(nèi)容，在對其進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)與管理過程中，必須確保其能夠與城市景觀相融合，體現(xiàn)出城市的精神風(fēng)貌。在實際路燈規(guī)劃過程中，還需要結(jié)合城市建筑特征及道路工程的總體建設(shè)情況，進(jìn)行針對性的路燈建設(shè)，才能獲得較好效果。文章主要對多功能LED智慧燈桿在城市道路建設(shè)中的應(yīng)用進(jìn)行了分析、探討，希望能夠為提高城市道路建水平，推動智慧城市建設(shè)與發(fā)展提供有益參考。

1 多功能LED智慧燈桿的發(fā)展概述

1.1 模塊化

具備豐富的功能是多功能LED智慧燈桿最為明顯的特征，同時如何在燈桿較為有限的空間中實現(xiàn)對各項功能的有效協(xié)調(diào)，也是當(dāng)前城市道路智慧燈桿建設(shè)需要重點關(guān)注的內(nèi)容。針對多功能LED智慧燈桿的各種功能，采用模塊組件的方式進(jìn)行深度整合，盡可能的降低燈桿復(fù)雜性，達(dá)到精簡設(shè)備，實現(xiàn)智慧燈桿各項功能的目的[1]。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)化

多功能LED智慧燈桿的建設(shè)需要確保從內(nèi)而外實現(xiàn)全面的功能提升，實現(xiàn)對多功能LED智慧燈桿的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，為各項硬件、設(shè)備、裝置的規(guī)劃化運行提供保障。在多功能LED智慧燈桿的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)過程中，需要突破各個功能模塊之間的技術(shù)限制，實現(xiàn)設(shè)計與生產(chǎn)建設(shè)質(zhì)效的全面提升，推動多功能LED智慧燈桿實現(xiàn)高效、穩(wěn)定運行，盡可能的減小運維工作量。在5G通信技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展的保障，多功能LED智慧燈桿的發(fā)展獲得了較為可靠的技術(shù)保障，尤其是5G通信技術(shù)中的高頻無線電波信息體量與帶寬都比較大，大幅提升了多功能LED智慧燈桿運行的可控制性。但是5G通信技術(shù)的無線電波穿透性不足，作用發(fā)揮受到空間范圍的較大限制，因此需要配置數(shù)量豐富的微基站來彌補信號覆蓋范圍較小的不足。在大量5G微基站的建設(shè)保障下，多功能LED智慧燈桿的各項功能才能得以順利實現(xiàn)。

2 多功能LED智慧燈桿在城市道路建設(shè)中的應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 強化城市安全

智慧燈桿可以集成安防監(jiān)控設(shè)備，將城市道路視頻實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、智能識別交通數(shù)據(jù)等與警務(wù)指揮中心相連，形成一個城市安全監(jiān)管的智能信息采集系統(tǒng)。這有利于加強城市的公共安全，提高應(yīng)急處置的效率，減少城市治安事件的發(fā)生，保障市民的生命財產(chǎn)安全[2]。

2.2 提高城市交通運營效率

智慧燈桿可以將城市交通信息和數(shù)據(jù)傳回城市管理中心或者交通指揮中心，為城市交通運營提供實時數(shù)據(jù)支持和決策參考。智慧燈桿能夠?qū)崿F(xiàn)對城市交通信號燈的檢測和控制，有效地減少交通擁堵和提高城市交通運作效率。

2.3 節(jié)能環(huán)保

智慧燈桿通過節(jié)能及節(jié)能照明燈具的應(yīng)用，大大減少能源消耗，減少了城市的碳排放，提高了城市環(huán)保形象。其能夠通過智能控制開啟和關(guān)閉照明設(shè)備，智能調(diào)節(jié)照明亮度等，使得能源的使用更加高效，并能夠通過集成環(huán)保傳感器與城市環(huán)保部門實現(xiàn)城市決策監(jiān)督，實現(xiàn)城市的環(huán)保計劃。

2.4 提升服務(wù)水平

智慧燈桿可以集成LED屏幕和WiFi/5G基站等，為市民和游客提供便捷的服務(wù)。如通過智慧燈桿上的大屏幕進(jìn)行公共信息發(fā)布、交通指引、城市文化等信息的展示，為市民提供更加智能高效的服務(wù)。

3 城市道路建設(shè)中多功能LED智慧燈桿的實際應(yīng)用

3.1 路口燈光互聯(lián)系統(tǒng)設(shè)計

首先，在主機模塊方面設(shè)計。采用電腦作為上位機進(jìn)行主機模塊的設(shè)計，采用USB通用串口模塊將各燈光模塊和電腦相連，借助Python工具進(jìn)行GUI控制界面編寫，實現(xiàn)在界面上顯示護(hù)欄和路燈模塊、紅綠燈模塊等的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括周邊空氣質(zhì)量、車流量、信號等信息等。根據(jù)空氣信息還能通過界面對路燈的照明強度進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)。其次，在護(hù)欄模塊方面的設(shè)計。在主控芯片的控制下，借助光照傳感器獲取外界光照的實施照度值，再利用PWM技術(shù)對護(hù)欄燈發(fā)光強度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使其維持在特定值范圍。同時還可以借助對粉塵灰塵傳感器的應(yīng)用，來檢測獲取近地空氣PM2.5含量，以及通過對紅外傳感器模塊的應(yīng)用，準(zhǔn)確記錄車流量信息，最后在ZigBee模塊的整合下向主機發(fā)生相關(guān)信息。系統(tǒng)運行過程中，通過主控芯片的調(diào)控，在系統(tǒng)模型的LCD觸摸廣告屏上顯示存儲在SD卡內(nèi)的廣告。在信號燈發(fā)生故障的情況下，護(hù)欄收到信用的故障信號然后按照信號指示開啟應(yīng)急交通信號等，發(fā)揮臨時交通指揮作用，直到交通信號故障排除，恢復(fù)正常使用。最后，在路燈與紅綠燈模塊應(yīng)用方面，主要是在主控芯片的控制下進(jìn)行外界光強度變化的模擬，調(diào)節(jié)路燈照明，也是借著對粉塵灰塵傳感器的應(yīng)用進(jìn)行遠(yuǎn)地面空氣質(zhì)量檢測與相關(guān)的數(shù)據(jù)報送。在結(jié)合對電源監(jiān)控傳感器的應(yīng)用對紅綠燈線路電流變化情況進(jìn)行探測，對紅綠燈運行正常情況進(jìn)行監(jiān)控、判斷[3]。

3.2 無線集控網(wǎng)絡(luò)

多功能LED智慧燈桿中包括了傳感器、LED光等，并且能夠結(jié)合設(shè)計要求對合適的產(chǎn)品進(jìn)行多樣化選擇。但是，硬件設(shè)備功能的發(fā)揮需要依賴軟件的控制實現(xiàn)，換言之，多功能LED智慧燈桿中各種硬件的高效運行需要在各種相應(yīng)的適配智能集控軟件的應(yīng)用下進(jìn)行驅(qū)動、控制。比如，某路段設(shè)置了多處路燈，運用無線網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)庫構(gòu)建云平臺，實現(xiàn)對路燈控制指令的傳輸，集控器根據(jù)接收的數(shù)據(jù)指令對各個相應(yīng)的受控?zé)魲U進(jìn)行控制，實現(xiàn)了路燈點亮、熄滅、調(diào)亮等特定功能的自動化控制。采用無線網(wǎng)絡(luò)控制的形式多種多樣，尤其是通用分組無線服務(wù)、可編輯邏輯控制器的應(yīng)用，能夠很好地結(jié)合路燈集控系統(tǒng)控制要求，在GPRS無線傳輸模式的作用下實現(xiàn)對各控制指令的順利傳輸，各個分路集控器則按照指令要求進(jìn)行路燈的相應(yīng)控制。再在自動化控制系統(tǒng)的控制下實現(xiàn)路燈控制系統(tǒng)范圍內(nèi)各處路燈運行的精細(xì)化控制。碼分多址智慧路燈控制原理與無線路燈集控系統(tǒng)的控制原理類似，但是在傳輸機制上有著一定的差異性。可編輯自動控制的無線路燈控制系統(tǒng)主要是借助PLC有線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行分路燈的控制，而碼分多址智慧路燈控制系統(tǒng)則是采用了無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行控制。

3.3 顧及相對距離的路燈點云分層提取方法

在城市道路建設(shè)過程中路燈是較為重要的組成部分，也是道路環(huán)境中的重要交通設(shè)施。尤其是隨著智慧城市建設(shè)不斷深入，獲取路燈的三維信息進(jìn)行高精度地圖、智慧交通等的建設(shè)有著十分重要的現(xiàn)實意義。全球定位系統(tǒng)是獲取路桿路燈信息的傳統(tǒng)范施工方，通過對各個路燈進(jìn)行分別定位的方式確定路燈的地址信息，到時這一方式的應(yīng)用需要消耗大量的時間、精力，并且難以獲取高度精確的路燈三維信息，不能很好地滿足現(xiàn)代城市建設(shè)與管理需求。而借助新興的車載激光雷達(dá)技術(shù)，能夠采用無接觸的方式快速獲取道路及兩側(cè)路燈的高精度、高密度的三維信息。但是，在實際應(yīng)用過程中，復(fù)雜的道路環(huán)境及樹木、建筑等因素，在實際的路燈識別與數(shù)據(jù)提取過程中面臨一定困難，如何從車載點云中完整與正確地獲取路燈點云的方式、方法仍需進(jìn)行深入研究。對路燈進(jìn)行提取的方法主要包括四種：一是基于空間聚類的方法；二是基于體素的方法；三是基于深度學(xué)習(xí)的方法；四是基于模板匹配的方法；第一種方法是基于地面點云濾除的前提以特定規(guī)則進(jìn)行非地面點云聚類，然后結(jié)合各個聚類地物空間特征識別、提取出相應(yīng)目標(biāo)。這一方法的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)對非地面點云中相近形態(tài)物體進(jìn)行分類。但是，由于受到噪聲因素的影響在進(jìn)一步識別路燈方面存在一定困難，并且在算法實現(xiàn)方面的復(fù)雜性較高。第二種方法的應(yīng)用主要是對點云進(jìn)行體素格網(wǎng)進(jìn)行劃分，并以體素格網(wǎng)為單位進(jìn)行物體信息的分割與提取。這種方法的應(yīng)用有效降低了點云數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，提高了數(shù)據(jù)的計算速度。但是體素網(wǎng)格劃分的單元尺寸會對分割結(jié)果產(chǎn)生較大影響，基于產(chǎn)生混合體素的現(xiàn)象。第三種方法主要是借助對深度學(xué)習(xí)模型的應(yīng)用，從點云圖像化、點云體素化、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型、直接端到端等多個角度對三維點云的特征進(jìn)行有效學(xué)習(xí)，有助提高目標(biāo)識別與數(shù)據(jù)的提取準(zhǔn)確性與效率。但是在數(shù)據(jù)提取過程中容易出現(xiàn)細(xì)節(jié)信息丟失，同時在計算成本控制與復(fù)雜結(jié)構(gòu)、自然地物信息提取方面也存在較大難度。第四中方法主要是在進(jìn)行路燈樣本模板庫建立的基礎(chǔ)上，通過匹配模板庫中路燈模型與車載點云數(shù)據(jù)的方式對于路燈匹配度較高的點云數(shù)據(jù)進(jìn)行提取[4]。

3.4 SI4463的道路照明系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用

SI4463道路照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括三個部分：上位機客戶端、4G/RF網(wǎng)關(guān)、LED單燈控制系統(tǒng)。其中，LED單燈控制系統(tǒng)主要作用是通過對輸出電壓在0 ~ 10V進(jìn)行調(diào)整，控制光信號傳遞來調(diào)整LED燈具的亮度。同時借助傳感器的重要實現(xiàn)對路燈工作狀態(tài)，以及運行環(huán)境等信息的實時獲取。一般來說，4G/RF網(wǎng)關(guān)主要內(nèi)置在智能電表當(dāng)中實現(xiàn)對當(dāng)前配電電箱的電壓、電流信息的獲取，同時也發(fā)揮著在上位機客戶端與LED單燈控制系統(tǒng)之間的通信中轉(zhuǎn)作用。上位客戶端主要是為了完成相關(guān)管理工作而設(shè)計的一套PC軟件，發(fā)揮著對LED路燈、配電箱電壓/電流參數(shù)等監(jiān)控作用，以及根據(jù)亮度信息反饋對LED路燈運行情況進(jìn)行判斷，及時反饋故障信息。道路照明系統(tǒng)能夠以智能控制與手動控制的方式實現(xiàn)對多功能LED路燈的控制。智能控制系統(tǒng)的應(yīng)用，主要是結(jié)合當(dāng)前時間、路面車流量、環(huán)境光亮度、人流量等信息，對照明需求進(jìn)行智能判斷進(jìn)而調(diào)節(jié)路燈的亮度，充分滿足城市道路照明需求。手動控制的方式，主要適用于突發(fā)狀況的控制，在客戶端對路燈的開關(guān)、亮度等進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、調(diào)整，也可以通過對內(nèi)置在燈桿中的智能路燈配電柜中實施現(xiàn)場控制。

在進(jìn)行照明控制系統(tǒng)選擇過程中需結(jié)合性價比的綜合考慮，選擇合適的照明控制系統(tǒng)，也可以結(jié)合實際情況選擇國外先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化、完善，采用多種城市路燈控制系統(tǒng)，達(dá)到優(yōu)化城市道路工程建設(shè)的目的。結(jié)合城市照明控制需求，選擇合適的道路照明控制系統(tǒng)，對路燈開關(guān)的時進(jìn)行合理規(guī)劃，尤其是針對季節(jié)變化情況進(jìn)行自動調(diào)整。智能化控制系統(tǒng)的應(yīng)用，主要利用計算機無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行多功能LED路燈系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制，在提高道路路燈控制的便利性的同時，有效節(jié)約城市道路管理成本[5]。

3.5 加強建設(shè)管理工作

近些年，隨著現(xiàn)代化城市建設(shè)的不斷深入，在城市道路路燈建設(shè)與管理方面的投入也在不斷提升。即便如此，在一些城市路段，尤其是是一些三四線仍有未安裝路等的情況。許多城市道路兩旁的路燈、綠化帶的建設(shè)呈現(xiàn)出相輔相成的狀態(tài)，營造了良好的視覺感受。然而，在夜晚降臨之后，道路兩旁樹木枝葉過于茂密，路燈投射的光亮被大幅遮擋，影響了道路車輛、行人的通行安全。特別是人流量較少的區(qū)域路燈布置間隔較遠(yuǎn)，燈光灰暗，不能給行人帶來足夠的安全感。導(dǎo)致這些問題發(fā)生的原因主要是路燈建設(shè)與后期管理的投入不夠，缺乏有效的整體規(guī)劃，同時為結(jié)合對外界因素的全面考慮，導(dǎo)致了城市道路中多功能LED路燈控制系統(tǒng)建設(shè)的不完善，影響路燈系統(tǒng)的正常運行。對此，在進(jìn)行多功能LED路燈控制系統(tǒng)建設(shè)過程中需結(jié)合城市道路建設(shè)規(guī)劃，對控制系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計與布置，同時需要加強多功能LED智慧燈桿在城市道路建設(shè)中的應(yīng)用投入與管理，提高其與智慧城市建設(shè)的契合度，充分發(fā)揮多功能LED智慧燈桿控制系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢。

3.6 與其他道路交通桿件進(jìn)行功能整合

實現(xiàn)多功能LED智慧燈桿與其他道路交通桿件的功能整合，是提高桿件利用率、減量化和集約化的關(guān)鍵策略之一，同時也可以有效提升景觀效果。在當(dāng)前城市發(fā)展和交通管理的背景下，我們需要更加注重資源的合理利用和環(huán)境的美化，以打造宜居、宜業(yè)的城市空間。首先，通過將LED智慧燈桿與其他交通桿件進(jìn)行整合，可以實現(xiàn)多種功能的融合。除了傳統(tǒng)的照明功能，LED智慧燈桿還可以集成視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、交通信號等多種智能技術(shù)，從而提供更廣泛、更全面的服務(wù)。例如，智慧燈桿可以通過攝像頭監(jiān)測交通狀況，實時調(diào)整交通信號，提高交通效率；同時，它還可以收集環(huán)境數(shù)據(jù)，如空氣質(zhì)量、溫度等，為城市管理部門提供實時的環(huán)境監(jiān)測和預(yù)警信息。這種功能整合的方式，不僅減少了桿件的數(shù)量，還提高了桿件的綜合利用率，實現(xiàn)了桿件減量化和集約化的目標(biāo)。其次，多功能LED智慧燈桿的整合還可以提升景觀效果，美化城市環(huán)境。傳統(tǒng)的交通桿件往往只具備單一的功能，而且在設(shè)計上缺乏美感。通過將LED智慧燈桿與其他桿件進(jìn)行整合，可以創(chuàng)造更具藝術(shù)性和創(chuàng)意性的城市景觀。例如，燈桿可以融入景觀照明設(shè)計，通過燈光的變化和投影效果，營造出豐富多樣的城市夜景。此外，還可以將燈桿與綠化、雕塑等元素結(jié)合，打造獨特的城市景觀節(jié)點，提升城市形象和吸引力。

4 結(jié)束語

總而言之，在現(xiàn)代城市精神文明建設(shè)過程中，多功能LED智慧燈桿有著十分重要的作用，相關(guān)部門需重視加強在智慧燈桿建設(shè)與管理方面的重視程度，加大投資與管理力度。同時，隨著城市化建設(shè)進(jìn)程的不斷深入，尤其是智慧城市作為現(xiàn)代城市的發(fā)展主流，對城市道路燈桿控制系統(tǒng)的建設(shè)也提出了更高要求。因此，基于多功能LED智慧燈桿的城市道路建設(shè)需要重視做好路燈設(shè)施與控制系統(tǒng)的設(shè)計與建設(shè)運維，妥善解決好道路照明控制問題，在保障人們出行安全、便利的同時，奠定現(xiàn)代城市與精神文明建設(shè)的重要基礎(chǔ)，也更好地推動城市經(jīng)濟發(fā)展。