淺談智慧基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)
——關(guān)于智慧路燈的幾個(gè)誤區(qū)

戴文濤

(深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心股份有限公司，深圳 518057)

1 智慧基礎(chǔ)設(shè)施概念

智慧城市是指在城市發(fā)展過程中，城市基礎(chǔ)設(shè)施、資源環(huán)境、社會(huì)民生、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)、市政治理領(lǐng)域中，充分利用物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、IT、智能分析等技術(shù)手段，對城市居民生活工作、企業(yè)經(jīng)營發(fā)展和政府行政管理過程中的相關(guān)活動(dòng)，進(jìn)行智慧的感知、分析、集成和應(yīng)對，為市民提供一個(gè)更美好的生活和工作環(huán)境，為企業(yè)創(chuàng)造一個(gè)更有利的商業(yè)發(fā)展環(huán)境，為政府構(gòu)建一個(gè)更高效的城市運(yùn)營管理環(huán)境。

在整個(gè)智慧城市理論體系中，智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施主要包括3方面內(nèi)容：(1)信息網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，包括有線寬帶、無線寬帶、物聯(lián)網(wǎng)及三網(wǎng)融合等，是智慧城市的信息傳輸系統(tǒng)；(2)信息共享基礎(chǔ)設(shè)施，包括云計(jì)算平臺(tái)、信息安全服務(wù)平臺(tái)及測試中心等，是智慧城市的公共數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息交換及運(yùn)營支撐平臺(tái)；(3)智慧化的傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，主要是對包括水、電、氣、熱管網(wǎng)，以及道路、橋梁、站點(diǎn)等市政基礎(chǔ)設(shè)施及其負(fù)載要素的數(shù)智化建設(shè)，從而形成高度一體化的新型智慧基礎(chǔ)設(shè)施。通過智慧基礎(chǔ)設(shè)施大量傳感器采集的信息，可以實(shí)時(shí)地監(jiān)控、測量、分析，并依據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行反應(yīng)。智慧基礎(chǔ)設(shè)施利用信息基礎(chǔ)設(shè)施，為城市大腦決策提供信息支持。

市政基礎(chǔ)設(shè)施包含了道路交通、地下管網(wǎng)、軌道交通、綜合管廊、海綿城市、環(huán)衛(wèi)、能源等內(nèi)容。其中，市政道路是城市“天然的網(wǎng)格”，既是物理網(wǎng)格的“脈絡(luò)”，也是信息網(wǎng)格的“脈絡(luò)”。路燈作為城市中最密集且排布規(guī)整的基礎(chǔ)設(shè)施，有管道、供電、網(wǎng)絡(luò)，可以構(gòu)建一個(gè)龐大的城域網(wǎng)；路燈上具有集成視頻數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)信息采集和傳輸?shù)奶烊粌?yōu)勢，是未來智慧城市的重要數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。加上遍布城市的井蓋、垃圾桶、消防栓、停車位等終端傳感設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)智慧交通、智慧市政、智慧公安等基于道路物聯(lián)網(wǎng)的智慧生態(tài)構(gòu)建與運(yùn)營，從而使智慧路燈成為智慧基礎(chǔ)設(shè)施的重要入口和載體。

鑒于此，近年來智慧路燈成為一輪建設(shè)熱點(diǎn)，傳統(tǒng)照明行業(yè)、智能交通行業(yè)、通信行業(yè)、IT行業(yè)紛紛涌入，爭搶這一新的風(fēng)口。在此過程中，各種類型的“智慧路燈”也是層出不窮。但由于智慧基礎(chǔ)設(shè)施頂層設(shè)計(jì)的缺少、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的滯后、5G/IOT技術(shù)演進(jìn)路線的不明確、相關(guān)管理部門的行政壁壘等因素，造成各種示范項(xiàng)目效果未達(dá)預(yù)期。不少進(jìn)入這一行業(yè)的企業(yè)更是對智慧路燈的認(rèn)識(shí)存在各種誤區(qū)，整個(gè)行業(yè)亂象漸生。因此，對智慧路燈的誤區(qū)進(jìn)行剖析，對智慧基礎(chǔ)設(shè)施的基本架構(gòu)進(jìn)行討論是非常有必要的。

2 誤區(qū)一：智慧路燈是智能照明應(yīng)用

從傳統(tǒng)照明行業(yè)進(jìn)入智慧路燈的企業(yè)，容易傾向于采用智能照明控制系統(tǒng)搭建智慧路燈。LED燈具+單燈控制器+環(huán)境變量傳感器+有線/無線通信+集中控制器+(云)平臺(tái)，是一種典型的系統(tǒng)架構(gòu)。利用LED燈具優(yōu)異的調(diào)光特性，根據(jù)路面亮度(照度)、地理信息、交通量等數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)道路照明調(diào)光、節(jié)能、按需照明、運(yùn)維管理等功能，已經(jīng)是比較成熟的應(yīng)用。但這只是智慧路燈在智能照明方面的小小體現(xiàn)，還遠(yuǎn)不能發(fā)揮智慧路燈作為智慧城市節(jié)點(diǎn)的重要作用，而且據(jù)此搭建的智能系統(tǒng)在點(diǎn)數(shù)、帶寬、拓展等方面上也無法滿足將來系統(tǒng)擴(kuò)容的需要。

不過，如果傳統(tǒng)照明企業(yè)在物聯(lián)網(wǎng)通信、IT等方面沒有足夠的技術(shù)研發(fā)實(shí)力，而是聚焦于智慧照明發(fā)力，打造智慧路燈子模塊，也不失為明智的選擇。依托智慧路燈強(qiáng)大的通信和處理能力，智能照明子系統(tǒng)還有更多的想象空間。如除了常規(guī)的按需照明單燈控制外，還可以設(shè)計(jì)可變色溫、可變配光、隨動(dòng)照明等智能照明場景，以克服不同氣象條件、環(huán)境因素和交通量對道路照明效果的影響。目前在低位安裝的多維度道路照明裝置中已經(jīng)部分實(shí)現(xiàn)了上述智慧場景。隨著照明設(shè)施與智慧基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步融合，還可實(shí)現(xiàn)霧區(qū)誘導(dǎo)、擁堵提示等智慧解決方案，甚至有可能通過智能檢測和主動(dòng)提示，找到提升道路照明小尺寸障礙物可見度的解決方案，從根本上改變提升道路照明體系。

3 誤區(qū)二：智慧路燈是燈桿上安裝5G基站

隨著2019年6月6日中國政府正式發(fā)放5G商用牌照，5G相關(guān)應(yīng)用開始呈現(xiàn)爆發(fā)式增長。一方面運(yùn)營商的基站開通計(jì)劃壓力巨大，另一方面5G通信較高的載波頻率意味著蜂窩系統(tǒng)的小區(qū)半徑越來越小，而智慧燈桿的推出為5G微基站的布設(shè)提供了絕佳的結(jié)合機(jī)會(huì)，于是一波由移動(dòng)通信基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營商主導(dǎo)的智慧路燈也應(yīng)運(yùn)而生。

誠然，5G通信的高數(shù)據(jù)吞吐量為車路協(xié)同、無人駕駛等應(yīng)用場景提供了基礎(chǔ)條件，5G/IoT技術(shù)的發(fā)展也為智慧基礎(chǔ)設(shè)施的物聯(lián)網(wǎng)通信指明了方向，合適布點(diǎn)的智慧燈桿確實(shí)是5G微基站的理想棲身之地。但在目前的技術(shù)條件下，無人駕駛還面臨技術(shù)、法律、倫理的諸多障礙，尚未形成規(guī)?；瘧?yīng)用。車路協(xié)同在受到交管部門歡迎的同時(shí)，也在面臨交警信號(hào)管控的壓力。大規(guī)模機(jī)器通信(mMTC)作為5G最主要的應(yīng)用場景，其技術(shù)演進(jìn)路線現(xiàn)在也不明確，移動(dòng)通信運(yùn)營商是否理解智慧基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用場景并做出與之相適應(yīng)的基站部署，讓人對5G基站主導(dǎo)的智慧燈桿心存疑問。

4 誤區(qū)三：智慧路燈僅僅是智慧交通應(yīng)用

為整合路面桿件資源，不少城市也在推進(jìn)“多桿合一”，作為路面桿件主要構(gòu)成部分的交通標(biāo)志標(biāo)牌和交通監(jiān)控設(shè)施也整合進(jìn)路燈桿，成為多功能桿。于是，一些智能交通行業(yè)企業(yè)采用ITS技術(shù)路線來構(gòu)建智慧路燈，利用整合進(jìn)多功能桿的交通流量檢測、事件監(jiān)測、誘導(dǎo)顯示、信號(hào)控制等設(shè)施，實(shí)時(shí)感知區(qū)域交通狀況并進(jìn)行調(diào)節(jié)。

視頻檢測是目前較為流行的技術(shù)手段，內(nèi)嵌人工智能技術(shù)的攝像頭或邊緣計(jì)算設(shè)備，可以進(jìn)行車牌識(shí)別、車型識(shí)別、慢行交通量識(shí)別、交通行為識(shí)別、交通量計(jì)算甚至是部分路面設(shè)施狀態(tài)檢測，通過傳輸系統(tǒng)與交通監(jiān)控中心通信，通過交通大腦實(shí)現(xiàn)短時(shí)在線推演、交通數(shù)據(jù)深度學(xué)習(xí)，進(jìn)而生成管控策略。應(yīng)該說，智慧交通應(yīng)用目前是智慧路燈(或言智慧多功能桿)建設(shè)最為有力的驅(qū)動(dòng)，最能充分利用智慧基礎(chǔ)設(shè)施“云-網(wǎng)-邊-端”架構(gòu)和計(jì)算能力，同時(shí)也能夠很大程度上展現(xiàn)智慧道路場景效果。深圳市近期建設(shè)的福田中心區(qū)、僑香路、紅荔路等智慧道路項(xiàng)目，從單一智慧道路建設(shè)延伸到片區(qū)級(jí)的智慧街區(qū)建設(shè)，基本形成了智慧片區(qū)案例、交通干道、山湖綠道多層次的智慧道路示范，利用智慧多功能桿實(shí)現(xiàn)了大量智慧交通場景，提供了“管控智慧化、服務(wù)智慧化、管理智能化”的體驗(yàn)。

不過，這只是智慧路燈在智慧交通方面的具體表現(xiàn)，還不能完全發(fā)揮智慧路燈作為智慧城市節(jié)點(diǎn)的全部重要作用。在目前的工程實(shí)踐中，受公安專網(wǎng)的限制，視頻數(shù)據(jù)乃至通信網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常無法共享資源，無形中增加了建設(shè)成本。完全基于智慧交通應(yīng)用的智慧路燈是升級(jí)版的多功能桿，還有待于進(jìn)一步整合智慧城市的諸多場景，充分利用“云-網(wǎng)-邊-端”架構(gòu)和算力，融合數(shù)據(jù)，增強(qiáng)決策，快速響應(yīng)聯(lián)動(dòng)。

5 誤區(qū)四：智慧路燈是智慧終端硬件堆疊

綜上三類是常見智慧路燈誤區(qū)，但是在目前的工程實(shí)踐中，確實(shí)也出現(xiàn)了一些集大成者，將各類可以想象得到的硬件組合堆疊在智慧路燈上，包括5G基站、Wi-Fi熱點(diǎn)、智能攝像頭、顯示屏、環(huán)境監(jiān)測、智能照明、應(yīng)急呼叫，甚至包括充電樁。這些智慧路燈往往造價(jià)不菲，每桿動(dòng)輒十萬以上，一般只能做做試點(diǎn)，難以大規(guī)模推廣。而且這些試點(diǎn)燈桿雖然夠酷炫，但并沒有太多的應(yīng)用場景，各類智慧終端的布點(diǎn)設(shè)置也沒能結(jié)合智慧場景統(tǒng)籌考慮，隨著時(shí)間推移硬件技術(shù)逐漸落后，也將不能適應(yīng)未來真正意義的智慧基礎(chǔ)設(shè)施需求。

筆者認(rèn)為，各類智慧終端硬件的豪華堆疊并不是真正的智慧路燈，智慧路燈應(yīng)當(dāng)是在構(gòu)建城市全面感知的基礎(chǔ)上，同時(shí)經(jīng)濟(jì)有效地提供交通、治安、城管、照明、市政設(shè)施等行業(yè)應(yīng)用，解決行業(yè)痛點(diǎn)，形成閉環(huán)的應(yīng)用生態(tài)系統(tǒng)，能夠通過統(tǒng)一管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)資源共享利用，為智慧城市提供基礎(chǔ)支撐。

6 智慧基礎(chǔ)設(shè)施的基本架構(gòu)與研究方向

路燈天然具備“有電”“有網(wǎng)”“有桿”的優(yōu)勢，可以作為智慧城市建設(shè)過程中大量物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的載體；而在信息基礎(chǔ)設(shè)施和能源、交通等領(lǐng)域社會(huì)資源的共建共享所推動(dòng)下的“多塔合一”“多桿合一”中，路燈又將是5G基站和車路協(xié)同的重要節(jié)點(diǎn)。以智慧路燈為切入點(diǎn)，深度推動(dòng)智慧基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是切實(shí)可行的。

智慧基礎(chǔ)設(shè)施不能停留在智慧路燈上進(jìn)行簡單的功能堆砌，需要從需求側(cè)出發(fā)，全面分析整合各類要素的需求，結(jié)合管理模式，合理選擇建設(shè)內(nèi)容及技術(shù)方案，促進(jìn)基礎(chǔ)設(shè)施智慧化運(yùn)維，實(shí)現(xiàn)城市精細(xì)化管理。

對于智慧路燈，需要結(jié)合智慧基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)架構(gòu)，進(jìn)行合理燈桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)備集成，選擇最優(yōu)的組網(wǎng)與傳輸技術(shù)方案，制定市政基礎(chǔ)設(shè)施云平臺(tái)功能及實(shí)現(xiàn)方式。智慧路燈需結(jié)合5G基站部署計(jì)劃做好預(yù)留或?qū)?，?G基站也需結(jié)合車路協(xié)同和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求進(jìn)行配置。

目前工作中還需要注意解決下列5個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題。

(1)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)方案的合理制定

現(xiàn)階段實(shí)施應(yīng)根據(jù)智慧基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的場景分類，從智慧交通、智慧水務(wù)、智慧照明等到結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，分析其傳輸需求，合理確定其組網(wǎng)及傳輸方式。針對智慧市政基礎(chǔ)設(shè)施中LoRa、NB-IOT、5G等物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行適用性分析，構(gòu)建融合通信的統(tǒng)一網(wǎng)關(guān)。

(2)基于5G的車路協(xié)同建設(shè)

V2X(車路協(xié)同)是采用先進(jìn)的無線通信和新一代互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)(5G的高速低延時(shí)特性與之相契合)，實(shí)現(xiàn)車與各交通要素的直接交互，綜合實(shí)現(xiàn)碰撞預(yù)警、安全預(yù)防及通報(bào)、輔助駕駛等多種應(yīng)用。同時(shí)，通過與云端的交互，車輛也能實(shí)時(shí)獲取全局交通網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)并做出及時(shí)反應(yīng)，從而形成安全、高效和環(huán)保的智慧交通有機(jī)體系。深圳市近期實(shí)施的智慧道路項(xiàng)目中，公交、環(huán)衛(wèi)、急救、消防、公務(wù)等專有用途車輛已經(jīng)可以投入使用，并可結(jié)合接入物聯(lián)網(wǎng)的交通設(shè)施、垃圾箱、消火栓等，制定合理路線，大幅提高作業(yè)效率。同時(shí)，利用車路協(xié)同、高精度地圖提供的精準(zhǔn)定位能力，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備也可以拓展設(shè)施破損、丟失、形變、安裝等與定位相關(guān)的應(yīng)用。

(3)人工智能AI的應(yīng)用

近年來，人工智能在商業(yè)領(lǐng)域已取得較大發(fā)展，如各類型服務(wù)機(jī)器人、語音/圖像識(shí)別等領(lǐng)域。在工程建設(shè)領(lǐng)域，尤其是市政基礎(chǔ)設(shè)施工程，針對其特定場景，在規(guī)劃決策-設(shè)計(jì)-施工-運(yùn)維不同階段，人工智能均可發(fā)揮其優(yōu)勢，利用數(shù)據(jù)挖掘、機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)、智慧控制、圖像/視頻識(shí)別等技術(shù)手段，達(dá)到輔助決策、節(jié)約工程投資、保障施工及運(yùn)維安全等作用。目前AI數(shù)據(jù)處理在智慧基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)多個(gè)階段已開始發(fā)揮作用：基于文本處理、數(shù)據(jù)挖掘輔助項(xiàng)目決策；基于計(jì)算機(jī)視覺的道路、橋梁、隧道的智能運(yùn)行檢測；基于運(yùn)維傳感器數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)與識(shí)別等。泛在感知系統(tǒng)將產(chǎn)生海量數(shù)據(jù)，而利用內(nèi)嵌AI處理能力的邊緣計(jì)算設(shè)備，將大幅提高系統(tǒng)處理速度，減少傳輸與存儲(chǔ)開銷，提升聯(lián)動(dòng)效率。

(4)統(tǒng)一管理平臺(tái)研究開發(fā)

智慧城市管理平臺(tái)是智慧城市的大腦，它負(fù)責(zé)從前端的各種傳感器上采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析與處理后，提供給各個(gè)城市管理部門使用，同時(shí)也是城市管理部門對各類服務(wù)設(shè)備進(jìn)行管理和維護(hù)的入口，通過數(shù)據(jù)服務(wù)和管理平臺(tái)，對各類智能城市服務(wù)設(shè)備進(jìn)行控制和管理。

智慧基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要一環(huán)即為統(tǒng)一管理平臺(tái)，目前存在的問題是職能部門管理分散，智慧設(shè)施各子系統(tǒng)的建設(shè)尤其是運(yùn)營客觀上相互獨(dú)立，形成了數(shù)據(jù)孤島。

采用智慧市政數(shù)據(jù)服務(wù)與管理平臺(tái)的開放構(gòu)架，提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的接口和集成框架，將不同廠商提供的傳感器和服務(wù)設(shè)備的后端數(shù)據(jù)服務(wù)和控制臺(tái)進(jìn)行接入和集成，從而可以在智慧城市數(shù)據(jù)服務(wù)與管理平臺(tái)上對它們進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集和處理。以智慧城市數(shù)據(jù)服務(wù)與管理平臺(tái)開放構(gòu)架為基礎(chǔ)，導(dǎo)入基于角色控制的數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)。智慧城市數(shù)據(jù)服務(wù)與管理平臺(tái)上采集和存儲(chǔ)了多種類型的數(shù)據(jù)，不同的城市管理部門對于數(shù)據(jù)的類型和展示方式有不同的需求。特別是，一些敏感數(shù)據(jù)不允許經(jīng)過授權(quán)之外的任何部門進(jìn)行存取?；诮巧刂频臄?shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)可以有效解決這個(gè)難點(diǎn)，為不同的管理部門(道路交通、水務(wù)、供電、路燈、城管、平安城市等)設(shè)定不同的角色，依據(jù)不同的角色設(shè)定組織數(shù)據(jù)源、定義展示方式，控制數(shù)據(jù)的存取和流向，從而滿足按需要和安全權(quán)限提供數(shù)據(jù)服務(wù)的目標(biāo)。數(shù)據(jù)服務(wù)系統(tǒng)既允許用戶登陸系統(tǒng)訪問數(shù)據(jù)，也可以向用戶的指定的接口推送數(shù)據(jù)。

(5)供電保障

極端事故經(jīng)常造成大規(guī)模斷電和斷網(wǎng)，不但使交通等基礎(chǔ)設(shè)施受到直接影響，而且使城市依賴網(wǎng)絡(luò)生存的能力也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。在智慧基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)中，結(jié)合雙碳政策加強(qiáng)節(jié)能、儲(chǔ)能、應(yīng)急設(shè)施建設(shè)，考慮光伏設(shè)施，構(gòu)建新能源+直流微網(wǎng)+儲(chǔ)能的城市數(shù)字底座，對于提高通信、感知等關(guān)鍵設(shè)備的持續(xù)供電和高可靠性有積極作用，同時(shí)城市安全應(yīng)急保障也得到進(jìn)一步的提高。

7 結(jié)束語