“5G+價值路燈”推動智慧城市建設

孫彥璽，姜冰冰，于怡然

（鄭州輕工業(yè)大學，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算和5G通信等技術發(fā)展迅速，為智慧城市的建設帶來新的機遇和挑戰(zhàn)。在智慧城市建設的過程中，以價值路燈[1]為載體，各類智能儀器儀表、前端傳感器為基礎，5G通信技術為核心，搭建智慧城市級物聯(lián)網(wǎng)平臺[2]，將促進智慧城市中智慧照明、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧人文、智慧環(huán)保和智慧安防等應用的發(fā)展[3]，實現(xiàn)城市的進一步迭代升級，推動社會進程由“移動互聯(lián)”朝著“萬物智聯(lián)”的方向快速轉(zhuǎn)變。

1 “5G+價值路燈”的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)一般由感知層、網(wǎng)絡層、應用層三層構(gòu)成，亦即“端、管、云”[4]。感知層（端）通過各類儀器儀表和傳感器實現(xiàn)對物理世界信息的識別、感知和采集；網(wǎng)絡層（管）通過各種有線、無線的私有或公用網(wǎng)絡實現(xiàn)對來自感知層的信息傳遞；應用層（云）通過對信息的計算和處理實現(xiàn)在各行業(yè)的垂直應用。但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的飛速發(fā)展以及物聯(lián)終端設備的大規(guī)模應用，使得終端設備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長?！岸恕痹O備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需要通過“管”傳輸給“云”計算，使得整個系統(tǒng)的任務變得極其艱巨。面對大流量數(shù)據(jù)的傳輸和計算壓力，急需出現(xiàn)可以在“端”邊處理一定數(shù)據(jù)任務的設備，以提供邊緣智能計算和服務，由此便催生了邊緣網(wǎng)關[5]的出現(xiàn)和發(fā)展，并產(chǎn)生了面向多種應用場景的邊緣計算算法[6]。隨著邊緣計算技術的成熟，以及邊緣智能網(wǎng)關在物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)中地位的提升，邊緣層便成為獨立的一層，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)也由原來的三層變成了現(xiàn)在的“云、管、邊、端”四層。

基于邊緣網(wǎng)關，通過邊緣計算調(diào)度算法，使得部分數(shù)據(jù)處理任務可以在邊緣端進行處理，提高了數(shù)據(jù)處理的效率，降低了數(shù)據(jù)的傳輸時延，減輕了云計算壓力。通過以云計算為核心的集中式大數(shù)據(jù)處理技術和以邊緣計算為核心邊緣式數(shù)據(jù)處理技術的相互配合以及端設備協(xié)同作業(yè)，數(shù)據(jù)的處理會更可靠、高效，萬物智聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時代終將滲透至人類社會生產(chǎn)生活的方方面面。在智慧城市照明體系的建設過程中，基于“5G+價值路燈”的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)也應當采用“云、管、邊、端”四層架構(gòu)，便于為更多設備加入時也能讓數(shù)據(jù)得到更精確的處理。

2 “5G+價值路燈”結(jié)合的天然優(yōu)勢

隨著5G技術的不斷發(fā)展和成熟，我國5G于2019年正式步入商用元年，開始了它的商業(yè)化部署之路。據(jù)市場調(diào)研機構(gòu)的調(diào)查顯示，2020年一季度在5G通信設備市場中，中國的通信設備制造商華為公司和中興公司分別以35.7%和10.4%的市場份額位居全球第一和全球第五，5G基站的出貨量已達數(shù)百萬臺。顯然，中國的5G技術已經(jīng)走在了世界前列。下一步要實現(xiàn)5G的商業(yè)化推廣和應用，5G基站的建設則迫在眉睫。

傳統(tǒng)基站在建設過程中存在著基站載體重復建造，資源浪費嚴重且投資成本高的問題，各種應用類型的桿體分布在城市的各處，在一定程度上影響了市容市貌并產(chǎn)生了更多的電磁輻射，這與人民群眾追求更加美好生活的需要背道而馳。由于5G網(wǎng)絡使用的頻段主要是高頻段，為了滿足熱點高容量場景下的高數(shù)據(jù)流量、高傳輸速率、高可靠性和低時延的特點，5G將采用“宏基站+微基站”的模式進行城市的超密集組網(wǎng)，這使得5G微基站在部署建設時對站址資源的剛性需求急劇增加[7]。不僅如此，5G基站對電能的消耗也很大。與4G基站對比而言，4G基站的覆蓋半徑可達千米，而5G基站的覆蓋半徑只達到了百米級別，因此預計5G微基站的部署數(shù)量將會是4G[8]的4～10倍；單個4G基站的功耗大約為1 000 W，而5G基站的功耗則達到了3 000～4 000 W。

價值路燈是城市照明系統(tǒng)中最基礎的組成單元，遍及城市的各個角落，天然成為了部署萬物智聯(lián)“神經(jīng)元級”核心通信樞紐，即5G基站的最佳終端載體。5G基站與價值路燈結(jié)合，一方面可以解決由于受到覆蓋范圍的限制使5G微基站在部署建設時對站址資源的剛性需求急劇增加的問題；另一方面，可以利用價值路燈燈桿的供電系統(tǒng)解決5G微基站建設中的電纜敷設問題。最重要的是，由價值路燈搭載5G基站建立的智能物聯(lián)網(wǎng)體系，不僅為面向智慧城市發(fā)展起來的無人駕駛技術、市政交通等應用提供了可能，還可以實現(xiàn)工業(yè)4.0時代大規(guī)模機器通信的需求，亦可以依靠增強的5G帶寬滿足AR（增強現(xiàn)實）和VR（虛擬現(xiàn)實）[9]?？梢?，5G微基站與價值路燈的結(jié)合應用具有天然優(yōu)勢，兩者相輔相成、互為支撐。

3 “5G+價值路燈”的應用前景分析

在5G商用時代到來之際，世界各國都在積極規(guī)劃引導5G與公共設施的融合。價值路燈因其具備分布廣、可聯(lián)網(wǎng)和持續(xù)供電的特點，除了實現(xiàn)智慧照明的功能以外還可以集成或搭載5G微基站、交通指示牌、電子攝像頭、信息發(fā)布屏、交通及公共廣播、各類傳感器、汽車充電樁等硬件設施，為進一步實現(xiàn)城市的智慧通信、智慧交通、智慧安防、智慧環(huán)保等功能提供了可能性。面向未來，價值路燈作為智慧城市物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中最好的組網(wǎng)節(jié)點和最佳的終端載體，可憑借其強大的可擴展性[10]添加需要的設施，解決系統(tǒng)的外部擴展、有效聯(lián)網(wǎng)和建設成本問題，為智慧市政創(chuàng)造出更多的附加價值。

在標準制定方面，近年來國際標準化組織ISO、國際電工委員會IEC等相關組織都在積極地研究和制定智慧照明相關的標準體系，確立標準框架，從而為智慧照明行業(yè)的快速、健康發(fā)展提供標準方面的技術參考[11]。此外包括互聯(lián)照明聯(lián)盟、TALQ聯(lián)盟、Fairhair聯(lián)盟在內(nèi)的國際其他組織也都在積極推動智慧照明行業(yè)的發(fā)展。中國作為人口眾多、城市密集的國家，也在積極推動城市照明向智能化方向前進，努力實現(xiàn)城市的“綠色、集約、智慧”發(fā)展。國內(nèi)相關組織和各級地方政府也出臺了相關標準和政策。相信在各方的努力下，“5G+價值路燈”物聯(lián)網(wǎng)智慧系統(tǒng)將很快在世界范圍內(nèi)得到應用。

4 智慧路燈、價值路燈相關應用案例

當前世界上有很多國家都在進行智慧燈桿的試點項目，或?qū)ζ胀窡魲U進行改造升級，或進行整桿替換。從全球范圍內(nèi)來看，例如美國圣地亞哥改造后的路燈桿安裝了麥克風、攝像頭、各類傳感器等設備也可以監(jiān)控交通狀況、識別車輛的碰撞偵測、幫助找停車位、偵測槍聲等功能；德國柏林也對現(xiàn)存的普通燈桿進行升級改造，改造后的路燈桿搭載有充電樁，可以為新能源汽車充電；荷蘭海牙市新建的智慧燈柱裝有攝像頭、傳感器和數(shù)據(jù)通信設施，可以檢測空氣質(zhì)量、監(jiān)控交通、幫助找到停車位等功能。顯然，智慧路燈的建設已經(jīng)在全球范圍內(nèi)掀起了一股浪潮。在這樣的背景下，我國的智慧照明、智慧燈桿的建設也在如火如荼的進行，如南京、上海、杭州、成都、深圳、香港等地[12]。本文以正在建設新型價值路燈的南京、多功能智慧燈柱的香港為例進行介紹。

為了響應國家智慧城市、智慧照明建設，優(yōu)化照明產(chǎn)業(yè)新布局，實現(xiàn)城市照明主業(yè)的升級迭代，南京市制定了“信息路燈（2014—2016）、智慧路燈（2016—2018）、價值路燈（2019—2020）”三個3年規(guī)劃目標。截至2018年年底，南京市已經(jīng)逐步完成了前兩個階段的任務，并取得了顯著成效。同時，南京市作為5G網(wǎng)絡商用的首批試點城市之一，5G網(wǎng)絡通信的發(fā)展也將走在中國城市的前列?！皟r值路燈”作為三步走戰(zhàn)略的最后階段，亦被認為是城市照明行業(yè)發(fā)展的最終階段。通過與5G網(wǎng)絡的深度融合搭建城市物聯(lián)網(wǎng)體系，將會形成集建設、運行、維護、管理于一體的全新的物理信息系統(tǒng)，推動城市照明行業(yè)從照明本專業(yè)向智慧城市邊際的價值延伸。

香港正在建造多功能智慧燈柱，其試驗計劃共為期3年（2018—2021年），將分階段分地區(qū)進行建設。其中，第一階段的近50根多功能智慧燈柱已于2020年6月底在觀塘和啟德發(fā)展區(qū)正式投入運作，第二階段的工作已經(jīng)在進行當中。部署中的多功能智慧燈柱裝設有交通探測器、全景攝影機、氣象感應器、空氣素質(zhì)感應器等傳感器，以此來監(jiān)控路面交通狀況和收集氣象信息等，之后部分智慧燈柱還將加裝WiFi無線熱點和網(wǎng)絡通信設備，為市民提供免費上網(wǎng)服務。在香港多功能智慧燈柱試驗計劃穩(wěn)步推進的過程中，香港各大通信運營商的5G網(wǎng)絡服務于2020年4月初全面問世，香港正式迎來了5G時代。特區(qū)政府的相關部門已經(jīng)明確表明智慧燈柱已經(jīng)預留了空間，以便為5G微基站的接入工作做準備，從而配合香港未來5G通信的發(fā)展。

5 結(jié) 語

目前國家大力倡導各行業(yè)走“集約、綠色”的發(fā)展道路，在構(gòu)建智慧城市發(fā)展的宏偉藍圖時，可以從城市智慧照明的角度出發(fā)為智慧城市的建設貢獻一份力，而“5G+價值路燈”的新路徑顯然成為了構(gòu)建智慧城市照明系統(tǒng)的最佳突破口。各個城市應當充分抓住5G與價值路燈融合發(fā)展的契機，緊跟時代發(fā)展潮流，組建起城市智能物聯(lián)網(wǎng)體系，奠定其在智慧城市時代作為萬物互聯(lián)組網(wǎng)方案的首選地位，提升城市管理的智能化和信息化水平，進一步推動智慧城市建設。