智慧燈桿在智慧城市中的運用研究

李紅，徐川子，張志亮，陳奕，羅慶

（1.國網浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310051；2.國網浙江省電力有限公司雙創(chuàng)中心，杭州 310051）

1 智慧城市

智慧城市指的是采用信息技術或創(chuàng)新概念，集成城市系統(tǒng)和服務，提高資源利用效率，以優(yōu)化城市管理服務水平，改善人們的生活質量。從技術發(fā)展層面看，智慧城市是利用物聯網、云計算等新型信息技術，實現全面感知、普適計算、泛在互聯的融合與應用；從社會發(fā)展層面看，智慧城市是利用多種工具方法，實現社會環(huán)境下的可持續(xù)創(chuàng)新。建設智慧城市，是城市可持續(xù)發(fā)展的需要，是信息技術發(fā)展的需要，也是提高我國綜合競爭力的必然選擇。

2 智慧燈桿

2.1 提出背景

狹義上，智慧燈桿是在傳統(tǒng)燈桿的基礎上，采用通信技術進行集中控制管理。而本次研究中的智慧燈桿，是將無線通信、充電樁、廣播、監(jiān)控、電子屏幕等多種傳感器集為一身。大數據背景下，智能服務是技術發(fā)展的必然產物，將智慧燈桿應用在城市中，能感應到城市的發(fā)展變化，和各個行業(yè)相互連通，為城市的運行管理提供數據支持，推動智慧城市建設發(fā)展[1]。

2.2 應用優(yōu)勢

智慧燈桿在綠色照明、城市管理、公共安全等方面具有重要作用，相比于傳統(tǒng)燈桿，其應用優(yōu)勢總結如下：（1）覆蓋面廣，是最基礎的地面公共設施；（2）將多種功能集為一體，其中就包括信息收集；（3）擴張性強，和城市建設同步發(fā)展；（4）關系到人們的切身生活，關注度高；（5）采用平臺管理，可實現資源共享、遠程控制；（6）結構設計更加合理，安裝維護方便，可節(jié)省人力成本；（7）連接5G 網絡，可提供無線通信服務；（8）開放性好，不僅適用于移動通信微基站，還能用在公共廣播、無線通信、交通監(jiān)控等方面；（9）造型美觀，可以改善城市環(huán)境[2]。

3 智慧燈桿在智慧城市建設中的價值

3.1 實現城市智能管理

在智慧燈桿的基礎上，鋪設光纖、微基站等無線傳輸設備，既能實現數據采集，又能雙向通信，從而構建完善的物聯網絡。在云計算、大數據等技術的支持下，建立智慧城市管理平臺，成為城市管理的中樞。在這個過程中，智慧燈桿不僅能減少環(huán)境污染、降低城市能耗，還能消除安全隱患，提高城市管理的智能化。

3.2 降低城市建設成本

路燈系統(tǒng)是城市照明的載體，燈桿是路燈系統(tǒng)的組成部分。建設智慧燈桿，可實現智能感知、信息傳輸、遠程控制等功能，防止信息傳感網絡重復建設。同時，城市物聯網數據的采集、傳輸和運維費用均降低[3]。長遠看，智慧燈桿能支撐各個板塊功能的應用，加快智慧城市的建設速度，推動經濟高效發(fā)展。

3.3 創(chuàng)新商業(yè)發(fā)展模式

政府充分利用社會資本，向社會資本方授予智慧燈桿的特許經營權，可以創(chuàng)新商業(yè)發(fā)展模式。以政府投入為主導、以企業(yè)投入為主體、以社會投入為輔助，形成多元化融資體系。將功能單一的閑置資產，轉變?yōu)榭梢猿掷m(xù)發(fā)展的優(yōu)質資產，進而助力智慧產業(yè)的打造，為城市經濟發(fā)展提出新的增長點。

4 智慧燈桿的功能設計

1）綠色照明。智慧燈桿在照明上，是由照明系統(tǒng)和平臺軟件組成，一方面智能化控制燈光開啟與關閉，提高節(jié)能效益；另一方面能采集城市信息，對智慧城市網絡進行管理，實現遠程控制的目標。例如，實時監(jiān)控路燈的運行狀態(tài)，查詢路燈所在位置，根據天氣、環(huán)境因素調節(jié)路燈運行參數等，向著綠色照明的方向發(fā)展。

2）視頻監(jiān)控。視頻監(jiān)控功能的實現，需在燈桿上預留接口或安裝插口，和網絡、供電、攝像等系統(tǒng)連接，達到高清攝像的效果[4]?；谛畔⒓夹g，能對監(jiān)控設備進行遠程控制，觀察監(jiān)控視角范圍內的道路、行人和車輛。一般情況下，智能燈桿上的視頻監(jiān)控，是安裝在警務系統(tǒng)中，方便警務人員開展管理工作。

3）環(huán)境監(jiān)測。智慧燈桿監(jiān)測環(huán)境，可以采集溫度、濕度、風向、風速、路面積水、環(huán)境噪聲等情況。利用環(huán)境監(jiān)測功能，能動態(tài)掌握空氣質量變化，明確噪聲多發(fā)路段并進行治理和控制；降雨后采集低洼路段地面積水深度，以便及時進行排水處理，避免發(fā)生城市內澇，改善城市整體環(huán)境。

4）交通管理。利用智慧燈桿進行交通管理，除了智慧公交、移動執(zhí)法以外，其余功能基本都能實現，包括雷達測速、交通誘導、違停監(jiān)控、違章監(jiān)控等。以交通誘導為例，在視頻監(jiān)控、通信網絡的輔助下，監(jiān)測道路上的人車運行狀況，幫助行人車輛規(guī)避擁堵路段，緩解交通壓力，提高出行效率。

5）公共廣播。在智慧燈桿上加載廣播功能，利用預留接口插入音頻線、安裝廣播設備，可以接入網絡、使用廣播喇叭播放。利用公共廣播功能，為附近人群提供天氣、交通以及突發(fā)應急事件信息，幫助人們更好地生活。

6）無線通信。智慧燈桿上的無信通信功能主要有兩個：一是無線WiFi，利用預留接口接入無線網絡，安裝設備后能為周邊公共區(qū)域提供WiFi，從而在智能終端上運行App[5]。智慧燈桿還能對無線公共網絡進行管理控制，監(jiān)測實時運行狀況，對出現故障問題的燈桿進行定位。二是移動通信，在燈桿上加載通信模塊，在移動通信基站、供電、網絡等支持下，即可提供通信服務。

7）充電樁。隨著電動汽車的發(fā)展和普及，如何解決充電問題成為人們關注的焦點。如果智慧燈桿附近有停車位，可以設置充電樁功能，在燈桿上預留電動汽車的充電口，用戶通過掃描二維碼支付費用，即可對汽車進行充電。

5 智慧燈桿的改造方案和成果效益

5.1 必要性分析

第一，城市路燈設施點位多、數量大、覆蓋范圍廣，智慧燈桿作為承載智慧城市感知層的基礎設施平臺，是智慧城市建設中至關重要的一環(huán)。尤其是隨著5G 技術的全面推廣，智慧燈桿已成為建設5G 微基站所需要的重要站址資源。而舊燈桿智慧化改造作為智慧燈桿建設的重要組成部分，智慧化改造外掛設備綜合掛接取電裝置尚缺標準和指導方案。

第二，現有路燈桿上常見掛載的運營商基站、視頻攝像頭等外掛設備，掛接方式較隨意，影響市容設施美觀的同時，存在電纜外露、缺乏保護措施、安全隱患較大等問題。因此，亟須研制一套標準的路燈桿外掛設備綜合掛接取電裝置，兼顧用電安全、結構美觀、施工方便等要求，并形成指導性規(guī)范，為路燈桿管理單位在審批、驗收等環(huán)節(jié)提供依據。

5.2 改造方案

采用分段式設計方式，普通路燈桿從上到下分為外接安裝接口、設備布線、桿體綜合倉3 個部分。第一，外接安裝接口為燈桿外掛設備提供物理連接和固定位置，可考慮使用法蘭式設計，外掛設備通過法蘭轉接件即可固定安裝。第二，設備布線采用燈桿外部布線的方式，設計布線槽將電纜線固定在燈桿上，避免電纜線外露造成安全隱患；同時布線槽與燈桿統(tǒng)一配色，使得整體設計協調美觀。第三，桿體綜合倉和澆筑的基礎螺栓固定，安裝在燈桿底部。采用環(huán)抱燈桿的方式設計，一方面不改變原有路燈維修界面，另一方面通過多設備倉設計，為外掛設備提供電源、網絡、安全等更多支撐。

5.3 改造技術方法

5.3.1 上部改造

預留5G 基站采用抱箍的方式安裝及固定。考慮散熱、防水、信號穿透、掛載、防雷、線纜裝配，法蘭盤接口標準化，業(yè)務擴展接口標準化，統(tǒng)一對接設計，避免產生二次設計成本。

5.3.2 中部改造

采用新一代抱箍設計，燈桿一體化設計，環(huán)繞燈桿周圍，可用于攝像頭、環(huán)境監(jiān)測、旗桿等設備的架設。如圖1 所示。

圖1 中部改造設計效果圖

5.3.3 底部改造

首先對燈桿內部已有線路進行序化改造，同時加裝桿體綜合倉，將原有燈桿電源線引至倉內，進行統(tǒng)一管理及監(jiān)測。倉內采用一體化設計走線，導軌提供網關以及相關設備的漏電監(jiān)測以及能耗管理；分區(qū)安裝，兩側為設備區(qū)，中間為強電區(qū)。設備可通過無線/有線方式，將相關數據傳輸到平臺及App，了解設備的運行狀態(tài)和異常情況。

5.3.4 桿體外線槽改造

燈桿周邊引出4 條線槽，采用防水凹形設計，緊貼桿體，與桿身融為一體，采用抱箍固定的方式，供各種設備進行走線。

5.3.5 桿體綜合倉功能設計

第一，開關及保護模塊實現遠程重合閘、關合及漏電保護、浪涌保護、過載保護、短路保護、欠電壓保護等功能。第二，倉內獨立電計量裝置，采用導軌設計，具備RS-485 通信接口。計量裝置可監(jiān)測的參數有電流、電壓、電量、功率、功率因數、溫度。第三，設置物聯智能接口裝置，具備多個RS-485 用電設備數據通信能力，RS-485 下行接入開關箱內所有智能裝置，以及4G 或EtherNet 通信接口實現上行數據通信。實現多種物聯網傳感器數據接入，符合物聯網平臺標準的上行數據接入。

5.3.6 平臺對接及應用開發(fā)

智慧路燈系統(tǒng)集成多個子系統(tǒng)，實現照明控制、環(huán)境監(jiān)測、治安監(jiān)控、信息發(fā)布等多種功能。通過終端設備內置的邊緣計算網關，前端設備可統(tǒng)一接入網關，統(tǒng)一解析，通過網關接入互聯網，與城市智慧照明管理平臺進行信息交互和管理控制。管理平臺可快速調取各個設備的實時信息并予以管控，并進行數據收集分析，為城市管理提供數據支撐。

5.3.7 設備供電線路改造

設備供電需要24 h 全天候供電，原有的路燈供電方式為白天斷電、晚上通電，所以需要改造。改造方式為：從配電箱修改一路線纜，單相常供電，另外兩相保持路燈供電方式。

6 成果效益分析

6.1 經濟效益

智慧燈桿的主要經濟效益來源于：主體維護收入，基于相應功能的信息發(fā)布、智慧停車管理、智慧照明、視頻監(jiān)控租金收入、小微基站租賃收入、充電收入、廣告收入、停車井蓋管理收入、便民服務收入、數據采集收入等，形成可觀的直接經濟效益。以10 000 根智慧燈桿為例，滿負荷運營狀態(tài)下，合計每年收入1.80 億元，平均每桿年收入1.80 萬元。

6.2 社會效益

社會效益主要包括兩個方面：一是提高城市交通照明品質，保障人民群眾身心健康，創(chuàng)造和諧舒適的城市發(fā)展環(huán)境；二是滿足民眾日益提高的網絡需求，實現無處不在的互聯互通，加快城市互聯網經濟的快速發(fā)展。

7 結語

綜上所述，將智慧燈桿應用在智慧城市建設中，能實現城市智能管理，降低城市建設成本，創(chuàng)新商業(yè)發(fā)展模式。本文介紹了智慧燈桿的功能設計，具體分析了智慧燈桿的改造方案。結果證實，智慧燈桿的運用具有良好的經濟效益和社會效益，值得大力推廣。