“5G+智慧燈桿” 在核電智慧園區(qū)的應用研究

陶嶺，許立輝，王志堅，張琰，高凱

（中核智能安防科技（西安）有限公司，陜西 西安 710061）

智慧園區(qū)建設的目標是充分運用信息和通信技術(shù)手段感測、分析、整合園區(qū)運作核心系統(tǒng)的各項關鍵信息，實現(xiàn)園區(qū)管理和服務的信息與精細化。智慧燈桿是智慧園區(qū)建設中一個重要信息入口，承擔著信息采集、發(fā)布、傳輸?shù)闹匾蝿?。隨著5G 發(fā)展，智慧燈桿作為5G 微基站的一個最佳載體，通過“5G+智慧燈桿” 的多種終端相融合，加速園區(qū)運行數(shù)據(jù)的采集和傳遞[1]。智慧化園區(qū)作為新的應用領域，通過在特制路燈燈桿上安裝環(huán)境、監(jiān)控、核輻射監(jiān)測等傳感設備，能夠獲取園區(qū)內(nèi)分布式區(qū)域的各項環(huán)境和空間數(shù)據(jù)，實時分析計算處理，將核電園區(qū)安全防護方面的數(shù)據(jù)信息可視化，從而實現(xiàn)核電智慧園區(qū)各個站點數(shù)據(jù)融合處理，及時有效地進行核電園區(qū)的智慧化管理[2]。

1 核電園區(qū)智慧化的現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢

1.1 核電市場規(guī)模不斷擴大

核電作為一種安全、清潔和高效的能源，是中國構(gòu)建清潔低碳、安全高效能源體系的重要組成部分。推動核能高質(zhì)量發(fā)展，是中國優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、保障能源供給安全、實現(xiàn)“雙碳” 目標、應對氣候變化的重要手段。從中國核電站類型來看，截至2020 年末，全國在運行的核電站均為沿海核電站，內(nèi)陸核電站的數(shù)量為0；目前中國已建造的核電站有22 座，在建的有3 座。據(jù)統(tǒng)計，2021 年裝機量5 464.7 萬kW，預計2023 年中國核電設備裝機容量將達6 390.67 萬kW。由于碳中和以及用電需求的增加，“十四五” 期間核電發(fā)電占比提升空間較大，預計到2025 年，中國在運核電裝機達到7 000 萬kW 左右，到2030 年，核電在運裝機容量達到1.2 億kW。中國在推進碳達峰、碳中和工作上，堅定不移走綠色低碳、創(chuàng)新發(fā)展之路，為保障國家能源安全和推動經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展作出積極貢獻，未來核電站規(guī)模將不斷擴大。

1.2 核電智慧園區(qū)現(xiàn)狀

目前核電站園區(qū)內(nèi)除了有單獨的道路照明燈桿和保護圍欄照明燈桿之外，還有應急廣播桿體、環(huán)境監(jiān)測桿體、信息發(fā)布桿體，將來還會增加5G 基站和智能充電樁。園區(qū)內(nèi)各種桿體林立，資源利用率低，后期還會增加施工時間、投資成本、設備布設和管線鋪設復雜難度，影響園區(qū)建設容貌，加上應用管理平臺較多，導致人工管理和維護成本增加。園區(qū)在這些安全防護、環(huán)境檢測、設施服務、能源、數(shù)據(jù)等提升方面未能進行綜合的智慧化管理。

1.3 核電智慧園區(qū)發(fā)展建設思路

信息化發(fā)展。智慧園區(qū)建設前期依舊是以信息基礎設施建設、智慧政務為突破口。一方面，智慧園區(qū)信息基礎設施建設關鍵要朝著“寬帶網(wǎng)絡、結(jié)合、泛在、安全性” 方向發(fā)展，不斷強化網(wǎng)絡寬帶建設；另一方面，智慧園區(qū)建設中十分注重公共性服務管理，以人為本，重點圍繞園區(qū)建設者和管理者、高端人才、人員的需求建設，如圖1 所示，加速建設面對普通用戶的社會信息服務體系，創(chuàng)建造福每個人的電子政務網(wǎng)和服務體系。

圖1 智慧園區(qū)建設服務需求

互動交流發(fā)展趨勢。一方面，智慧園區(qū)朝向創(chuàng)新化、生態(tài)性發(fā)展趨勢，未來園區(qū)建設更加重視高新科技、安防、環(huán)境節(jié)能型等產(chǎn)業(yè)發(fā)展，融入到低碳環(huán)保管理模式，將新技術(shù)、管理方法、管理系統(tǒng)與園區(qū)創(chuàng)新結(jié)合在一起；另一方面，智慧園區(qū)建設與園區(qū)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃緊密結(jié)合，引進一批發(fā)展前景大、行業(yè)前景好的科技產(chǎn)業(yè)，逐步完善“智慧制造” 到“智慧服務”一條龍園區(qū)產(chǎn)業(yè)格局。

管理方法結(jié)合。核電園區(qū)產(chǎn)業(yè)鏈主要通過和關聯(lián)產(chǎn)業(yè)的集聚，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)模效益；人才和專業(yè)知識集聚，實現(xiàn)生產(chǎn)力提高，供應鏈管理效率提高。

核電智慧園區(qū)建設圍繞著安全、環(huán)保、智能化方向發(fā)展，目前園區(qū)在視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測、核輻射監(jiān)測等重要信息采集方面仍然采用傳統(tǒng)的建設和交互方式，點對點地進行數(shù)據(jù)采集和傳遞，管理平臺單一，未能將這些數(shù)據(jù)全部融合起來。而在核電園區(qū)道路燈桿分布最廣、節(jié)點最多，智慧園區(qū)的建設采用以燈桿為節(jié)點對整個園區(qū)進行 “5G+智慧燈桿” 的升級，作為智慧園區(qū)的一張通信和數(shù)據(jù)采集傳輸網(wǎng)，具有通電、聯(lián)網(wǎng)、分布廣泛、可滲入到園區(qū)各個角落等特點。通過園區(qū)建筑內(nèi)外部網(wǎng)絡，將園區(qū)采集的數(shù)據(jù)進行融合處理，可以加快提升整個園區(qū)智慧化、數(shù)字化的運營管理，也是整個核電園區(qū)走向信息化、數(shù)字化的必經(jīng)之路。

2 核電智慧園區(qū)智慧燈桿綜合服務系統(tǒng)功能的應用

2.1 運行可靠性

中國核電站的建設一般多以沿海建設為主，沿海高濕高熱、鹽霧大、海風大，對智慧燈桿設備結(jié)構(gòu)強度和設備運行可靠性要求高，所有設備均需具有抗高熱高濕、抗鹽霧腐蝕、抗風載等能力；其次是設備運行穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)采集及傳遞準確性，這些設備數(shù)據(jù)是做好核電園區(qū)安防工作的有力保障；安防照明設施的配電方面，每個智慧燈桿配備正常電源和應急電源供電，發(fā)生電力故障或者電源問題會自動接通應急電源，應急啟動照明、監(jiān)控等安防設施，以保證園區(qū)的照明和安防監(jiān)控等得到實時保障。

2.2 智慧燈桿綜合服務系統(tǒng)平臺

2.2.1 平臺分層

智慧燈桿綜合服務系統(tǒng)平臺一般分為終端層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層和應用層4 個層次，如圖2 所示。4 個層次配合運作，終端層將外部數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡層實時傳遞給應用層，通過數(shù)據(jù)計算判斷其應用范圍，然后相關部門通過應用范圍展開活動。

圖2 智慧燈桿綜合服務系統(tǒng)構(gòu)架

2.2.2 平臺框架

一網(wǎng)——感知互聯(lián)：建立泛在互聯(lián)、智能感知的融合網(wǎng)絡體系，以視頻+AⅠ為核心，利用新一代信息等通信技術(shù)手段智能感知、檢測園區(qū)物理空間和虛擬空間的社會生產(chǎn)生活運動態(tài)勢。

一平臺——整合共享：搭建園區(qū) “域見” 架構(gòu)的統(tǒng)一ⅠOT 平臺，提供信息基礎設施、數(shù)據(jù)交換共享、智能分析挖掘、信息安全和運行維護保障等服務。

一中心——洞察全局：建成時空信息一張圖，滿足園區(qū)運動、檢測、管理、指揮和決策的可視化、智能化、一體化需求。

多應用：公共安全應用、園區(qū)運營應用、民生生活應用、產(chǎn)業(yè)服務應用。

2.2.3 智慧園區(qū)將要解決問題

智慧園區(qū)將解決的問題如圖3 所示。從圖3 可見，智慧園區(qū)平臺建設主要解決的問題逐漸在安全→智慧安全、設施→智慧設施、能源→智慧能源、環(huán)境→智慧環(huán)境、服務→智慧服務、數(shù)據(jù)→智慧數(shù)據(jù)等方面得到全面升級。

圖3 智慧園區(qū)將解決的問題

2.3 “5G+智慧燈桿” 各子系統(tǒng)功能

智慧燈桿系統(tǒng)是由一個數(shù)據(jù)平臺下N個業(yè)務應用構(gòu)成，除了智慧照明，還集合了微基站、視頻監(jiān)控、環(huán)境檢測、信息發(fā)布、應急廣播、可視化一鍵報警、核輻射監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測等功能；各部分以模塊化方式集成，桿體為后期其他系統(tǒng)設備輸入布置預留安裝接口，可根據(jù)不同需求靈活選配；各功能高度集成，支持遠程操控、多維度數(shù)據(jù)分析決策，大大減少了建設和運維成本，促進節(jié)能減排，助力智慧園區(qū)的發(fā)展。

2.3.1 5G 微基站

5G 頻譜更高、波長更短，需要更密集的基站部署來實現(xiàn)全面、穩(wěn)定網(wǎng)絡覆蓋。依托智慧燈桿進行微基站建設，智慧燈桿的布設本身就有光纖通信，天然帶電和數(shù)據(jù)通信的載體，確保園區(qū)數(shù)據(jù)的準確快捷通信。5G 網(wǎng)絡使用的是高頻，其覆蓋范圍小于4G 網(wǎng)絡覆蓋范圍，因此5G 網(wǎng)絡建設需要配套更多的站點[3]。在核電系統(tǒng)則可根據(jù)園區(qū)智能化建設規(guī)劃布局5G 網(wǎng)絡，5G微基站+智慧燈桿為最佳的結(jié)合布設方式[4]。

2.3.2 智慧照明

智慧照明是對園區(qū)照明設施進行全資產(chǎn)、全生命周期的管理，并實時監(jiān)控路燈的運行狀態(tài)，實現(xiàn)故障的自動監(jiān)測與報警，用戶可根據(jù)不同場景制定不同的控制方案，同時結(jié)合多種傳感器，可感知外在的天氣、光照度、人流等信息，針對不同的情況，自動調(diào)整燈具亮度，可以最大限度地節(jié)約電耗，提高照明質(zhì)量。通過單燈控制器等設備，實現(xiàn)對照明的靈活、智能、科學控制。通過照明系統(tǒng)的設備安裝管理、GⅠS 地圖定位、故障預警通知和工單派送跟蹤，節(jié)省成本。

2.3.3 環(huán)境監(jiān)測

通過環(huán)境監(jiān)測器實時監(jiān)控園區(qū)、道路、生活區(qū)周邊的多種環(huán)境因素監(jiān)測，如溫度、濕度、噪聲、PM2.5、PM10等，可以對危險區(qū)域提出預警，方便工作人員對周邊進行危險源治理調(diào)控。

2.3.4 信息發(fā)布

LED 信息屏中的顯示內(nèi)容非常多，其中包括重要客戶及領導接待、環(huán)境質(zhì)量天氣等數(shù)據(jù)、圖片、視頻、核輻射數(shù)據(jù)等，遠程發(fā)布在顯示屏、運營平臺，會產(chǎn)生更大的效益和實現(xiàn)長遠的發(fā)展。

2.3.5 視頻監(jiān)控

通過攝像頭實時監(jiān)控覆蓋區(qū)域的具體態(tài)勢，可實現(xiàn)多維化、立體化、實時監(jiān)控的預測預警，如人臉識別（走失人口、在逃嫌疑犯等）判斷、停車監(jiān)測判斷、群體異常事件預警、火災等災害報警、區(qū)域入侵報警、防破壞報警、刑事案件報警等功能，還可以實現(xiàn)智能化、精準化和綜合研判的可視指揮，數(shù)據(jù)融合、深度學習、全局認知的智能輔助。指揮中心通過大數(shù)據(jù)技術(shù)匯聚園區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)整個園區(qū)的運行檢測、分析預警和指揮控制，對所有視頻、音頻信息以及文字、圖像信息進行顯示、控制和管理，結(jié)合GⅠS 和BⅠM 應用，實現(xiàn)全局化統(tǒng)籌應用和管控及決策高效化、精準化和科學化。

2.3.6 一鍵報警

一鍵報警設備帶防刺戳保護裝置和專用螺絲，防范人為破壞，燈桿下方安裝一鍵報警按鈕，當發(fā)生緊急情況時，人們可以立刻按動按鈕，觸發(fā)燈桿警報系統(tǒng)，將現(xiàn)場視頻圖像、位置等信息實時上傳至管控中心及相關部門，并可進行語音呼救，第一時間得到營救，避免危險的發(fā)生。

2.3.7 應急廣播

園區(qū)的ⅠP 音柱可以配合宣傳視頻，安防系統(tǒng)聯(lián)動提供音頻輸出，可組播，也可以單播。一些突發(fā)事件可以通過ⅠP 音柱廣播出去，第一事件告知園區(qū)人員如何防范，起到宣傳、警示、安撫的作用。

2.3.8 核輻射監(jiān)測

可以監(jiān)測道路環(huán)境中α、β和γ射線，可以實時檢測核電站的定點測量區(qū)域輻射對人體的危險等級。危險來臨時，進行數(shù)據(jù)分析處理，然后通過語音或者視頻播放提供園區(qū)最安全的交通通道。

2.3.9 智能網(wǎng)關

5G+智慧燈桿網(wǎng)關組網(wǎng)綜合桿除視頻監(jiān)控外，可接入照明、安全監(jiān)控、廣播、信息發(fā)布、環(huán)境氣象監(jiān)測、應急報警等信息采集傳感器及傳感設備的電源遠程監(jiān)控及能耗監(jiān)控，具有速度快、功能強、支持邊緣計算的特點。還可以快速接入高速互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通過層次化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，智慧控制平臺下發(fā)任務，智能網(wǎng)關之間依據(jù)建立的工作狀態(tài)模型進行任務調(diào)度并執(zhí)行任務，當智能網(wǎng)關發(fā)生故障時，相鄰網(wǎng)關能夠承接其任務，無需智慧平臺控制，保障智慧燈桿系統(tǒng)的高效和穩(wěn)定[5]。

3 “5G+智慧燈桿” 建設在核電智慧園區(qū)重要意義

3.1 優(yōu)化園區(qū)公共基礎設施建設

智慧燈桿可大幅度減少園區(qū)地面設施的繁雜度，更好地體現(xiàn)園區(qū)美化特色；可通過共享和智能化，大幅度降低能源消耗，促進綠色協(xié)調(diào)發(fā)展；可提供安全保障和便捷的服務，使核電園區(qū)生活更具人文氣息。

3.2 奠定智慧園區(qū)建設的關鍵基礎

智慧燈桿可將多套功能系統(tǒng)的承載、供電、通信等配套資源進行整合，優(yōu)化園區(qū)安防建設，減少重復建設及資源浪費，尤其是智慧燈桿分布廣、位置合理的優(yōu)勢，使其成為5G 基站的良好載體和眾多5G+創(chuàng)新應用的基礎，提供了智慧園區(qū)數(shù)據(jù)入口，奠定了智慧園區(qū)建設的關鍵基礎。

3.3 建設核電電網(wǎng)強大的重要載體

建設核電電網(wǎng)和5G 網(wǎng)絡融合，加快構(gòu)建核電事業(yè)管理高速、移動、安全的新一代信息基礎設施，推進信息網(wǎng)絡技術(shù)廣泛應用，形成萬物互聯(lián)、人機交互、天地一體的網(wǎng)絡空間，是核電園區(qū)智慧化發(fā)展建設的戰(zhàn)略定位之一。而智慧燈桿網(wǎng)絡通過各類傳感器感知整個園區(qū)，為園區(qū)收集和處理各類信息，是物聯(lián)網(wǎng)深度部署的首選方案，是園區(qū)各類智能化、高端化運營管理發(fā)展不可缺少的一條高速通道網(wǎng)絡，也是智慧園區(qū)建設的最佳路徑。

3.4 產(chǎn)業(yè)升級的加速引擎

“5G+智慧燈桿” 基礎建設，不僅依靠5G 技術(shù)的優(yōu)勢，還可通過扶持高新技術(shù)企業(yè)創(chuàng)新、引進先進項目建設，促進傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)園的轉(zhuǎn)型升級，精準地布局規(guī)劃，這樣才能進一步邁進新時代道路。

4 結(jié)束語

綜上所述，以路燈燈桿為載體的智慧燈桿搭載了燈具、攝像頭、5G 基站、信息發(fā)布屏、廣播音柱、應急呼叫、環(huán)境監(jiān)測、核輻射檢測等多個設備、系統(tǒng)，全面感知整個園區(qū)，將信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?，實現(xiàn)智慧燈桿立體空間功能價值的最大化共享利用，基于人工智能化、云端計算等，處理并分析大數(shù)據(jù)和信息，精準地讓“5G+智慧燈桿” 為智慧公共服務、智慧園區(qū)管理、智慧交通、智慧安防安控等提供服務。核電智慧園區(qū)智慧燈桿的建設僅是智慧園區(qū)建設的一小部分，為核電園區(qū)其他工業(yè)智慧化的建設和發(fā)展奠定了一定基礎，使核能產(chǎn)業(yè)發(fā)展更全面、更安全、更環(huán)保。