多功能智慧灯杆系统应用研究

肖 辉，李文超，朱应昶，李代雄，方 景，高 杰

(1.同济大学控制科学与工程系，上海 201804；2.四川华体照明科技股份有限公司，四川成都610207；3.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092；4.军事科学院国防工程研究院项目技术审查中心，北京 100850)

引言

智慧城市就是运用信息和通信技术手段感测、分析、整合城市运行核心系统的各项关键信息，从而对包括民生、环保、公共安全、城市服务、工商业活动在内的各种需求做出智能响应，为城市中的人创造更美好的生活，促进城市的和谐、可持续成长。作为城市中分布广、数量众多的城市路灯，已从传统的高压钠灯发展为高效节能的LED灯，通过采用ZigBee、NB-IoT等通信技术，不仅可以实现单灯控制、高效节能的道路照明，还可以搭载信息屏、充电桩、WiFi模块、摄像头、环境传感器、交通信号灯等系统，成为智慧城市的信息采集、信息发布、信息传输入口和载体[1-4]。为了美化市容市貌，节约城市用地空间、建设成本和便于统一管理，多地政府出台相关政策，包括《深圳市多功能智能杆建设发展行动计划(2018—2020年)》《关于开展上海市架空线入地和合杆整治工作的实施意见》等，倡导灯杆共享，“一杆多用”“多杆合一”，积极推进多功能灯杆建设，对接智慧城市建设。

2019年，5G进入商用元年，随着5G技术的商用化推广，5G微基站建设导致大量站址的刚性需求剧增。中国电信科技委主任韦乐平预计,在2021—2027年大规模商用时，我国5G微基站数量应该有数千万量级[5]。这将给智慧灯杆市场带来巨大的机遇，进一步推动智慧路灯的建设与发展。作为未来智慧城市信息采集的主要入口，多功能智慧灯杆将多系统合一为智慧管理平台，实现“一盏灯”连接“一张网”，将数据传输到“云”上，实现数据共享、信息融合，大幅提升城市运行的效率。

1 多功能智慧灯杆应用情况

1.1 应用现状

从全球范围来看，目前美国洛杉矶和圣地亚哥、德国柏林、希腊佩特雷等已经改造或重建智慧路灯杆，主要目的是实现节能和增强监控安防，也搭载传感器、充电桩等[6]。我国目前已有300多个城市在布点多功能智慧灯杆建设，上海、深圳、成都等多个城市的多条道路灯杆已被改建和新建为多功能智慧灯杆系统，并投入使用[7]。我国城市道路照明正向着智能化方向发展，多功能合成杆、智慧路灯、多功能智慧灯杆系统是其发展过程中的主要代表。

1)多功能合成杆(综合杆)。采用“多杆合一”“一杆多用”，在灯杆上搭载交通杆、信号杆和电警杆，称为“综合杆”。典型多功能合成杆应用示例如图1所示。

图1 多功能合成杆(四川华体照明)

2)智慧路灯。它以灯杆为基础，通过搭载LED信息屏、充电桩、WiFi模块、摄像头、环境传感器等多种设备或多系统，实现多种功能。典型智慧路灯应用示例如图2所示。

图2 智慧路灯(四川华体照明)

3)多功能智慧灯杆系统。它以灯杆为基础，搭载5G微基站，采集、传输和发布信息，对接智慧城市、智慧园区，实现灯杆共享、智慧赋能。典型多功能智慧灯杆系统应用示例如图3所示。

图3 智慧灯杆系统(华为技术有限公司(上海))

图1～图3所示的案例仅为“多杆合一”“一杆多用”实际应用中很少的一部分，实际上还有很多工程应用案例。国家统计局相关数据显示，截至2017年，全国各类杆体数量超过7000万根，其中城市道路照明杆2593.6万根。《2017年通信业统计公报》显示，截至2017年，通信塔杆619万根，其他杆体300万根(含交通信号灯、指示牌、广告牌)，未来5～7年共享合杆数量预计达2800万根，智慧杆数量预计达700万根。各省市的多杆合一改建工程和智慧路灯的布点、5G基站商业化对灯杆站址的需求、智慧灯杆未来千亿级的市场规模，都将加速多功能智慧灯杆的发展。

1.2 应用中存在的问题

多功能智慧灯杆系统有助于推动以信息感知、泛在网络和云计算技术为支撑的物联网的发展，通过传感器、摄像头等进行信息收集，统一传输到智慧路灯管理平台，再通过云计算将数据存储到云端，并提供丰富的应用接口，为政府部门、公共组织和用户提供应用支持。而智慧灯杆的发展是为了服务于智慧城市的建设，未来的智慧城市需要交通、环保、城管、公安等现有系统融合成统一的智慧平台，将需要数量更多、功能更加丰富、更加智能的信息感知终端，未来的智慧城市市容市貌将更美观、城市生活更加智能便捷，将需要更少的杆和更多的功能。多杆合一可以实现终端设备的统一、城市的美观、生活的便利。但是，在建设和实现多功能智慧灯杆的过程中还存在着如下问题：

1)哪些杆可以合并，哪些杆不能合并，如何布局可以在满足各系统需求的同时又具有协调一致性？

2)如何考虑建设成本的问题？

3)城市整体美观性应达到什么程度？

4)如何实现信息层面的互连互通？

要解决上述问题，我们认为，需要从顶层设计的角度考虑，对多功能智慧灯杆系统进行综合选址和优化布局，才能更好地服务于智慧城市的建设。

2 多功能智慧灯杆选址模型研究

在考虑多功能智慧灯杆系统选址时，以灯杆为基础，将其他子系统与灯杆系统进行交叉选址，选择各子系统可以集成到灯杆上的设备地址以及需要单独立杆的设备地址，最后将所有选址方案集成到一起，再将可以集成到灯杆的设备地址进行合并，得到一整套多输入多输出的智慧灯杆系统选址方案。其中，在智慧灯杆系统的多个子系统中，现有的交通信号灯、摄像头、交通指示牌等系统的选址原则已经标准化，在考虑多系统合并时，主要参考现行国家标准进行选址，而待建的LED信息屏、充电桩、5G微基站等，则作为选址对象，逐一进行优化，从而获得整体方案。

2.1 子系统信息屏选址模型[8]

LED信息屏可显示的信息内容比较多，主要包含：交通信息、天气状况、空气质量、广告等。智慧路灯的信息屏子系统建设目标是其发布信息所产生的信息效用最大。在实际考虑信息效用时，需要对不同信息进行分类，分别考虑其对应的信息效用，并对其进行量化。

以发布交通信息的LED屏为例，对LED信息发布屏进行布局规划时，应考虑路段交通事件发生率、路段交通流量、安装路段距显示路段的距离、反应决策时间、信息获取率和信息冗余度等影响因素。从定性角度去分析，应当安装在交通流量较大的路段，位置靠近下一个路口，但不宜过近，显示的路段离安装路段较近，且是交通事故多发路段，同时显示路段信息不宜过多，信息屏分布不宜过于密集。因此，采用分级分类策略，建立信息效用选址模型，确定智慧路灯的安装路段以及在路段中的具体安装位置，从而得到信息屏子系统的选址方案。

对于不同LED信息屏的安装和位置，对交通的影响情况有所不同，有效的信息屏选址模型，可以缩短平均行程时间，减少拥堵率，改善城市交通状况；同时将信息屏尽可能结合到路灯杆上，减少空间占地和建设成本，美化了城市形象，有助于智慧交通的发展和智慧城市的建设。

2.2 子系统充电桩选址模型

据公安部数据显示，截至2018年底，我国新能源汽车保有量达261万辆，其中纯电动汽车保有量211万辆，而公共充电桩和私人充电桩共计约77.7万台。由此计算，我国车桩比高于3∶1，远低于规划中的1∶1[9]。作为新能源汽车推广应用产业链上最重要的环节和基础设施保障，充电桩的基础设施建设相对滞后。

在路网中的安装包含充电桩子系统的智慧路灯，可以提升车桩比，利用选址模型，有效解决充电基础设施在路网中全覆盖的问题，并且可以提升部分地区的覆盖深度；通过合理的布局，可以实现郊县、企业、个人私密区域等协同，避免因充电桩使用频率过低而造成的资源浪费；通过将充电桩集成到路灯杆，经由统一的智慧路灯管理平台进行信息的收集与交互，未来可以实现充电设施的互联互通，可以利用智慧路灯上的传感器系统对充电桩状态进行实时监测与反馈，降低充电桩的监测维护成本，有利于充电桩的日常维护。

为了满足新能源汽车的充电需求，可以采用充电桩与充电站相结合的规划布局。合理的选址方案应遵循的基本原则：

1)需求优先原则：应能保证路网各处的电动汽车均能在周围一定范围内找到充电桩，并且将充电平均排队时间控制在可容忍的限度。

2)土地资源充分利用原则：在选址规划时，对于充电桩可以安装在路灯上的情况，应优先考虑安装在路灯上，达到“多杆合一”“一杆多用”的效果。

3)经济性原则：应尽可能地减少安装充电桩的数量。

4)交通便利性原则：为了不影响交通，充电桩安装位置应当尽量与交通路口保持一定距离。

5)节能原则：在规划情况允许的条件下，可对选址方案进行适当调整，以使顾客排队时间较短的情况下，额外消耗的电能较少。

2.3 子系统5G微基站选址模型

从5G微基站的基础设施建设看，其单载扇功率为1 000 W，单站达3 000 W(采用直流供电；或采用配交转直模块，交流供电)，单站的总功耗近3 700 W，而4G典型配置整机功耗约1 200 W，是4G的3～4倍，对于设备的供电需求有很大提升，并且电源要求提供不间断供电保障，从而确保网络的稳定和安全。5G移动通信采用极高频段，可以传输更多的信息，但是，传输距离大幅缩短，覆盖能力减弱，5G微基站信号覆盖半径不超过200 m。考虑到覆盖能力问题，5G基站布置将采用宏基站+微基站的方式，其中5G微基站由于其部署灵活、同频干扰小等特点，将被用来进行热点区域覆盖和城市网络覆盖补盲。所以，5G基站的数量至少是4G的2～3倍，对站址的需求大大增加，并且5G基站的TCO将更高，其主要来自于站址获取成本、基础设施建设成本、站址租金、运维人工费、站点电费等[10]，成本问题也将成为运营商建设5G基站的考虑重点。

从多功能灯杆系统看，在城市中，路灯分布均匀，平均间距在百米之内，其位置固定、可识别性强，这种天然的资源优势，可以满足5G微基站数量和密集度的需求，并且有利于提升公路、铁路等信号较差区域的覆盖率；路灯的稳定供电系统可以满足5G基站的需求，而不再需要单独部署供电系统。若多功能灯杆系统搭载5G微基站，则可避免5G基站单独布置所造成的空间浪费，可降低站址的获取成本和建设成本，提升城市的美化程度。通过统一的智慧路灯管理平台进行信息采集交互，实现大数据的有效利用，智慧灯杆系统上搭载的传感装置还可以对5G微基站的温度、状态等进行检测，并且由智慧路灯管理平台进行信息的云端传输，降低监测成本，便于微基站的维护和管理。因此，多功能灯杆系统是5G微基站的天然搭载平台。其合理的选址方案应遵循的基本原则如下：

1)基本需求原则：根据5G微基站的覆盖范围(与挂高和频段有关，大致范围不足200 m)，配合宏基站，实现全覆盖，并且实现热点区域的覆盖强度要求。

2)建设数量最少原则：由于5G基站的总成本比较高，所以要求建设5G微基站的总数最少

3)优先合杆原则：在基站数量最少的前提下，选址规划时应优先考虑将5G微基站安装在路灯杆上，可以实现节约空间、美化城市、减少重新立杆成本，达到“多杆合一，一杆多用”的效果。

4)覆盖效果最佳原则：在满足以上原则时，通过衡量重复覆盖率和重复覆盖面积，选择整体覆盖效果最佳的方案。

综上所述，根据智慧城市的建设目标，从顶层设计出发，考虑多功能智慧灯杆的选址和布局规划，对每种互不耦合的功能模块，分别研究其建设目标与收益，从中选择较优的布局规划方案，再整合成综合的、统一的选址方案。

3 总结与展望

智慧城市需要利用先进的信息技术和完备的基础设施，让城市具有全面感知、资源互连共享、智能协同，实现智慧服务和管理，让城市朝着更深层次的信息化发展。未来智慧城市将需要大量的5G基站来支撑城市网络建设，需要大量的摄像头、传感器等进行数据收集，需要设置大量的充电桩，改善能源利用，而这些设备都需要杆体支撑。另一方面，城市中包含的交通信号杆、灯杆等现存杆体的数量非常庞大，不同系统间相互割裂，并未实现互通互联，数据采集存在一定困难。基于此，无论是考虑到智慧城市信息化发展、智慧市政的统一建设，还是城市的整体美观性、基础设施的建设成本，灯杆共享，“一杆多用”“多杆合一”势在必行。而多功能智慧灯杆系统的建设、运维和管理涉及到多个政府部门，是多个系统的融合，也是多种数据的采集。因此，必须基于顶层设计的角度对各子系统分别建立选址模型，再统一规划，构建智慧灯杆系统综合选址方案，满足选址合理和布局优化的要求，实现共建、共享。

基于顶层设计、分级分类策略的智慧灯杆系统选址方案，通过搭载和综合利用交通杆、摄像头、应急救助设备、环境传感器及信息屏、充电桩、5G微基站等多设备及系统，对城市进行全面感知，并将得到的数据、信息传输至城市大脑(云端)，实现互通、共享，解决了城市基础设施和各部门之间在城市治理中存在的痛点难点问题；通过人工智能、云计算等，对感知大数据、信息进行处理分析，为智慧交通、智慧安防、智慧医疗等提供精准服务，助力智慧城市的发展。