新基建时代路灯智能机器人平台体系的构建与应用

臧 锋，顾磊明，王鹏展

(南京市路灯管理处，江苏 南京 210013)

引言

随着智慧城市价值认知的不断延伸，智慧杆件成为稀缺资源和战略资源，源于城市照明的智慧灯杆迎来了新机遇[1-8]。相比智慧杆件建设而言，智慧杆件运行期更加复杂多变，需要通过物联网思维提升运行承载能力。

目前，当我们面对数以万计的智慧灯杆时出现的问题包括：运营期的成本，决定了智慧杆件在智慧城市产业中能走多远；运营期的技术，应兼顾横向的广度和纵向的深度；运营期的价值，应立足于服务政府的社会效益，产生于服务商业的经济效益。要解决运营期的难题，我们则必须对智慧灯杆植入管理的思维、多专业技术的深度融合、多类型数据的交汇、多应用场景的联动。

1 路灯智能机器人的定义

我们对智慧灯杆重新定义，并且围绕新的定义进行一系列的路线调整，即将智慧杆件升级定义为“路灯卡哨式智能机器人”。“路灯卡哨式智能机器人”的提出，不仅是概念上的设置，更是智慧城市产业生态输入与输出的连接，具体表现在：

1)行业跨接的中心。从智慧灯杆向路灯智能机器人升级，将使照明行业从原来的专业型行业转型为平台型行业，将为通讯、物联网、高新产业提供软件的平台和硬件的平台，吸纳数以千计的终端厂家，创造出宏大的产业生态。

2)技术连接的中心。5G仅是作为路灯智能机器人运转的一项基本技术条件；而边缘侧算法、大数据技术、感知技术、集成技术则成为关键要素，所有技术体系都将围绕路灯机器人的有效运转服务。

3)管理赋能的中心。智能机器人对稳定性的苛求，将促使滴滴修灯模式、滴滴运维模式价值的凸显，将充分整合社会资源、专业运维力量，建立多专业的供给侧配对、分级分层的精准运力投入，大数据指导运行，大幅控制运行期成本。

4)价值创造的中心。零星分布的智慧灯杆不能构建体系化的应用场景，千变一律的规模化建设需要巨大资金成本。而路灯智能机器人则以杆件为单位，通过功能定制化、个性化，设定区域、划定重点、自由编组机器人梯队，以场景实现为目标，对智慧交通、智慧安防、智慧城管等应用进行高性价比的落地。

综上，我们将智慧路灯机器人定位于，以传统交通配套设施路灯为原型，采用分布式云和边缘赋能技术，经过“通络、塑型、刻脑、赋神、组网”五个步骤开发赋能，形成的基于社会物理精细网格的前端自治机器人(编队)。

2 路灯智能机器人的构建

2.1 支撑网络构建

搭建和疏通智慧路灯机器人的脉络，主要包括能源管理脉络和通讯路由脉络，使传统路灯具备进化成为智慧路灯机器人的基础前提。

2.1.1 现状分析

1)在现有照明供电体系下，不额外增加供电指标，不另行敷设电力线路，承载智慧应用所需要的能源。需要寻求轻量化的、可复制推广的，并且可长期稳定运行的转换模式，以此实现存量设施智慧化升级。

2)电力保障系统的调整，首先保证现有照明设施的运行稳定，实现对单灯杆的精确控制，保持面向智慧城市稳定的电力供给。

3)智慧城市数百万级终端设备需要密集、高速、优质的通讯网络，合理适用集约的通讯网络链路是传输的重点。

2.1.2 解决方案

1)能源网搭建疏通。首先，通过LED节能改造替代原高功率气体放电灯光源，并结合单灯调光，大幅削减城市照明用电负荷，为智慧城市终端设备的加载持续创造充足的容量空间。其次，通过自有专利技术改造，实现单灯监控系统与箱控系统相结合，将传统专属城市照明供电线缆升级为智慧城市综合应用共享能源通道。与此同时，围绕线路稳定运行的信息化养护作业模式，采用同步提升的方式，满足供电的可靠性和稳定性。

2)能源网精准保障。采用单灯监控技术，将原有城市照明监控网络精度，从线路上升至每盏灯，以此实现精准的城市照明灯具状态感知。结合城市照明信息平台、APP系统，将传统的人工巡修灯模式升级至精准定位定点的修灯模式，解放人力、提高效能、缩减投入，实现城市照明向智慧城市的延伸和承载。

3)通讯网链路共享。基于智慧路灯机器人，形成通畅、高效、集成的通讯网络，多种智慧终端、多类智慧设备，共享一个路由、一条光纤、一根网线、一个无线节点，达成少量的通讯设备、大量的通讯节点，充足的通讯预留。疏通通讯经络的智慧路灯是解决智慧城市通讯难题的最优途径。

2.2 软硬件接口设计

塑造智慧路灯机器人的基本功能型体模块，以实现有机连接能源管理、通讯路由等神经脉络，并承载各类物联感知设备和AI产品的即插即用。主要包括躯干舱体设计，接口标准化、模块化设计，数据库标准化等，形成所有设备的信息汇聚管理，使得智慧路灯机器人具备拟人化的感知、动作的功能前提。

2.2.1 现状分析

1)智慧城市应用终端具有设备种类复杂，尺寸与重量千差万别、加载时序随机性大，运行期稳定性及安全性要求高等特点，要实现智慧硬件设备的一杆加载具有极高的复杂性。

2)智慧城市应用终端通讯方式、数据格式、接口链路存在多样性、复杂性，需具备极高的集成能力，打通各终端设备之间的屏障与壁垒，形成协调一致。

表1 基于路灯智能机器人的交互数据格式Table 1 Interactive data format based on road lampintelligent robot

2.2.2 解决方案

1)硬件接口方面，对需一杆多用或高载荷加载设备等应用场景，采用更换模式，将原有杆件定点更新为智慧杆；对单一智慧终端加载的杆件，则统一标准、统一实施，优先采用抱箍等主要方式，进行存量杆件的升级改造。具体包括，杆件与摄像头的接口、杆件与信号灯的接口、杆件与环境探测器的接口、杆件与通讯基站的接口、杆件与除尘设备的接口、杆件与噪声设备的接口，等等。

2)软件接口方面，采用统一标准、统一协议的方式，进行终端设备的功能整合、数据整合，接入综合管理平台。以此，将现有城市杆件体系、信息体系，升级为智慧城市设备可加载、应用可加载的平台型体系。具体包括，综合平台与车辆管理的接口、综合平台与噪声管理的接口、综合平台与视频管理的接口、综合平台与人流信息的接口等。

3)数据标准方面，通过统一的数据标准制定和发布，结合完善的数据标准管理体系，保障数据的完整性、一致性、规范性，实现数据的“互通、互知”，从源头上快速接入数据，解决了多部门数据共享和融合的公用问题；在数据格式上支持各种结构化、非结构化及视频数据的传输，屏蔽各业务应用、各系统之间的数据类型差异。

2.3 本地信息处理体系

形成智慧路灯机器人自我管理和前端自治本地化中央处理器。成为控制管理智慧路灯机器人身体构件和加载设备功能的物联平台，确保身体神经脉络和功能模块运转良好，并具备组网区间与其他智慧路灯机器人沟通、联系和联动的机能，同时可以根据诉求有效执行指令和动作。

2.3.1 现状分析

智慧路灯机器人内部集成了能源脉络、通讯路由脉络和大量的各类AI及物联感知设备，全寿命周期的管理运维需要边缘小脑可以智慧管理、诊断，保障运行稳定，维护及时精准。

2.3.2 解决方案

针对路灯机器人内部能源系统、通讯系统、感知系统、数据系统、执行系统，刻画定制出一个具备感知数据分析并指导执行的前端小脑，有效地让路灯机器人实现前端自治。

1)统筹管理能源系统。通过分级阈值的设定，结合通断设备、监测设备，对各类终端进行分级的符合管理、分级的过载管理，高效使用电力能源。

2)统筹管理感知系统。通过数据链路，对感知类终端设备的信息进行集中管理，触发数据输出；对其运行状态的稳定性进行观测，触发维护作业，保障感知系统的稳定性。

3)统筹管理执行系统。通过数据链路，对执行类终端设备进行集中管理。即集合现场感知设备信息，向终端执行设备进行指令输出；同时，监测执行终端运行状态，触发维护作业，保障执行系统的稳定性。

4)统筹管理通讯系统。通过统一路由，整合各终端系统数据链路，进行数据的集中处理、集中分配；与其他智慧路灯交互，形成自由组合、统一输出的局域网络。

2.4 边缘侧核心算法

在实现智慧路灯机器人通络、塑型、刻脑的基础上，通过AI计算引擎、动作执行引擎、联动规则引擎，使得感知、判断、动作的融合实现，完成需要实现的场景。

2.4.1 现状分析

交通应用场景繁杂，涉及人、车、路、设施等，人工智能技术种类多样，边缘算法大都只是针对单场景的应用，难以形成协调一致的智慧城市场景执行应用能力。

2.4.2 解决方案

向智慧路灯机器人大脑注入综合多样的、可升级的边侧算法体系，赋予其本地化的执行输出能力。总控中心通过标准化数据项、精细度，向智慧路灯机器人采集必要数据，进行轻量化交互。边侧算法体系主要为：

1)感知侧算法。集中表现在车辆识别、车速甄别、特种车辆管理、人脸识别、人的越界管理、人的异常行为等。

2)执行侧算法。车辆信息发布、车流疏导提醒、行人指示提醒、违法行为前端处理等。

3)分析侧算法。多种感知的综合判断并推导执行，如各类天气下的安全管理、各类时段下的安全管理、车的行为人的行为的整合分析等。

表2 智慧交通专业路灯智能机器人边缘侧部分算法Table 2 Edge-side partial algorithmm of intelligent robot for intelligent road lamp

2.5 应用场景网络组建

将城市每一个智慧路灯机器人的组网，形成分布式边缘云架构，实现中台管理下的毛细血管级别、远近高低、实时交互的立体大数据网格，同时按功能诉求对组网的智慧路灯机器人进行编队，实现实时、具体、准确的前端自治体系。

2.5.1 现状分析

智慧灯杆之间后台整体联动和前端自主联动同步智能编排技术难度较高，导致难以形成片区效应，缺乏城市级应用场景承载能力。

2.5.2 解决方案

组建总控中心与智慧路灯机器人之间的一级网络(云端统一调配)；组建智慧路灯机器人之间的二级网络(前端边缘侧各单元牵手互动)。总控中心指挥调度智能路灯机器人，智能路灯机器人指挥终端设备，依托两层网络，组成信息共享、资源共享、联动输出的智慧城市服务体系。

1)一级网络的组建。一级网络，侧重于编队，即总控对智能路灯机器人的调度管理。总控中心通过智慧城市管理平台，依托公网通讯方式，采用统一的通讯协议，与现场各型智能路灯机器人的智慧大脑进行数据交互、指令下达。可分为普通情况下的日常类数据交互(如车流、人流信息)，以及特殊情况下的专项类调度(如应急救援)。一级网络下，总控中心可根据需求，对智慧路灯机器人进行空间区域的编队、进行时间时序的投切，以及时空结合的多维度、多算法的自由组合。

图1 基于路灯智能机器人智慧交通应用场景组合Fig.1 Intelligent traffic scences based on road lamp intelligent robot

2)二级网络的组建。二级网络，侧重于执行，即智能路灯机器人通过组合，形成执行具体任务的区域性响应。一级网络下达指令，二级网络根据边缘侧计算，进行智能路灯机器人的自组网。最终形成，一级网络的内部组合(指令通道)，二级网络的内部组合(执行通道)，一级二级网络之间的组合(指令与执行交互)，共同作用输出各类场景融合应用。

3 结论与展望

智能路灯机器人是服务智慧城市的基础设施，是服务智慧城市多种应用场景，解决多种痛点的产物，涉及到多专业的融合，多行业的集成，是在专业上集成、在行业上集成、在产业链集成。同时，在南京初步建立了以总控中心统筹监控运行路灯智能机器人体系，最终服务于政府和市民，以技术迭代、管理迭代柔性结合动态升级的拓扑结构，形成了功能场景融合的“多识合一、感官合一、多景合一、多杆合一、人机合一”的生态体系。因此，智能路灯机器人，将成为未来智慧城市领域的核心资产、核心竞争力与核心产业平台。