智慧城市建设中智慧路灯的发展及改进

张 晶 刘小寒

(1.武汉科技大学，武汉 430081；2.湖北意识形态建设研究院，武汉 430000)

0 引言

目前，我国科技的发展强势且迅速，推进国家智慧城市建设的计划已经提上日程。智慧城市作为数字经济发展的重要领域，近年来不断受到各级政府的重视，针对性引导政策频出。智慧城市建设的目的在于增强社会治理能力，推进智能化城市管理，《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》，对进一步提升城市发展质量做出重大决策部署，为做好城市工作指明了方向，明确了目标任务。智慧文明城市的建设可以增强社会治理满意度，推进社会主义现代化发展，让人们城市生活的美满幸福感往前迈一大步。而智慧路灯作为智慧城市项目建设中的重要一环，承担着城市发展与人民生活联系的纽带作用，是智慧城市切实投入建设最自然的切入口。可以说，智慧路灯的发展成果反映了智慧城市的建设完整度，是智慧城市向前推进的一个重要建设里程碑。

1 智慧城市的内涵及其技术内容

智慧城市是指运用物联网、云计算、大数据、空间地理信息集成等新一代信息集成技术，促进城市规划、建设、管理和服务智慧化的新理论和新模式[1]。智慧城市建设的关键因素包括科技发展带来的新型信息技术，即技术创新层面因素；也包括当下知识环境孕育出的创新生态城市，也就是社会创新层面因素。智慧城市是一个复杂的创新生态系统,面临从竞争优势构建转向可持续发展的各种挑战[2]。智慧城市的建设是实现城市可持续发展和信息技术发展的需要，也是提高我国综合竞争力的战略选择。

智慧城市作为“数字中国”“新型基础设施建设”“智慧社会”等国家战略实施的重要载体，引领着我国城市发展的新方向[3]。我国社会经历了城市建设发展100 年，路灯的需求量和建设规模与日俱增。路灯广泛分布于城郊的道路上，路灯的更新伴随着我国的发展，在一定程度上体现了我国科技更迭的变化，路灯工程的建设同时影响了城市的创新建设，可以说路灯的创新建设必然顺应了文明智慧城市的建设和当下的时代发展。推动路灯创新，才能建设出智慧路灯。智慧路灯发展伴随着社会发展，社会发展促进了城市发展。智慧路灯的原身路灯具有分布广、分布位置均匀、人们熟悉、接电方便的优点，是智慧城市里最能综合性应用各种系统方略的标志性建筑物。2020年，习近平总书记在浙江考察时提出，“运用大数据、云计算、区块链、人工智能等前沿技术推动城市管理手段、管理模式、管理理念创新是城市治理科学化、精细化、智能化的重要体现，从数字化到智能化再到智慧化，让城市更聪明一些、更智慧一些[4]。”大力推动城市建设智能化发展，人民群众的生产生活就会更便捷一些，获得感、幸福感、安全感也会更多一些。新时代推进社会治理体系和治理能力现代化，应坚持以人为本，深度融合新型智慧城市建设，加快建成技术支撑、数据驱动、智能融合、政策保障的智慧化社会治理共同体。智慧路灯将人工智能与路灯结合，极大程度推进了城市智慧化的发展。

2 智慧路灯的演化历程

自15世纪伦敦第1次在室外悬挂灯具用来照亮黑暗的夜晚以来，时间已经过去了600余年。16世纪的巴黎已经规定，在街道上必须装配照明工具，有“太阳王”称号的路易十四还正式颁布了城市道路照明法令，据说也因此有了法国历史上的“光明时代”。经历了昏暗的蜡烛和油制做成的照明工具后，煤油灯、英国汽灯的发展逐渐让灯火亮了起来。直到1843年，我国上海才出现第1盏煤油灯，当时，这盏灯仿若一轮明月，吸引了黄浦江边的人们摩肩接踵前往一睹风采。发展到1879年，上海十六浦码头亮起了中国第1盏电灯。路灯经历了长久的演变历程，如今每条道路上都已经配备路灯照明，并且每条道路都有工人管理这些路灯。在19世纪的每天早晚，路灯仍然需要人工打开或者关闭。即使科技发展迅速，但多个电灯合用一个闸刀开关，需要工人每天开启关闭的管理模式仍延续到了20世纪。

路灯在当时甚至是一种地位的象征，首先出现路灯的上海、北京也代表着中国当时最繁华的城市。北京天安门的路灯甚至是由周恩来总理亲自审定的，现在使用的莲花灯和棉桃灯造型还是当年的造型。从单杆路灯到高杆路灯，一路走来，灯源技术逐步升级，路灯已发展到如今的后路灯时代——智慧路灯时代。智慧路灯是指在路灯上搭载各种传感器及感知设备，如充电桩、LED信息发布屏、高清摄像头、应急报警、5G基站搭载网络、无线WiFi、城市广播等，是拥有多种功能的智能化路灯。现如今智慧城市建设已然成为当今世界城市发展不可逆转的历史潮流，而建设一个智慧城市需要智能化的路灯与之配合。智慧路灯不仅拥有照明的功能，它还承载了每一个时代人类对于智慧美好生活的期盼和诉求。作为智慧城市建设最自然的切入口，比起普通路灯智慧路灯更像是一座灯塔，照亮了智慧城市建设通向前方的路，为探索智慧城市的建设者指出一个可行的方向。

3 智慧城市建设中智慧路灯的发展现状与方向

智慧路灯发展至今，已经衍生出许多与智慧城市建设相关联的新功能。这些功能贴合了时代发展，演化出一套完整的智慧路灯系统，涵盖了智能调光、视频播放、安防监控、一键求助、语音对讲、公共广播、WiFi热点、RBG氛围灯、5G基站、电动汽车及手机充电等多方面技术功能，具有全面化、数据化、一体化的特点，让照明系统的功能不再单一。例如，我国广西自由贸易试验区的南宁五象新区总部基地在2018年通过了“五象新区总部基地道路综合改造提升工程”，投资数亿元改造道路，也建设了广西首个集5G通信功能、安防监控和智能调光3种功能于一体化的智慧路灯，智慧路灯大规模的应用使基地的整体智慧程度大幅提升，真正实现了管理智能化的目的。

3.1 我国智慧路灯发展现状

随着我国城市道路照明路灯数量的逐年递增，电能的消耗也在逐年递增。道路路灯的维护成本及运营也为城市管理带来了很大压力。智慧路灯的出现无疑将极大地改变这一现状。智慧路灯将多个领域的功能集合在一起，实现了一杆多用，资源共享。

据国家统计局统计，2006—2017年，中国城市照明灯数量从1 283.8万盏增加到2 683.4万盏，年均增长率为6.75%。城市道路照明产业持续快速健康发展。国家统计局数据显示，2004—2013年10 年间，我国城市道路照明路灯数量由1 053.13万盏增加到2 199.55万盏，年均增长率为8.53%，城市道路照明行业保持持续快速健康发展。

2014—2018年，智慧灯杆在每年城市新增照明路灯中的渗透率从0.002 2%增长到0.047 5%。特别是2018年我国智慧灯杆建设规模达到6 500根，如图1所示。虽然整体市场规模还较小，但在该年智慧路灯已被重视并开始逐步扩大建设。在智慧城市建设不断推进及5G商业化浪潮的推动下，智慧灯杆作为5G微基站的天然搭配，预计未来将会实现突破式增长，我国智慧灯杆建设规模将突破万根。

图1 我国智慧灯杆行业建设规模统计及增长情况(数据来源：OFweek、前瞻产业研究院)

目前，我国的智慧灯杆应用正处于试点阶段。据道路照明专业委员会统计，截至2017年，全国811 个城市中的279 个城市的路灯控制采用了无线遥控智能控制系统。2015—2017年，随着物联网、智能互联网的建设，对我国智能灯杆产业的需求迅速增长。到2017年，我国对智能路灯的需求达到726.1万根，增长与2016年相比为219.7万根，增长率为43.5%。据IDC发布的《全球智慧城市2017》报告，到2019年，中国LED路灯更换将超过3 000万只，支出达到1 000 亿元，路灯将成为智慧城市互联IoT设备的关键平台。预计未来智慧路灯的市场规模将超过千亿，可以为照明市场提供一个巨大的市场期望值。

智慧路灯实际建设规模更令人叹为观止。据不完全统计，2021智慧灯杆实际建设量达15万根，2022年第一季度智慧路灯招标项目21个，预算超36亿元，各智慧路灯项目招标地点包括各大一线城市，即北京、上海、广州和深圳，也涵盖数个新一线城市。智慧路灯利用物联网及互联网技术，使路灯成为智慧城市信息采集终端和便民服务终端，是智慧城市建设的重要切入口，这样庞大的投资数额彰显了智慧路灯建设对于智慧城市建设的重要性，也用实际说明了智慧路灯的建设前途。

3.2 智慧路灯的发展方向

截至目前，智慧路灯已研发多项功能，其中5G基站链接、视频监控、安全报警和远程遥控功能已经得到部分实现。除此之外，科技人员还在智慧路灯的设计上投入心血，贴合当下新型技术研发出了一些创新思路。

3.2.1 人工智能技术：远程遥控系统

20世纪初，我国仍然依靠人工手动开关电灯。由于路灯分布范围广、道路众多，即使是多个路灯共用1台电闸，也要用到许多电缆与人工，电力和人力资源的支出都是巨大的。如今，利用遥感技术就可以远程控制路灯开关。卫星通信信号可以监测路灯，并根据当前时间对智慧路灯进行远程开关控制，且只需1个终端即可完成，实现了真正意义上的自动化管理。同时随着大数据时代的到来和网络的发达，通过通信信号进行调节在一定程度上减少了物力成本，推动了经济社会的发展。

3.2.2 云计算信息技术：亮度节能系统

智慧路灯可以通过卫星监测路段的人流车流密集程度，由此得到大数据并且计算道路拥堵程度。例如，凌晨时分路上车流稀少，可以减弱亮度，当监测到有车进入道路时，再增加亮度。为了避免亮度调节跟不上汽车速度而造成意外，可以列入范围值考虑，当范围内有人和车进入时就可以开始调节。如在百米内检测到有移动的人或者车辆接近，就开始逐步增加亮度，让汽车和人可以看清黑夜的道路。如此，不仅可以保证黑夜中的灯光照明，而且也能大大减少能源消耗。

3.2.3 大数据信息技术：监测报警系统

随着大数据信息技术的发展，智慧路灯的维修与监控已经逐步用智能化系统代替了从前烦琐的人工模式，无需人工劳心劳力地筛查路灯安全和道路安全问题。在智慧路灯系统出现前，只能在路灯发生故障，知道哪里出现了问题，才能进行路灯维修，并且很多时候做不到及时维修，因此，给夜晚在高速公路上行驶的车辆或者需要夜晚照明的信号灯路口带来了安全隐患。安装智能监控系统后，在大数据环境网络的监测和查询下，路灯的寿命及损耗情况都可以迅速地反馈给电力站和维修站的工作人员，他们可以快速地修复路灯故障，防止交通意外状况发生，将危险扼杀在摇篮里。同时也有部分地区在智慧路灯监控的基础上研发了报警功能，在高杆路灯上连接球形摄像头，可以实时拍摄、监视路况，特别是对道路上发生的违法行为和普通监控摄像头的视野盲区进行监控。此外，在不方便打电话的紧急情况下，可以利用网络数据信号连接路灯地理位置基站，直接向相关管理部门发送当前的地理位置，之后与公安天网进行连接，迅速通知警方进行救援。

3.2.4 互联网信息集成技术：5G网络基站系统

智慧城市建设中发展最为迅速的就是通信技术，通信技术也促进了智慧路灯的发展，智慧路灯建设可以紧密结合通信信号和数据网络技术。同时，移动通信技术的出现几乎改变了整个世界，从1974年贝尔第1次提出蜂窝数据网络发展到现如今的5G，通信技术的发展速度之快直接改变了人们的主要交流方式，从单基站大功率到多基站小功率系统，从部分区域覆盖到全国范围覆盖，移动通信技术在传输速度和传递质量上得到了大幅度的提升。路灯是一个真正地涵盖了全国各地的标志性建筑物，即使是偏远的地方，只要道路修到了那里，路边就有明亮的路灯守护。在路灯的地下或者是灯塔上进行小规模范围性基站建设，可以让数据网络覆盖更多的地区，拥有更稳定的信号。连接数据网络，即使不安装基站也可以让智慧路灯肩负起公众广播、公用WiFi热点、余量电源为蓝牙数据手机充电等职能。尽管建设5G基站融合灯杆的任务仍在实践中，但目前在高端商务区已有成功推出的案例。该案例需要配备通信套管和5G基站电源线路套管，安装5G天线才能实现。智慧路灯的加速建设同时也推进了基站的进步，未来的信号基站也许就在我们身边。

4 智慧城市建设中智慧路灯的改进

4.1 环境自净智慧路灯

随着城市道路的修建，车流量的不断增加，车辆排放造成的污染成为环境治理的一大难题。基于此，笔者提出在智慧路灯的基础上，增加环境自净功能。即，环境自净路灯不仅具有道路照明的功能，同时兼具粉尘及空气净化、调节湿度的功能。环境自净功能智慧路灯若能投入使用，可以帮助改善环境。

空气净化功能主要通过智慧路灯与空气净化器结合实现。在粉尘飞扬的道路上，PM2.5和PM10都是人们健康的敌人，PM2.5颗粒小，且可以携带许多对人体有害的物质在大气中长时间停留，PM10则多是汽车尾气排放物和烟囱排放物，还有空气中某些条件下反应形成的含硫化合物，都具有较大的危害性并能引发疾病。环境自净功能路灯可以在车流量巨大，空气污染严重时发挥空气洁净的功能。该路灯通过在灯杆上安装具有空气净化功能的风扇风口，利用自然风速的流通空气进行空气净化，从而保证空气始终处于流通状态。在城市工业高排放地区可以安装环境自净功能路灯缓解当地的雾霾情况，保护人体的健康；同时根据路灯的间隔，分范围建设带有空气净化器的路灯并配备吸尘功能。环境自净功能路灯可以使空气中的粉尘和水雾一起沉降，起到净化空气，提高空气质量，保护生态环境，缓解污染压力的作用。

同时，该智慧路灯可配有湿度检测器和可对储存的水资源进行雾化喷洒的雾化器，以实现空气湿度监测功能，代替洒水车对路面进行大幅度洒水除尘以及对空气湿度进行调节。此外，在炎热干燥的天气里通过喷洒冷水水雾增加湿度并降低温度，可以使环境更加舒适。

此外，智慧路灯还可以配备消毒杀菌功能。在通往医院的相关道路上配备具有紫外线消毒功能的智慧路灯，对可能带细菌病毒的路段进行消毒，在保护医护人员安全的同时，也帮助出门散心的病人维持身心健康。特别是在疫情暴发的情况下，这一点显得尤为重要。

4.2 自洁净式智慧路灯

由于LED路灯具有光线明亮、使用寿命长、消耗能源少的优点，目前被广泛应用在智慧路灯中。但太阳能LED路灯的生产成本要高出普通灯数倍，且造价高昂的太阳能LED路灯在恶劣的环境下，很容易迅速损坏，使产品的成本大大增加。即使配有灯罩，由于路灯长期暴露在空气里，也容易积累灰尘和向光性蚊虫尸体，从而影响照明质量。此外，由于路灯安装较高、数量较多，利用人工清洁十分困难。此时具有自动清洁功能的智慧路灯的发明，可以极大程度地改善这个问题。

具有自动清洁功能的智慧路灯主要是在灯罩上进行了改进，即在灯罩内加入了清洁块和清洁槽。当路灯使用时间到达积累值时，清洁块可以在灯柱内的太阳轮和行星轮的帮助下完成自转并绕灯罩中心进行公转，从而达到智能清洁灯罩、提高照明亮度、减少人工清洁负担的效果，同时也具有保护太阳能LED灯的功能。

在大数据信息技术迅速发展的时代，建议利用大数据信息集成技术，改进自洁净式路灯，加入路灯寿命反馈功能。通过大数据，统计灯罩及灯源的使用情况，连接网络反馈给路灯管理局，预计路灯的使用寿命；利用智能AI技术，分析影响路灯寿命的各方面因素占比；进一步与信息集成技术联系，在路灯自动清洁功能受损的情况下也可以迅速监测并进行维修。此外，建议在路灯的灯罩顶部制作一个降雨量监测装置，按照降落在路灯上的雨水数量估算平均降雨量，为气象监测局的数据整理、气象观测提供帮助，并根据气象局反馈的未来天气情况数据，提前判断是否开启防雨灯罩，保护路灯不受暴雨的侵害。

总之，自洁净式智能路灯的研发，可以大大降低路灯清洁的难度，增强路灯的自我保护功能，提高路灯的使用寿命，在创新型智慧化城市建设中可以减少人力的消耗，提高城市的智能化程度，且该设计功能全面、技术新颖，十分贴合智慧化城市建设的理念。

5 结语

智慧路灯的建设是智慧化城市建设不可或缺的项目，是智慧城市建设贴近人民自然生活的绝佳切入点，是智慧城市的重要组成部分。为了使智慧路灯的发展更贴合当前时代背景，智慧路灯的发展应将经济效益和环境效益相统一[5]，需要结合城市经济实际和环保效应实际发展，在发挥照明功能的同时，根据城市环境和经济情况发挥其他功能，减少能源损耗，降低建设成本，真正实现“一灯多用，多杆合一”的目的。智慧路灯多杆合一的本质其实是功能性系统的结合，上述4种系统分别联系了不同的信息技术，如，远程遥控系统、亮度节能系统充分运用了智慧城市中人工智能板块、大数据板块；监测报警系统充分运用了智慧城市中云计算板块模式；5G网络基站系统充分运用了智慧城市中网络信息技术板块。由此可见，仅智慧路灯1项就可以衔接智慧城市发展所需的新一代信息集成技术的全部。笔者针对环境自净功能智慧路灯和自洁净式智慧路灯提出了改进意见，可以满足当下的城市建设需求和绿色环保要求，体现生态创新城市的发展进程。