智慧灯杆在智慧城市中的运用研究

2022-11-03李红徐川子张志亮陈奕罗庆

工程建设与设计 2022年19期

李红，徐川子，张志亮，陈奕，罗庆

（1.国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，杭州 310051；2.国网浙江省电力有限公司双创中心，杭州 310051）

1 智慧城市

智慧城市指的是采用信息技术或创新概念，集成城市系统和服务，提高资源利用效率，以优化城市管理服务水平，改善人们的生活质量。从技术发展层面看，智慧城市是利用物联网、云计算等新型信息技术，实现全面感知、普适计算、泛在互联的融合与应用；从社会发展层面看，智慧城市是利用多种工具方法，实现社会环境下的可持续创新。建设智慧城市，是城市可持续发展的需要，是信息技术发展的需要，也是提高我国综合竞争力的必然选择。

2 智慧灯杆

2.1 提出背景

狭义上，智慧灯杆是在传统灯杆的基础上，采用通信技术进行集中控制管理。而本次研究中的智慧灯杆，是将无线通信、充电桩、广播、监控、电子屏幕等多种传感器集为一身。大数据背景下，智能服务是技术发展的必然产物，将智慧灯杆应用在城市中，能感应到城市的发展变化，和各个行业相互连通，为城市的运行管理提供数据支持，推动智慧城市建设发展[1]。

2.2 应用优势

智慧灯杆在绿色照明、城市管理、公共安全等方面具有重要作用，相比于传统灯杆，其应用优势总结如下：（1）覆盖面广，是最基础的地面公共设施；（2）将多种功能集为一体，其中就包括信息收集；（3）扩张性强，和城市建设同步发展；（4）关系到人们的切身生活，关注度高；（5）采用平台管理，可实现资源共享、远程控制；（6）结构设计更加合理，安装维护方便，可节省人力成本；（7）连接5G 网络，可提供无线通信服务；（8）开放性好，不仅适用于移动通信微基站，还能用在公共广播、无线通信、交通监控等方面；（9）造型美观，可以改善城市环境[2]。

3 智慧灯杆在智慧城市建设中的价值

3.1 实现城市智能管理

在智慧灯杆的基础上，铺设光纤、微基站等无线传输设备，既能实现数据采集，又能双向通信，从而构建完善的物联网络。在云计算、大数据等技术的支持下，建立智慧城市管理平台，成为城市管理的中枢。在这个过程中，智慧灯杆不仅能减少环境污染、降低城市能耗，还能消除安全隐患，提高城市管理的智能化。

3.2 降低城市建设成本

路灯系统是城市照明的载体，灯杆是路灯系统的组成部分。建设智慧灯杆，可实现智能感知、信息传输、远程控制等功能，防止信息传感网络重复建设。同时，城市物联网数据的采集、传输和运维费用均降低[3]。长远看，智慧灯杆能支撑各个板块功能的应用，加快智慧城市的建设速度，推动经济高效发展。

3.3 创新商业发展模式

政府充分利用社会资本，向社会资本方授予智慧灯杆的特许经营权，可以创新商业发展模式。以政府投入为主导、以企业投入为主体、以社会投入为辅助，形成多元化融资体系。将功能单一的闲置资产，转变为可以持续发展的优质资产，进而助力智慧产业的打造，为城市经济发展提出新的增长点。

4 智慧灯杆的功能设计

1）绿色照明。智慧灯杆在照明上，是由照明系统和平台软件组成，一方面智能化控制灯光开启与关闭，提高节能效益；另一方面能采集城市信息，对智慧城市网络进行管理，实现远程控制的目标。例如，实时监控路灯的运行状态，查询路灯所在位置，根据天气、环境因素调节路灯运行参数等，向着绿色照明的方向发展。

2）视频监控。视频监控功能的实现，需在灯杆上预留接口或安装插口，和网络、供电、摄像等系统连接，达到高清摄像的效果[4]。基于信息技术，能对监控设备进行远程控制，观察监控视角范围内的道路、行人和车辆。一般情况下，智能灯杆上的视频监控，是安装在警务系统中，方便警务人员开展管理工作。

3）环境监测。智慧灯杆监测环境，可以采集温度、湿度、风向、风速、路面积水、环境噪声等情况。利用环境监测功能，能动态掌握空气质量变化，明确噪声多发路段并进行治理和控制；降雨后采集低洼路段地面积水深度，以便及时进行排水处理，避免发生城市内涝，改善城市整体环境。

4）交通管理。利用智慧灯杆进行交通管理，除了智慧公交、移动执法以外，其余功能基本都能实现，包括雷达测速、交通诱导、违停监控、违章监控等。以交通诱导为例，在视频监控、通信网络的辅助下，监测道路上的人车运行状况，帮助行人车辆规避拥堵路段，缓解交通压力，提高出行效率。

5）公共广播。在智慧灯杆上加载广播功能，利用预留接口插入音频线、安装广播设备，可以接入网络、使用广播喇叭播放。利用公共广播功能，为附近人群提供天气、交通以及突发应急事件信息，帮助人们更好地生活。

6）无线通信。智慧灯杆上的无信通信功能主要有两个：一是无线WiFi，利用预留接口接入无线网络，安装设备后能为周边公共区域提供WiFi，从而在智能终端上运行App[5]。智慧灯杆还能对无线公共网络进行管理控制，监测实时运行状况，对出现故障问题的灯杆进行定位。二是移动通信，在灯杆上加载通信模块，在移动通信基站、供电、网络等支持下，即可提供通信服务。

7）充电桩。随着电动汽车的发展和普及，如何解决充电问题成为人们关注的焦点。如果智慧灯杆附近有停车位，可以设置充电桩功能，在灯杆上预留电动汽车的充电口，用户通过扫描二维码支付费用，即可对汽车进行充电。

5 智慧灯杆的改造方案和成果效益

5.1 必要性分析

第一，城市路灯设施点位多、数量大、覆盖范围广，智慧灯杆作为承载智慧城市感知层的基础设施平台，是智慧城市建设中至关重要的一环。尤其是随着5G 技术的全面推广，智慧灯杆已成为建设5G 微基站所需要的重要站址资源。而旧灯杆智慧化改造作为智慧灯杆建设的重要组成部分，智慧化改造外挂设备综合挂接取电装置尚缺标准和指导方案。

第二，现有路灯杆上常见挂载的运营商基站、视频摄像头等外挂设备，挂接方式较随意，影响市容设施美观的同时，存在电缆外露、缺乏保护措施、安全隐患较大等问题。因此，亟须研制一套标准的路灯杆外挂设备综合挂接取电装置，兼顾用电安全、结构美观、施工方便等要求，并形成指导性规范，为路灯杆管理单位在审批、验收等环节提供依据。

5.2 改造方案

采用分段式设计方式，普通路灯杆从上到下分为外接安装接口、设备布线、杆体综合仓3 个部分。第一，外接安装接口为灯杆外挂设备提供物理连接和固定位置，可考虑使用法兰式设计，外挂设备通过法兰转接件即可固定安装。第二，设备布线采用灯杆外部布线的方式，设计布线槽将电缆线固定在灯杆上，避免电缆线外露造成安全隐患；同时布线槽与灯杆统一配色，使得整体设计协调美观。第三，杆体综合仓和浇筑的基础螺栓固定，安装在灯杆底部。采用环抱灯杆的方式设计，一方面不改变原有路灯维修界面，另一方面通过多设备仓设计，为外挂设备提供电源、网络、安全等更多支撑。

5.3 改造技术方法

5.3.1 上部改造

预留5G 基站采用抱箍的方式安装及固定。考虑散热、防水、信号穿透、挂载、防雷、线缆装配，法兰盘接口标准化，业务扩展接口标准化，统一对接设计，避免产生二次设计成本。

5.3.2 中部改造

采用新一代抱箍设计，灯杆一体化设计，环绕灯杆周围，可用于摄像头、环境监测、旗杆等设备的架设。如图1 所示。

图1 中部改造设计效果图

5.3.3 底部改造

首先对灯杆内部已有线路进行序化改造，同时加装杆体综合仓，将原有灯杆电源线引至仓内，进行统一管理及监测。仓内采用一体化设计走线，导轨提供网关以及相关设备的漏电监测以及能耗管理；分区安装，两侧为设备区，中间为强电区。设备可通过无线/有线方式，将相关数据传输到平台及App，了解设备的运行状态和异常情况。

5.3.4 杆体外线槽改造

灯杆周边引出4 条线槽，采用防水凹形设计，紧贴杆体，与杆身融为一体，采用抱箍固定的方式，供各种设备进行走线。

5.3.5 杆体综合仓功能设计

第一，开关及保护模块实现远程重合闸、关合及漏电保护、浪涌保护、过载保护、短路保护、欠电压保护等功能。第二，仓内独立电计量装置，采用导轨设计，具备RS-485 通信接口。计量装置可监测的参数有电流、电压、电量、功率、功率因数、温度。第三，设置物联智能接口装置，具备多个RS-485 用电设备数据通信能力，RS-485 下行接入开关箱内所有智能装置，以及4G 或EtherNet 通信接口实现上行数据通信。实现多种物联网传感器数据接入，符合物联网平台标准的上行数据接入。

5.3.6 平台对接及应用开发

智慧路灯系统集成多个子系统，实现照明控制、环境监测、治安监控、信息发布等多种功能。通过终端设备内置的边缘计算网关，前端设备可统一接入网关，统一解析，通过网关接入互联网，与城市智慧照明管理平台进行信息交互和管理控制。管理平台可快速调取各个设备的实时信息并予以管控，并进行数据收集分析，为城市管理提供数据支撑。

5.3.7 设备供电线路改造

设备供电需要24 h 全天候供电，原有的路灯供电方式为白天断电、晚上通电，所以需要改造。改造方式为：从配电箱修改一路线缆，单相常供电，另外两相保持路灯供电方式。

6 成果效益分析

6.1 经济效益

智慧灯杆的主要经济效益来源于：主体维护收入，基于相应功能的信息发布、智慧停车管理、智慧照明、视频监控租金收入、小微基站租赁收入、充电收入、广告收入、停车井盖管理收入、便民服务收入、数据采集收入等，形成可观的直接经济效益。以10 000 根智慧灯杆为例，满负荷运营状态下，合计每年收入1.80 亿元，平均每杆年收入1.80 万元。