郭志英（北京博大網(wǎng)信科技發(fā)展有限公司，北京100176）

智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)
——智慧路燈

郭志英（北京博大網(wǎng)信科技發(fā)展有限公司，北京100176）

0 引言

智慧城市是指城市向著更深層次的信息化發(fā)展，利用先進的信息技術(shù)構(gòu)建城市的基礎(chǔ)設(shè)施，讓城市具有智能協(xié)同、資源共享、互聯(lián)互通、全面感知的特點，實現(xiàn)城市智慧化服務(wù)和管理。解決城市發(fā)展難題、實現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展。

1 智慧路燈是智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成

“更全面的感知”作為智慧城市的一個特征，要求智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施能夠更深入地收集各類數(shù)據(jù)和信息，以便整合和分析海量跨地域、跨行業(yè)的數(shù)據(jù)和信息，為城市共享服務(wù)和運營管理提供基礎(chǔ)底層資源。每個城市都需要上萬個攝像機、溫濕度探測器、揚塵探測器、噪音傳感器、車輛探測器、報警按鈕等設(shè)備組成其觸覺末端，幫助管理者了解、判斷城市狀態(tài)并進行相應(yīng)指揮和行動。

在實際城市空間實施中，經(jīng)常由于取電、傳輸、安裝條件等問題導(dǎo)致各種高新技術(shù)傳感設(shè)備在城市中無法安裝和應(yīng)用。由于前期沒有為城市物聯(lián)網(wǎng)提供穩(wěn)定的供電體系和通信傳輸體系，新設(shè)施的安裝需要對市政的基礎(chǔ)設(shè)施進行大量改造，例如，若在路口安裝一個新攝像機就需要重新開挖道路，敷設(shè)通信路由和供電電纜，施工完畢后再回填恢復(fù)，單點改造成本高達十多萬元，會造成政府經(jīng)費的巨大支出，而重復(fù)開挖也會直接造成城市交通不便，增加管理難度。整體架構(gòu)如圖1所示。

路燈是城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中必不可少的一部分，其在城市中所承載的功能決定了其布局密、覆蓋廣、規(guī)律性強的特點，并存在電力的先天優(yōu)勢。路燈“網(wǎng)絡(luò)”是當(dāng)前城市難得的“智慧城市”應(yīng)用設(shè)備設(shè)施的載體，在路燈上可以承載智慧城市的多種創(chuàng)新，以路燈作為智慧城市發(fā)展建設(shè)中的基礎(chǔ)設(shè)施能起到事半功倍的效果。將路燈建設(shè)成一種節(jié)能、環(huán)保、智慧程度高的照明設(shè)備已是當(dāng)務(wù)之急。

圖1 整體架構(gòu)圖

2 智慧路燈建設(shè)模式

筆者所在單位在北京經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)進行了智慧路燈項目的有益創(chuàng)新和嘗試，參與了路燈改造項目，建設(shè)近400個智慧路燈以及智慧燈桿、智慧機箱、獨立的智慧路燈電力傳輸管路、光纜傳輸管路、通信匯接節(jié)點和機房，組建了完整的智慧路燈監(jiān)管平臺，形成了“智慧亦莊”物聯(lián)專網(wǎng)，且在智慧路燈的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了無線Wi?Fi項目、城市監(jiān)控系統(tǒng)、城市發(fā)布系統(tǒng)及無線手機信號覆蓋系統(tǒng)等，日后將繼續(xù)深化完善，打造智慧城市示范項目。

2.1 智慧路燈的主要功能

智慧路燈就是通過應(yīng)用先進、高效、可靠的通信技術(shù)，在傳統(tǒng)路燈單一照明功能的基礎(chǔ)上集成路燈的遠程集中控制與管理、手機信號覆蓋、智能感知、安防監(jiān)控和汽車充電樁等城市管理服務(wù)功能（見圖2），將傳統(tǒng)燈桿變?yōu)槌鞘形锫?lián)網(wǎng)的載體。

1）路燈智能管理、控制

運用先進的通訊手段、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、制動控制技術(shù)、新型傳感技術(shù)與自動檢測技術(shù)等構(gòu)成無線監(jiān)控系統(tǒng)，快速準(zhǔn)確地對城市道路照明系統(tǒng)進行智能監(jiān)控，實現(xiàn)對路燈和電源的遠程遙控、遙監(jiān)等功能，以及點對點針對性地快速維修與養(yǎng)護，使維護人員隨時了解路燈運行狀況，極大提高路燈運行質(zhì)量和效率，為能源節(jié)約和綠色城市建設(shè)打下堅實基礎(chǔ)。

圖2 智慧路燈功能

2）無線手機信號微基站安裝

為了滿足手機信號覆蓋的區(qū)域和容量需求，增加無線通信宏站的建設(shè)數(shù)量成為一種必然選擇（圖3）。而傳統(tǒng)宏站成本高、周期長、選址難、居民投訴多、影響城市美觀等一直是難以解決的實際問題。

微基站具備體積小、重量輕、多頻多模、高容量、外形美觀、部署快速等優(yōu)勢，與宏站及樓站的綜合布防相互補充，能很容易解決城市無線手機信號的無死角覆蓋問題，所以微基站（小型集成3G、4G天線）是解決城區(qū)快速建網(wǎng)的有效解決方案。特別適合于老舊小區(qū)、建筑密集度高、遮擋嚴重及宏站難于施工的場所和環(huán)境。

3）充電樁

當(dāng)前，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)正加速發(fā)展，而下游充電樁數(shù)量的不足成為了制約其發(fā)展的主要瓶頸，充電樁與路燈桿、停車位相結(jié)合的設(shè)計方式，將極大增加城市新能源汽車充電樁點位的數(shù)量，有效解決新能源汽車充電難的問題，為新能源汽車提供良好的基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)支撐，促進新能源汽車在城市區(qū)域內(nèi)的發(fā)展，實現(xiàn)低碳、環(huán)保出行的新理念（圖4）。

圖3 無線手機信號微基站安裝

圖4 充電樁建設(shè)

4）無線Wi?Fi

使用高速寬帶無線Wi?Fi技術(shù)，覆蓋城市行政區(qū)域，用戶可根據(jù)應(yīng)用場景自由切換，隨時接入最佳網(wǎng)絡(luò)，為市民構(gòu)建一個能夠便捷、安全、迅速接入信息世界的通道。通過聚合大量信息內(nèi)容和應(yīng)用為市民的購物、出行、學(xué)習(xí)、教育、保健等方面提供便利；為企業(yè)的開張、銷售、宣傳、管理等方面提供有力工具；為政府的政務(wù)公開、監(jiān)督、城市管理等方面提供有益幫助。

在北京和其他線城市，無線Wi?Fi建設(shè)是政府和運營商的基礎(chǔ)信息化建設(shè)項目，也是衡量城市運行效率、信息化程度以及競爭水平的重要標(biāo)志。城市內(nèi)Wi?Fi覆蓋工程的完善，將為無線城市、智慧城市的建設(shè)提供強有力的無線信息網(wǎng)絡(luò)保障。

5）電子廣告屏

積極傳達政府公益信息、及時傳達交通信息、有效傳達商業(yè)信息，實現(xiàn)同一地點、不同時段、分別播放的功能，增加效益。還可結(jié)合實時交通信息對車流進行合理的交通誘導(dǎo)等（圖5）。

圖5 電子廣告屏

6）電子監(jiān)控

實時監(jiān)測市政道路等信息，解決傳統(tǒng)市政監(jiān)控設(shè)施建設(shè)成本高、周期長的實際問題。與傳統(tǒng)市政監(jiān)控設(shè)施建設(shè)相比，以智慧路燈為監(jiān)控系統(tǒng)安裝載體，無需新增電力系統(tǒng)、通信傳輸?shù)裙こ塘浚苊獬鞘兄貜?fù)建設(shè)所帶來的一系列問題（圖6）。

7）城市感知

隨著城市污染、基礎(chǔ)設(shè)施損壞或丟失等負面因素的增加，政府對環(huán)境監(jiān)測、城市基礎(chǔ)服務(wù)保障設(shè)施維護、管理提出的要求越來越高。

圖6 電子監(jiān)控

以智慧路燈為載體對城市進行合理、有效地布局，形成城市感知網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，能夠及時、準(zhǔn)確、全面地反映不同區(qū)域的風(fēng)向、風(fēng)力、噪音、PM2.5、PM10、水質(zhì)、雨量等環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，同時能夠?qū)崟r監(jiān)控城市基礎(chǔ)服務(wù)保障設(shè)施的運行狀況（如井下燃氣濃度、液位、井監(jiān)報警等功能），為環(huán)境管理、環(huán)境規(guī)劃、環(huán)境科學(xué)研究提供依據(jù)，為城市基礎(chǔ)服務(wù)保障設(shè)施的維護提供及時、準(zhǔn)確的信息。

8）應(yīng)急廣播

如遇突發(fā)的工業(yè)爆炸、毒氣泄漏、恐怖襲擊、有組織暴亂等危害公共安全事件，公安局或應(yīng)急指揮中心可通過廣播及時通知市民，做好相應(yīng)的防護措施，將突發(fā)事件所造成的損失大幅度降低。故智慧路燈承載的應(yīng)急廣播具有定位、對講、背景音樂和緊急廣播功能。

9）一鍵求助

市民如遇突發(fā)、緊急情況，按下智慧路燈燈桿上一鍵求助終端按鈕，就可與公安局或救助中心人員進行通話，同時將求助位置等信息直接發(fā)送到管理平臺，為公安或救助人員及時趕到現(xiàn)場進行相應(yīng)的處理和救助提供快速、準(zhǔn)確的信息。

2.2 智慧路燈方案設(shè)計

1）點位設(shè)計

一般的道路路燈間距約為35m，道路兩側(cè)均勻?qū)ΨQ分布，其中間隔100m以內(nèi)設(shè)置一個智慧路燈，根據(jù)城市路燈規(guī)劃，即2～3個路燈間隔一個智慧路燈，如圖7所示，可滿足城市感知設(shè)備的全面取點需求。

圖7 智慧路燈點位設(shè)計

2）供電設(shè)計

因本項目是改造項目，在滿足正常路燈照明供電的基礎(chǔ)上，不會改變既有電纜，而是從原箱變引出處新增一路智慧路燈電力電纜，為LED屏、攝像機及傳感器等不同設(shè)備供電，為提高供電等級，智慧路燈的供電采用UPS不間斷電源進行斷電保護。

3）通信設(shè)計

智慧路燈所集成的相關(guān)功能需要搭建穩(wěn)定的通信傳輸，采用有線傳輸光纜形式，保障視頻信號、控制信號、通信信號的有效和穩(wěn)定。每根智慧路燈都有一根光纜直通到光交箱（見圖8），最后統(tǒng)一傳輸?shù)絽R聚機房進行匯聚。路燈熔纖盤、智慧燈桿網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖9～10。

圖8 光交箱（道路安裝）

圖9 路燈熔纖盤（燈桿安裝）

2.3 智慧路燈管理平臺

智慧路燈的管理平臺和數(shù)據(jù)分析是智慧城市中市政管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，前者可以通過智慧路燈及其承載的傳感器實時接收城市人流、車流、特殊事件、環(huán)境及安全等多項數(shù)據(jù)，后者可以在此基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)歸納和分析，除了直觀數(shù)據(jù)外，通過數(shù)據(jù)加工和分析能夠幫助城市進行更加直觀、精確的信息化引導(dǎo)，列舉如下。

1）設(shè)備監(jiān)控

（1）路燈的啟／停控制、故障狀態(tài)、根據(jù)時間和光感數(shù)據(jù)進行照度調(diào)節(jié)、實現(xiàn)單燈單控功能。

圖10 智慧燈桿網(wǎng)絡(luò)拓撲圖

（2）智慧路燈的電力供電情況、電壓及其波動、供電功率、故障報警。

（3）智慧路燈的光通信節(jié)點的運行狀態(tài)、CPU運轉(zhuǎn)效率、啟用功能的端口狀態(tài)、數(shù)據(jù)流量、帶寬狀態(tài)、光纜的通斷情況和報警。

（4）智慧路燈機箱開啟報警、內(nèi)部溫度報警、風(fēng)扇運轉(zhuǎn)狀態(tài)等。

2）視頻分析

（1）人臉識別技術(shù)

基于人臉部特征信息進行身份識別（見圖11）。通過人臉圖像采集及檢測、預(yù)處理、匹配與識別實現(xiàn)面部特征識別。

人臉識別系統(tǒng)可以實現(xiàn)人員身份確認、重點人員預(yù)警、嫌犯逃犯追蹤和人臉識別防盜。如果將人臉識別技術(shù)應(yīng)用于刑偵過程中，警方就可以將監(jiān)控畫面中嫌疑人的圖像直接輸入系統(tǒng)合成出計算機可以識別的照片，并將合成照片在全國身份證數(shù)據(jù)庫中進行比對。過去需要民警走訪數(shù)日乃至數(shù)月、分發(fā)上千張通緝圖片才能找到的犯罪嫌疑人，現(xiàn)在只需將圖片輸入該系統(tǒng)，便能快速將嫌疑人范圍縮小到一定的范圍以內(nèi)，理想情況下甚至能直接鎖定罪犯，大大提高了刑偵效率。

圖11 人臉識別技術(shù)

（2）異常行為分析技術(shù)

該技術(shù)實現(xiàn)越界、進入／離開區(qū)域、區(qū)域入侵、徘徊、人員聚焦、快速移動、非法停車、物品遺留／拿取等異常事件的自動偵測與報警，變被動監(jiān)控為主動防控。在智慧城市的公共安全領(lǐng)域，行為分析技術(shù)可以實現(xiàn)人員定位跟蹤、危險行為預(yù)警、嫌疑人員提示和群體事件處突。

（3）車輛特征提取技術(shù)

該技術(shù)采用模式識別的方式，對動態(tài)場景中移動目標(biāo)進行定位、識別、跟蹤、分析、判斷目標(biāo)特征和行為的技術(shù)，實現(xiàn)車牌信息、車輛類型、車身顏色、車標(biāo)識別、系安全帶與否、遮陽板遮擋與否等識別；降低手動抓拍取證業(yè)務(wù)中的人工干預(yù)程度，實現(xiàn)違法行為的自動化取證，提高取證效率，避免處罰糾紛；同時協(xié)助查處車輛套牌、打擊車輛盜搶、事故逃逸等，維護交通秩序和治安管理（圖12）。

圖12 車輛特征提取技術(shù)

3）行為分析

（1）實時監(jiān)控人群流量變化，通過獲取Wi?Fi熱點探針下終端數(shù)量、信號強度、探測時間等參數(shù)，分析出人員和人流信息，各個區(qū)塊的人數(shù)、密度、滯留等行為。

（2）對重點人群進行區(qū)分顯示。通過交互地圖為管理人員服務(wù)，提供趨勢預(yù)測、實時視圖、重點人群、人群分析和模擬仿真。

（3）人群熱力：展示不同單點設(shè)備的實時人數(shù)和峰值，根據(jù)不同設(shè)備人群密集程度以不同的顏色結(jié)合地圖實時呈現(xiàn)。

（4）人群對沖：顯示主流人群的移動方向及移動速度，并對可能出現(xiàn)的人群對沖區(qū)域進行提醒。

3 智慧路燈的發(fā)展和展望

近年來，我國城鎮(zhèn)化進程不斷推進，國家對城鎮(zhèn)化建設(shè)的投入也在繼續(xù)加大，作為城市公共市政建設(shè)的一部分，城市道路照明等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)將持續(xù)投入。

從能源管理的角度出發(fā)，管理部門需要推出更有效率的管理和節(jié)能方案；從城市管理的角度出發(fā)，城市需要有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行分析、控制和決策；從智慧城市建設(shè)的角度出發(fā)，城市物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)是當(dāng)務(wù)之急。智慧路燈集城市照明、城市供電節(jié)點及城市網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等多種應(yīng)用于一體，是智慧基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成（圖13）。

圖13 智慧路燈系統(tǒng)

智慧路燈作為智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施，通過各種感知技術(shù)的應(yīng)用，能夠為智慧城市基礎(chǔ)設(shè)施提供更加智能的技術(shù)手段，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的全面透徹感知和特征提取，為智慧城市數(shù)據(jù)大碰撞和頂層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供更多有價值的數(shù)據(jù)信息，從而逐步構(gòu)建城市智慧服務(wù)體系，進一步為城市管理者和民眾提供有針對性的新服務(wù)和新模式。未來發(fā)展空間巨大，路燈的智能化改造勢在必行，智慧路燈還將推出新的建設(shè)模式和技術(shù)方式。

Infrastructure Construction of Intelligent City—Wisdom Street Lamps

Guo Zhiying

通過介紹智慧城市的整體架構(gòu)，闡述了智慧路燈的重要作用，詳細分析了智慧路燈的建設(shè)模式和方案設(shè)計，并對智慧路燈的未來發(fā)展做出了展望。

智慧城市 智慧路燈 城市基礎(chǔ)設(shè)施

Through the introduction of the overall structure of intelligent city，the impor?tant role of intelligent street lamps is elaborated，the construction mode and scheme design of intelligent street lamp are analyzed in detail，and the future development of intelligent street lamp is forecasted.

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