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        基于多業(yè)務(wù)需求整合的新型智慧燈桿規(guī)劃研究

        2019-10-09 14:00:03郭瑋王爽
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2019年14期

        郭瑋 王爽

        摘? 要:隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展,小規(guī)模的智慧燈桿已落地建設(shè)。如何合理利用智慧燈桿的已有功能,讓資源整合化、規(guī)劃合理化、建設(shè)人性化尤為重要。該文介紹城市道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀及政府出臺(tái)的相關(guān)政策,以此來說明新型智慧燈桿規(guī)劃方法的必要性,再逐一介紹智慧燈桿搭載的各業(yè)務(wù)需求規(guī)劃原則,并且形成融合多業(yè)務(wù)需求的新型智慧燈桿規(guī)劃方法,為后續(xù)智慧燈桿的規(guī)劃和建設(shè)提供一定的參考意見。

        關(guān)鍵詞 :智慧燈桿;多業(yè)務(wù);需求整合

        中圖分類號(hào):TN929.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

        1 智慧燈桿的現(xiàn)狀及規(guī)劃的必要性

        當(dāng)下,城市道路基礎(chǔ)設(shè)施、安裝載體以及相關(guān)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)均以“孤島”的形式存在,市政路燈桿、視頻監(jiān)控桿和交通指示牌等桿體,電力、通信電纜和綜合管道等基礎(chǔ)設(shè)施獨(dú)立建設(shè),各業(yè)務(wù)部門的系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。城市道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)情況從側(cè)面反映出城市管理水平,未進(jìn)行需求整合的規(guī)劃會(huì)產(chǎn)生建設(shè)成本高、各業(yè)務(wù)部門系統(tǒng)信息孤立、城市市容市貌差等問題。

        與此同時(shí),各地市政府紛紛出臺(tái)智慧燈桿相關(guān)的推行和鼓勵(lì)政策,提出統(tǒng)籌推動(dòng)智慧燈桿建設(shè),包括建設(shè)以照明燈桿為基礎(chǔ),集成音視頻監(jiān)控設(shè)備、無線基站、Wi-Fi熱點(diǎn)、多媒體屏幕、充電樁以及天氣、環(huán)境等各種感知設(shè)備的新型智能設(shè)施。

        新型智慧燈桿搭載的業(yè)務(wù)類型眾多,同時(shí)各業(yè)務(wù)類型規(guī)劃原則、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收集方式、布點(diǎn)距離都有著較大差異,每根智慧燈桿均搭載相同業(yè)務(wù)類型的設(shè)備將造成造價(jià)過高、業(yè)務(wù)設(shè)備重復(fù)建設(shè)等問題,反之每根智慧燈桿均搭載不同業(yè)務(wù)類型的設(shè)備,將造成業(yè)務(wù)需求無法滿足的問題。因此,形成一種新型智慧燈桿規(guī)劃方法對(duì)智慧燈桿業(yè)務(wù)需求方設(shè)及投資建設(shè)方?jīng)Q策尤為重要。

        2 智慧燈桿的多業(yè)務(wù)需求規(guī)劃原則

        整合新型智慧燈桿多業(yè)務(wù)需求,將提高城市智能服務(wù)水平。從行業(yè)性質(zhì)來看,智慧燈桿可分為通信、市政和電力3個(gè)類別,如圖1所示。需要結(jié)合業(yè)務(wù)類型、信息化標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃。

        3 智慧燈桿規(guī)劃方法

        根據(jù)各行業(yè)業(yè)務(wù)需求規(guī)劃原則可得,各類可搭載在智慧燈桿上的業(yè)務(wù)需求要求在道路布放的高度、布點(diǎn)距離或者覆蓋面積。在實(shí)際規(guī)劃當(dāng)中,單單了解各個(gè)業(yè)務(wù)需求的布點(diǎn)距離等信息不能達(dá)到合理規(guī)劃的效果。該文提出一種依據(jù)冒泡排序(Bubble Sort)算法總結(jié)得出的規(guī)劃方法,假設(shè)記道路為L(zhǎng)0,搭載在智慧燈桿上的多業(yè)務(wù)以道路雙側(cè)的形式布放,那么各業(yè)務(wù)需求分別可用以下方式呈現(xiàn)出來。

        3.1 智能照明

        智慧照明是智慧路燈的基礎(chǔ),智能照明依托市政設(shè)施構(gòu)建智慧城市的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)需求,其規(guī)劃燈桿其間距、燈桿高度、路面有效寬度之間的關(guān)系按不同燈具的配光類型[1],通常采用雙側(cè)道路平均間距的方式布放。

        假設(shè)智能照明的總需求數(shù)記為L(zhǎng)1,道路A、B兩側(cè)的需求數(shù)分別記為L(zhǎng)11和L12,則:

        L1=A1+B1+…+An-1+Bn-1

        其中,道路A側(cè)需求數(shù) L11=A1+A2+…+An-1+An

        道路B側(cè)需求數(shù) L12=B1+B2+…+Bn-1+Bn

        如果兩燈之間間隔記為S1米,那么道路兩側(cè)所需的燈桿數(shù)L1可表示為:

        L1=(L0/S1+1)×2

        3.2 4G/5G/Wi-Fi(通信基站)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

        考慮到通信基站和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有有效覆蓋半徑的特性,因此采用道路兩側(cè)交叉布放的方式,將通信基站和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的需求數(shù)分別記為L(zhǎng)2和L3,那么對(duì)應(yīng)道路A、B兩側(cè)的通信基站布點(diǎn)距離可分別記為L(zhǎng)21和L22,物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)布點(diǎn)距離可分別記為L(zhǎng)31和L32。

        4G/5G/Wi-Fi總需求數(shù)為:

        L2=A1+B2+A3…+Bn-1+An。

        其中,道路A側(cè)需求數(shù)L21=A1+A3+…+An

        道路B側(cè)需求數(shù) L22=B2+B4+…+Bn-1

        物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)總需求數(shù)為:

        L3=A1+B2+A3…+Bn-1+An

        其中,道路A側(cè)需求數(shù) L31=A1+A3…+An

        道路B側(cè)需求數(shù)? L32=B2+B4+…+Bn-1

        如果將通信基站和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)布點(diǎn)間隔分別記為S2和S3,則道路兩側(cè)通信基站總需求數(shù)L2可表示為

        L2=2L0/S2+1。

        道路A、B兩側(cè)的通信基站需求數(shù)L21和L22為:

        L21=L22=L2/2=(2L0/S2+1)/2

        道路兩側(cè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)總需求數(shù)L3可表示為:

        L3=2L0/S3+1。

        道路A、B兩側(cè)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需求數(shù)L31和L32為:

        3.3 視頻監(jiān)控和一鍵救助

        視頻監(jiān)控和一鍵救助屬于2種相輔相成的業(yè)務(wù)需求,其監(jiān)控布點(diǎn)以“空間”為單位,封閉成環(huán),匯聚成網(wǎng),具有協(xié)同防控的優(yōu)勢(shì)。并且視頻監(jiān)控主要特性為監(jiān)控關(guān)鍵區(qū)域,原則上來看,同一道路上2個(gè)視頻監(jiān)控頭一般采用兩種指標(biāo)來衡量視頻監(jiān)控布點(diǎn)的科學(xué)合理性,包括基于監(jiān)控面積的覆蓋度和基于監(jiān)控目標(biāo)的覆蓋度,因此視頻監(jiān)控和一鍵救助均采用道路雙側(cè)交叉布放的方式。

        如果將視頻監(jiān)控頭的需求數(shù)記為L(zhǎng)4,則道路A、B兩側(cè)各自的布點(diǎn)需求數(shù)記為L(zhǎng)41和L42,對(duì)應(yīng)需求數(shù)可表示為:

        L4=A1+B2+A3+…+Bn-1+An。

        其中,道路A側(cè)需求數(shù) L41=A1+A3+…+An

        道路B側(cè)需求數(shù) L42+B2+B4+…+Bn-1

        如果將視頻監(jiān)控頭到監(jiān)視目標(biāo)的布點(diǎn)距離記為S4,則:

        (f為視頻監(jiān)控頭焦距;h為視場(chǎng)高度;A為像場(chǎng)高度)

        那么道路兩側(cè)的視頻監(jiān)控頭的需求數(shù)也可表示為:

        L4=2L0/S4+1,其中

        由于視頻監(jiān)控和一鍵救助2種業(yè)務(wù)是要求按1∶1的比例配置的,若將道路兩側(cè)的一鍵救助業(yè)務(wù)需求數(shù)記為L(zhǎng)51和L52,那么L51=L52=L41=L42=1︰1。

        3.4 廣播系統(tǒng)

        規(guī)劃廣播業(yè)務(wù)的時(shí)候要充分考慮傳輸線路的要求,廣播揚(yáng)聲器應(yīng)根據(jù)分片覆蓋的原則,在廣播服務(wù)區(qū)內(nèi)分散配置,對(duì)于廣場(chǎng)以及面積較大且高度大于4 m的廳堂等塊狀廣播服務(wù)區(qū),要根據(jù)具體條件選用集中式或集中分散相結(jié)合的方式配置,保證廣播揚(yáng)聲器在一定區(qū)域內(nèi)的信噪比不小于15 dB,廣播系統(tǒng)具有在一定區(qū)域內(nèi)傳播應(yīng)急信息的特點(diǎn),故采用道路雙側(cè)交叉布放的方式。廣播系統(tǒng)的擴(kuò)散角α可表示為:

        (H為廣播的安裝高度,h為人耳水平高度,S7為廣播布點(diǎn)間隔距離)

        由上式可得,廣播布點(diǎn)間隔距離為:

        將道路布放廣播業(yè)務(wù)的總需求數(shù)記為L(zhǎng)7,道路A、B兩側(cè)交叉布放廣播業(yè)務(wù)的需求數(shù)記為L(zhǎng)71和L72,那么L7=2L0/S7+1,其中

        道路兩側(cè)的廣播系統(tǒng)需求數(shù)也可表示為:

        L7=A1+B2+A3+…+Bn-1

        其中,道路A側(cè)需求數(shù) L71=A1+A3+…+An,道路B側(cè)需求數(shù)L72=B2+B4+…+Bn-1 。

        3.5 充電樁

        電動(dòng)汽車充電量的總體需求是影響充電樁布局的關(guān)鍵點(diǎn),可近似采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法(Markov Chain Monte Carlo,簡(jiǎn)稱MCMC)去理解和規(guī)劃充電樁的布點(diǎn)情況。其中,假設(shè)在某條道路上通過的每日汽車總量Nt中的電動(dòng)汽車為Nv,選擇在該條道路上進(jìn)行充電的電動(dòng)汽車的概率密度函數(shù)為f(x),可以得出如下結(jié)論:

        Nt近似服從某種泊松分布p(x),p(x)的相關(guān)參數(shù)與該城市的交通車輛密集程度、汽車保有量、該道路的擁堵程度相關(guān);即Nt~p(x)。

        其中,λ為泊松分布的樣本均值,即離散分布期望;k為泊松分布下t0時(shí)間內(nèi)通過該道路的汽車總數(shù)量;k!為泊松分布下通過該道路汽車總數(shù)的階乘,e為自然常數(shù)。

        基于道路交通的條件限制,干道或主要支道的充電樁充電方式均規(guī)劃為快充模式,一般來說,快速充電樁充電時(shí)間為20 min~60 min,如果充電樁規(guī)劃數(shù)量為L(zhǎng)9,充電樁規(guī)劃間距為S9,采用雙側(cè)交叉的方式布放,日車流量為P(輛/次),t0=1(天)則有如下關(guān)系:

        L9=(2L0/S9+1); P(xi(t0)=k)=(λto)k×e(-λto)/k!; k=1,2,3…

        由此可以得,

        其中,常采用的微積分求和公式表示,xi為馬爾科夫過程的單位時(shí)間節(jié)點(diǎn)i的變化狀態(tài),f(xi)為變化時(shí)間序列下通過該條道路的充電樁汽車充電概率,p(xi=k)為泊松分布下該條道路k輛汽車通過的概率。

        道路兩側(cè)充電樁的需求數(shù)也可表示為:

        L9=A1+B2+A3+…+Bn-1+An

        以第二章節(jié)道路距離L0=1000 m為例,快速充電時(shí)間在h/2~2h/3,不考慮排隊(duì)等待時(shí)間和閑時(shí)時(shí)間(23:00~7:00),則一天時(shí)間內(nèi),可以滿足的充電汽車流量為24輛/次~32輛/次,按最大車流量值考慮,取λ=Pmax=32(考慮最大充電汽車流量Pmax的前提下,作為樣本均值-

        X=Pmax,得出最小充電樁規(guī)劃間距),則當(dāng)P=(xi=k+1)/p(xi=k)≤1時(shí),k≤λ-1,{p(xi=k)}關(guān)于k單調(diào)遞增,當(dāng)P=Pmax時(shí),k=31。取先驗(yàn)概率δ=0.35,則L9≈11,可以得出S9=200 m。

        由以上各類需求計(jì)算得出規(guī)劃距離,得到歸納得到序列{li}={l1,l2,…,ln},i=1,2,3,…,n,采用冒泡排序(Bubble Sort)對(duì)序列進(jìn)行升序排序,將升序序列設(shè)為{Pi}={P1,P2,…,Pm},i=1,2,3,…,m。

        對(duì)序列{Pi}依次進(jìn)行如下操作。

        取出最小序列數(shù)Pmin=P1,更新序列{Pm1}={0,P2-P1,…,Pm-P1}。

        取出最小序列數(shù)Pmin=P2-P1,更新序列{Pm2}=,{0,0,P3-P2,…,Pm-P2}。

        ……

        重復(fù)此類操作,直至取出Pmin=Pm-1-Pm-2,更新序列

        {Pmm-1}={0,0,0,,Pm-Pm-1}

        通過對(duì)m種需求類型進(jìn)行m-1次的序列更新,可以得出實(shí)際需求序列的排序規(guī)劃方法:

        最少設(shè)備需求數(shù)為P1,優(yōu)先對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃和布放,最少設(shè)備需求數(shù)驅(qū)動(dòng)其他需求規(guī)劃得到搭載m種設(shè)備需求的新型智慧燈桿。

        更新序列{Pi},最少設(shè)備需求數(shù)為P2-P1,其次對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃和布放,并以此驅(qū)動(dòng)其他剩余需求規(guī)劃,得到搭載m-1種設(shè)備需求的新型智慧燈桿。

        更新序列,直到最少設(shè)備需求數(shù)Pm-Pm-1為對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃和布放,到搭載1種設(shè)備需求的新型智慧燈桿。

        最終得到一個(gè)m維的m-1步的多步規(guī)劃矩陣:

        通過對(duì)多種需求的智慧燈桿進(jìn)行序列化并排序,對(duì)多種需求序列進(jìn)行m-1次更新和迭代,最終得到需求規(guī)劃矩陣{Pmm},通過規(guī)劃矩陣可得出各智慧燈桿的設(shè)備搭載情況,為后續(xù)的投資分析和工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

        參考文獻(xiàn)

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