浅谈智慧基础设施架构——关于智慧路灯的几个误区

戴文涛

(深圳市城市交通规划设计研究中心股份有限公司，深圳 518057)

1 智慧基础设施概念

智慧城市是指在城市发展过程中，城市基础设施、资源环境、社会民生、经济产业、市政治理领域中，充分利用物联网、互联网、云计算、IT、智能分析等技术手段，对城市居民生活工作、企业经营发展和政府行政管理过程中的相关活动，进行智慧的感知、分析、集成和应对，为市民提供一个更美好的生活和工作环境，为企业创造一个更有利的商业发展环境，为政府构建一个更高效的城市运营管理环境。

在整个智慧城市理论体系中，智慧城市基础设施主要包括3方面内容：(1)信息网络设施，包括有线宽带、无线宽带、物联网及三网融合等，是智慧城市的信息传输系统；(2)信息共享基础设施，包括云计算平台、信息安全服务平台及测试中心等，是智慧城市的公共数据存储、信息交换及运营支撑平台；(3)智慧化的传统基础设施，主要是对包括水、电、气、热管网，以及道路、桥梁、站点等市政基础设施及其负载要素的数智化建设，从而形成高度一体化的新型智慧基础设施。通过智慧基础设施大量传感器采集的信息，可以实时地监控、测量、分析，并依据检测结果进行反应。智慧基础设施利用信息基础设施，为城市大脑决策提供信息支持。

市政基础设施包含了道路交通、地下管网、轨道交通、综合管廊、海绵城市、环卫、能源等内容。其中，市政道路是城市“天然的网格”，既是物理网格的“脉络”，也是信息网格的“脉络”。路灯作为城市中最密集且排布规整的基础设施，有管道、供电、网络，可以构建一个庞大的城域网；路灯上具有集成视频数据、物联网信息采集和传输的天然优势，是未来智慧城市的重要数据节点。加上遍布城市的井盖、垃圾桶、消防栓、停车位等终端传感设备，可实现智慧交通、智慧市政、智慧公安等基于道路物联网的智慧生态构建与运营，从而使智慧路灯成为智慧基础设施的重要入口和载体。

鉴于此，近年来智慧路灯成为一轮建设热点，传统照明行业、智能交通行业、通信行业、IT行业纷纷涌入，争抢这一新的风口。在此过程中，各种类型的“智慧路灯”也是层出不穷。但由于智慧基础设施顶层设计的缺少、相关标准的滞后、5G/IOT技术演进路线的不明确、相关管理部门的行政壁垒等因素，造成各种示范项目效果未达预期。不少进入这一行业的企业更是对智慧路灯的认识存在各种误区，整个行业乱象渐生。因此，对智慧路灯的误区进行剖析，对智慧基础设施的基本架构进行讨论是非常有必要的。

2 误区一：智慧路灯是智能照明应用

从传统照明行业进入智慧路灯的企业，容易倾向于采用智能照明控制系统搭建智慧路灯。LED灯具+单灯控制器+环境变量传感器+有线/无线通信+集中控制器+(云)平台，是一种典型的系统架构。利用LED灯具优异的调光特性，根据路面亮度(照度)、地理信息、交通量等数据，实现道路照明调光、节能、按需照明、运维管理等功能，已经是比较成熟的应用。但这只是智慧路灯在智能照明方面的小小体现，还远不能发挥智慧路灯作为智慧城市节点的重要作用，而且据此搭建的智能系统在点数、带宽、拓展等方面上也无法满足将来系统扩容的需要。

不过，如果传统照明企业在物联网通信、IT等方面没有足够的技术研发实力，而是聚焦于智慧照明发力，打造智慧路灯子模块，也不失为明智的选择。依托智慧路灯强大的通信和处理能力，智能照明子系统还有更多的想象空间。如除了常规的按需照明单灯控制外，还可以设计可变色温、可变配光、随动照明等智能照明场景，以克服不同气象条件、环境因素和交通量对道路照明效果的影响。目前在低位安装的多维度道路照明装置中已经部分实现了上述智慧场景。随着照明设施与智慧基础设施进一步融合，还可实现雾区诱导、拥堵提示等智慧解决方案，甚至有可能通过智能检测和主动提示，找到提升道路照明小尺寸障碍物可见度的解决方案，从根本上改变提升道路照明体系。

3 误区二：智慧路灯是灯杆上安装5G基站

随着2019年6月6日中国政府正式发放5G商用牌照，5G相关应用开始呈现爆发式增长。一方面运营商的基站开通计划压力巨大，另一方面5G通信较高的载波频率意味着蜂窝系统的小区半径越来越小，而智慧灯杆的推出为5G微基站的布设提供了绝佳的结合机会，于是一波由移动通信基础设施运营商主导的智慧路灯也应运而生。

诚然，5G通信的高数据吞吐量为车路协同、无人驾驶等应用场景提供了基础条件，5G/IoT技术的发展也为智慧基础设施的物联网通信指明了方向，合适布点的智慧灯杆确实是5G微基站的理想栖身之地。但在目前的技术条件下，无人驾驶还面临技术、法律、伦理的诸多障碍，尚未形成规模化应用。车路协同在受到交管部门欢迎的同时，也在面临交警信号管控的压力。大规模机器通信(mMTC)作为5G最主要的应用场景，其技术演进路线现在也不明确，移动通信运营商是否理解智慧基础设施的应用场景并做出与之相适应的基站部署，让人对5G基站主导的智慧灯杆心存疑问。

4 误区三：智慧路灯仅仅是智慧交通应用

为整合路面杆件资源，不少城市也在推进“多杆合一”，作为路面杆件主要构成部分的交通标志标牌和交通监控设施也整合进路灯杆，成为多功能杆。于是，一些智能交通行业企业采用ITS技术路线来构建智慧路灯，利用整合进多功能杆的交通流量检测、事件监测、诱导显示、信号控制等设施，实时感知区域交通状况并进行调节。

视频检测是目前较为流行的技术手段，内嵌人工智能技术的摄像头或边缘计算设备，可以进行车牌识别、车型识别、慢行交通量识别、交通行为识别、交通量计算甚至是部分路面设施状态检测，通过传输系统与交通监控中心通信，通过交通大脑实现短时在线推演、交通数据深度学习，进而生成管控策略。应该说，智慧交通应用目前是智慧路灯(或言智慧多功能杆)建设最为有力的驱动，最能充分利用智慧基础设施“云-网-边-端”架构和计算能力，同时也能够很大程度上展现智慧道路场景效果。深圳市近期建设的福田中心区、侨香路、红荔路等智慧道路项目，从单一智慧道路建设延伸到片区级的智慧街区建设，基本形成了智慧片区案例、交通干道、山湖绿道多层次的智慧道路示范，利用智慧多功能杆实现了大量智慧交通场景，提供了“管控智慧化、服务智慧化、管理智能化”的体验。

不过，这只是智慧路灯在智慧交通方面的具体表现，还不能完全发挥智慧路灯作为智慧城市节点的全部重要作用。在目前的工程实践中，受公安专网的限制，视频数据乃至通信网络经常无法共享资源，无形中增加了建设成本。完全基于智慧交通应用的智慧路灯是升级版的多功能杆，还有待于进一步整合智慧城市的诸多场景，充分利用“云-网-边-端”架构和算力，融合数据，增强决策，快速响应联动。

5 误区四：智慧路灯是智慧终端硬件堆叠

综上三类是常见智慧路灯误区，但是在目前的工程实践中，确实也出现了一些集大成者，将各类可以想象得到的硬件组合堆叠在智慧路灯上，包括5G基站、Wi-Fi热点、智能摄像头、显示屏、环境监测、智能照明、应急呼叫，甚至包括充电桩。这些智慧路灯往往造价不菲，每杆动辄十万以上，一般只能做做试点，难以大规模推广。而且这些试点灯杆虽然够酷炫，但并没有太多的应用场景，各类智慧终端的布点设置也没能结合智慧场景统筹考虑，随着时间推移硬件技术逐渐落后，也将不能适应未来真正意义的智慧基础设施需求。

笔者认为，各类智慧终端硬件的豪华堆叠并不是真正的智慧路灯，智慧路灯应当是在构建城市全面感知的基础上，同时经济有效地提供交通、治安、城管、照明、市政设施等行业应用，解决行业痛点，形成闭环的应用生态系统，能够通过统一管理平台实现数据资源共享利用，为智慧城市提供基础支撑。

6 智慧基础设施的基本架构与研究方向

路灯天然具备“有电”“有网”“有杆”的优势，可以作为智慧城市建设过程中大量物联网基础设施的载体；而在信息基础设施和能源、交通等领域社会资源的共建共享所推动下的“多塔合一”“多杆合一”中，路灯又将是5G基站和车路协同的重要节点。以智慧路灯为切入点，深度推动智慧基础设施建设是切实可行的。

智慧基础设施不能停留在智慧路灯上进行简单的功能堆砌，需要从需求侧出发，全面分析整合各类要素的需求，结合管理模式，合理选择建设内容及技术方案，促进基础设施智慧化运维，实现城市精细化管理。

对于智慧路灯，需要结合智慧基础设施系统架构，进行合理灯杆结构设计与设备集成，选择最优的组网与传输技术方案，制定市政基础设施云平台功能及实现方式。智慧路灯需结合5G基站部署计划做好预留或对接，而5G基站也需结合车路协同和物联网设备需求进行配置。

目前工作中还需要注意解决下列5个关键技术问题。

(1)物联网技术方案的合理制定

现阶段实施应根据智慧基础设施建设的场景分类，从智慧交通、智慧水务、智慧照明等到结构健康监测，分析其传输需求，合理确定其组网及传输方式。针对智慧市政基础设施中LoRa、NB-IOT、5G等物联网组网技术进行适用性分析，构建融合通信的统一网关。

(2)基于5G的车路协同建设

V2X(车路协同)是采用先进的无线通信和新一代互联网等技术(5G的高速低延时特性与之相契合)，实现车与各交通要素的直接交互，综合实现碰撞预警、安全预防及通报、辅助驾驶等多种应用。同时，通过与云端的交互，车辆也能实时获取全局交通网络的状态并做出及时反应，从而形成安全、高效和环保的智慧交通有机体系。深圳市近期实施的智慧道路项目中，公交、环卫、急救、消防、公务等专有用途车辆已经可以投入使用，并可结合接入物联网的交通设施、垃圾箱、消火栓等，制定合理路线，大幅提高作业效率。同时，利用车路协同、高精度地图提供的精准定位能力，物联网设备也可以拓展设施破损、丢失、形变、安装等与定位相关的应用。

(3)人工智能AI的应用

近年来，人工智能在商业领域已取得较大发展，如各类型服务机器人、语音/图像识别等领域。在工程建设领域，尤其是市政基础设施工程，针对其特定场景，在规划决策-设计-施工-运维不同阶段，人工智能均可发挥其优势，利用数据挖掘、机器学习、专家系统、智慧控制、图像/视频识别等技术手段，达到辅助决策、节约工程投资、保障施工及运维安全等作用。目前AI数据处理在智慧基础设施系统多个阶段已开始发挥作用：基于文本处理、数据挖掘辅助项目决策；基于计算机视觉的道路、桥梁、隧道的智能运行检测；基于运维传感器数据的学习与识别等。泛在感知系统将产生海量数据，而利用内嵌AI处理能力的边缘计算设备，将大幅提高系统处理速度，减少传输与存储开销，提升联动效率。

(4)统一管理平台研究开发

智慧城市管理平台是智慧城市的大脑，它负责从前端的各种传感器上采集数据，经过分析与处理后，提供给各个城市管理部门使用，同时也是城市管理部门对各类服务设备进行管理和维护的入口，通过数据服务和管理平台，对各类智能城市服务设备进行控制和管理。

智慧基础设施建设的重要一环即为统一管理平台，目前存在的问题是职能部门管理分散，智慧设施各子系统的建设尤其是运营客观上相互独立，形成了数据孤岛。

采用智慧市政数据服务与管理平台的开放构架，提供统一标准化的接口和集成框架，将不同厂商提供的传感器和服务设备的后端数据服务和控制台进行接入和集成，从而可以在智慧城市数据服务与管理平台上对它们进行统一的数据采集和处理。以智慧城市数据服务与管理平台开放构架为基础，导入基于角色控制的数据服务系统。智慧城市数据服务与管理平台上采集和存储了多种类型的数据，不同的城市管理部门对于数据的类型和展示方式有不同的需求。特别是，一些敏感数据不允许经过授权之外的任何部门进行存取。基于角色控制的数据服务系统可以有效解决这个难点，为不同的管理部门(道路交通、水务、供电、路灯、城管、平安城市等)设定不同的角色，依据不同的角色设定组织数据源、定义展示方式，控制数据的存取和流向，从而满足按需要和安全权限提供数据服务的目标。数据服务系统既允许用户登陆系统访问数据，也可以向用户的指定的接口推送数据。

(5)供电保障

极端事故经常造成大规模断电和断网，不但使交通等基础设施受到直接影响，而且使城市依赖网络生存的能力也面临着巨大的挑战。在智慧基础设施架构中，结合双碳政策加强节能、储能、应急设施建设，考虑光伏设施，构建新能源+直流微网+储能的城市数字底座，对于提高通信、感知等关键设备的持续供电和高可靠性有积极作用，同时城市安全应急保障也得到进一步的提高。

7 结束语