“5G+价值路灯”推动智慧城市建设

孙彦玺，姜冰冰，于怡然

（郑州轻工业大学，河南 郑州 450000）

0 引 言

近年来，人工智能、大数据、云计算、边缘计算和5G通信等技术发展迅速，为智慧城市的建设带来新的机遇和挑战。在智慧城市建设的过程中，以价值路灯[1]为载体，各类智能仪器仪表、前端传感器为基础，5G通信技术为核心，搭建智慧城市级物联网平台[2]，将促进智慧城市中智慧照明、智慧交通、智慧医疗、智慧人文、智慧环保和智慧安防等应用的发展[3]，实现城市的进一步迭代升级，推动社会进程由“移动互联”朝着“万物智联”的方向快速转变。

1 “5G+价值路灯”的物联网体系架构

物联网架构一般由感知层、网络层、应用层三层构成，亦即“端、管、云”[4]。感知层（端）通过各类仪器仪表和传感器实现对物理世界信息的识别、感知和采集；网络层（管）通过各种有线、无线的私有或公用网络实现对来自感知层的信息传递；应用层（云）通过对信息的计算和处理实现在各行业的垂直应用。但随着物联网技术的飞速发展以及物联终端设备的大规模应用，使得终端设备产生的数据呈现爆炸式增长。“端”设备产生的海量数据需要通过“管”传输给“云”计算，使得整个系统的任务变得极其艰巨。面对大流量数据的传输和计算压力，急需出现可以在“端”边处理一定数据任务的设备，以提供边缘智能计算和服务，由此便催生了边缘网关[5]的出现和发展，并产生了面向多种应用场景的边缘计算算法[6]。随着边缘计算技术的成熟，以及边缘智能网关在物联网整体架构中地位的提升，边缘层便成为独立的一层，物联网架构也由原来的三层变成了现在的“云、管、边、端”四层。

基于边缘网关，通过边缘计算调度算法，使得部分数据处理任务可以在边缘端进行处理，提高了数据处理的效率，降低了数据的传输时延，减轻了云计算压力。通过以云计算为核心的集中式大数据处理技术和以边缘计算为核心边缘式数据处理技术的相互配合以及端设备协同作业，数据的处理会更可靠、高效，万物智联的物联网时代终将渗透至人类社会生产生活的方方面面。在智慧城市照明体系的建设过程中，基于“5G+价值路灯”的物联网架构也应当采用“云、管、边、端”四层架构，便于为更多设备加入时也能让数据得到更精确的处理。

2 “5G+价值路灯”结合的天然优势

随着5G技术的不断发展和成熟，我国5G于2019年正式步入商用元年，开始了它的商业化部署之路。据市场调研机构的调查显示，2020年一季度在5G通信设备市场中，中国的通信设备制造商华为公司和中兴公司分别以35.7%和10.4%的市场份额位居全球第一和全球第五，5G基站的出货量已达数百万台。显然，中国的5G技术已经走在了世界前列。下一步要实现5G的商业化推广和应用，5G基站的建设则迫在眉睫。

传统基站在建设过程中存在着基站载体重复建造，资源浪费严重且投资成本高的问题，各种应用类型的杆体分布在城市的各处，在一定程度上影响了市容市貌并产生了更多的电磁辐射，这与人民群众追求更加美好生活的需要背道而驰。由于5G网络使用的频段主要是高频段，为了满足热点高容量场景下的高数据流量、高传输速率、高可靠性和低时延的特点，5G将采用“宏基站+微基站”的模式进行城市的超密集组网，这使得5G微基站在部署建设时对站址资源的刚性需求急剧增加[7]。不仅如此，5G基站对电能的消耗也很大。与4G基站对比而言，4G基站的覆盖半径可达千米，而5G基站的覆盖半径只达到了百米级别，因此预计5G微基站的部署数量将会是4G[8]的4～10倍；单个4G基站的功耗大约为1 000 W，而5G基站的功耗则达到了3 000～4 000 W。

价值路灯是城市照明系统中最基础的组成单元，遍及城市的各个角落，天然成为了部署万物智联“神经元级”核心通信枢纽，即5G基站的最佳终端载体。5G基站与价值路灯结合，一方面可以解决由于受到覆盖范围的限制使5G微基站在部署建设时对站址资源的刚性需求急剧增加的问题；另一方面，可以利用价值路灯灯杆的供电系统解决5G微基站建设中的电缆敷设问题。最重要的是，由价值路灯搭载5G基站建立的智能物联网体系，不仅为面向智慧城市发展起来的无人驾驶技术、市政交通等应用提供了可能，还可以实现工业4.0时代大规模机器通信的需求，亦可以依靠增强的5G带宽满足AR（增强现实）和VR（虚拟现实）[9]。可见，5G微基站与价值路灯的结合应用具有天然优势，两者相辅相成、互为支撑。

3 “5G+价值路灯”的应用前景分析

在5G商用时代到来之际，世界各国都在积极规划引导5G与公共设施的融合。价值路灯因其具备分布广、可联网和持续供电的特点，除了实现智慧照明的功能以外还可以集成或搭载5G微基站、交通指示牌、电子摄像头、信息发布屏、交通及公共广播、各类传感器、汽车充电桩等硬件设施，为进一步实现城市的智慧通信、智慧交通、智慧安防、智慧环保等功能提供了可能性。面向未来，价值路灯作为智慧城市物联网体系架构中最好的组网节点和最佳的终端载体，可凭借其强大的可扩展性[10]添加需要的设施，解决系统的外部扩展、有效联网和建设成本问题，为智慧市政创造出更多的附加价值。

在标准制定方面，近年来国际标准化组织ISO、国际电工委员会IEC等相关组织都在积极地研究和制定智慧照明相关的标准体系，确立标准框架，从而为智慧照明行业的快速、健康发展提供标准方面的技术参考[11]。此外包括互联照明联盟、TALQ联盟、Fairhair联盟在内的国际其他组织也都在积极推动智慧照明行业的发展。中国作为人口众多、城市密集的国家，也在积极推动城市照明向智能化方向前进，努力实现城市的“绿色、集约、智慧”发展。国内相关组织和各级地方政府也出台了相关标准和政策。相信在各方的努力下，“5G+价值路灯”物联网智慧系统将很快在世界范围内得到应用。

4 智慧路灯、价值路灯相关应用案例

当前世界上有很多国家都在进行智慧灯杆的试点项目，或对普通路灯杆进行改造升级，或进行整杆替换。从全球范围内来看，例如美国圣地亚哥改造后的路灯杆安装了麦克风、摄像头、各类传感器等设备也可以监控交通状况、识别车辆的碰撞侦测、帮助找停车位、侦测枪声等功能；德国柏林也对现存的普通灯杆进行升级改造，改造后的路灯杆搭载有充电桩，可以为新能源汽车充电；荷兰海牙市新建的智慧灯柱装有摄像头、传感器和数据通信设施，可以检测空气质量、监控交通、帮助找到停车位等功能。显然，智慧路灯的建设已经在全球范围内掀起了一股浪潮。在这样的背景下，我国的智慧照明、智慧灯杆的建设也在如火如荼的进行，如南京、上海、杭州、成都、深圳、香港等地[12]。本文以正在建设新型价值路灯的南京、多功能智慧灯柱的香港为例进行介绍。

为了响应国家智慧城市、智慧照明建设，优化照明产业新布局，实现城市照明主业的升级迭代，南京市制定了“信息路灯（2014—2016）、智慧路灯（2016—2018）、价值路灯（2019—2020）”三个3年规划目标。截至2018年年底，南京市已经逐步完成了前两个阶段的任务，并取得了显著成效。同时，南京市作为5G网络商用的首批试点城市之一，5G网络通信的发展也将走在中国城市的前列。“价值路灯”作为三步走战略的最后阶段，亦被认为是城市照明行业发展的最终阶段。通过与5G网络的深度融合搭建城市物联网体系，将会形成集建设、运行、维护、管理于一体的全新的物理信息系统，推动城市照明行业从照明本专业向智慧城市边际的价值延伸。

香港正在建造多功能智慧灯柱，其试验计划共为期3年（2018—2021年），将分阶段分地区进行建设。其中，第一阶段的近50根多功能智慧灯柱已于2020年6月底在观塘和启德发展区正式投入运作，第二阶段的工作已经在进行当中。部署中的多功能智慧灯柱装设有交通探测器、全景摄影机、气象感应器、空气素质感应器等传感器，以此来监控路面交通状况和收集气象信息等，之后部分智慧灯柱还将加装WiFi无线热点和网络通信设备，为市民提供免费上网服务。在香港多功能智慧灯柱试验计划稳步推进的过程中，香港各大通信运营商的5G网络服务于2020年4月初全面问世，香港正式迎来了5G时代。特区政府的相关部门已经明确表明智慧灯柱已经预留了空间，以便为5G微基站的接入工作做准备，从而配合香港未来5G通信的发展。

5 结 语

目前国家大力倡导各行业走“集约、绿色”的发展道路，在构建智慧城市发展的宏伟蓝图时，可以从城市智慧照明的角度出发为智慧城市的建设贡献一份力，而“5G+价值路灯”的新路径显然成为了构建智慧城市照明系统的最佳突破口。各个城市应当充分抓住5G与价值路灯融合发展的契机，紧跟时代发展潮流，组建起城市智能物联网体系，奠定其在智慧城市时代作为万物互联组网方案的首选地位，提升城市管理的智能化和信息化水平，进一步推动智慧城市建设。