孫彥璽，姜冰冰，于怡然

（鄭州輕工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來，人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算和5G通信等技術(shù)發(fā)展迅速，為智慧城市的建設(shè)帶來新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。在智慧城市建設(shè)的過程中，以價(jià)值路燈[1]為載體，各類智能儀器儀表、前端傳感器為基礎(chǔ)，5G通信技術(shù)為核心，搭建智慧城市級(jí)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)[2]，將促進(jìn)智慧城市中智慧照明、智慧交通、智慧醫(yī)療、智慧人文、智慧環(huán)保和智慧安防等應(yīng)用的發(fā)展[3]，實(shí)現(xiàn)城市的進(jìn)一步迭代升級(jí)，推動(dòng)社會(huì)進(jìn)程由“移動(dòng)互聯(lián)”朝著“萬物智聯(lián)”的方向快速轉(zhuǎn)變。

1 “5G+價(jià)值路燈”的物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)一般由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層三層構(gòu)成，亦即“端、管、云”[4]。感知層（端）通過各類儀器儀表和傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)物理世界信息的識(shí)別、感知和采集；網(wǎng)絡(luò)層（管）通過各種有線、無線的私有或公用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)來自感知層的信息傳遞；應(yīng)用層（云）通過對(duì)信息的計(jì)算和處理實(shí)現(xiàn)在各行業(yè)的垂直應(yīng)用。但隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展以及物聯(lián)終端設(shè)備的大規(guī)模應(yīng)用，使得終端設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)。“端”設(shè)備產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)需要通過“管”傳輸給“云”計(jì)算，使得整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)變得極其艱巨。面對(duì)大流量數(shù)據(jù)的傳輸和計(jì)算壓力，急需出現(xiàn)可以在“端”邊處理一定數(shù)據(jù)任務(wù)的設(shè)備，以提供邊緣智能計(jì)算和服務(wù)，由此便催生了邊緣網(wǎng)關(guān)[5]的出現(xiàn)和發(fā)展，并產(chǎn)生了面向多種應(yīng)用場(chǎng)景的邊緣計(jì)算算法[6]。隨著邊緣計(jì)算技術(shù)的成熟，以及邊緣智能網(wǎng)關(guān)在物聯(lián)網(wǎng)整體架構(gòu)中地位的提升，邊緣層便成為獨(dú)立的一層，物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)也由原來的三層變成了現(xiàn)在的“云、管、邊、端”四層。

基于邊緣網(wǎng)關(guān)，通過邊緣計(jì)算調(diào)度算法，使得部分?jǐn)?shù)據(jù)處理任務(wù)可以在邊緣端進(jìn)行處理，提高了數(shù)據(jù)處理的效率，降低了數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)延，減輕了云計(jì)算壓力。通過以云計(jì)算為核心的集中式大數(shù)據(jù)處理技術(shù)和以邊緣計(jì)算為核心邊緣式數(shù)據(jù)處理技術(shù)的相互配合以及端設(shè)備協(xié)同作業(yè)，數(shù)據(jù)的處理會(huì)更可靠、高效，萬物智聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代終將滲透至人類社會(huì)生產(chǎn)生活的方方面面。在智慧城市照明體系的建設(shè)過程中，基于“5G+價(jià)值路燈”的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)也應(yīng)當(dāng)采用“云、管、邊、端”四層架構(gòu)，便于為更多設(shè)備加入時(shí)也能讓數(shù)據(jù)得到更精確的處理。

2 “5G+價(jià)值路燈”結(jié)合的天然優(yōu)勢(shì)

隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，我國5G于2019年正式步入商用元年，開始了它的商業(yè)化部署之路。據(jù)市場(chǎng)調(diào)研機(jī)構(gòu)的調(diào)查顯示，2020年一季度在5G通信設(shè)備市場(chǎng)中，中國的通信設(shè)備制造商華為公司和中興公司分別以35.7%和10.4%的市場(chǎng)份額位居全球第一和全球第五，5G基站的出貨量已達(dá)數(shù)百萬臺(tái)。顯然，中國的5G技術(shù)已經(jīng)走在了世界前列。下一步要實(shí)現(xiàn)5G的商業(yè)化推廣和應(yīng)用，5G基站的建設(shè)則迫在眉睫。

傳統(tǒng)基站在建設(shè)過程中存在著基站載體重復(fù)建造，資源浪費(fèi)嚴(yán)重且投資成本高的問題，各種應(yīng)用類型的桿體分布在城市的各處，在一定程度上影響了市容市貌并產(chǎn)生了更多的電磁輻射，這與人民群眾追求更加美好生活的需要背道而馳。由于5G網(wǎng)絡(luò)使用的頻段主要是高頻段，為了滿足熱點(diǎn)高容量場(chǎng)景下的高數(shù)據(jù)流量、高傳輸速率、高可靠性和低時(shí)延的特點(diǎn)，5G將采用“宏基站+微基站”的模式進(jìn)行城市的超密集組網(wǎng)，這使得5G微基站在部署建設(shè)時(shí)對(duì)站址資源的剛性需求急劇增加[7]。不僅如此，5G基站對(duì)電能的消耗也很大。與4G基站對(duì)比而言，4G基站的覆蓋半徑可達(dá)千米，而5G基站的覆蓋半徑只達(dá)到了百米級(jí)別，因此預(yù)計(jì)5G微基站的部署數(shù)量將會(huì)是4G[8]的4～10倍；單個(gè)4G基站的功耗大約為1 000 W，而5G基站的功耗則達(dá)到了3 000～4 000 W。

價(jià)值路燈是城市照明系統(tǒng)中最基礎(chǔ)的組成單元，遍及城市的各個(gè)角落，天然成為了部署萬物智聯(lián)“神經(jīng)元級(jí)”核心通信樞紐，即5G基站的最佳終端載體。5G基站與價(jià)值路燈結(jié)合，一方面可以解決由于受到覆蓋范圍的限制使5G微基站在部署建設(shè)時(shí)對(duì)站址資源的剛性需求急劇增加的問題；另一方面，可以利用價(jià)值路燈燈桿的供電系統(tǒng)解決5G微基站建設(shè)中的電纜敷設(shè)問題。最重要的是，由價(jià)值路燈搭載5G基站建立的智能物聯(lián)網(wǎng)體系，不僅為面向智慧城市發(fā)展起來的無人駕駛技術(shù)、市政交通等應(yīng)用提供了可能，還可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0時(shí)代大規(guī)模機(jī)器通信的需求，亦可以依靠增強(qiáng)的5G帶寬滿足AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）和VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）[9]?？梢?，5G微基站與價(jià)值路燈的結(jié)合應(yīng)用具有天然優(yōu)勢(shì)，兩者相輔相成、互為支撐。

3 “5G+價(jià)值路燈”的應(yīng)用前景分析

在5G商用時(shí)代到來之際，世界各國都在積極規(guī)劃引導(dǎo)5G與公共設(shè)施的融合。價(jià)值路燈因其具備分布廣、可聯(lián)網(wǎng)和持續(xù)供電的特點(diǎn)，除了實(shí)現(xiàn)智慧照明的功能以外還可以集成或搭載5G微基站、交通指示牌、電子攝像頭、信息發(fā)布屏、交通及公共廣播、各類傳感器、汽車充電樁等硬件設(shè)施，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)城市的智慧通信、智慧交通、智慧安防、智慧環(huán)保等功能提供了可能性。面向未來，價(jià)值路燈作為智慧城市物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中最好的組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)和最佳的終端載體，可憑借其強(qiáng)大的可擴(kuò)展性[10]添加需要的設(shè)施，解決系統(tǒng)的外部擴(kuò)展、有效聯(lián)網(wǎng)和建設(shè)成本問題，為智慧市政創(chuàng)造出更多的附加價(jià)值。

在標(biāo)準(zhǔn)制定方面，近年來國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO、國際電工委員會(huì)IEC等相關(guān)組織都在積極地研究和制定智慧照明相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)體系，確立標(biāo)準(zhǔn)框架，從而為智慧照明行業(yè)的快速、健康發(fā)展提供標(biāo)準(zhǔn)方面的技術(shù)參考[11]。此外包括互聯(lián)照明聯(lián)盟、TALQ聯(lián)盟、Fairhair聯(lián)盟在內(nèi)的國際其他組織也都在積極推動(dòng)智慧照明行業(yè)的發(fā)展。中國作為人口眾多、城市密集的國家，也在積極推動(dòng)城市照明向智能化方向前進(jìn)，努力實(shí)現(xiàn)城市的“綠色、集約、智慧”發(fā)展。國內(nèi)相關(guān)組織和各級(jí)地方政府也出臺(tái)了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和政策。相信在各方的努力下，“5G+價(jià)值路燈”物聯(lián)網(wǎng)智慧系統(tǒng)將很快在世界范圍內(nèi)得到應(yīng)用。

4 智慧路燈、價(jià)值路燈相關(guān)應(yīng)用案例

當(dāng)前世界上有很多國家都在進(jìn)行智慧燈桿的試點(diǎn)項(xiàng)目，或?qū)ζ胀窡魲U進(jìn)行改造升級(jí)，或進(jìn)行整桿替換。從全球范圍內(nèi)來看，例如美國圣地亞哥改造后的路燈桿安裝了麥克風(fēng)、攝像頭、各類傳感器等設(shè)備也可以監(jiān)控交通狀況、識(shí)別車輛的碰撞偵測(cè)、幫助找停車位、偵測(cè)槍聲等功能；德國柏林也對(duì)現(xiàn)存的普通燈桿進(jìn)行升級(jí)改造，改造后的路燈桿搭載有充電樁，可以為新能源汽車充電；荷蘭海牙市新建的智慧燈柱裝有攝像頭、傳感器和數(shù)據(jù)通信設(shè)施，可以檢測(cè)空氣質(zhì)量、監(jiān)控交通、幫助找到停車位等功能。顯然，智慧路燈的建設(shè)已經(jīng)在全球范圍內(nèi)掀起了一股浪潮。在這樣的背景下，我國的智慧照明、智慧燈桿的建設(shè)也在如火如荼的進(jìn)行，如南京、上海、杭州、成都、深圳、香港等地[12]。本文以正在建設(shè)新型價(jià)值路燈的南京、多功能智慧燈柱的香港為例進(jìn)行介紹。

為了響應(yīng)國家智慧城市、智慧照明建設(shè)，優(yōu)化照明產(chǎn)業(yè)新布局，實(shí)現(xiàn)城市照明主業(yè)的升級(jí)迭代，南京市制定了“信息路燈（2014—2016）、智慧路燈（2016—2018）、價(jià)值路燈（2019—2020）”三個(gè)3年規(guī)劃目標(biāo)。截至2018年年底，南京市已經(jīng)逐步完成了前兩個(gè)階段的任務(wù)，并取得了顯著成效。同時(shí)，南京市作為5G網(wǎng)絡(luò)商用的首批試點(diǎn)城市之一，5G網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展也將走在中國城市的前列。“價(jià)值路燈”作為三步走戰(zhàn)略的最后階段，亦被認(rèn)為是城市照明行業(yè)發(fā)展的最終階段。通過與5G網(wǎng)絡(luò)的深度融合搭建城市物聯(lián)網(wǎng)體系，將會(huì)形成集建設(shè)、運(yùn)行、維護(hù)、管理于一體的全新的物理信息系統(tǒng)，推動(dòng)城市照明行業(yè)從照明本專業(yè)向智慧城市邊際的價(jià)值延伸。

香港正在建造多功能智慧燈柱，其試驗(yàn)計(jì)劃共為期3年（2018—2021年），將分階段分地區(qū)進(jìn)行建設(shè)。其中，第一階段的近50根多功能智慧燈柱已于2020年6月底在觀塘和啟德發(fā)展區(qū)正式投入運(yùn)作，第二階段的工作已經(jīng)在進(jìn)行當(dāng)中。部署中的多功能智慧燈柱裝設(shè)有交通探測(cè)器、全景攝影機(jī)、氣象感應(yīng)器、空氣素質(zhì)感應(yīng)器等傳感器，以此來監(jiān)控路面交通狀況和收集氣象信息等，之后部分智慧燈柱還將加裝WiFi無線熱點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備，為市民提供免費(fèi)上網(wǎng)服務(wù)。在香港多功能智慧燈柱試驗(yàn)計(jì)劃穩(wěn)步推進(jìn)的過程中，香港各大通信運(yùn)營商的5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于2020年4月初全面問世，香港正式迎來了5G時(shí)代。特區(qū)政府的相關(guān)部門已經(jīng)明確表明智慧燈柱已經(jīng)預(yù)留了空間，以便為5G微基站的接入工作做準(zhǔn)備，從而配合香港未來5G通信的發(fā)展。

5 結(jié) 語

目前國家大力倡導(dǎo)各行業(yè)走“集約、綠色”的發(fā)展道路，在構(gòu)建智慧城市發(fā)展的宏偉藍(lán)圖時(shí)，可以從城市智慧照明的角度出發(fā)為智慧城市的建設(shè)貢獻(xiàn)一份力，而“5G+價(jià)值路燈”的新路徑顯然成為了構(gòu)建智慧城市照明系統(tǒng)的最佳突破口。各個(gè)城市應(yīng)當(dāng)充分抓住5G與價(jià)值路燈融合發(fā)展的契機(jī)，緊跟時(shí)代發(fā)展潮流，組建起城市智能物聯(lián)網(wǎng)體系，奠定其在智慧城市時(shí)代作為萬物互聯(lián)組網(wǎng)方案的首選地位，提升城市管理的智能化和信息化水平，進(jìn)一步推動(dòng)智慧城市建設(shè)。