基于智慧灯杆系统的关键技术发展路径研究
时间：2023-02-28 13:50:07 来源：千叶帆 本文已影响人
臧 锋，黄李奔，刘 立
(南京市城市照明建设运营集团有限公司，江苏 南京 210019)
《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》提出“加快数字化发展，建设数字中国”，将“分级分类推进新型智慧城市建设”作为加快数字社会建设步伐的关键举措，赋予了新型智慧城市发展更多的新使命和新内涵[1]。
作为新一轮信息技术变革和知识经济发展的产物，智慧城市是工业化、城市化与信息化深度融合并向更高阶段迈进的表现，是通过构建以政府、企业、市民为主题的交互与共享信息平台，为城市治理与运营提供更加“便捷、高效、灵活”的决策支持与行动工具，从而实现“低碳、安全、便利、友好”的城市发展目标。
深度覆盖的感知体系是实现城市运行管理“自动感知、快速反应、科学决策”的关键基础设施，在智慧城市建设中具有重要作用。随着新型智慧城市建设的深入推进，加快建立底账清晰、全域覆盖、网络通畅、数据共享、智慧共用的智慧城市感知体系，把握城市脉搏、建立城市画像，形成“广泛感知、综合感知、智慧感知”的感知格局已成为智慧城市建设的关键环节。
智慧灯杆以其优秀的点位、广泛的分布成为智慧城市感知体系建设的良好载体，在各类ICT技术的赋能下，可以高效集约的提供城管、市政、交通、安防、环保等多领域的新型公共服务。同时，合理布局的智慧灯杆网络，可以为智慧城市大脑实时提供海量城市运行数据，并实时将城市管理决策精准传达到城市各处，是构建数字孪生城市及其交互体系的重要基础(图1)。
图1 智慧灯杆与智慧城市的关系Fig.1 The relationship between smart light poles and smart cities
智慧灯杆具备“综合集成、共享共用、智慧赋能、和谐发展”等特征[2]，在新时代新技术的赋能下，智慧灯杆作为智慧城市的重要基础设施，是智慧城市重要的基础设施和数据入口，并逐渐呈现出“数据融合、数据安全、软件定义、智能决策、生态共生”等新趋势。
(1)数据融合。智慧灯杆可供不同行业或部门使用，通过载体、设备及数据层面的共享，实现更大的社会价值。各种设备和传感器采集的数据在脱敏后可通过平台进行开源共享，从而打破“数据孤岛”，最大化实现从数据采集、数据治理到数据要素的自由流通，催生更多行业创新应用。
(2)数据安全。在《数据安全法》、《网络安全法》和《个人信息保护法》的三法联动推进下，中国数据市场进入安全合规发展阶段，智慧灯杆的数据安全也应在行业的高速发展背景下受到更多关注。
(3)软件定义。智慧灯杆是智慧城市物联感知体系的重要载体，但其也应不断突破自身局限性，在打通融合数据基础之上通过软件定义等方式实现自身变革，构建更为丰富的智慧应用场景。
(4)智能决策。当前，智慧灯杆已进入“能听见、能看见、能感知”的智能感知阶段，随着技术的不断发展，由软件定义的新一代智慧灯杆应逐步具备支撑城市大脑“自优化、自学习、自演进”的能力，推动智慧城市向智能认知、智能决策阶段迈进。
(5)生态共生。在经济发展由高速增长转向高质量发展的背景下，智慧灯杆行业也将面临全新的产业结构调整升级，即通过开放其平台算力、数据和服务，吸引更多的优势生态企业参与各类智慧场景建设，实现资源最优配置、多方合作共赢，为数字经济高质量发展提供肥沃的土壤。
根据不同的功能定位，可以将智慧灯杆系统自下而上划分为物联感知层、接入汇聚层、网络传输层、平台与应用层等四个层级(图2)。
图2 智慧灯杆系统架构图Fig.2 Smart light poles system architecture diagram
(1)物联感知层。物联感知层主要为各类杆载设备，其基本功能主要有智慧照明、视频监控、移动通信、公共广播、环境监测、一键呼叫、信息发布等，并具有权限设置、参数设置、数据采集、信息安全保障等基础能力。
(2)接入汇聚层。接入汇聚层负责杆载设备的信息采集、数据传输、状态监测、远程控制等。接入汇聚节点宜具有边缘计算功能，其中：网关控制器实现各类终端设备的集中统一接入；
交换机对终端设备的数据进行汇聚传输；
边缘计算设备是主要的计算载体，支持CPU/GPU/NPU等异构协同计算。
(3)网络传输层。网络传输层将数据通过传输网络传送至管理平台，其架构分为两层、三层两种形式。在网关控制器、交换机、边缘计算设备配置不同的情况下，可采用树型、星型、MESH型等不同的组网方式。
(4)平台与应用层。平台与应用层是智慧灯杆系统的控制管理中心，支撑智慧灯杆的各类应用和业务管理，提供与其他系统平台的数据交换和服务连接。平台与应用层对计算、存储、网络等各类云基础设施进行管理；
实现对软件定义灯杆操作系统层(SDP-OS)的统一控制和调度，通过OTA在线升级的方式，与边缘端结合，提供持续更新终端的能力；
针对个性化产品开发和数据安全，提供基于SDK和隐私计算的技术支撑；
同时，平台与应用层还可预制和扩展各类应用场景，如基于智慧灯杆的智慧城管、智慧交通等行业应用，未来还可扩展至碳汇交易、数据交易等创新应用。
从物联网、大数据、人工智能技术的积累，到多个创新场景的应用爆发，社会数智化进程正在不断加速，数字技术与真实世界融合的全真互联时代已来临。智慧灯杆系统作为新型基础设施建设的典范，是智慧城市的重要数据入口，也将为物理世界与数字世界全面映射、融合互动奠定坚实基础。随着“国家治理体系和治理能力现代化”“一网统管”“数字化改革”“全生命周期管理”“碳达峰碳中和”等政策及理念的广泛推行，依托智慧灯杆建设的数字孪生城市可以通过空间分析计算、动态模拟仿真推演、机器学习等高阶能力优势，解决城市跨行业、跨部门协同综合治理方面的难题，充分释放新型智慧城市的高附加值。
智慧灯杆从智慧物联到数字孪生的技术发展路径集中体现在以下几个方面(图3)。
图3 从智慧物联到数字孪生Fig.3 From intelligent internet of things to digital twin
3.1 从功能分散到高度集成，打造“去中心化”智慧终端
(1)功能的分散到集成。
智慧灯杆是多种设备设施和技术的综合体。从硬件功能方面看，智慧灯杆可综合通信杆、路灯、交通监控、安防监控、交通指示牌、环境监测等多种主要功能设施于一身，实现“多杆合一”；
从配套资源方面看，智慧灯杆可将多套功能系统的承载、供电、通信等配套资源进行整合，优化城市管网利用，减少重复建设及资源浪费；
从建设运营方面看，综合多种功能的智慧灯杆可更有利于集约高效地开展规划、建设、运营及维护等工作，实现专业化和规模化，提升建设效率及品质。根据《江苏省多功能杆智能系统技术与工程建设规范》中的要求，智慧灯杆各类挂载设备应采用集中分层设计如下(图4)：
第一层：高度0～2 m，适用于充电桩、一键呼叫、设备舱、检修门等；
第二层：高度2～6 m，适用于信息发布屏、视频监控设备、公共广播、路名牌、人行信号灯等；
第三层：高度6～8 m，适用于无线AP、交通标志、交通信号灯等；
第四层：高度8 m以上，适用于LED灯具、通信基站、环境监测传感器等[3]。
图4 智慧灯杆典型功能组件示意图Fig.4 Schematic diagram of typical functional components of smart light pole
(2)数据的分散到集成。
智慧灯杆可以实现城市管理、公共交通、环境监测等各类行业数据的采集，随着智慧灯杆建设的不断深入，信息的流通和共享将更加顺畅，各类数据将会实现网格化、扁平化的流通，彻底打破“数据孤岛”的问题。智慧城市的高速发展顺应了城市治理、运行、服务的广泛需求，但部分跨层级、跨行业、跨部门协同综合治理方面的问题仍难以解决，亟须通过智慧灯杆建立高效共享的“数字网格”，实现城市级、综合性、复杂性应用场景的构建和落地。未来还将进一步结合大数据、边缘计算、云计算等技术，通过实时海量视频数据智能分析能力、海量异构数据关联比对和深度分析能力、大规模物联网设备数据实时处理和深度分析能力、基于图谱的城市实体和关系发现能力，精准、实时地挖掘城市运行的规律，进行城市发展趋势预测，为城市的精细化治理提供有力支持。
智慧灯杆系统平台建设应优先搭建全域数据库。通过全域数据可以获取各个环节的关键业务数据，完善元数据管理，形成全局的数据字典、业务数据规范，为多维分析、决策支持、可视化展示等应用提供更及时、准确、有效的支持(图5)。
图5 智慧灯杆系统全域数据库架构图Fig.5 Global database architecture diagram of smart light poles system
数据治理也是智慧灯杆系统数据入库前的关键环节。其核心是通过将数据标准和数据模型作用于“数据质量需求-数据质量分析-数据质量保障-数据质量监控”的全链路数据质量管控体系，实现数据集中、标准、干净、可评估，为各类智能应用提供高保障的数据供给。
3.2 从智慧节点到智慧生态，构建智慧城市基建网络
通过智慧灯杆可以构建形成智慧城市的生态网络。新型智慧城市的建设需要以数据为基础，城市数据的采集依赖于建立“全域感知”体系，即将信息感知设备合理、泛在的布局在城市各处，采集大量的跨空间、跨垂直领域的传感信息和视频数据，智慧灯杆分布广、位置优良，是“全域感知设备”的优良载体。依托智慧灯杆构建的智慧生态，可以极大增强智慧城市自适应系统的信息获取、实时反馈和即时服务能力。
同时，5G、NB-IoT、Zigbee、LoRa等各类无线通信技术的快速发展，可以有效支撑智慧灯杆快速构建各类智慧生态。如车路协同是典型的智慧生态应用场景，汽车与道路基础设施通信(V2I)技术是车路协同的重要部分。通过搭载于智慧灯杆上的智能传感器、边缘计算等设备，自动驾驶车辆可实时获取周边道路的交通信号、车辆、人群的变化情况。结合车辆的自动驾驶系统，可在与智慧灯杆协同配合的过程中，精确地掌握前方道路情况，以“上帝视角”判断路况并及时调整行驶状态，大大增加道路行驶的安全性。
其中，车路协同主要利用5G网络的uRLLC(超高可靠超低时延通信)特性，此特性主要用于满足移动环境下车联网、自动驾驶、工业控制等业务需求。这部分业务对带宽和连接数量要求不高，但对时延和移动性要求极高，NGMN定义的端到端时延不高于1 ms。为此，5G核心网设备将深度下沉，甚至下沉到边缘CU。故可认为uRLLC业务将终结于5G回传网络的汇聚路由器甚至更低，低时延网络成为支撑uRLLC业务的必要条件(图6)。
为进一步降低整体网络时延，提高传输带宽，控制项目投资，在智慧灯杆系统的回传网络中应优选全光网络方案进行建设。同时，在投资充裕、对网络时延要求不高的情况下，可选择传统二层/三层交换网络方案；
由于成本、技术成熟度等原因，暂不建议采用无源波分、OTN、WDM PON等方案(表1)。
3.3 从固定场景到弹性场景，丰富数字新基建内涵
(1)总结共性需求，打造智慧应用场景模板。
智慧灯杆可以快速实现城市、社区、道路等各类场景的全覆盖，针对不同场景共性需求提炼形成的智慧应用模板，可以实现从固定场景到弹性场景应用的灵活部署，有利于提升城市扁平化、专业化治理水平，降低智慧城市综合建设运行成本，迅速提升基层治理的数字化基础条件，加速推动城市治理体制机制创新。
图6 面向5G的传送网架构[4]Fig.6 5G oriented transport network architecture
表1 智慧灯杆回传网络方案比较Table 1 Comparison of smart light pole return network schemes
在智慧城市和新基建的实践过程中，要逐步融入智慧灯杆共建共享的发展理念，以技术创新为驱动，结合数字经济高质量发展的需要，提供数字化转型升级、融合创新服务的新型基础设施。近年来，各地都在持续推进“最多跑一次”“一网通办”“一网统管”“一网协同”“接诉即办”等政府数字化改革创新实践，智慧灯杆应融入政府数字化改革体系，作为城市运行功能中心的一部分，和其他平台体系共同打造重点应用场景，推动城市运行流程再造和管理创新，加快实现“一网整合数据、一屏能观全局、一体应急联动、一线解决问题”，进一步提升城市治理现代化水平。如，指挥协调系统为城市“一网统管”平台的核心功能，根据城市精细化治理的要求，应能够实现跨层级、跨部门、跨区域业务“发现、立案、派单、核查、处置、结案”的快速闭环，并提升面对突发事件、自然灾害、重大保障、专项工作等紧急情况时的应急处置能力。指挥协调系统作为社会治理应用场景的共性需求，应优先嵌入智慧灯杆系统平台，为各部门业务的协同提供良好的基础条件(图7)。
图7 指挥协调系统业务流程图Fig.7 Business flow chart of command and coordination system
(2)融合强化学习，构建弹性服务能力。
随着数字经济的快速发展，以算力为核心的新基础设施建设加速推进，算力正在成为全新生产力。云边端协同作为建设泛在化算力的重要方向，是数字化创新和智能化转型的突破口，将逐渐成为引领产业发展的新动能。城域级的智慧灯杆设施，依托“云边端一体化”技术可以使算力更靠近事件现场，快速高效地实现各类事件的闭环处置。同时，通过人工智能的强化学习技术，可以使智慧灯杆系统与周边环境进行实时交互，针对各类城市治理模型进行自我训练和迭代升级，构建更加灵活的弹性服务能力，促进智慧城市分析决策水平的不断提升。
在云边端一体化发展下，智慧灯杆系统应用不再局限运行于中心云单一资源池，跨云、边、端的分布式应用成为趋势。通过云边端应用一体化，智慧灯杆系统可以构建跨云边端的分布式应用统一开发、部署、调度、管理能力，帮助构建弹性敏捷的分布式应用。在应用管理方面，通过配置编排模版、部署策略(地理亲和性、反亲和性等)、调度策略(资源池、健康状态等)、镜像加速(缓存、P2P等)、数据迁移等，实现跨云边端集群的应用统一管理；
在服务流量治理方面，通过云边容器网络互联互通、跨云边集群服务发现、服务智能路由(位置、时延、网络质量等)、流量管理(流量切换、限流、降级、负载均衡等)，实现服务统一治理；
在运维方面，通过统一监控告警、全链路追踪、自动化运维等技术，保障应用稳定可靠。
3.4 从软件定义灯杆到软件定义世界，主动提升服务能力
软件定义是基于软件的泛在性，利用数据时代软件本身的算法、数据、认知一体化的特性，对物理产品和信息系统赋予应用功能和使用价值，是信息时代满足多样化需求的有效手段，也是软件基础设施化的重要技术途径。智慧灯杆作为智慧城市重要的基础设施，利用软件定义技术可以最大化利用现有的路灯资源，实现对存量路灯设施的“赋值”、“赋能”、“赋智”。
通过软件定义灯杆可以大幅降低智慧灯杆的应用服务边际成本，在平台化系统软件解决方案的基础上，软件定义灯杆将不受硬件资源约束，系统可实现更多的功能、提供更为灵活高效和多样化的服务，并提供持续更新的能力。如，智慧灯杆上的传统视频监控设备，通过软件定义升级，可以实现人群客流分析、道路车辆分析、交通违章处置、城市精细化管理等功能，极大地提升了其服务能力。
需要注意的是，基于智慧灯杆系统的软件定义是一个过程，不是一蹴而就的目标，需要分阶段实施。软件定义逐渐将硬件与软件进行解耦，将硬件的可操控成分按需求，分阶段的，通过编程接口或者以服务的方式逐步暴露给应用，分阶段地满足应用对资源的不同程度、不同广度的灵活调用。建议按照IAAS、PAAS和SAAS服务模式，分阶段向运维管理人员、开发部署人员、业务应用用户提供相应服务能力。
3.5 从数据标准到数据治理，夯实智慧城市基础
数据是新时代的基础战略性资源和重要生产要素，也是新型智慧城市的长效运行基础。安全有效地推动数据利用、共享和流通，挖掘数据价值，才能快速释放数据生产力，助推经济社会高质量发展。然而在实践中，数据资产流通仍然面临着诸多问题，难以发挥生产要素的真正价值。为激活智慧灯杆的数据要素潜能，通过数据赋能提升政府治理能力、优化社会服务供给，应构建涵盖数据治理、数据立法、数据安全、数据交易的数据全生命周期管理体系。一是加强数据管理，建立健全数据资源管理机制，制定数据采集、传输、存储、共享、利用的标准规范，形成数据共享开放利用的常态化工作机制；
二是推进数据立法，建立数据要素权责利对等机制，以法律形式确立数据隐私、安全红线，明确数据的所有权、管理权和使用权，形成数据共享开放、开发运营的权责利体系；
三是推动数据定价，建立数据要素市场化运行机制，探索建立数据要素价值评估模型，形成依据数据成本、类型、属性、质量等多种因素构成的数据资源流动定价机制；
四是开展数据授权运营探索，完善授权开展各类数据运营的各项机制，分级分类推进数据资源开发利用。
元数据(Metadata)，又称中介数据、中继数据，为描述数据的数据(data about data)，主要是描述数据属性(property)的信息，用来支持如指示存储位置、历史数据、资源查找、文件记录等功能。其使用目的在于：识别资源；
评价资源；
追踪资源在使用过程中的变化；
实现简单高效地管理大量网络化数据；
实现信息资源的有效发现、查找、一体化组织和对使用资源的有效管理。为提高智慧灯杆系统的数据质量，应形成统一的智慧灯杆系统元数据标准，并按照“一数一源”原则，对各类数据资源进行综合校验，确保数据的准确性与完整性。在此基础上，可利用统一的公共数据汇聚标准、接口规范、调用规则、开放要求，提高数据需求满足率(表2)。
表2 智慧灯杆系统元数据标准范例Table 2 Example of metadata standard for smart light poles system
续表2
同时，数据确权也是目前上海等国内一流城市正在积极推进探索的。数据确权路径确认的标准有两个，一是由易到难，层层推进；
二是对有助于实现社会和个人效益更大化的数据优先确权[5]。对于分类数据而言，个人数据、企业数据、社会数据的性质不同，可确认的产权种类不同，确权难易度也不同。例如，智慧灯杆产生的数据构成复杂，既有自身运营的原始数据，又有与外部数据交互后形成的衍生数据，还有政府和社会公众的各类数据。因此，经过分类分级后的数据包含的数据产权束各不相同，包含的产权束内容越多，数据确权越复杂(表3)。
表3 分级分类数据产权Table 3 Property rights of classified data
以智慧灯杆为代表的新一代信息基础设施已成为提升城市能级和核心竞争力的重要载体，也是推动数字经济发展的关键使能器。当前，信息基础设施正面临着新旧动能转换、发展重心调整、运营模式创新的重大变革，其内生动能将从传统网络技术向大数据、人工智能、云计算、物联网等新一代信息技术拓展；
发展重心将从带宽、速率等传统网络指标向与城市管理、民生服务等密切相关的生态指标转变；
运营主体将从传统电信运营商向行业龙头企业、国资平台公司、互联网企业等主体延伸，由此将形成多元的发展动力、多维的评价标准和多样的服务业态。为顺应新一代信息基础设施发展趋势，我们理应主动引领智慧灯杆产业发展，对标国内外最高标准、最好水平，以软件化、知识化、智慧化、模块化重构产业生态和信息基础设施，形成城市级战略性基础资源，全面支撑城市治理体系和治理能力现代化建设。
