新基建時代路燈智能機器人平臺體系的構建與應用

臧 鋒，顧磊明，王鵬展

(南京市路燈管理處，江蘇 南京 210013)

引言

隨著智慧城市價值認知的不斷延伸，智慧桿件成為稀缺資源和戰略資源，源于城市照明的智慧燈桿迎來了新機遇[1-8]。相比智慧桿件建設而言，智慧桿件運行期更加復雜多變，需要通過物聯網思維提升運行承載能力。

目前，當我們面對數以萬計的智慧燈桿時出現的問題包括：運營期的成本，決定了智慧桿件在智慧城市產業中能走多遠；運營期的技術，應兼顧橫向的廣度和縱向的深度；運營期的價值，應立足于服務政府的社會效益，產生于服務商業的經濟效益。要解決運營期的難題，我們則必須對智慧燈桿植入管理的思維、多專業技術的深度融合、多類型數據的交匯、多應用場景的聯動。

1 路燈智能機器人的定義

我們對智慧燈桿重新定義，并且圍繞新的定義進行一系列的路線調整，即將智慧桿件升級定義為“路燈卡哨式智能機器人”?！奥窡艨ㄉ谑街悄軝C器人”的提出，不僅是概念上的設置，更是智慧城市產業生態輸入與輸出的連接，具體表現在：

1)行業跨接的中心。從智慧燈桿向路燈智能機器人升級，將使照明行業從原來的專業型行業轉型為平臺型行業，將為通訊、物聯網、高新產業提供軟件的平臺和硬件的平臺，吸納數以千計的終端廠家，創造出宏大的產業生態。

2)技術連接的中心。5G僅是作為路燈智能機器人運轉的一項基本技術條件；而邊緣側算法、大數據技術、感知技術、集成技術則成為關鍵要素，所有技術體系都將圍繞路燈機器人的有效運轉服務。

3)管理賦能的中心。智能機器人對穩定性的苛求，將促使滴滴修燈模式、滴滴運維模式價值的凸顯，將充分整合社會資源、專業運維力量，建立多專業的供給側配對、分級分層的精準運力投入，大數據指導運行，大幅控制運行期成本。

4)價值創造的中心。零星分布的智慧燈桿不能構建體系化的應用場景，千變一律的規?；ㄔO需要巨大資金成本。而路燈智能機器人則以桿件為單位，通過功能定制化、個性化，設定區域、劃定重點、自由編組機器人梯隊，以場景實現為目標，對智慧交通、智慧安防、智慧城管等應用進行高性價比的落地。

綜上，我們將智慧路燈機器人定位于，以傳統交通配套設施路燈為原型，采用分布式云和邊緣賦能技術，經過“通絡、塑型、刻腦、賦神、組網”五個步驟開發賦能，形成的基于社會物理精細網格的前端自治機器人(編隊)。

2 路燈智能機器人的構建

2.1 支撐網絡構建

搭建和疏通智慧路燈機器人的脈絡，主要包括能源管理脈絡和通訊路由脈絡，使傳統路燈具備進化成為智慧路燈機器人的基礎前提。

2.1.1 現狀分析

1)在現有照明供電體系下，不額外增加供電指標，不另行敷設電力線路，承載智慧應用所需要的能源。需要尋求輕量化的、可復制推廣的，并且可長期穩定運行的轉換模式，以此實現存量設施智慧化升級。

2)電力保障系統的調整，首先保證現有照明設施的運行穩定，實現對單燈桿的精確控制，保持面向智慧城市穩定的電力供給。

3)智慧城市數百萬級終端設備需要密集、高速、優質的通訊網絡，合理適用集約的通訊網絡鏈路是傳輸的重點。

2.1.2 解決方案

1)能源網搭建疏通。首先，通過LED節能改造替代原高功率氣體放電燈光源，并結合單燈調光，大幅削減城市照明用電負荷，為智慧城市終端設備的加載持續創造充足的容量空間。其次，通過自有專利技術改造，實現單燈監控系統與箱控系統相結合，將傳統專屬城市照明供電線纜升級為智慧城市綜合應用共享能源通道。與此同時，圍繞線路穩定運行的信息化養護作業模式，采用同步提升的方式，滿足供電的可靠性和穩定性。

2)能源網精準保障。采用單燈監控技術，將原有城市照明監控網絡精度，從線路上升至每盞燈，以此實現精準的城市照明燈具狀態感知。結合城市照明信息平臺、APP系統，將傳統的人工巡修燈模式升級至精準定位定點的修燈模式，解放人力、提高效能、縮減投入，實現城市照明向智慧城市的延伸和承載。

3)通訊網鏈路共享?；谥腔勐窡魴C器人，形成通暢、高效、集成的通訊網絡，多種智慧終端、多類智慧設備，共享一個路由、一條光纖、一根網線、一個無線節點，達成少量的通訊設備、大量的通訊節點，充足的通訊預留。疏通通訊經絡的智慧路燈是解決智慧城市通訊難題的最優途徑。

2.2 軟硬件接口設計

塑造智慧路燈機器人的基本功能型體模塊，以實現有機連接能源管理、通訊路由等神經脈絡，并承載各類物聯感知設備和AI產品的即插即用。主要包括軀干艙體設計，接口標準化、模塊化設計，數據庫標準化等，形成所有設備的信息匯聚管理，使得智慧路燈機器人具備擬人化的感知、動作的功能前提。

2.2.1 現狀分析

1)智慧城市應用終端具有設備種類復雜，尺寸與重量千差萬別、加載時序隨機性大，運行期穩定性及安全性要求高等特點，要實現智慧硬件設備的一桿加載具有極高的復雜性。

2)智慧城市應用終端通訊方式、數據格式、接口鏈路存在多樣性、復雜性，需具備極高的集成能力，打通各終端設備之間的屏障與壁壘，形成協調一致。

表1 基于路燈智能機器人的交互數據格式Table 1 Interactive data format based on road lampintelligent robot

2.2.2 解決方案

1)硬件接口方面，對需一桿多用或高載荷加載設備等應用場景，采用更換模式，將原有桿件定點更新為智慧桿；對單一智慧終端加載的桿件，則統一標準、統一實施，優先采用抱箍等主要方式，進行存量桿件的升級改造。具體包括，桿件與攝像頭的接口、桿件與信號燈的接口、桿件與環境探測器的接口、桿件與通訊基站的接口、桿件與除塵設備的接口、桿件與噪聲設備的接口，等等。

2)軟件接口方面，采用統一標準、統一協議的方式，進行終端設備的功能整合、數據整合，接入綜合管理平臺。以此，將現有城市桿件體系、信息體系，升級為智慧城市設備可加載、應用可加載的平臺型體系。具體包括，綜合平臺與車輛管理的接口、綜合平臺與噪聲管理的接口、綜合平臺與視頻管理的接口、綜合平臺與人流信息的接口等。

3)數據標準方面，通過統一的數據標準制定和發布，結合完善的數據標準管理體系，保障數據的完整性、一致性、規范性，實現數據的“互通、互知”，從源頭上快速接入數據，解決了多部門數據共享和融合的公用問題；在數據格式上支持各種結構化、非結構化及視頻數據的傳輸，屏蔽各業務應用、各系統之間的數據類型差異。

2.3 本地信息處理體系

形成智慧路燈機器人自我管理和前端自治本地化中央處理器。成為控制管理智慧路燈機器人身體構件和加載設備功能的物聯平臺，確保身體神經脈絡和功能模塊運轉良好，并具備組網區間與其他智慧路燈機器人溝通、聯系和聯動的機能，同時可以根據訴求有效執行指令和動作。

2.3.1 現狀分析

智慧路燈機器人內部集成了能源脈絡、通訊路由脈絡和大量的各類AI及物聯感知設備，全壽命周期的管理運維需要邊緣小腦可以智慧管理、診斷，保障運行穩定，維護及時精準。

2.3.2 解決方案

針對路燈機器人內部能源系統、通訊系統、感知系統、數據系統、執行系統，刻畫定制出一個具備感知數據分析并指導執行的前端小腦，有效地讓路燈機器人實現前端自治。

1)統籌管理能源系統。通過分級閾值的設定，結合通斷設備、監測設備，對各類終端進行分級的符合管理、分級的過載管理，高效使用電力能源。

2)統籌管理感知系統。通過數據鏈路，對感知類終端設備的信息進行集中管理，觸發數據輸出；對其運行狀態的穩定性進行觀測，觸發維護作業，保障感知系統的穩定性。

3)統籌管理執行系統。通過數據鏈路，對執行類終端設備進行集中管理。即集合現場感知設備信息，向終端執行設備進行指令輸出；同時，監測執行終端運行狀態，觸發維護作業，保障執行系統的穩定性。

4)統籌管理通訊系統。通過統一路由，整合各終端系統數據鏈路，進行數據的集中處理、集中分配；與其他智慧路燈交互，形成自由組合、統一輸出的局域網絡。

2.4 邊緣側核心算法

在實現智慧路燈機器人通絡、塑型、刻腦的基礎上，通過AI計算引擎、動作執行引擎、聯動規則引擎，使得感知、判斷、動作的融合實現，完成需要實現的場景。

2.4.1 現狀分析

交通應用場景繁雜，涉及人、車、路、設施等，人工智能技術種類多樣，邊緣算法大都只是針對單場景的應用，難以形成協調一致的智慧城市場景執行應用能力。

2.4.2 解決方案

向智慧路燈機器人大腦注入綜合多樣的、可升級的邊側算法體系，賦予其本地化的執行輸出能力?？偪刂行耐ㄟ^標準化數據項、精細度，向智慧路燈機器人采集必要數據，進行輕量化交互。邊側算法體系主要為：

1)感知側算法。集中表現在車輛識別、車速甄別、特種車輛管理、人臉識別、人的越界管理、人的異常行為等。

2)執行側算法。車輛信息發布、車流疏導提醒、行人指示提醒、違法行為前端處理等。

3)分析側算法。多種感知的綜合判斷并推導執行，如各類天氣下的安全管理、各類時段下的安全管理、車的行為人的行為的整合分析等。

表2 智慧交通專業路燈智能機器人邊緣側部分算法Table 2 Edge-side partial algorithmm of intelligent robot for intelligent road lamp

2.5 應用場景網絡組建

將城市每一個智慧路燈機器人的組網，形成分布式邊緣云架構，實現中臺管理下的毛細血管級別、遠近高低、實時交互的立體大數據網格，同時按功能訴求對組網的智慧路燈機器人進行編隊，實現實時、具體、準確的前端自治體系。

2.5.1 現狀分析

智慧燈桿之間后臺整體聯動和前端自主聯動同步智能編排技術難度較高，導致難以形成片區效應，缺乏城市級應用場景承載能力。

2.5.2 解決方案

組建總控中心與智慧路燈機器人之間的一級網絡(云端統一調配)；組建智慧路燈機器人之間的二級網絡(前端邊緣側各單元牽手互動)?？偪刂行闹笓]調度智能路燈機器人，智能路燈機器人指揮終端設備，依托兩層網絡，組成信息共享、資源共享、聯動輸出的智慧城市服務體系。

1)一級網絡的組建。一級網絡，側重于編隊，即總控對智能路燈機器人的調度管理?？偪刂行耐ㄟ^智慧城市管理平臺，依托公網通訊方式，采用統一的通訊協議，與現場各型智能路燈機器人的智慧大腦進行數據交互、指令下達?？煞譃槠胀ㄇ闆r下的日常類數據交互(如車流、人流信息)，以及特殊情況下的專項類調度(如應急救援)。一級網絡下，總控中心可根據需求，對智慧路燈機器人進行空間區域的編隊、進行時間時序的投切，以及時空結合的多維度、多算法的自由組合。

圖1 基于路燈智能機器人智慧交通應用場景組合Fig.1 Intelligent traffic scences based on road lamp intelligent robot

2)二級網絡的組建。二級網絡，側重于執行，即智能路燈機器人通過組合，形成執行具體任務的區域性響應。一級網絡下達指令，二級網絡根據邊緣側計算，進行智能路燈機器人的自組網。最終形成，一級網絡的內部組合(指令通道)，二級網絡的內部組合(執行通道)，一級二級網絡之間的組合(指令與執行交互)，共同作用輸出各類場景融合應用。

3 結論與展望

智能路燈機器人是服務智慧城市的基礎設施，是服務智慧城市多種應用場景，解決多種痛點的產物，涉及到多專業的融合，多行業的集成，是在專業上集成、在行業上集成、在產業鏈集成。同時，在南京初步建立了以總控中心統籌監控運行路燈智能機器人體系，最終服務于政府和市民，以技術迭代、管理迭代柔性結合動態升級的拓撲結構，形成了功能場景融合的“多識合一、感官合一、多景合一、多桿合一、人機合一”的生態體系。因此，智能路燈機器人，將成為未來智慧城市領域的核心資產、核心競爭力與核心產業平臺。