數字化驅動下的城市智慧桿件運營體系發展路徑

臧 鋒，王鵬展

(南京市路燈管理處，江蘇 南京 210013)

引言

隨著5G時代的到來，物聯網、大數據、云計算獲得了新的培養皿和加速器，寬連接、低時延成為時代特征，時間、空間維度擴展，產品、算法、運算能力的提升，于是物理的世界變得觸手可及，智慧城市亦從單一功能走向復雜聯動的場景，逐步形成了宏大的生態產業體系。智慧城市，依托于智慧燈桿；智慧燈桿，衍生自城市照明。在此背景下，以深圳、上海為代表的一系列城市，開展基于城市照明的智慧桿件建設、智慧城市體系的頂層設計，開展共桿、共箱、共管等新基建的分步實施，取得了令人驚嘆的階段性成果。南京，作為國內較早一批從城市照明跨圈的城市之一，借力信息化平臺、單燈監控技術、合并桿箱項目等形成內生驅動，具備了一定的先發優勢，在部分片區基本構成了“能源一張網”、“桿件一張網”、“終端一張網”，符合智慧桿件體系對于規?；⒎€定性的基本要求，逐步具備運營條件。

1 智慧桿件體系發展的四個層級

傳統基建向新基建的切換過程不是一次性的，而是多次的、動態調整的，分層分級多維度地達成。這就需要從傳統的精細化、信息化，上升至“數字化”，為傳統基建不斷賦能；而新基建應用場景由于復雜性和動態性，亦需以“數字化”的工具作為支撐，保持其服務輸出的能力。

基于此，結合南京實踐，以“數字化”作為方法論和有效工具，構建從城市照明到智慧桿件體系全過程的新發展路徑，我們將其歸納為“四個層級”(見圖1)：第一層級，照明的數字化，實現監控、調度、作業的數字化，形成智慧桿件體系的持續擴展的支撐平臺；第二層級，智慧桿件的數字化，推進能源網、桿件網、終端網的“數字化”，形成持續演進的智慧應用場景的支撐平臺；第三層級，智慧城市應用場景的數字化，推進感知網、信息網、場景應用網的建設；第四層級，智慧城市應用場景的智能化，依次實現路側單元的“可計算”、“可交互”、“可執行”、“可思考”、“可替代”。

圖1 數字化驅動下的城市智慧桿件運營體系結構模型Fig.1 Operation architecture model of urban smart pole driven by digitalization

2 數字化的城市照明管理

城市照明是發展智慧城市的底層基礎，因此我們以“目標導向”的數字化轉型，實現照明本專業從傳統的粗放管理，到感知更精準、效能更集約、服務更精細、要素可控、低碳節能的蛻變。主要路徑為，感知體系-指令精準；作業體系-效能精準；設施體系-品質可控；能耗體系-動態調控。

2.1 數字化的感知體系

以單燈監控為代表的物聯網技術應用，促成了城市照明設施實現精準故障定位的必備條件；配電箱集中監控體系，在單一的城市照明管理體系下，其關注程度一度被弱化，而在智慧城市的發展形勢下，其重要性重新歸位。即城市照明的感知數字化，應建立在精度和廣度兩個維度的結合之下。

(1)數字化的“感知精度”。以單燈監控體系為切入點，從傳統的線路控制上升至每盞燈，結合信息系統實現線下的算法線上化，南京解決了目前30萬條/天的數據篩選，實現派單精度、組織方式、作業形態3要素同步提升。

(2)數字化的“感知廣度”。箱控系統不再僅僅承擔城市照明設施的啟閉，隨著綜合桿、智慧桿、基站(含充放電系統)的加載，用電負荷從原來照明的相對靜態化到目前的動態化、離散化，驅動照明電網向供電專網的標準升級。

(3)數字化的“保障體系”。在實踐過程中發現，從箱控到單燈，從單燈到智慧桿件，亟需建立一套數字化的保障體系保持感知系統的穩定，包括通訊的穩定性、設備的穩定性、平臺的穩定性等要素。我們以“目標導向”建立數字化的保障體系，先設定關鍵的目標值，然后圍繞這些目標值進行技術、管理的輸入，形成實用的數字化系統。對于城市照明感知體系，以終端設備“在線率”的100%[1]，作為系統保障性目標，結合時間、空間要素，分解到通訊模塊故障率、通訊網絡故障率、終端設備故障率、機房設備故障率、平臺運行故障率的疊加組合，對相應網絡或設備進行更換，實現動態達標；以設施運行狀態感知數據“準確率”的100%，作為系統功能性目標，結合時間、空間要素，分解到電流、電壓、功率等電參數的準確率，對系統進行校正、算法的干預和調整，實現動態達標。延伸至智慧桿件，由于其終端體系亦是物聯網設備，因此照明感知體系的數字化，亦為智慧城市終端的數字化管理創造了路徑、模型、算法體系[2]。

2.2 數字化的管理體系

從照明設施的管理晉級向智慧城市桿件系統的管理，第一步是設施的被動式管理向主動管理的轉型；第二步是設施照明達標的管理；第三步是設施具備智慧桿件體系運行條件的轉型。數字化在于將其三步歸并，形成目標導向的垂直躍升。其中，照明主業歸納為3個方面的數字化管理。

(1)數字化的“指令管理”，以狹義的感知系統，作為設施運行狀態故障的觀測平臺，形成被動式的故障處置指令；以廣義的感知系統，即地理信息、設施信息平臺，形成主動式的設施整治指令。

(2)數字化的“模式管理”，依據數字化的指令建立數字化的作業系統，我們在系統中建立了對比工作量、工作定額，開展動態的人材機資源匹配(如南京實施的單燈修燈工單一周一次統籌派發，班組定額修復的機制)，開展組織模式的動態調整(如南京實施的亮燈管理的定修模式、設施整治的項目化掃盲式覆蓋等)。在照明主業，我們已經形成了箱、線、桿、井為主要設施類型按包干區、按道路、按設施年代的分步管理，以全市設施為總體，進行專項整治覆蓋率、整治設施達標率的管理。

(3)數字化的“效能管理”，傳統模式的設施管理，是以整治周期的延長、以及故障修復為目的的；數字化模式下，將其轉化為按類型、按片區、按時間進度精準掌控的設施管理，促成了設施品質的精準管控。而精準的、動態的作業指令與運維資源的數字化匹配(如我們通過工作日志，建立精確至班組、工作項的效能管理)，即是數字化對于城市照明設施管理效能的精準管控。

2.3 數字化的設施服務

城市照明傳統服務于市民出行，重點關注晚間光環境的保障；而當照明服務于智慧桿件體系時，則是非一次性的、非靜態的、存在客觀反復的“數字化交付”。即與“能源網”、“桿件網”相關的照明設施安全要素、檢驗有效期限、設施運行狀態，進行綜合的數字化、動態化評價，得以輸出：實時的可加載智慧終端的電纜(絕緣檢測、接地檢測有效期內)長度、分布；實時可加載智慧終端的桿件(強度檢測、外觀檢測有效期內)數量、分布；實時可支持長供電系統的單燈終端(在線狀態、開關響應達標)數量、分布等等，對于整改完畢、但超期的，以及未整改達標的設施，必須整治達標之后再納入可交付范圍。從而形成以感知體系為底層，以作業體系為過程，以設施服務的動態化、數字化交付為輸出結果的，城市照明傳統基建向智慧城市新基建轉型的數字化模型。

2.4 數字化的節能體系

從設施運營的視角來看，當達成城市照明服務向智慧桿件體系的數字化交付，城市照明設施即完成了從消耗型資產向經營型資產的轉變；而隨著國家碳中和戰略的提出，碳排放的可交易性質，提供了更廣義的設施經營平臺。

(1)照明主業的“數字化低碳”。數字化實現了以設施運行參數代替理論功率計算的模式，包括：建立數字化的節能感知體系，提供精確至燈具的功耗參數、精準至線路的實時功耗參數；建立數字化的節能調節體系，提供與照明服務動態匹配的功耗調節；建立數字化的設施改造體系，依據光照度、設施狀態進行精準的設施更新；建立數字化的結果輸出體系，依據感知、調節、改造體系，輸出按照時段、片區、設施類型提供動態的、可產生交易價值的節能數字。

(2)智慧桿件體系“數字化低碳”。延伸城市照明的經驗，智慧城桿體體系搭載的規模優勢，將產生新的低碳市場。僅以待機功率為例，我們可采用路側桿內的智能電源盒技術對其進行控制或消除。按照10萬個終端，每年待機4300 h，平均待機功率10W計量，則年度將節約碳排放量將達到3300噸。因此，數字化的節能減排的經濟效益和社會效益，將從城市照明節能體系中延伸和釋放出來，成為智慧城市桿件設施運營重要方面。

3 數字化的智慧桿運營

當城市照明完成升級并向智慧城市進行數字化交付之后，就應以智慧桿件體系為中心進行專業化管理，以縱橫結合的數字化模式來進行“能源網”、“桿件網”、“終端網”的管理，縱向延續城市照明管理的成熟模型，橫向布置智慧城市的復雜體系。

3.1 數字化的能源網管理

從南京部分地區照明線路24 h帶電運行過程中發現，從相對靜態的照明負荷，到動態變化的智慧桿件終端負荷；從照明的三相均衡供電，到動態調整的三相供電；從亮燈供電模式，到24h全天候供電；從桿體漏電監測，到泛在的智慧終端設施漏電管理，智慧桿件體系的管理與智慧城市的管理有著本質區別。智慧桿件“能源網”的數字化，其管理目標是負荷資源的實時可用分布，是在城市照明“數字化”的基礎上，進行差異化的增補。

(1)橫向的數字化。①負荷管理方面，進行在用負荷、可用負荷，相關時間段、空間點位分布的數字化投切、數字化計量；②三相平衡方面，進行基站等智慧城市負載的相序管理，負荷均衡等數字化管理；③24h供電方面，進行城市照明負荷與智慧城市終端負荷的數字化區分、數字化監控、數字化保障，以及線路故障對于5G基站等負荷運行影響的數字化管理；④對于智慧終端外殼帶電的數字化管理；⑤對于電網諧波控制的數字化管理。

(2)縱向的數字化。依然遵循，結合空間分布、時間維度的數據感知、數據對比、決策調控、閉環反饋的過程體系。

3.2 數字化的桿件網管理

智慧城市桿件網，是智慧終端加載的硬件平臺，其數字化管理目標是系統能夠實時提供可用桿件數量、可用接口數量[3]。

(1)橫向的數字化。①建立圍繞智慧終端可加載的評價體系，包括桿體強度、基礎強度、可承載負荷、通用接口等數字化監測、評估。②建立桿件網，與能源網之間的關聯關系，綜合評估設施的可用性、可持續性狀態。

(2)縱向的數字化。①建立與地理信息系統的關聯，提供位置信息服務；②與作業系統關聯與實際需求進行比對，觸發替換原桿件、改造原桿件、專項工程，使之動態符合設備加載需要；③與環境因素相關的對比，如水浸、水淹的影響觸發遠程排水，如桿件被損觸發的桿體更換等。

3.3 數字化的終端網管理

智慧城市桿件體系終端管理，與城市照明單燈監控終端管理具有極高的相似度，是單燈數字化管理縱向的復制和橫向的擴展，其管理目標是終端設備的“100%在線”，“100%可用”。

(1)橫向的數字化。①建立動態更新的設備類型庫(如攝像頭、信號燈、環境監測探頭、WIFI探針、微基站等)，按照功能劃分、按照應用場景劃分；②建立面向場景的設備關聯信息模型；③建立各類終端設備修復的工法庫等。通過縱橫結合的數字化模型，解決智慧城市終端數量大、類型繁雜、處置方式多樣、分布分散的管理難題。

(2)縱向的數字化。①通過智能網關建立終端狀態的通信通道；②通過智能電源建立終端電氣參數的監測通道，建立精準定位至每個終端設備的感知體系；③通過智能化數據分析，對比實時在線率、故障率標準，觸發終端故障工單派發、工單修復與反饋體系，以及批量設備問題的熔斷機制、共性技術難題的攻關機制；關聯至材料供應鏈體系、作業人力機械的定額化配置。

4 數字化的智慧桿應用場景

將從城市照明服務向智慧桿件體系的數字化交付，看作是一次有形的物理形態的轉換；那么從智慧桿件體系向智慧桿件應用場景的落地，則認為是一次無形的數字化轉換，分層演進數字化的感知網、信息網以及應用場景組合。

4.1 數字化的感知網

建立智慧城市“專業功能需求庫”，同時建立“智慧終端庫”對種類及特性進行分類歸集，再建立功能與終端的“數字化匹配”，形成數字化的感知網絡。

(1)視頻監控方面，具有角度的、距離的、清晰度參數之分的攝像頭管理庫；射頻監控方面，具有機動車、非機動車之分的射頻探測器庫。

(2)位移監測方面，建立靜態位移、動態位移、低精度位移、高精度位移的監測器庫。視頻監測、射頻監測、通訊監測、位移監測、環境監測，在不同智慧城市應用場景之下，有著不同的設定標準。需以數字化滿足個性為主、兼顧共性的智慧桿件感知終端的網絡運行。

4.2 數字化的信息網

依托智慧桿件驅動的數字化“感知網”，需要進行同類、不同類的感知組合，數據加工，形成“數字化輸出”。比如，車流量(依托視頻監測，以及視頻的語言數字化技術轉換)、人流量(依托WIFI信號的探知，以及相應算法)、車行軌跡(依托路側單元的定位互動)、人行軌跡、設施狀態、環境狀態(基于多個監測單元的感知數據，以及專業的算法組合)，都是在依據多個類型的感知體系的組合下形成的。因此，在數字化模型下，我們將“感知網”看作是“功能中臺”，將“信息網”，看作是“數字中臺”，而將下一步的應用場景設定為前臺。

4.3 數字化的場景組合

認為具有價值的信息網，是智慧桿件體系內部數據整合的終極形態；那么再引入外部數據的打通，多維度的數據排列組合，則是智慧桿件應用場景實現N到∞的關鍵所在。

(1)內部數據關聯的應用場景。比如南京“喵喵街”的“行人闖紅燈管理”，是多個攝像頭的終端網建立的感知網，再通過圖像的語言數字化形成的信息網，對比交通信號燈的邏輯信號，進行數字化的整合，達成實時的、動態的、精準的人員違規行為的獲得。

(2)內外數據關聯的應用場景。如南京南站的“黑車治理系統”，以覆蓋車站周邊劃定區域以桿件為載體，高清攝像頭為感知網，建立對站內車輛拍照信息、乘客信息精準抓拍的鷹眼系統，再通過交管系統數據共享將原黑車清單，或者具有黑車行為的車輛信息進行系統集成，則形成了車輛違規行為的獲得。

(3)智慧城市場景的數字化組合。在縱向上是內外部數據的整合和輸出，而在橫向上則是智慧交通(如行人闖紅燈、不按規則行駛、違規停車、黑車治理)，智慧安防(如河道越界、異常行為)，智慧城管(井蓋移位、垃圾箱滿溢、占道經營、渣土車管理)，商業服務(信息屏)等多專業、多序列的搭載，這些都需要進行數字化的編碼、組合、管理。因此，數字化的場景組合，是智慧城市的復雜多變的場景應用實現智能可控的必要條件。

5 數字化的智慧桿人工智能

5.1 智慧桿件體系的“分布式”

智慧桿件體系下的智慧城市應用場景運營具有數據量大、數據類型繁雜的特質。我們僅以南京青奧示范區一期中的4個單功能應用為例，“河道越界監測”監測的數字化每天產生約30條數據；“垃圾箱及井蓋監測”，20個終端，攝像機和位移探測器聯動，每天產生約500條數據；“停車管理”，2部攝像機6個車位，每天產生約600條數據；“人流監測”，20個WIFI探針，每天產生3000條數據，這僅僅是1.4平方公里范圍內，部分功能、單專業應用的場景。

基于此，多專業綜合的應用場景、監測加執行的應用場景，其排列組合產生數據量不設限，給后臺軟硬件動態保障產生持續壓力。因此，我們在青奧示范區二期采用了云計算、分布式計算的方式。在此過程中，我們將“分布式”的方法論進行了擴展，源自于算力的“分步式”，通過建立路側單元的“計算能力”對后臺算力進行補充；延伸至信息交互的“分步式”，賦予路側單元“信息交互”的能力；延伸到執行單元的“分布式”，通過路側單元對執行期間進行本地化管理，形成“動作執行”能力。據此我們建立了“數字化的前后端架構體系”、“數字化的前端自制系統”、“數字化的人工智能系統”，共3個層級的智慧桿件體系。

5.2 數字化的“后端”架構體系

即后臺、前端的職能切分和關聯關系的數字化。在“前端自制”的目標之下，后臺從原來的管理到現場每個攝像機、探測器，轉變為管理前端自制體系。在這個維度上，我們將后臺比作是“保障中心”，為每個自治前端提供終端設備保障、能源供應保障、通訊供應保障；后臺是“信息中心”，為每個自治端提供區域內的各類基礎信息，幫助前端開展本地化管理；后臺是“場景中心”，進行場景的開發、投運，建立動態的自制前端的排列組合；后臺是“輸出中心”，最終提交TOG、TOB的數據服務。

5.3 數字化的“前端自制”系統

我們在南京“喵喵街”推出“智能路燈機器人”的概念，將智慧桿件從信息可傳輸、設備可加載，升級為數據可計算、可交互、可執行的智慧城市“路側單元”。

(1)可計算-“路側計算”。通過“桿側計算盒”，對終端設備的監測數據按照“算法”進行計算加工，向后臺提供直接可用的價值信息(如“行人闖紅燈”，路側單元對視頻信號、信號燈數據進行就地整合，完成異常行為的結果信息輸出)；向本地執行單元提供執行指令(如“行人闖紅燈”，燈光、音響、信息屏的動作執行的計算)。

(2)可交互-“路側平臺”。建立智慧城市分步式體系的路側平臺，路側單元將圍繞應用場景，進行數據的采集、輸出，結合后臺數據的支持，其數據源將跨越本桿的終端設備、鄰桿的設備，到區域內的設備，直至交管、公安、城管的數據體系，形成廣域的數據匯聚路側單元。

(3)可執行-“路側執行”。路側可計算、路側可交互，為路側可執行創造了條件，為路側的單一功能執行升級為廣域聯動的功能執行創造了條件。如渣土車異常行為的管理，路側單元的可計算、可交互，讓路側單元在此類綜合場景中形成自定義、自反饋，在什么時間、什么條件下，應該執行怎樣的路側聲光電告警，直至觸發公安、交管、城管的單兵執法。

5.4 “數字化的人工智能系統”

(1)可思考-“路側智能”。當路側單元依次達成“可計算”、“可交互”、“可執行”的三個階段之后，進行一定時期的大數據積累，再融入“人工智能”AI技術，由此讓路側單元進入“可思考”的更高層級，讓智慧桿件體系成為路側智能機器人，讓路側單元替代“公安、交管、城管”各專業，以及各層次的人員，達到“可替代”的目層級。路側智能機器人，在“喵喵街”的“行人闖紅燈告警”、“車輛違停驅離”場景中，捕捉異常數值，替代了“執法人員”。

(2)可替代-“路側機器人”。隨著AI的加持，路側智能機器人將動態捕捉道路車流量，動態釋放信號燈指令，替代“交通指揮員”的角色；而將區域化的車流量、信號系統進行結合，再根據大數據的積累的習慣，則可以讓路側智能機器人體系替代，“交通規劃”的職能。從“執法”、“指揮”、“規劃”這三個層次依次推進，路側單元的智能化，則認為是當前城市交通智能化的發展方向之一，并將帶動現有傳統設施的活化利用。經過“可計算”、“可交互”、“可執行”、“可思考”、“可替代”5個階段進行縱向串聯，以及橫向的技術應用，路側單元將徹底改變城市管理的形態，是從照明到智慧城市發展的科學路徑。

6 結語

實踐表明，新基建，依托于傳統基建系統的穩定、高效、可加載；傳統基建，受益于新基建應用場景的持續拓展所帶來的對設施品質的持續升級的新標準、新要求。我們將照明的數字化、智慧桿件的數字化、智慧城市應用場景的數字化、智慧城市應用場景的智能化，作為智慧城市桿件體系發展的四個層級；在每個層級之內細分層次，依次演進，并在這個主軸線上產生大量的新技術、新產品的需求，進而形成多個單專業應用；而在每個層級之間，上下銜接、互相促進，構建多專業、多領域發展的綜合產業生態。綜上所述，從城市照明發展智慧城市，我們通過數字化，賦能新基建、賦能碳中和，實現城市照明從消耗型資產轉化為經營型資產，實現數字化的智慧桿件體系，驅動智慧城市產業的持續升級與拓展。