“5G+價值路燈”推動智慧城市建設

孫彥璽，姜冰冰，于怡然

（鄭州輕工業大學，河南 鄭州 450000）

0 引 言

近年來，人工智能、大數據、云計算、邊緣計算和5G通信等技術發展迅速，為智慧城市的建設帶來新的機遇和挑戰。在智慧城市建設的過程中，以價值路燈[1]為載體，各類智能儀器儀表、前端傳感器為基礎，5G通信技術為核心，搭建智慧城市級物聯網平臺[2]，將促進智慧城市中智慧照明、智慧交通、智慧醫療、智慧人文、智慧環保和智慧安防等應用的發展[3]，實現城市的進一步迭代升級，推動社會進程由“移動互聯”朝著“萬物智聯”的方向快速轉變。

1 “5G+價值路燈”的物聯網體系架構

物聯網架構一般由感知層、網絡層、應用層三層構成，亦即“端、管、云”[4]。感知層（端）通過各類儀器儀表和傳感器實現對物理世界信息的識別、感知和采集；網絡層（管）通過各種有線、無線的私有或公用網絡實現對來自感知層的信息傳遞；應用層（云）通過對信息的計算和處理實現在各行業的垂直應用。但隨著物聯網技術的飛速發展以及物聯終端設備的大規模應用，使得終端設備產生的數據呈現爆炸式增長。“端”設備產生的海量數據需要通過“管”傳輸給“云”計算，使得整個系統的任務變得極其艱巨。面對大流量數據的傳輸和計算壓力，急需出現可以在“端”邊處理一定數據任務的設備，以提供邊緣智能計算和服務，由此便催生了邊緣網關[5]的出現和發展，并產生了面向多種應用場景的邊緣計算算法[6]。隨著邊緣計算技術的成熟，以及邊緣智能網關在物聯網整體架構中地位的提升，邊緣層便成為獨立的一層，物聯網架構也由原來的三層變成了現在的“云、管、邊、端”四層。

基于邊緣網關，通過邊緣計算調度算法，使得部分數據處理任務可以在邊緣端進行處理，提高了數據處理的效率，降低了數據的傳輸時延，減輕了云計算壓力。通過以云計算為核心的集中式大數據處理技術和以邊緣計算為核心邊緣式數據處理技術的相互配合以及端設備協同作業，數據的處理會更可靠、高效，萬物智聯的物聯網時代終將滲透至人類社會生產生活的方方面面。在智慧城市照明體系的建設過程中，基于“5G+價值路燈”的物聯網架構也應當采用“云、管、邊、端”四層架構，便于為更多設備加入時也能讓數據得到更精確的處理。

2 “5G+價值路燈”結合的天然優勢

隨著5G技術的不斷發展和成熟，我國5G于2019年正式步入商用元年，開始了它的商業化部署之路。據市場調研機構的調查顯示，2020年一季度在5G通信設備市場中，中國的通信設備制造商華為公司和中興公司分別以35.7%和10.4%的市場份額位居全球第一和全球第五，5G基站的出貨量已達數百萬臺。顯然，中國的5G技術已經走在了世界前列。下一步要實現5G的商業化推廣和應用，5G基站的建設則迫在眉睫。

傳統基站在建設過程中存在著基站載體重復建造，資源浪費嚴重且投資成本高的問題，各種應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網絡使用的頻段主要是高頻段，為了滿足熱點高容量場景下的高數據流量、高傳輸速率、高可靠性和低時延的特點，5G將采用“宏基站+微基站”的模式進行城市的超密集組網，這使得5G微基站在部署建設時對站址資源的剛性需求急劇增加[7]。不僅如此，5G基站對電能的消耗也很大。與4G基站對比而言，4G基站的覆蓋半徑可達千米，而5G基站的覆蓋半徑只達到了百米級別，因此預計5G微基站的部署數量將會是4G[8]的4～10倍；單個4G基站的功耗大約為1 000 W，而5G基站的功耗則達到了3 000～4 000 W。

價值路燈是城市照明系統中最基礎的組成單元，遍及城市的各個角落，天然成為了部署萬物智聯“神經元級”核心通信樞紐，即5G基站的最佳終端載體。5G基站與價值路燈結合，一方面可以解決由于受到覆蓋范圍的限制使5G微基站在部署建設時對站址資源的剛性需求急劇增加的問題；另一方面，可以利用價值路燈燈桿的供電系統解決5G微基站建設中的電纜敷設問題。最重要的是，由價值路燈搭載5G基站建立的智能物聯網體系，不僅為面向智慧城市發展起來的無人駕駛技術、市政交通等應用提供了可能，還可以實現工業4.0時代大規模機器通信的需求，亦可以依靠增強的5G帶寬滿足AR（增強現實）和VR（虛擬現實）[9]。可見，5G微基站與價值路燈的結合應用具有天然優勢，兩者相輔相成、互為支撐。

3 “5G+價值路燈”的應用前景分析

在5G商用時代到來之際，世界各國都在積極規劃引導5G與公共設施的融合。價值路燈因其具備分布廣、可聯網和持續供電的特點，除了實現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、信息發布屏、交通及公共廣播、各類傳感器、汽車充電樁等硬件設施，為進一步實現城市的智慧通信、智慧交通、智慧安防、智慧環保等功能提供了可能性。面向未來，價值路燈作為智慧城市物聯網體系架構中最好的組網節點和最佳的終端載體，可憑借其強大的可擴展性[10]添加需要的設施，解決系統的外部擴展、有效聯網和建設成本問題，為智慧市政創造出更多的附加價值。

在標準制定方面，近年來國際標準化組織ISO、國際電工委員會IEC等相關組織都在積極地研究和制定智慧照明相關的標準體系，確立標準框架，從而為智慧照明行業的快速、健康發展提供標準方面的技術參考[11]。此外包括互聯照明聯盟、TALQ聯盟、Fairhair聯盟在內的國際其他組織也都在積極推動智慧照明行業的發展。中國作為人口眾多、城市密集的國家，也在積極推動城市照明向智能化方向前進，努力實現城市的“綠色、集約、智慧”發展。國內相關組織和各級地方政府也出臺了相關標準和政策。相信在各方的努力下，“5G+價值路燈”物聯網智慧系統將很快在世界范圍內得到應用。

4 智慧路燈、價值路燈相關應用案例

當前世界上有很多國家都在進行智慧燈桿的試點項目，或對普通路燈桿進行改造升級，或進行整桿替換。從全球范圍內來看，例如美國圣地亞哥改造后的路燈桿安裝了麥克風、攝像頭、各類傳感器等設備也可以監控交通狀況、識別車輛的碰撞偵測、幫助找停車位、偵測槍聲等功能；德國柏林也對現存的普通燈桿進行升級改造，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、傳感器和數據通信設施，可以檢測空氣質量、監控交通、幫助找到停車位等功能。顯然，智慧路燈的建設已經在全球范圍內掀起了一股浪潮。在這樣的背景下，我國的智慧照明、智慧燈桿的建設也在如火如荼的進行，如南京、上海、杭州、成都、深圳、香港等地[12]。本文以正在建設新型價值路燈的南京、多功能智慧燈柱的香港為例進行介紹。

為了響應國家智慧城市、智慧照明建設，優化照明產業新布局，實現城市照明主業的升級迭代，南京市制定了“信息路燈（2014—2016）、智慧路燈（2016—2018）、價值路燈（2019—2020）”三個3年規劃目標。截至2018年年底，南京市已經逐步完成了前兩個階段的任務，并取得了顯著成效。同時，南京市作為5G網絡商用的首批試點城市之一，5G網絡通信的發展也將走在中國城市的前列。“價值路燈”作為三步走戰略的最后階段，亦被認為是城市照明行業發展的最終階段。通過與5G網絡的深度融合搭建城市物聯網體系，將會形成集建設、運行、維護、管理于一體的全新的物理信息系統，推動城市照明行業從照明本專業向智慧城市邊際的價值延伸。

香港正在建造多功能智慧燈柱，其試驗計劃共為期3年（2018—2021年），將分階段分地區進行建設。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展區正式投入運作，第二階段的工作已經在進行當中。部署中的多功能智慧燈柱裝設有交通探測器、全景攝影機、氣象感應器、空氣素質感應器等傳感器，以此來監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無線熱點和網絡通信設備，為市民提供免費上網服務。在香港多功能智慧燈柱試驗計劃穩步推進的過程中，香港各大通信運營商的5G網絡服務于2020年4月初全面問世，香港正式迎來了5G時代。特區政府的相關部門已經明確表明智慧燈柱已經預留了空間，以便為5G微基站的接入工作做準備，從而配合香港未來5G通信的發展。

5 結 語

目前國家大力倡導各行業走“集約、綠色”的發展道路，在構建智慧城市發展的宏偉藍圖時，可以從城市智慧照明的角度出發為智慧城市的建設貢獻一份力，而“5G+價值路燈”的新路徑顯然成為了構建智慧城市照明系統的最佳突破口。各個城市應當充分抓住5G與價值路燈融合發展的契機，緊跟時代發展潮流，組建起城市智能物聯網體系，奠定其在智慧城市時代作為萬物互聯組網方案的首選地位，提升城市管理的智能化和信息化水平，進一步推動智慧城市建設。