基于智慧燈桿系統的關鍵技術發展路徑研究

臧 鋒，黃李奔，劉 立

(南京市城市照明建設運營集團有限公司，江蘇 南京 210019)

《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十四個五年規劃和2035年遠景目標綱要》提出“加快數字化發展，建設數字中國”，將“分級分類推進新型智慧城市建設”作為加快數字社會建設步伐的關鍵舉措，賦予了新型智慧城市發展更多的新使命和新內涵[1]。

作為新一輪信息技術變革和知識經濟發展的產物，智慧城市是工業化、城市化與信息化深度融合并向更高階段邁進的表現，是通過構建以政府、企業、市民為主題的交互與共享信息平臺，為城市治理與運營提供更加“便捷、高效、靈活”的決策支持與行動工具，從而實現“低碳、安全、便利、友好”的城市發展目標。

深度覆蓋的感知體系是實現城市運行管理“自動感知、快速反應、科學決策”的關鍵基礎設施，在智慧城市建設中具有重要作用。隨著新型智慧城市建設的深入推進，加快建立底賬清晰、全域覆蓋、網絡通暢、數據共享、智慧共用的智慧城市感知體系，把握城市脈搏、建立城市畫像，形成“廣泛感知、綜合感知、智慧感知”的感知格局已成為智慧城市建設的關鍵環節。

智慧燈桿以其優秀的點位、廣泛的分布成為智慧城市感知體系建設的良好載體，在各類ICT技術的賦能下，可以高效集約的提供城管、市政、交通、安防、環保等多領域的新型公共服務。同時，合理布局的智慧燈桿網絡，可以為智慧城市大腦實時提供海量城市運行數據，并實時將城市管理決策精準傳達到城市各處，是構建數字孿生城市及其交互體系的重要基礎(圖1)。

圖1 智慧燈桿與智慧城市的關系Fig.1 The relationship between smart light poles and smart cities

1 智慧燈桿的發展特征和趨勢

智慧燈桿具備“綜合集成、共享共用、智慧賦能、和諧發展”等特征[2]，在新時代新技術的賦能下，智慧燈桿作為智慧城市的重要基礎設施，是智慧城市重要的基礎設施和數據入口，并逐漸呈現出“數據融合、數據安全、軟件定義、智能決策、生態共生”等新趨勢。

(1)數據融合。智慧燈桿可供不同行業或部門使用，通過載體、設備及數據層面的共享，實現更大的社會價值。各種設備和傳感器采集的數據在脫敏后可通過平臺進行開源共享，從而打破“數據孤島”，最大化實現從數據采集、數據治理到數據要素的自由流通，催生更多行業創新應用。

(2)數據安全。在《數據安全法》、《網絡安全法》和《個人信息保護法》的三法聯動推進下，中國數據市場進入安全合規發展階段，智慧燈桿的數據安全也應在行業的高速發展背景下受到更多關注。

(3)軟件定義。智慧燈桿是智慧城市物聯感知體系的重要載體，但其也應不斷突破自身局限性，在打通融合數據基礎之上通過軟件定義等方式實現自身變革，構建更為豐富的智慧應用場景。

(4)智能決策。當前，智慧燈桿已進入“能聽見、能看見、能感知”的智能感知階段，隨著技術的不斷發展，由軟件定義的新一代智慧燈桿應逐步具備支撐城市大腦“自優化、自學習、自演進”的能力，推動智慧城市向智能認知、智能決策階段邁進。

(5)生態共生。在經濟發展由高速增長轉向高質量發展的背景下，智慧燈桿行業也將面臨全新的產業結構調整升級，即通過開放其平臺算力、數據和服務，吸引更多的優勢生態企業參與各類智慧場景建設，實現資源最優配置、多方合作共贏，為數字經濟高質量發展提供肥沃的土壤。

2 智慧燈桿的系統架構

根據不同的功能定位，可以將智慧燈桿系統自下而上劃分為物聯感知層、接入匯聚層、網絡傳輸層、平臺與應用層等四個層級(圖2)。

圖2 智慧燈桿系統架構圖Fig.2 Smart light poles system architecture diagram

(1)物聯感知層。物聯感知層主要為各類桿載設備，其基本功能主要有智慧照明、視頻監控、移動通信、公共廣播、環境監測、一鍵呼叫、信息發布等，并具有權限設置、參數設置、數據采集、信息安全保障等基礎能力。

(2)接入匯聚層。接入匯聚層負責桿載設備的信息采集、數據傳輸、狀態監測、遠程控制等。接入匯聚節點宜具有邊緣計算功能，其中：網關控制器實現各類終端設備的集中統一接入；交換機對終端設備的數據進行匯聚傳輸；邊緣計算設備是主要的計算載體，支持CPU/GPU/NPU等異構協同計算。

(3)網絡傳輸層。網絡傳輸層將數據通過傳輸網絡傳送至管理平臺，其架構分為兩層、三層兩種形式。在網關控制器、交換機、邊緣計算設備配置不同的情況下，可采用樹型、星型、MESH型等不同的組網方式。

(4)平臺與應用層。平臺與應用層是智慧燈桿系統的控制管理中心，支撐智慧燈桿的各類應用和業務管理，提供與其他系統平臺的數據交換和服務連接。平臺與應用層對計算、存儲、網絡等各類云基礎設施進行管理；實現對軟件定義燈桿操作系統層(SDP-OS)的統一控制和調度，通過OTA在線升級的方式，與邊緣端結合，提供持續更新終端的能力；針對個性化產品開發和數據安全，提供基于SDK和隱私計算的技術支撐；同時，平臺與應用層還可預制和擴展各類應用場景，如基于智慧燈桿的智慧城管、智慧交通等行業應用，未來還可擴展至碳匯交易、數據交易等創新應用。

3 智慧燈桿系統技術發展路徑

從物聯網、大數據、人工智能技術的積累，到多個創新場景的應用爆發，社會數智化進程正在不斷加速，數字技術與真實世界融合的全真互聯時代已來臨。智慧燈桿系統作為新型基礎設施建設的典范，是智慧城市的重要數據入口，也將為物理世界與數字世界全面映射、融合互動奠定堅實基礎。隨著“國家治理體系和治理能力現代化”“一網統管”“數字化改革”“全生命周期管理”“碳達峰碳中和”等政策及理念的廣泛推行，依托智慧燈桿建設的數字孿生城市可以通過空間分析計算、動態模擬仿真推演、機器學習等高階能力優勢，解決城市跨行業、跨部門協同綜合治理方面的難題，充分釋放新型智慧城市的高附加值。

智慧燈桿從智慧物聯到數字孿生的技術發展路徑集中體現在以下幾個方面(圖3)。

圖3 從智慧物聯到數字孿生Fig.3 From intelligent internet of things to digital twin

3.1 從功能分散到高度集成，打造“去中心化”智慧終端

(1)功能的分散到集成。

智慧燈桿是多種設備設施和技術的綜合體。從硬件功能方面看，智慧燈桿可綜合通信桿、路燈、交通監控、安防監控、交通指示牌、環境監測等多種主要功能設施于一身，實現“多桿合一”；從配套資源方面看，智慧燈桿可將多套功能系統的承載、供電、通信等配套資源進行整合，優化城市管網利用，減少重復建設及資源浪費；從建設運營方面看，綜合多種功能的智慧燈桿可更有利于集約高效地開展規劃、建設、運營及維護等工作，實現專業化和規模化，提升建設效率及品質。根據《江蘇省多功能桿智能系統技術與工程建設規范》中的要求，智慧燈桿各類掛載設備應采用集中分層設計如下(圖4)：

第一層：高度0～2 m，適用于充電樁、一鍵呼叫、設備艙、檢修門等；

第二層：高度2～6 m，適用于信息發布屏、視頻監控設備、公共廣播、路名牌、人行信號燈等；

第三層：高度6～8 m，適用于無線AP、交通標志、交通信號燈等；

第四層：高度8 m以上，適用于LED燈具、通信基站、環境監測傳感器等[3]。

圖4 智慧燈桿典型功能組件示意圖Fig.4 Schematic diagram of typical functional components of smart light pole

(2)數據的分散到集成。

智慧燈桿可以實現城市管理、公共交通、環境監測等各類行業數據的采集，隨著智慧燈桿建設的不斷深入，信息的流通和共享將更加順暢，各類數據將會實現網格化、扁平化的流通，徹底打破“數據孤島”的問題。智慧城市的高速發展順應了城市治理、運行、服務的廣泛需求，但部分跨層級、跨行業、跨部門協同綜合治理方面的問題仍難以解決，亟須通過智慧燈桿建立高效共享的“數字網格”，實現城市級、綜合性、復雜性應用場景的構建和落地。未來還將進一步結合大數據、邊緣計算、云計算等技術，通過實時海量視頻數據智能分析能力、海量異構數據關聯比對和深度分析能力、大規模物聯網設備數據實時處理和深度分析能力、基于圖譜的城市實體和關系發現能力，精準、實時地挖掘城市運行的規律，進行城市發展趨勢預測，為城市的精細化治理提供有力支持。

智慧燈桿系統平臺建設應優先搭建全域數據庫。通過全域數據可以獲取各個環節的關鍵業務數據，完善元數據管理，形成全局的數據字典、業務數據規范，為多維分析、決策支持、可視化展示等應用提供更及時、準確、有效的支持(圖5)。

圖5 智慧燈桿系統全域數據庫架構圖Fig.5 Global database architecture diagram of smart light poles system

數據治理也是智慧燈桿系統數據入庫前的關鍵環節。其核心是通過將數據標準和數據模型作用于“數據質量需求-數據質量分析-數據質量保障-數據質量監控”的全鏈路數據質量管控體系，實現數據集中、標準、干凈、可評估，為各類智能應用提供高保障的數據供給。

3.2 從智慧節點到智慧生態，構建智慧城市基建網絡

通過智慧燈桿可以構建形成智慧城市的生態網絡。新型智慧城市的建設需要以數據為基礎，城市數據的采集依賴于建立“全域感知”體系，即將信息感知設備合理、泛在的布局在城市各處，采集大量的跨空間、跨垂直領域的傳感信息和視頻數據，智慧燈桿分布廣、位置優良，是“全域感知設備”的優良載體。依托智慧燈桿構建的智慧生態，可以極大增強智慧城市自適應系統的信息獲取、實時反饋和即時服務能力。

同時，5G、NB-IoT、Zigbee、LoRa等各類無線通信技術的快速發展，可以有效支撐智慧燈桿快速構建各類智慧生態。如車路協同是典型的智慧生態應用場景，汽車與道路基礎設施通信(V2I)技術是車路協同的重要部分。通過搭載于智慧燈桿上的智能傳感器、邊緣計算等設備，自動駕駛車輛可實時獲取周邊道路的交通信號、車輛、人群的變化情況。結合車輛的自動駕駛系統，可在與智慧燈桿協同配合的過程中，精確地掌握前方道路情況，以“上帝視角”判斷路況并及時調整行駛狀態，大大增加道路行駛的安全性。

其中，車路協同主要利用5G網絡的uRLLC(超高可靠超低時延通信)特性，此特性主要用于滿足移動環境下車聯網、自動駕駛、工業控制等業務需求。這部分業務對帶寬和連接數量要求不高，但對時延和移動性要求極高，NGMN定義的端到端時延不高于1 ms。為此，5G核心網設備將深度下沉，甚至下沉到邊緣CU。故可認為uRLLC業務將終結于5G回傳網絡的匯聚路由器甚至更低，低時延網絡成為支撐uRLLC業務的必要條件(圖6)。

為進一步降低整體網絡時延，提高傳輸帶寬，控制項目投資，在智慧燈桿系統的回傳網絡中應優選全光網絡方案進行建設。同時，在投資充裕、對網絡時延要求不高的情況下，可選擇傳統二層/三層交換網絡方案；由于成本、技術成熟度等原因，暫不建議采用無源波分、OTN、WDM PON等方案(表1)。

3.3 從固定場景到彈性場景，豐富數字新基建內涵

(1)總結共性需求，打造智慧應用場景模板。

智慧燈桿可以快速實現城市、社區、道路等各類場景的全覆蓋，針對不同場景共性需求提煉形成的智慧應用模板，可以實現從固定場景到彈性場景應用的靈活部署，有利于提升城市扁平化、專業化治理水平，降低智慧城市綜合建設運行成本，迅速提升基層治理的數字化基礎條件，加速推動城市治理體制機制創新。

圖6 面向5G的傳送網架構[4]Fig.6 5G oriented transport network architecture

表1 智慧燈桿回傳網絡方案比較Table 1 Comparison of smart light pole return network schemes

在智慧城市和新基建的實踐過程中，要逐步融入智慧燈桿共建共享的發展理念，以技術創新為驅動，結合數字經濟高質量發展的需要，提供數字化轉型升級、融合創新服務的新型基礎設施。近年來，各地都在持續推進“最多跑一次”“一網通辦”“一網統管”“一網協同”“接訴即辦”等政府數字化改革創新實踐，智慧燈桿應融入政府數字化改革體系，作為城市運行功能中心的一部分，和其他平臺體系共同打造重點應用場景，推動城市運行流程再造和管理創新，加快實現“一網整合數據、一屏能觀全局、一體應急聯動、一線解決問題”，進一步提升城市治理現代化水平。如，指揮協調系統為城市“一網統管”平臺的核心功能，根據城市精細化治理的要求，應能夠實現跨層級、跨部門、跨區域業務“發現、立案、派單、核查、處置、結案”的快速閉環，并提升面對突發事件、自然災害、重大保障、專項工作等緊急情況時的應急處置能力。指揮協調系統作為社會治理應用場景的共性需求，應優先嵌入智慧燈桿系統平臺，為各部門業務的協同提供良好的基礎條件(圖7)。

圖7 指揮協調系統業務流程圖Fig.7 Business flow chart of command and coordination system

(2)融合強化學習，構建彈性服務能力。

隨著數字經濟的快速發展，以算力為核心的新基礎設施建設加速推進，算力正在成為全新生產力。云邊端協同作為建設泛在化算力的重要方向，是數字化創新和智能化轉型的突破口，將逐漸成為引領產業發展的新動能。城域級的智慧燈桿設施，依托“云邊端一體化”技術可以使算力更靠近事件現場，快速高效地實現各類事件的閉環處置。同時，通過人工智能的強化學習技術，可以使智慧燈桿系統與周邊環境進行實時交互，針對各類城市治理模型進行自我訓練和迭代升級，構建更加靈活的彈性服務能力，促進智慧城市分析決策水平的不斷提升。

在云邊端一體化發展下，智慧燈桿系統應用不再局限運行于中心云單一資源池，跨云、邊、端的分布式應用成為趨勢。通過云邊端應用一體化，智慧燈桿系統可以構建跨云邊端的分布式應用統一開發、部署、調度、管理能力，幫助構建彈性敏捷的分布式應用。在應用管理方面，通過配置編排模版、部署策略(地理親和性、反親和性等)、調度策略(資源池、健康狀態等)、鏡像加速(緩存、P2P等)、數據遷移等，實現跨云邊端集群的應用統一管理；在服務流量治理方面，通過云邊容器網絡互聯互通、跨云邊集群服務發現、服務智能路由(位置、時延、網絡質量等)、流量管理(流量切換、限流、降級、負載均衡等)，實現服務統一治理；在運維方面，通過統一監控告警、全鏈路追蹤、自動化運維等技術，保障應用穩定可靠。

3.4 從軟件定義燈桿到軟件定義世界，主動提升服務能力

軟件定義是基于軟件的泛在性，利用數據時代軟件本身的算法、數據、認知一體化的特性，對物理產品和信息系統賦予應用功能和使用價值，是信息時代滿足多樣化需求的有效手段，也是軟件基礎設施化的重要技術途徑。智慧燈桿作為智慧城市重要的基礎設施，利用軟件定義技術可以最大化利用現有的路燈資源，實現對存量路燈設施的“賦值”、“賦能”、“賦智”。

通過軟件定義燈桿可以大幅降低智慧燈桿的應用服務邊際成本，在平臺化系統軟件解決方案的基礎上，軟件定義燈桿將不受硬件資源約束，系統可實現更多的功能、提供更為靈活高效和多樣化的服務，并提供持續更新的能力。如，智慧燈桿上的傳統視頻監控設備，通過軟件定義升級，可以實現人群客流分析、道路車輛分析、交通違章處置、城市精細化管理等功能，極大地提升了其服務能力。

需要注意的是，基于智慧燈桿系統的軟件定義是一個過程，不是一蹴而就的目標，需要分階段實施。軟件定義逐漸將硬件與軟件進行解耦，將硬件的可操控成分按需求，分階段的，通過編程接口或者以服務的方式逐步暴露給應用，分階段地滿足應用對資源的不同程度、不同廣度的靈活調用。建議按照IAAS、PAAS和SAAS服務模式，分階段向運維管理人員、開發部署人員、業務應用用戶提供相應服務能力。

3.5 從數據標準到數據治理，夯實智慧城市基礎

數據是新時代的基礎戰略性資源和重要生產要素，也是新型智慧城市的長效運行基礎。安全有效地推動數據利用、共享和流通，挖掘數據價值，才能快速釋放數據生產力，助推經濟社會高質量發展。然而在實踐中，數據資產流通仍然面臨著諸多問題，難以發揮生產要素的真正價值。為激活智慧燈桿的數據要素潛能，通過數據賦能提升政府治理能力、優化社會服務供給，應構建涵蓋數據治理、數據立法、數據安全、數據交易的數據全生命周期管理體系。一是加強數據管理，建立健全數據資源管理機制，制定數據采集、傳輸、存儲、共享、利用的標準規范，形成數據共享開放利用的常態化工作機制；二是推進數據立法，建立數據要素權責利對等機制，以法律形式確立數據隱私、安全紅線，明確數據的所有權、管理權和使用權，形成數據共享開放、開發運營的權責利體系；三是推動數據定價，建立數據要素市場化運行機制，探索建立數據要素價值評估模型，形成依據數據成本、類型、屬性、質量等多種因素構成的數據資源流動定價機制；四是開展數據授權運營探索，完善授權開展各類數據運營的各項機制，分級分類推進數據資源開發利用。

元數據(Metadata)，又稱中介數據、中繼數據，為描述數據的數據(data about data)，主要是描述數據屬性(property)的信息，用來支持如指示存儲位置、歷史數據、資源查找、文件記錄等功能。其使用目的在于：識別資源；評價資源；追蹤資源在使用過程中的變化；實現簡單高效地管理大量網絡化數據；實現信息資源的有效發現、查找、一體化組織和對使用資源的有效管理。為提高智慧燈桿系統的數據質量，應形成統一的智慧燈桿系統元數據標準，并按照“一數一源”原則，對各類數據資源進行綜合校驗，確保數據的準確性與完整性。在此基礎上，可利用統一的公共數據匯聚標準、接口規范、調用規則、開放要求，提高數據需求滿足率(表2)。

表2 智慧燈桿系統元數據標準范例Table 2 Example of metadata standard for smart light poles system

續表2

同時，數據確權也是目前上海等國內一流城市正在積極推進探索的。數據確權路徑確認的標準有兩個，一是由易到難，層層推進；二是對有助于實現社會和個人效益更大化的數據優先確權[5]。對于分類數據而言，個人數據、企業數據、社會數據的性質不同，可確認的產權種類不同，確權難易度也不同。例如，智慧燈桿產生的數據構成復雜，既有自身運營的原始數據，又有與外部數據交互后形成的衍生數據，還有政府和社會公眾的各類數據。因此，經過分類分級后的數據包含的數據產權束各不相同，包含的產權束內容越多，數據確權越復雜(表3)。

表3 分級分類數據產權Table 3 Property rights of classified data

4 結語

以智慧燈桿為代表的新一代信息基礎設施已成為提升城市能級和核心競爭力的重要載體，也是推動數字經濟發展的關鍵使能器。當前，信息基礎設施正面臨著新舊動能轉換、發展重心調整、運營模式創新的重大變革，其內生動能將從傳統網絡技術向大數據、人工智能、云計算、物聯網等新一代信息技術拓展；發展重心將從帶寬、速率等傳統網絡指標向與城市管理、民生服務等密切相關的生態指標轉變；運營主體將從傳統電信運營商向行業龍頭企業、國資平臺公司、互聯網企業等主體延伸，由此將形成多元的發展動力、多維的評價標準和多樣的服務業態。為順應新一代信息基礎設施發展趨勢，我們理應主動引領智慧燈桿產業發展，對標國內外最高標準、最好水平，以軟件化、知識化、智慧化、模塊化重構產業生態和信息基礎設施，形成城市級戰略性基礎資源，全面支撐城市治理體系和治理能力現代化建設。