第2章
智慧灯杆系统架构与功能

智慧灯杆作为智慧城市的重要载体和数据入口，智慧灯杆系统架构的设计要以智慧城市建设需求为依据，以解决城市问题为出发点，为智慧城市构建全域信息感知网络提供支撑。本章将尝试擘画智慧灯杆系统发展愿景，从技术实现的角度，以结构化的形式来解构智慧灯杆系统，然后从服务对象的视角一一介绍智慧灯杆的各种系统功能。

2.1 系统架构

智慧灯杆系统总体架构可分为基础设施层、感知层、网络层、平台层、应用层，如图2-1所示。

1.基础设施层

基础设施层为智慧灯杆系统正常运行提供必需的杆体、综合机箱、综合机房、供电系统、传输接入光缆及配套管道等基础设施。

2.感知层

感知层具有环境感知和数据采集功能，一般通过智慧灯杆挂载的各类感知设备及传感网络对城市中现场物理实体及其所处环境的信号感知识别、数据采集处理和自动智能控制，实现对城市空天地动态信息的全面获取与控制。

3.网络层

网络层是智慧灯杆系统为各实体间的信息交付提供通信服务的信息通道，网联化是智慧灯杆区别于传统基础设施的显著特点。智慧灯杆网络包括有线网络和无线网络，根据服务对象可以分为公网和专网。

4.平台层

平台层的主要功能是实现数据共享与融合，为各类业务和应用提供通用数据和能力支撑，具有承上启下的作用。管理平台是智慧灯杆运营管理平台的核心，由各类业务应用支撑平台和数据中心构成，实现信息的有效、科学处理，利用网络切片技术与软件定义网络（Software Defined Network，SDN）功能，实现智慧灯杆平台层对各挂载设备的需求、业务、功能汇聚和分配、远程集中管理、控制、运行监测、数据分析、查询、定位等功能，形成基于业务平台的专用虚拟网。平台层主要从以下三方面提供支撑服务。

（1）平台层提供基于云存储的数据中心服务，将从网络层、各类数据接口汇集的各类传感设备、监控设备、移动通信设备、信息交互设备、物联网感知设备等相关数据进行汇聚、存储、映射、分析与管理。

（2）平台层还可以为需求方提供各类工程支撑服务，包括挂载信息资源交换服务、基于智慧灯杆的大数据智能决策支撑服务，为智慧应用提供技术支撑。

（3）平台提供数据等级保护服务，保障各组织、个人能合法获取数据的同时，最大限度上保护个人和企业隐私、政府组织战略机密等。

5.应用层

应用层建立在平台层、网络层、感知层、基础设施层之上，为政府、企业及社会公众用户提供各种服务和应用，包括基于特定行业的应用及综合型应用。其中常见的行业应用有智慧照明、智慧安防、智慧环保、智慧交通、智慧市政等特定行业领域的应用，综合型应用通常涉及较多跨行业、跨部门协作的集成业务应用，如智慧园区、智慧社区、智慧景区、智慧商圈等。

2.2 系统功能

智慧城市是以为民服务全程全时、城市治理高效有序、数据开放共融共享、经济发展绿色开源、网络空间安全清朗为主要目标，通过体系规划、信息主导、改革创新，推进新一代信息技术与城市现代化深度融合、迭代演进，实现国家与城市协调发展的新生态。其本质是全心全意为人民服务的具体措施与体现。

城市治理和管理不仅是国家治理体系的重要组成部分，也是全球互联网治理体系的重要载体和构建网络空间命运共同体的重要基础。过去的几年，我国近300个城市开展了智慧城市的建设试点，有效改善了公共服务质量，提升了管理能力，促进了城市经济发展。

随着国家治理体系和治理能力现代化的不断推进，以及“创新、协调、绿色、开放、共享”发展理念的不断深入，随着网络强国战略、国家大数据战略、“互联网+”行动计划的实施和“数字中国”建设的不断发展，城市被赋予了新的内涵和新的要求，这不仅推动了传统意义上的智慧城市向更高层次的新型智慧城市演进，更为新型智慧城市建设带来了前所未有的发展机遇。

基于此，应以“一个体系架构、一张天地一体的栅格网、一个通用功能平台、一个数据集合、一个城市运行中心、一套标准”“六个一”推进“新型智慧城市”建设，从而实现治理更现代、运行更智慧、发展更安全、人民更幸福。

智慧灯杆是新型智慧城市发展的重要基础设施，将全面支撑推进5G、物联网、车联网等智慧城市新型基础设施规模部署，促进传统基础设施与新兴信息通信技术深度融合，是实现美丽中国、智慧城市的重要载体。智慧灯杆系统在智慧城市中的应用全景如图2-2所示。

从服务对象的视角来看，智慧灯杆系统的功能可以分为配套设施服务功能和应用服务功能两大类。

2.2.1 配套设施服务功能

智慧灯杆分布广泛、均匀且具备“有电、有网、有杆”三位一体的优势，可以为安防、通信、交通、环境监测等领域的基础设施提供电力、网络及安装载体等配套设施功能服务，可以为挂载设备提供“拎包入住”服务，提升基础设施的共建共治共享水平，可以说智慧灯杆是城市基础设施的基础设施。

1.供电功能

智慧灯杆一般以220V/380V市电作为供电电源，可以与挂载设备共用交流电源，也可以通过在杆上设置直流转换器，为挂载设备提供48V、24V、12V等多种电压等级的直流电源。智慧灯杆还可以利用自身的综合机箱配置蓄电池，在发生断电时可以为挂载设备提供备用电源。

2.网络接入功能

智慧灯杆引入网络既是实现智能化升级的基础条件，也是作为配套基础设施的一大优势，可以为多种传统设备设施提供高效、稳定的信息通信服务。

3.物理支撑功能

智慧灯杆点位分布广、高度适中且配有一体化机箱，可以为有不同安装高度要求的挂载设施提供安装载体和空间，达到节省空间资源、规整城市环境、美化景观风貌的效果。

4.动环监控功能

智慧灯杆自身配置的动环监控系统还可以对挂载设备的电源设备情况和环境变量提供集中实时监控，并提供故障异常情况的告警功能。

5.防雷接地功能

智慧灯杆系统防雷和接地应符合《建筑物防雷设计规范》（GB 50057）、《城市道路照明设计标准》（CJJ 45）等相关规范的要求，接地电阻不应大于4Ω，同时可以为挂载设备提供直击雷防护和接地保护功能。

2.2.2 应用服务功能

1.照明功能

路灯照明是智慧灯杆的标配功能，也是城市公共基础设施的重要组成部分。随着城镇化建设的推进，城市道路照明路灯的数量越来越多，供电和能耗都面临越来越严峻的挑战，传统的LED节能已经不能满足大范围节电的需求，通过智能化升级来实现照明节能是未来的必然趋势。随着物联网技术和LED技术的蓬勃发展，物联网+LED相互结合、相辅相成的市政照明智能化改造进入快车道发展阶段。

智慧照明是通过建设统一的路灯综合管理平台，运用NB-IoT、PLC（电力线载波）、ZigBee等信息通信技术将每一个照明灯具通过信息传感设备与互联网连接，管理平台根据前端采集反馈的光照、路况等信息，执行智能化控制策略，实现远程开关、调光、监测等功能，实现对照明系统按需照明和精细化管理。

图2-3所示为照明子系统结构图。

智慧照明的主要功能如下。

（1）路灯设备位置信息管理及GIS地图展示。

（2）路灯远程控制：单灯控制、多灯控制、分组控制、回路控制。

（3）定时计划任务控制、光感&经纬度智慧控制，采用远程控制和本地任务执行相结合的方式。

（4）实时监测路灯数据，监测每盏灯具的亮度、电压、电流、功率等参数。获取用电量，提供能耗统计与分析。

（5）路灯设备离线告警、阈值告警、防盗预警等功能，告警信息通过短信或邮件通知有关负责人及时处理。

（6）通过和环境监测子系统、交通子系统等对接，可以实现光感智控、路况联动等。路灯光感设备感知当前环境亮度，在保证照明的前提下通过控制策略自动实现路灯的开灯、关灯、调光、伴随照明等功能，实现按需照明、节能降耗。典型的控制策略包括自动调节照明亮度或隔一亮一、单侧亮灯等多种亮灯组合的路灯控制策略。

2.通信功能

随着5G移动通信和工业物联网建设加速，移动互联网和物联网业务应用正在成为我国移动通信业务发展的主要驱动力。5G移动通信将满足人们在居住、工作、休闲和出行等多领域的多样化业务需求，为用户提供4K/8K超高清视频、虚拟现实、增强现实、虚拟云服务、游戏、多媒体业务等极致业务体验。同时，5G还将渗透到物联网及其他领域，与工业设施、医疗仪器、交通工具、互联网行业等深度融合，有效满足工业、医疗、交通、娱乐、服务等垂直行业的多样化业务需求，实现真正的“万物互联”。与4G网络相比，5G网络需要的基站数量将成倍增长，因此，需要寻求更多的站址资源才能满足网络覆盖需求，而具有分布广泛、均匀的天然优势的智慧灯杆正好是5G基站的最佳搭配，可以通过智慧灯杆集成5G基站接口，为5G提供海量站址资源。此外，智慧灯杆覆盖区域广、距离被连接设备近，适合作为物联网系统的承载体，可以通过光纤传输网络、4G/5G、NB-IoT、WiFi、ZigBee、LoRa等通信技术，将无处不在的智能终端连接并进行统一管理，实时接收、整合和传递来自城市多领域的信息与数据，提升城市的智能化水平和管理效率。

3.监控功能

在城市建设发展过程中，监控系统是实现城市安全和城市稳定的重要基础，是“智慧城市”建设的重要组成部分，更成为“智慧城市”系统的重要承载体。随着高清视频技术日趋成熟，“高清化”甚至“超清化”已经成为智慧城市建设的必然趋势。城市道路视频监控系统已经由“看得见”的视频安保系统，全面转向“看清楚”的高清智慧城市联网系统，并遵循“建为用，用为战”的原则，开始了“看明白”的智慧化的系统建设。

如何建设“看清楚，看明白”的智慧城市监控系统，如何建设各类道路信息与资源的共享系统，如何建设市政公安业务的监控系统，是当前形势下市政、交通、公安部门信息化建设过程中面临的难题。

依托智慧灯杆，构建智慧城市高清治安监控系统、高清卡口监控系统、高清电子警察系统、高清人员卡口系统、移动警务系统及社会视频资源整合系统，科学优化监控布局，达到“点、线、面”全覆盖，利用智慧灯杆建立远距离全局把握、区域就近感知和近距离深入观测的立体防控体系。

4.交通功能

道路监控系统在治安防控和交通管理中发挥着重要的作用，可以为道路交通状况监控、交通肇事逃逸追捕、刑事治安案件的侦破等提供有价值的线索，从而大大提高交通管理水平和办案效率。传统的视频监控系统大多以满足实时监看和事后录像查证为主，大量的监控探头在带来大量的可用视频资源的同时，也带来了严峻的信息检索难题。若想在海量的视频数据中去查找某一特定目标对象的话，如果以传统人工查证的方式，犹如大海捞针，费时费力。

现代交通管理对道路监控中的机动车、非机动车、行人进行目标分类和目标特征识别，可以实现视频的结构化处理，满足公安、交通管理部门对海量视频中特定对象的高效查证需求，实现对机动车辆的主动管控，提高视频资源的利用率。图2-4所示为道路智慧监控系统监控场景示意图。

智慧灯杆具有点位多、间距小的优势，更有利于对道路和车辆信息的采集和管理。通过挂载高位摄像头可以满足交通部门管理超速、违停等各类违章、违法行为的识别。此外，也可以结合车牌识别，完成道路智能停车场景的构建；通过交通流检测器可以实时采集、传递交通状态信息，如车流量、车道平均速度、车道拥堵情况等；通过智慧灯杆可以提高道路的智慧化水平，如对道路积水、障碍等故障信息的监测，实现更好的车路协同。面向未来长期的智慧交通业务，需要连续的高速5G网络覆盖，沿道路部署车联网路侧单元（Road Side Unit，RSU）、边缘计算单元，路侧基础设施需要有足够的空间位置、市电、传输光纤资源，为后续远程辅助驾驶、无人驾驶的道路场景做准备，提升道路交通的智能化水平，提高通行效率。

5.RSU功能

RSU子系统为车联网提供路侧单元，在车用无线通信技术（Vehicle to Everything，V2X）中，路侧单元可与车载设备实现车路信息的双向传输，RSU再通过有线网络或移动网络将车辆行驶信息传输至系统平台。

RSU收集交通灯、信号灯的配时信息，并将信号灯当前所处状态及当前状态剩余时间等信息广播给周围车辆。车辆收到该信息后，结合当前车速、位置等信息，计算出建议行驶速度，并向车主进行提示，以提高车辆不停车通过交叉口的可能性。该场景需要RSU具备收集交通信号灯信息，并向车辆广播V2V（车与车）或V2I（车与路）消息的能力，周边车辆具备收发V2X消息的能力。

车辆网与智慧灯杆的摄像头视频识别、5G毫米波应用场景相结合，通过智慧灯杆的RSU子系统，实现V2X是获得其他车辆、行人运动状态（车速、刹车、变道）的另一种信息交互手段。同时，V2X也有助于为自动驾驶的产业化发展构建一个共享分时租赁、车路人云协同的综合服务体系。

6.公共广播功能

公共广播系统是一个大型体系、综合性非常强的城市管理系统，不仅需要满足市政管理、交通管理、应急指挥、信息发布等需求，还要兼顾灾难事故预警、安全监控等方面的需求。公共广播子系统提供公共广播功能，可在控制中心对智慧灯杆覆盖区域进行公共广播，包含如下两种应用。

（1）紧急求助。当市民遇到突发事件时，通过网络终端上的一个快捷键及时发出紧急求助信号，同时启动求助双向对讲，与安防中心取得联系。

（2）监控广播。监控中心通过摄像头监控到监控点发生的突发事件，监控中心可通过IP网络广播对监控点发出警告、提示等语言，防止恶性事件发生。

7.信息发布功能

信息发布子系统主要是将图片、幻灯片、动画、音频、视频及滚动字幕等各类媒体文件组合成多媒体系统，通过网络传输到数字媒体控制器，然后由数字媒体控制器按照控制规则在智慧灯杆上集成的LED/LCD屏、广播音柱上进行有序的播放和控制。可用于发布政策宣传、交通信息、应急信息、气象信息、空气质量信息和噪声实时信息。可以看出，LED信息发布屏之于智慧灯杆是一个具有很大优势及必要性的配套。

作为城市中分布密集且均匀的信息基础设施，智慧灯杆被认为是户外信息发布和交互较优质的载体。同时在智慧城市、“新基建”发展的推动下，LED信息发布屏作为智慧灯杆的重要配套也因此强化了许多应用需求。

图2-5所示为智慧灯杆挂载LED信息发布屏示意图。

LED信息发布屏作为智慧灯杆系统中公共信息发布系统的展示窗口，在运营上也拥有许多优势和必要性。众所周知，大部分智慧灯杆都具备温度、湿度、人流、PM2.5等环境监测功能，而这个功能的初衷就是为了方便人们生活、出行而设立的，所以，监测到的数据必须在灯杆上有所体现，那么LED信息发布屏就是一个合适的对外展示的窗口。

LED信息发布屏搭载智慧灯杆拥有诸多可行性和必要性，尤其是在智慧化、信息化、数字化进一步影响时代发展的今天，LED信息发布屏作为一个信息载体、数字媒体承载了许多智能、便民的功能，也为智慧灯杆的普及、建设、应用带来更多可能性。

图2-6所示为智慧灯杆挂载LED信息发布屏效果图。

8.信息交互功能

信息交互是指信息的发出和信息的接收过程。信息交互过程通常由6个部分组成：信息源、信息、信息传递的通道或网络、接收者、反馈、噪声。信息交互是指自然与社会各方面文字、资料、数据、技术知识的传递与交流活动，从信息论的角度来看，其汇集了一定地域内的各种信息资料，是一种有形的文字信息载体。

智慧灯杆让城市生活中的各种设施组建成庞大的物联网，成为智慧城市建设的关键点。作为城市的基础脉络，在城市中起着至关重要的作用。

智慧灯杆是最密集的城市基础设施之一，便于信息的采集和发布。智慧灯杆未来是物联网重要的信息采集来源，城市智慧灯杆是智慧城市的一个重要组成部分，能够实现城市及市政服务能力提升，也是智慧城市的一个重要入口，可促进智慧市政和智慧城市在城市照明业务方面的落地。智慧灯杆通过集成传感器，采集城市的信息，在未来将产生智慧城市所需的各种大数据，并上传到云端。这些数据可与政府内部的交通系统、警务管理系统、财政管理系统和采购系统进行交互，为智慧城市的大数据应用提供多种数据支持。

图2-7所示为智慧灯杆强大的功能集成系统。

9.充电桩功能

世界能源需求的不断攀升和自然资源的日益枯竭，对能源供应商、工业企业及消费者都提出了新的挑战，尽可能以高效和可持续的方式使用能源成为当务之急。电动汽车产业在新能源背景下蓄势勃发，已经成为流行较广、节能环保的绿色出行交通工具，电动车数量在最近几年不断增长。

由于土地资源有限、停车位紧缺、投资成本高等现实问题，使得城市公共充电桩的大规模普及遇到瓶颈，如果在具有现成电源和停车位的路灯上搭载充电桩，则不用新的公共资源建设充电桩，减去了铺设管线的工程，大大降低了建设综合成本。因此，路灯充电桩有望成为解决充电难题的重要突破口。目前，兼具充电桩、视频监控、WiFi网络、环境监测等功能，综合物联网、移动互联网、大数据等信息技术的智慧灯杆杆已在多个地方试点使用。

路灯充电桩与智慧灯杆是两个不同的概念，或者说是两个阶段的城市公共设施。前者主要解决电动汽车充电问题，后者则是物联网的切入口，但未来二者的发展必然会出现整合。

随着电动汽车的普及率越来越高，汽车补电成为当下迫切的需求，需加快推进充电基础设施建设，让电动汽车出行更放心。依托路灯杆将充电粧与智慧灯杆杆体整合，形成覆盖城市的充电网络，可满足电动汽车用户的出行需求。

图2-8所示为智慧灯杆搭载充电桩对电动汽车充电示意图。

10.环境监测功能

环境监测就是通过对影响环境质量因素的代表值的测定，来确定环境质量（或污染程度）及其变化趋势，能够准确、及时、全面地反映环境质量现状及其发展趋势，为环境管理、污染控制、环境规划等提供科学依据。微气象是变幻莫测的，不能靠人为手段分析它的变化情况，所以，必须利用新技术去实时监测气象情况。

通过智慧灯杆内置/外置的温度、湿度、烟雾、能见度、空气污染、噪声等传感器，能够快速建立覆盖全城市的环境监测点位。沿道路周边的桥梁、隧道、山体等处加装各类传感器，也能为城市的整体灾害预警提供低成本、高覆盖的解决方案。对这些数据进行汇总和分析，能为城市管理者提供详尽的决策参考和快速响应依据。

实时监测城市的环境和气象情况，包括风向、风速、雨量、气温、相对湿度、气压、太阳辐射等气象要素，并对PM2.5、CO、CO ₂ 、NO、SO ₂ 等环境指标进行全天候现场监测。将监测数据接入省气象局业务网，为低能见度浓雾的预警、临近预报和信息发布提供快捷通道。

2.3 小结

针对智慧城市快速发展的趋势，通过对现有城市基础设施的重新定位与改造，集合智能传感器、5G移动通信、云计算、物联网、新能源等先进技术，可方便快速地建设覆盖广、容纳终端数量多、成本低、智能化程度高的智慧灯杆，可以实现对城市信息的主动式管理、广域开环运行、可信可靠，并便于推广且低成本运营。在此城市智慧灯杆基础上实现智慧照明、智能交通、环境监测、城市安全、无线城市等多个智慧应用。

更为重要的是，基于智慧灯杆作为智慧城市建设的一个全新视角，最大的借鉴意义体现在通过物联网的角度来重新认知原有的城市资源，并借助其特点来实现可持续发展的智慧城市应用。例如，基于城市路灯的大数量规律分布，可以快速部署各种信息采集终端，借助多种通信技术及路灯现成的供电网络，可低成本实现覆盖整个城市的物联网络。

城市路灯的原有专业维护服务可以保障灯杆的稳定与可靠运行，在此基础上可快速实现多种跨行业整合应用与服务。可见，充分认知并发挥原有城市资源的特点与优势，对于促进智慧城市的建设与发展具有极大的价值与意义。

随着物联网、移动互联网、云计算等技术的发展，对于城市道路管理的重要组成部分——道路路灯的管理，从简单的照明功能也进行了延伸。路灯已经不仅仅用于照明，而是未来智慧城市道路综合管理的末梢，承载了移动通信、节能、安防、便民等多种用途。

作为未来智慧城市神经网络的末梢，路灯网络天然具有落地快、覆盖全、电力和电信网络易于到位等优势，除了承载节能、便民、WiFi、监控定位等用途外，还可以开发多种基于智慧城市的智能应用。相信随着产业链的进一步成熟，相应的技术也将逐步迈向成熟。 5+MZaYC9B1canVQ1sXzLvpd5K1E1UDiV4hUqLucB6B5g2nJrQu5COpxF4s4eELPQ