基于多業(yè)務(wù)需求整合的新型智慧燈桿規(guī)劃研究

郭瑋 王爽

摘? 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，小規(guī)模的智慧燈桿已落地建設(shè)。如何合理利用智慧燈桿的已有功能，讓資源整合化、規(guī)劃合理化、建設(shè)人性化尤為重要。該文介紹城市道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)現(xiàn)狀及政府出臺(tái)的相關(guān)政策，以此來(lái)說(shuō)明新型智慧燈桿規(guī)劃方法的必要性，再逐一介紹智慧燈桿搭載的各業(yè)務(wù)需求規(guī)劃原則，并且形成融合多業(yè)務(wù)需求的新型智慧燈桿規(guī)劃方法，為后續(xù)智慧燈桿的規(guī)劃和建設(shè)提供一定的參考意見(jiàn)。

關(guān)鍵詞 ：智慧燈桿;多業(yè)務(wù);需求整合

中圖分類(lèi)號(hào)：TN929.5? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 智慧燈桿的現(xiàn)狀及規(guī)劃的必要性

當(dāng)下，城市道路基礎(chǔ)設(shè)施、安裝載體以及相關(guān)的數(shù)據(jù)系統(tǒng)均以“孤島”的形式存在，市政路燈桿、視頻監(jiān)控桿和交通指示牌等桿體，電力、通信電纜和綜合管道等基礎(chǔ)設(shè)施獨(dú)立建設(shè)，各業(yè)務(wù)部門(mén)的系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行。城市道路基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)情況從側(cè)面反映出城市管理水平，未進(jìn)行需求整合的規(guī)劃會(huì)產(chǎn)生建設(shè)成本高、各業(yè)務(wù)部門(mén)系統(tǒng)信息孤立、城市市容市貌差等問(wèn)題。

與此同時(shí)，各地市政府紛紛出臺(tái)智慧燈桿相關(guān)的推行和鼓勵(lì)政策，提出統(tǒng)籌推動(dòng)智慧燈桿建設(shè)，包括建設(shè)以照明燈桿為基礎(chǔ)，集成音視頻監(jiān)控設(shè)備、無(wú)線基站、Wi-Fi熱點(diǎn)、多媒體屏幕、充電樁以及天氣、環(huán)境等各種感知設(shè)備的新型智能設(shè)施。

新型智慧燈桿搭載的業(yè)務(wù)類(lèi)型眾多，同時(shí)各業(yè)務(wù)類(lèi)型規(guī)劃原則、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)收集方式、布點(diǎn)距離都有著較大差異，每根智慧燈桿均搭載相同業(yè)務(wù)類(lèi)型的設(shè)備將造成造價(jià)過(guò)高、業(yè)務(wù)設(shè)備重復(fù)建設(shè)等問(wèn)題，反之每根智慧燈桿均搭載不同業(yè)務(wù)類(lèi)型的設(shè)備，將造成業(yè)務(wù)需求無(wú)法滿足的問(wèn)題。因此，形成一種新型智慧燈桿規(guī)劃方法對(duì)智慧燈桿業(yè)務(wù)需求方設(shè)及投資建設(shè)方?jīng)Q策尤為重要。

2 智慧燈桿的多業(yè)務(wù)需求規(guī)劃原則

整合新型智慧燈桿多業(yè)務(wù)需求，將提高城市智能服務(wù)水平。從行業(yè)性質(zhì)來(lái)看，智慧燈桿可分為通信、市政和電力3個(gè)類(lèi)別，如圖1所示。需要結(jié)合業(yè)務(wù)類(lèi)型、信息化標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)劃目標(biāo)進(jìn)行規(guī)劃。

3 智慧燈桿規(guī)劃方法

根據(jù)各行業(yè)業(yè)務(wù)需求規(guī)劃原則可得，各類(lèi)可搭載在智慧燈桿上的業(yè)務(wù)需求要求在道路布放的高度、布點(diǎn)距離或者覆蓋面積。在實(shí)際規(guī)劃當(dāng)中，單單了解各個(gè)業(yè)務(wù)需求的布點(diǎn)距離等信息不能達(dá)到合理規(guī)劃的效果。該文提出一種依據(jù)冒泡排序（Bubble Sort）算法總結(jié)得出的規(guī)劃方法，假設(shè)記道路為L(zhǎng)0，搭載在智慧燈桿上的多業(yè)務(wù)以道路雙側(cè)的形式布放，那么各業(yè)務(wù)需求分別可用以下方式呈現(xiàn)出來(lái)。

3.1 智能照明

智慧照明是智慧路燈的基礎(chǔ)，智能照明依托市政設(shè)施構(gòu)建智慧城市的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)需求，其規(guī)劃燈桿其間距、燈桿高度、路面有效寬度之間的關(guān)系按不同燈具的配光類(lèi)型[1]，通常采用雙側(cè)道路平均間距的方式布放。

假設(shè)智能照明的總需求數(shù)記為L(zhǎng)1，道路A、B兩側(cè)的需求數(shù)分別記為L(zhǎng)11和L12，則：

L1=A1+B1+…+An-1+Bn-1

其中，道路A側(cè)需求數(shù) L11=A1+A2+…+An-1+An

道路B側(cè)需求數(shù) L12=B1+B2+…+Bn-1+Bn

如果兩燈之間間隔記為S1米，那么道路兩側(cè)所需的燈桿數(shù)L1可表示為：

L1=（L0/S1+1）×2

3.2 4G/5G/Wi-Fi（通信基站）和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)

考慮到通信基站和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)具有有效覆蓋半徑的特性，因此采用道路兩側(cè)交叉布放的方式，將通信基站和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的需求數(shù)分別記為L(zhǎng)2和L3，那么對(duì)應(yīng)道路A、B兩側(cè)的通信基站布點(diǎn)距離可分別記為L(zhǎng)21和L22，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)布點(diǎn)距離可分別記為L(zhǎng)31和L32。

4G/5G/Wi-Fi總需求數(shù)為：

L2=A1+B2+A3…+Bn-1+An。

其中，道路A側(cè)需求數(shù)L21=A1+A3+…+An

道路B側(cè)需求數(shù) L22=B2+B4+…+Bn-1

物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)總需求數(shù)為：

L3=A1+B2+A3…+Bn-1+An

其中，道路A側(cè)需求數(shù) L31=A1+A3…+An

道路B側(cè)需求數(shù)? L32=B2+B4+…+Bn-1

如果將通信基站和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)對(duì)應(yīng)布點(diǎn)間隔分別記為S2和S3，則道路兩側(cè)通信基站總需求數(shù)L2可表示為

L2=2L0/S2+1。

道路A、B兩側(cè)的通信基站需求數(shù)L21和L22為：

L21=L22=L2/2=（2L0/S2+1）/2

道路兩側(cè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)總需求數(shù)L3可表示為：

L3=2L0/S3+1。

道路A、B兩側(cè)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)需求數(shù)L31和L32為：

3.3 視頻監(jiān)控和一鍵救助

視頻監(jiān)控和一鍵救助屬于2種相輔相成的業(yè)務(wù)需求，其監(jiān)控布點(diǎn)以“空間”為單位，封閉成環(huán)，匯聚成網(wǎng)，具有協(xié)同防控的優(yōu)勢(shì)。并且視頻監(jiān)控主要特性為監(jiān)控關(guān)鍵區(qū)域，原則上來(lái)看，同一道路上2個(gè)視頻監(jiān)控頭一般采用兩種指標(biāo)來(lái)衡量視頻監(jiān)控布點(diǎn)的科學(xué)合理性，包括基于監(jiān)控面積的覆蓋度和基于監(jiān)控目標(biāo)的覆蓋度，因此視頻監(jiān)控和一鍵救助均采用道路雙側(cè)交叉布放的方式。

如果將視頻監(jiān)控頭的需求數(shù)記為L(zhǎng)4，則道路A、B兩側(cè)各自的布點(diǎn)需求數(shù)記為L(zhǎng)41和L42，對(duì)應(yīng)需求數(shù)可表示為：

L4=A1+B2+A3+…+Bn-1+An。

其中，道路A側(cè)需求數(shù) L41=A1+A3+…+An

道路B側(cè)需求數(shù) L42+B2+B4+…+Bn-1

如果將視頻監(jiān)控頭到監(jiān)視目標(biāo)的布點(diǎn)距離記為S4，則：

（f為視頻監(jiān)控頭焦距;h為視場(chǎng)高度;A為像場(chǎng)高度）

那么道路兩側(cè)的視頻監(jiān)控頭的需求數(shù)也可表示為：

L4=2L0/S4+1，其中

由于視頻監(jiān)控和一鍵救助2種業(yè)務(wù)是要求按1∶1的比例配置的，若將道路兩側(cè)的一鍵救助業(yè)務(wù)需求數(shù)記為L(zhǎng)51和L52，那么L51=L52=L41=L42=1︰1。

3.4 廣播系統(tǒng)

規(guī)劃廣播業(yè)務(wù)的時(shí)候要充分考慮傳輸線路的要求，廣播揚(yáng)聲器應(yīng)根據(jù)分片覆蓋的原則，在廣播服務(wù)區(qū)內(nèi)分散配置，對(duì)于廣場(chǎng)以及面積較大且高度大于4 m的廳堂等塊狀廣播服務(wù)區(qū)，要根據(jù)具體條件選用集中式或集中分散相結(jié)合的方式配置，保證廣播揚(yáng)聲器在一定區(qū)域內(nèi)的信噪比不小于15 dB，廣播系統(tǒng)具有在一定區(qū)域內(nèi)傳播應(yīng)急信息的特點(diǎn)，故采用道路雙側(cè)交叉布放的方式。廣播系統(tǒng)的擴(kuò)散角α可表示為：

（H為廣播的安裝高度，h為人耳水平高度，S7為廣播布點(diǎn)間隔距離）

由上式可得，廣播布點(diǎn)間隔距離為：

將道路布放廣播業(yè)務(wù)的總需求數(shù)記為L(zhǎng)7，道路A、B兩側(cè)交叉布放廣播業(yè)務(wù)的需求數(shù)記為L(zhǎng)71和L72，那么L7=2L0/S7+1，其中

道路兩側(cè)的廣播系統(tǒng)需求數(shù)也可表示為：

L7=A1+B2+A3+…+Bn-1

其中，道路A側(cè)需求數(shù) L71=A1+A3+…+An，道路B側(cè)需求數(shù)L72=B2+B4+…+Bn-1 。

3.5 充電樁

電動(dòng)汽車(chē)充電量的總體需求是影響充電樁布局的關(guān)鍵點(diǎn)，可近似采用馬爾科夫鏈蒙特卡洛方法（Markov Chain Monte Carlo，簡(jiǎn)稱(chēng)MCMC）去理解和規(guī)劃充電樁的布點(diǎn)情況。其中，假設(shè)在某條道路上通過(guò)的每日汽車(chē)總量Nt中的電動(dòng)汽車(chē)為Nv，選擇在該條道路上進(jìn)行充電的電動(dòng)汽車(chē)的概率密度函數(shù)為f（x），可以得出如下結(jié)論：

Nt近似服從某種泊松分布p（x），p（x）的相關(guān)參數(shù)與該城市的交通車(chē)輛密集程度、汽車(chē)保有量、該道路的擁堵程度相關(guān);即Nt～p（x）。

其中，λ為泊松分布的樣本均值，即離散分布期望;k為泊松分布下t0時(shí)間內(nèi)通過(guò)該道路的汽車(chē)總數(shù)量;k！為泊松分布下通過(guò)該道路汽車(chē)總數(shù)的階乘，e為自然常數(shù)。

基于道路交通的條件限制，干道或主要支道的充電樁充電方式均規(guī)劃為快充模式，一般來(lái)說(shuō)，快速充電樁充電時(shí)間為20 min～60 min，如果充電樁規(guī)劃數(shù)量為L(zhǎng)9，充電樁規(guī)劃間距為S9，采用雙側(cè)交叉的方式布放，日車(chē)流量為P（輛/次），t0=1（天）則有如下關(guān)系：

L9=（2L0/S9+1）; P（xi（t0）=k）=（λto）k×e（-λto）/k！; k=1，2，3…

由此可以得，

其中，常采用的微積分求和公式表示，xi為馬爾科夫過(guò)程的單位時(shí)間節(jié)點(diǎn)i的變化狀態(tài)，f（xi）為變化時(shí)間序列下通過(guò)該條道路的充電樁汽車(chē)充電概率，p（xi=k）為泊松分布下該條道路k輛汽車(chē)通過(guò)的概率。

道路兩側(cè)充電樁的需求數(shù)也可表示為：

L9=A1+B2+A3+…+Bn-1+An

以第二章節(jié)道路距離L0=1000 m為例，快速充電時(shí)間在h/2～2h/3，不考慮排隊(duì)等待時(shí)間和閑時(shí)時(shí)間（23：00～7：00），則一天時(shí)間內(nèi)，可以滿足的充電汽車(chē)流量為24輛/次～32輛/次，按最大車(chē)流量值考慮，取λ=Pmax=32（考慮最大充電汽車(chē)流量Pmax的前提下，作為樣本均值-

X=Pmax，得出最小充電樁規(guī)劃間距），則當(dāng)P=（xi=k+1）/p（xi=k）≤1時(shí)，k≤λ-1，{p（xi=k）}關(guān)于k單調(diào)遞增，當(dāng)P=Pmax時(shí)，k=31。取先驗(yàn)概率δ=0.35，則L9≈11，可以得出S9=200 m。

由以上各類(lèi)需求計(jì)算得出規(guī)劃距離，得到歸納得到序列{li}={l1，l2，…，ln}，i=1，2，3，…，n，采用冒泡排序（Bubble Sort）對(duì)序列進(jìn)行升序排序，將升序序列設(shè)為{Pi}={P1，P2，…，Pm}，i=1，2，3，…，m。

對(duì)序列{Pi}依次進(jìn)行如下操作。

取出最小序列數(shù)Pmin=P1，更新序列{Pm1}={0，P2-P1，…，Pm-P1}。

取出最小序列數(shù)Pmin=P2-P1，更新序列{Pm2}=，{0，0，P3-P2，…，Pm-P2}。

……

重復(fù)此類(lèi)操作，直至取出Pmin=Pm-1-Pm-2，更新序列

{Pmm-1}={0，0，0，，Pm-Pm-1}

通過(guò)對(duì)m種需求類(lèi)型進(jìn)行m-1次的序列更新，可以得出實(shí)際需求序列的排序規(guī)劃方法：

最少設(shè)備需求數(shù)為P1，優(yōu)先對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃和布放，最少設(shè)備需求數(shù)驅(qū)動(dòng)其他需求規(guī)劃得到搭載m種設(shè)備需求的新型智慧燈桿。

更新序列{Pi}，最少設(shè)備需求數(shù)為P2-P1，其次對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃和布放，并以此驅(qū)動(dòng)其他剩余需求規(guī)劃，得到搭載m-1種設(shè)備需求的新型智慧燈桿。

更新序列，直到最少設(shè)備需求數(shù)Pm-Pm-1為對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃和布放，到搭載1種設(shè)備需求的新型智慧燈桿。

最終得到一個(gè)m維的m-1步的多步規(guī)劃矩陣：

通過(guò)對(duì)多種需求的智慧燈桿進(jìn)行序列化并排序，對(duì)多種需求序列進(jìn)行m-1次更新和迭代，最終得到需求規(guī)劃矩陣{Pmm}，通過(guò)規(guī)劃矩陣可得出各智慧燈桿的設(shè)備搭載情況，為后續(xù)的投資分析和工程建設(shè)提供指導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

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