臧 鋒，顧磊明，王鵬展

(南京市路燈管理處，江蘇 南京 210013)

引言

隨著智慧城市價(jià)值認(rèn)知的不斷延伸，智慧桿件成為稀缺資源和戰(zhàn)略資源，源于城市照明的智慧燈桿迎來了新機(jī)遇[1-8]。相比智慧桿件建設(shè)而言，智慧桿件運(yùn)行期更加復(fù)雜多變，需要通過物聯(lián)網(wǎng)思維提升運(yùn)行承載能力。

目前，當(dāng)我們面對數(shù)以萬計(jì)的智慧燈桿時(shí)出現(xiàn)的問題包括：運(yùn)營期的成本，決定了智慧桿件在智慧城市產(chǎn)業(yè)中能走多遠(yuǎn)；運(yùn)營期的技術(shù)，應(yīng)兼顧橫向的廣度和縱向的深度；運(yùn)營期的價(jià)值，應(yīng)立足于服務(wù)政府的社會效益，產(chǎn)生于服務(wù)商業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。要解決運(yùn)營期的難題，我們則必須對智慧燈桿植入管理的思維、多專業(yè)技術(shù)的深度融合、多類型數(shù)據(jù)的交匯、多應(yīng)用場景的聯(lián)動(dòng)。

1 路燈智能機(jī)器人的定義

我們對智慧燈桿重新定義，并且圍繞新的定義進(jìn)行一系列的路線調(diào)整，即將智慧桿件升級定義為“路燈卡哨式智能機(jī)器人”。“路燈卡哨式智能機(jī)器人”的提出，不僅是概念上的設(shè)置，更是智慧城市產(chǎn)業(yè)生態(tài)輸入與輸出的連接，具體表現(xiàn)在：

1)行業(yè)跨接的中心。從智慧燈桿向路燈智能機(jī)器人升級，將使照明行業(yè)從原來的專業(yè)型行業(yè)轉(zhuǎn)型為平臺型行業(yè)，將為通訊、物聯(lián)網(wǎng)、高新產(chǎn)業(yè)提供軟件的平臺和硬件的平臺，吸納數(shù)以千計(jì)的終端廠家，創(chuàng)造出宏大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

2)技術(shù)連接的中心。5G僅是作為路燈智能機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)的一項(xiàng)基本技術(shù)條件；而邊緣側(cè)算法、大數(shù)據(jù)技術(shù)、感知技術(shù)、集成技術(shù)則成為關(guān)鍵要素，所有技術(shù)體系都將圍繞路燈機(jī)器人的有效運(yùn)轉(zhuǎn)服務(wù)。

3)管理賦能的中心。智能機(jī)器人對穩(wěn)定性的苛求，將促使滴滴修燈模式、滴滴運(yùn)維模式價(jià)值的凸顯，將充分整合社會資源、專業(yè)運(yùn)維力量，建立多專業(yè)的供給側(cè)配對、分級分層的精準(zhǔn)運(yùn)力投入，大數(shù)據(jù)指導(dǎo)運(yùn)行，大幅控制運(yùn)行期成本。

4)價(jià)值創(chuàng)造的中心。零星分布的智慧燈桿不能構(gòu)建體系化的應(yīng)用場景，千變一律的規(guī)?；ㄔO(shè)需要巨大資金成本。而路燈智能機(jī)器人則以桿件為單位，通過功能定制化、個(gè)性化，設(shè)定區(qū)域、劃定重點(diǎn)、自由編組機(jī)器人梯隊(duì)，以場景實(shí)現(xiàn)為目標(biāo)，對智慧交通、智慧安防、智慧城管等應(yīng)用進(jìn)行高性價(jià)比的落地。

綜上，我們將智慧路燈機(jī)器人定位于，以傳統(tǒng)交通配套設(shè)施路燈為原型，采用分布式云和邊緣賦能技術(shù)，經(jīng)過“通絡(luò)、塑型、刻腦、賦神、組網(wǎng)”五個(gè)步驟開發(fā)賦能，形成的基于社會物理精細(xì)網(wǎng)格的前端自治機(jī)器人(編隊(duì))。

2 路燈智能機(jī)器人的構(gòu)建

2.1 支撐網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

搭建和疏通智慧路燈機(jī)器人的脈絡(luò)，主要包括能源管理脈絡(luò)和通訊路由脈絡(luò)，使傳統(tǒng)路燈具備進(jìn)化成為智慧路燈機(jī)器人的基礎(chǔ)前提。

2.1.1 現(xiàn)狀分析

1)在現(xiàn)有照明供電體系下，不額外增加供電指標(biāo)，不另行敷設(shè)電力線路，承載智慧應(yīng)用所需要的能源。需要尋求輕量化的、可復(fù)制推廣的，并且可長期穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)換模式，以此實(shí)現(xiàn)存量設(shè)施智慧化升級。

2)電力保障系統(tǒng)的調(diào)整，首先保證現(xiàn)有照明設(shè)施的運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)對單燈桿的精確控制，保持面向智慧城市穩(wěn)定的電力供給。

3)智慧城市數(shù)百萬級終端設(shè)備需要密集、高速、優(yōu)質(zhì)的通訊網(wǎng)絡(luò)，合理適用集約的通訊網(wǎng)絡(luò)鏈路是傳輸?shù)闹攸c(diǎn)。

2.1.2 解決方案

1)能源網(wǎng)搭建疏通。首先，通過LED節(jié)能改造替代原高功率氣體放電燈光源，并結(jié)合單燈調(diào)光，大幅削減城市照明用電負(fù)荷，為智慧城市終端設(shè)備的加載持續(xù)創(chuàng)造充足的容量空間。其次，通過自有專利技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)單燈監(jiān)控系統(tǒng)與箱控系統(tǒng)相結(jié)合，將傳統(tǒng)專屬城市照明供電線纜升級為智慧城市綜合應(yīng)用共享能源通道。與此同時(shí)，圍繞線路穩(wěn)定運(yùn)行的信息化養(yǎng)護(hù)作業(yè)模式，采用同步提升的方式，滿足供電的可靠性和穩(wěn)定性。

2)能源網(wǎng)精準(zhǔn)保障。采用單燈監(jiān)控技術(shù)，將原有城市照明監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)精度，從線路上升至每盞燈，以此實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的城市照明燈具狀態(tài)感知。結(jié)合城市照明信息平臺、APP系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的人工巡修燈模式升級至精準(zhǔn)定位定點(diǎn)的修燈模式，解放人力、提高效能、縮減投入，實(shí)現(xiàn)城市照明向智慧城市的延伸和承載。

3)通訊網(wǎng)鏈路共享?；谥腔勐窡魴C(jī)器人，形成通暢、高效、集成的通訊網(wǎng)絡(luò)，多種智慧終端、多類智慧設(shè)備，共享一個(gè)路由、一條光纖、一根網(wǎng)線、一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)，達(dá)成少量的通訊設(shè)備、大量的通訊節(jié)點(diǎn)，充足的通訊預(yù)留。疏通通訊經(jīng)絡(luò)的智慧路燈是解決智慧城市通訊難題的最優(yōu)途徑。

2.2 軟硬件接口設(shè)計(jì)

塑造智慧路燈機(jī)器人的基本功能型體模塊，以實(shí)現(xiàn)有機(jī)連接能源管理、通訊路由等神經(jīng)脈絡(luò)，并承載各類物聯(lián)感知設(shè)備和AI產(chǎn)品的即插即用。主要包括軀干艙體設(shè)計(jì)，接口標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)化等，形成所有設(shè)備的信息匯聚管理，使得智慧路燈機(jī)器人具備擬人化的感知、動(dòng)作的功能前提。

2.2.1 現(xiàn)狀分析

1)智慧城市應(yīng)用終端具有設(shè)備種類復(fù)雜，尺寸與重量千差萬別、加載時(shí)序隨機(jī)性大，運(yùn)行期穩(wěn)定性及安全性要求高等特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)智慧硬件設(shè)備的一桿加載具有極高的復(fù)雜性。

2)智慧城市應(yīng)用終端通訊方式、數(shù)據(jù)格式、接口鏈路存在多樣性、復(fù)雜性，需具備極高的集成能力，打通各終端設(shè)備之間的屏障與壁壘，形成協(xié)調(diào)一致。

表1 基于路燈智能機(jī)器人的交互數(shù)據(jù)格式Table 1 Interactive data format based on road lampintelligent robot

2.2.2 解決方案

1)硬件接口方面，對需一桿多用或高載荷加載設(shè)備等應(yīng)用場景，采用更換模式，將原有桿件定點(diǎn)更新為智慧桿；對單一智慧終端加載的桿件，則統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一實(shí)施，優(yōu)先采用抱箍等主要方式，進(jìn)行存量桿件的升級改造。具體包括，桿件與攝像頭的接口、桿件與信號燈的接口、桿件與環(huán)境探測器的接口、桿件與通訊基站的接口、桿件與除塵設(shè)備的接口、桿件與噪聲設(shè)備的接口，等等。

2)軟件接口方面，采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、統(tǒng)一協(xié)議的方式，進(jìn)行終端設(shè)備的功能整合、數(shù)據(jù)整合，接入綜合管理平臺。以此，將現(xiàn)有城市桿件體系、信息體系，升級為智慧城市設(shè)備可加載、應(yīng)用可加載的平臺型體系。具體包括，綜合平臺與車輛管理的接口、綜合平臺與噪聲管理的接口、綜合平臺與視頻管理的接口、綜合平臺與人流信息的接口等。

3)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)方面，通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)制定和發(fā)布，結(jié)合完善的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)管理體系，保障數(shù)據(jù)的完整性、一致性、規(guī)范性，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“互通、互知”，從源頭上快速接入數(shù)據(jù)，解決了多部門數(shù)據(jù)共享和融合的公用問題；在數(shù)據(jù)格式上支持各種結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化及視頻數(shù)據(jù)的傳輸，屏蔽各業(yè)務(wù)應(yīng)用、各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)類型差異。

2.3 本地信息處理體系

形成智慧路燈機(jī)器人自我管理和前端自治本地化中央處理器。成為控制管理智慧路燈機(jī)器人身體構(gòu)件和加載設(shè)備功能的物聯(lián)平臺，確保身體神經(jīng)脈絡(luò)和功能模塊運(yùn)轉(zhuǎn)良好，并具備組網(wǎng)區(qū)間與其他智慧路燈機(jī)器人溝通、聯(lián)系和聯(lián)動(dòng)的機(jī)能，同時(shí)可以根據(jù)訴求有效執(zhí)行指令和動(dòng)作。

2.3.1 現(xiàn)狀分析

智慧路燈機(jī)器人內(nèi)部集成了能源脈絡(luò)、通訊路由脈絡(luò)和大量的各類AI及物聯(lián)感知設(shè)備，全壽命周期的管理運(yùn)維需要邊緣小腦可以智慧管理、診斷，保障運(yùn)行穩(wěn)定，維護(hù)及時(shí)精準(zhǔn)。

2.3.2 解決方案

針對路燈機(jī)器人內(nèi)部能源系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)，刻畫定制出一個(gè)具備感知數(shù)據(jù)分析并指導(dǎo)執(zhí)行的前端小腦，有效地讓路燈機(jī)器人實(shí)現(xiàn)前端自治。

1)統(tǒng)籌管理能源系統(tǒng)。通過分級閾值的設(shè)定，結(jié)合通斷設(shè)備、監(jiān)測設(shè)備，對各類終端進(jìn)行分級的符合管理、分級的過載管理，高效使用電力能源。

2)統(tǒng)籌管理感知系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)鏈路，對感知類終端設(shè)備的信息進(jìn)行集中管理，觸發(fā)數(shù)據(jù)輸出；對其運(yùn)行狀態(tài)的穩(wěn)定性進(jìn)行觀測，觸發(fā)維護(hù)作業(yè)，保障感知系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3)統(tǒng)籌管理執(zhí)行系統(tǒng)。通過數(shù)據(jù)鏈路，對執(zhí)行類終端設(shè)備進(jìn)行集中管理。即集合現(xiàn)場感知設(shè)備信息，向終端執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行指令輸出；同時(shí)，監(jiān)測執(zhí)行終端運(yùn)行狀態(tài)，觸發(fā)維護(hù)作業(yè)，保障執(zhí)行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4)統(tǒng)籌管理通訊系統(tǒng)。通過統(tǒng)一路由，整合各終端系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈路，進(jìn)行數(shù)據(jù)的集中處理、集中分配；與其他智慧路燈交互，形成自由組合、統(tǒng)一輸出的局域網(wǎng)絡(luò)。

2.4 邊緣側(cè)核心算法

在實(shí)現(xiàn)智慧路燈機(jī)器人通絡(luò)、塑型、刻腦的基礎(chǔ)上，通過AI計(jì)算引擎、動(dòng)作執(zhí)行引擎、聯(lián)動(dòng)規(guī)則引擎，使得感知、判斷、動(dòng)作的融合實(shí)現(xiàn)，完成需要實(shí)現(xiàn)的場景。

2.4.1 現(xiàn)狀分析

交通應(yīng)用場景繁雜，涉及人、車、路、設(shè)施等，人工智能技術(shù)種類多樣，邊緣算法大都只是針對單場景的應(yīng)用，難以形成協(xié)調(diào)一致的智慧城市場景執(zhí)行應(yīng)用能力。

2.4.2 解決方案

向智慧路燈機(jī)器人大腦注入綜合多樣的、可升級的邊側(cè)算法體系，賦予其本地化的執(zhí)行輸出能力?？偪刂行耐ㄟ^標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)項(xiàng)、精細(xì)度，向智慧路燈機(jī)器人采集必要數(shù)據(jù)，進(jìn)行輕量化交互。邊側(cè)算法體系主要為：

1)感知側(cè)算法。集中表現(xiàn)在車輛識別、車速甄別、特種車輛管理、人臉識別、人的越界管理、人的異常行為等。

2)執(zhí)行側(cè)算法。車輛信息發(fā)布、車流疏導(dǎo)提醒、行人指示提醒、違法行為前端處理等。

3)分析側(cè)算法。多種感知的綜合判斷并推導(dǎo)執(zhí)行，如各類天氣下的安全管理、各類時(shí)段下的安全管理、車的行為人的行為的整合分析等。

表2 智慧交通專業(yè)路燈智能機(jī)器人邊緣側(cè)部分算法Table 2 Edge-side partial algorithmm of intelligent robot for intelligent road lamp

2.5 應(yīng)用場景網(wǎng)絡(luò)組建

將城市每一個(gè)智慧路燈機(jī)器人的組網(wǎng)，形成分布式邊緣云架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)中臺管理下的毛細(xì)血管級別、遠(yuǎn)近高低、實(shí)時(shí)交互的立體大數(shù)據(jù)網(wǎng)格，同時(shí)按功能訴求對組網(wǎng)的智慧路燈機(jī)器人進(jìn)行編隊(duì)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、具體、準(zhǔn)確的前端自治體系。

2.5.1 現(xiàn)狀分析

智慧燈桿之間后臺整體聯(lián)動(dòng)和前端自主聯(lián)動(dòng)同步智能編排技術(shù)難度較高，導(dǎo)致難以形成片區(qū)效應(yīng)，缺乏城市級應(yīng)用場景承載能力。

2.5.2 解決方案

組建總控中心與智慧路燈機(jī)器人之間的一級網(wǎng)絡(luò)(云端統(tǒng)一調(diào)配)；組建智慧路燈機(jī)器人之間的二級網(wǎng)絡(luò)(前端邊緣側(cè)各單元牽手互動(dòng))?？偪刂行闹笓]調(diào)度智能路燈機(jī)器人，智能路燈機(jī)器人指揮終端設(shè)備，依托兩層網(wǎng)絡(luò)，組成信息共享、資源共享、聯(lián)動(dòng)輸出的智慧城市服務(wù)體系。

1)一級網(wǎng)絡(luò)的組建。一級網(wǎng)絡(luò)，側(cè)重于編隊(duì)，即總控對智能路燈機(jī)器人的調(diào)度管理?？偪刂行耐ㄟ^智慧城市管理平臺，依托公網(wǎng)通訊方式，采用統(tǒng)一的通訊協(xié)議，與現(xiàn)場各型智能路燈機(jī)器人的智慧大腦進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、指令下達(dá)?？煞譃槠胀ㄇ闆r下的日常類數(shù)據(jù)交互(如車流、人流信息)，以及特殊情況下的專項(xiàng)類調(diào)度(如應(yīng)急救援)。一級網(wǎng)絡(luò)下，總控中心可根據(jù)需求，對智慧路燈機(jī)器人進(jìn)行空間區(qū)域的編隊(duì)、進(jìn)行時(shí)間時(shí)序的投切，以及時(shí)空結(jié)合的多維度、多算法的自由組合。

圖1 基于路燈智能機(jī)器人智慧交通應(yīng)用場景組合Fig.1 Intelligent traffic scences based on road lamp intelligent robot

2)二級網(wǎng)絡(luò)的組建。二級網(wǎng)絡(luò)，側(cè)重于執(zhí)行，即智能路燈機(jī)器人通過組合，形成執(zhí)行具體任務(wù)的區(qū)域性響應(yīng)。一級網(wǎng)絡(luò)下達(dá)指令，二級網(wǎng)絡(luò)根據(jù)邊緣側(cè)計(jì)算，進(jìn)行智能路燈機(jī)器人的自組網(wǎng)。最終形成，一級網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部組合(指令通道)，二級網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部組合(執(zhí)行通道)，一級二級網(wǎng)絡(luò)之間的組合(指令與執(zhí)行交互)，共同作用輸出各類場景融合應(yīng)用。

3 結(jié)論與展望

智能路燈機(jī)器人是服務(wù)智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施，是服務(wù)智慧城市多種應(yīng)用場景，解決多種痛點(diǎn)的產(chǎn)物，涉及到多專業(yè)的融合，多行業(yè)的集成，是在專業(yè)上集成、在行業(yè)上集成、在產(chǎn)業(yè)鏈集成。同時(shí)，在南京初步建立了以總控中心統(tǒng)籌監(jiān)控運(yùn)行路燈智能機(jī)器人體系，最終服務(wù)于政府和市民，以技術(shù)迭代、管理迭代柔性結(jié)合動(dòng)態(tài)升級的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，形成了功能場景融合的“多識合一、感官合一、多景合一、多桿合一、人機(jī)合一”的生態(tài)體系。因此，智能路燈機(jī)器人，將成為未來智慧城市領(lǐng)域的核心資產(chǎn)、核心競爭力與核心產(chǎn)業(yè)平臺。