多功能智慧燈桿系統(tǒng)運(yùn)用研究

周遜盛

（浙江大云物聯(lián)科技有限公司，浙江 杭州 310012）

對(duì)單個(gè)路燈進(jìn)行管控，讓道路照明實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的目標(biāo)，同時(shí)能夠搭載更多現(xiàn)代化的技術(shù)系統(tǒng)，變成智慧城市發(fā)展中信息數(shù)據(jù)采集、發(fā)布、傳輸?shù)妮d體。同時(shí)國(guó)家提倡燈桿共享，一桿多用與多桿合一的舉措，積極建設(shè)多功能燈桿，開(kāi)展智慧城市的建設(shè)與發(fā)展。

1 多功能型智慧燈桿的應(yīng)用現(xiàn)狀

在全球范圍內(nèi)，已經(jīng)有很多國(guó)家開(kāi)始著手改造、重建智慧路燈桿了，這樣做的目標(biāo)就是要達(dá)到節(jié)能降耗和強(qiáng)化提升監(jiān)控安防的目標(biāo)，同時(shí)其還搭載了傳感器與充電樁等。國(guó)內(nèi)當(dāng)前絕大多數(shù)城市也在建設(shè)多功能的智慧燈桿，很多城市的道路燈桿都已經(jīng)逐漸改建、新建成為多功能的智慧燈桿系統(tǒng)了，并且已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用中。國(guó)家城市道路的照明逐漸實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展，多功能合成桿、智慧路燈與多功能的智慧燈桿系統(tǒng)是較為突出的組成內(nèi)容[1]。

2 多功能型智慧燈桿的選址模型

在考量多功能型智慧燈桿系統(tǒng)的地址選擇時(shí)，基于燈桿把其他子系統(tǒng)同燈桿系統(tǒng)進(jìn)行交叉選址，選擇所有子系統(tǒng)能夠集成至燈桿設(shè)備的地址，需要進(jìn)行單獨(dú)立桿的地址，并且將所有選址方案統(tǒng)一，之后再把能夠集成到燈桿中的設(shè)備地址進(jìn)行合并，獲得輸入、輸出效益最大化的智慧型燈桿系統(tǒng)選址方案，并以信息效用最大化為目標(biāo)函數(shù)的智慧路燈宏觀選址模型。

目標(biāo)函數(shù)是選定路網(wǎng)當(dāng)中所有配備LED交通誘導(dǎo)屏指揮路燈信息效用的總和，以車流量、信息量、信息衰減系數(shù)、信息有效比例和信息獲取率為主要元素。目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：E為路網(wǎng)區(qū)域智慧路燈信息效用總和，maxE是信息總效用的最大值，Q是路網(wǎng)中路段構(gòu)成的集合；zk是一個(gè)0～1的變量，如路段k上設(shè)有該功能的智慧電燈，zk取1；如未設(shè)置該功能的智慧路燈，則取值為0。Ek為路段在k位置智慧路燈的信息效用，代表了信息獲取率，直接顯示在k路段智慧路燈屏上；fk表示k路段智慧路燈上獲取的統(tǒng)計(jì)流量的平均值；Sk則表示監(jiān)控路段所有路段的集合信息，重點(diǎn)涵蓋交通路段和誘導(dǎo)設(shè)備路段的信息內(nèi)容；pi指的是i路段內(nèi)顯示的信息量情況；wi則是智慧路燈安裝路段到顯示屏路段內(nèi)的車流量比值參數(shù)，是i路段信息量與k路段信息的衰減系數(shù)。

該模型在應(yīng)用過(guò)程中，通過(guò)合理路段的選擇，將原本較為抽象的路網(wǎng)實(shí)施分段、分節(jié)點(diǎn)處理，這樣可以有效地解決選址問(wèn)題，避免離散化情況的出現(xiàn)。在模型路段選擇中，對(duì)于路段的規(guī)劃，直接將長(zhǎng)度適中，且沒(méi)有多余岔路影響的單向道路作為一個(gè)路段，選取的每個(gè)路段盡可能保持長(zhǎng)度相近，以免獲取的數(shù)據(jù)存在偏差。這樣將原本連續(xù)問(wèn)題轉(zhuǎn)變成較短的問(wèn)題，即使模型離散化，也不會(huì)發(fā)生較大問(wèn)題，到時(shí)只需要對(duì)短路徑比例參數(shù)展開(kāi)收集和分析即可。而在模型計(jì)算過(guò)程中，為了避免偏差的產(chǎn)生，降低計(jì)算難度，可以直接選擇暢通條件的最短路徑比值，以維持結(jié)果的準(zhǔn)確性。

結(jié)合實(shí)際，目標(biāo)函數(shù)式主要有2個(gè)約束條件。模型離散化后即最短路徑約束，指安裝路段k處智慧路燈屏上所顯示的路段滿足最短路徑約束。即：1）短路徑約束。模型離散化后形成的約束就是最短路徑約束。其主要是指安裝路段k處智慧路燈屏幕上顯示的路段所滿足的最短路徑約束條件，公式為:

式中：Qk是基于路段k為起始路段的最短路徑集合。連通圖約束主要是指智慧路燈屏幕上展示的路段構(gòu)成的有向連通圖。對(duì)于以上智慧路燈選址規(guī)劃模型，要選擇搜索法得出目標(biāo)函數(shù)最大值，即先得出目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式當(dāng)中的每一個(gè)物理量。

路段信息量pi可基于交通事件發(fā)生率，根據(jù)信息論中的信息熵獲取，同時(shí)也可以基于路段的通行能力與路段的實(shí)際流量合理估測(cè)。在保持暢通和最短路徑的前提下，以每個(gè)節(jié)點(diǎn)流向下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的平均統(tǒng)計(jì)車輛，在節(jié)點(diǎn)總車流流出量的占比合理評(píng)估此節(jié)點(diǎn)到以下多個(gè)節(jié)點(diǎn)的分流比例，以此為基礎(chǔ)，確定安裝路段到多個(gè)顯示路段的信息有效比例wi(k)。

此外，可以信息衰減系數(shù)安裝路段到顯示路段的最短路徑需要經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)（交叉口的倒數(shù)）表示。以路段k處智慧路燈屏幕上的顯示值估測(cè)信息獲取率。以下筆者就以顯示路段目標(biāo)函數(shù)的倒數(shù)表示。目標(biāo)函數(shù)當(dāng)中包括變量zk，智慧路燈屏幕上顯示與變量zk的變化范圍相同，所以在求解的過(guò)程中，可以采取遺傳算法，屏的信息效用函數(shù)與適應(yīng)度函數(shù)相同。

但是在系統(tǒng)綜合建設(shè)過(guò)程中，往往不會(huì)只考慮一個(gè)目標(biāo)函數(shù)，例如建設(shè)成本、社會(huì)服務(wù)水平、設(shè)施能力平衡利用率等多種目標(biāo)綜合考慮，進(jìn)而構(gòu)成多目標(biāo)的燈桿選址問(wèn)題，因此該文建議采用線性加權(quán)法將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題，對(duì)于權(quán)重采用變權(quán)系數(shù)法求出非劣解組，然后進(jìn)行模糊決策，從而使選址結(jié)果更貼近客觀合理。

假設(shè)Z為具備多個(gè)子系統(tǒng)的智慧燈桿建設(shè)選址后綜合目標(biāo)效益，d為各子系統(tǒng)的權(quán)重,設(shè)定K個(gè)目標(biāo)，L個(gè)優(yōu)先級(jí)，則選址模型為

式中：Z表示智慧燈桿建設(shè)選址后綜合目標(biāo)效益值，d為各個(gè)子系統(tǒng)的權(quán)重，包括紅綠燈系統(tǒng)、綜合引路系統(tǒng)等，L為優(yōu)先級(jí)個(gè)數(shù)，表示各個(gè)權(quán)重的比例，di表示各個(gè)子系統(tǒng)(i從1開(kāi)始)，Ui表示權(quán)重系數(shù)(i從1開(kāi)始)，Eai表示交通信號(hào)燈影響因子，Abi表示智能交通引導(dǎo)影響因子，Dci表示攝像頭監(jiān)控郵箱因子。

另外，還要考慮到既有的交通信號(hào)燈、指示牌和攝像頭等設(shè)施選址原則已經(jīng)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，在兼顧多系統(tǒng)合并的過(guò)程當(dāng)中，要對(duì)既有國(guó)家選址標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行參考，紀(jì)檢建設(shè)的LED信息屏、5G基站與充電樁等，對(duì)其進(jìn)行逐一優(yōu)化，并且獲得整體、統(tǒng)一的方案[2]。

2.1 子系統(tǒng)的信息屏

LED信息屏中的顯示內(nèi)容非常多，其中包括交通、天氣和廣告等。智慧路燈信息屏的子系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是為了信息發(fā)布。在對(duì)其實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行考量的時(shí)候，要對(duì)諸多信息實(shí)施分類，兼顧信息發(fā)揮的效用，同時(shí)對(duì)其實(shí)施量化。

例如交通信息發(fā)布的LED信息屏，要安裝在交通流量大的路段當(dāng)中，信息屏的分布不能太過(guò)密集。所以，基于分級(jí)分類相關(guān)措施，構(gòu)建信息效用的選址模型，明確智慧路燈實(shí)際安裝的路段、具體位置等，獲得合理有效的信息屏子系統(tǒng)選址方案，保證選址的合理性與有效性。

2.2 子系統(tǒng)充電樁

當(dāng)前，我國(guó)正在大力推動(dòng)綠色交通與減排降耗發(fā)展，而充電中是新能源汽車實(shí)際推廣與應(yīng)用中極為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)、基礎(chǔ)設(shè)施，當(dāng)前充電樁基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)較為遲滯。對(duì)其覆蓋深度進(jìn)行強(qiáng)化。基于合理有效的布局設(shè)計(jì)，讓郊縣、企業(yè)與個(gè)人私密區(qū)域?qū)崿F(xiàn)協(xié)同發(fā)展，以免由于充電樁應(yīng)用頻率不足產(chǎn)生資源浪費(fèi)問(wèn)題。將充電樁集成至路燈桿中，基于智慧路燈的管理平臺(tái)手機(jī)和交互信息數(shù)據(jù)，讓充電設(shè)施實(shí)現(xiàn)互聯(lián)與互通，基于智慧路燈當(dāng)中的傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充電樁的狀態(tài)，并且及時(shí)進(jìn)行反饋，減少充電樁的檢測(cè)、維護(hù)成本，對(duì)其進(jìn)行日常維護(hù)。

2.3 子系統(tǒng)5G基站的選址

穩(wěn)定的路燈供電系統(tǒng)能夠?qū)?G基站訴求進(jìn)行滿足，不需要對(duì)供電系統(tǒng)進(jìn)行單獨(dú)部署。如果多功能燈桿系統(tǒng)中搭載了5G基站，避免其單獨(dú)布置中產(chǎn)生的空間浪費(fèi)，就減少了站址獲取、建設(shè)中產(chǎn)生的成本，能夠提升城市美化程度。基于同一形式的智慧路燈管理工作平臺(tái)，對(duì)信息進(jìn)行采集與交互，對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效應(yīng)用，在智慧燈桿系統(tǒng)中的傳感裝置，能夠檢測(cè)5G基站的溫度以及狀態(tài)等，同時(shí)從智慧路燈的管理平臺(tái)中傳輸?shù)皆贫?，減少監(jiān)測(cè)工作中投入的成本，有助于維護(hù)、管理工作的實(shí)際開(kāi)展。多功能型燈桿系統(tǒng)屬于5G基站的重要搭載平臺(tái)。需安置方案的基本原則包括4點(diǎn)。

基本需求。遵照5G基站覆蓋范圍的要求，配合宏基站進(jìn)行全覆蓋，同時(shí)提升熱點(diǎn)區(qū)域位置的覆蓋強(qiáng)度。

最少的建設(shè)數(shù)量。因?yàn)?G基站的總建設(shè)成本降耗，因此要求建設(shè)總數(shù)最少的5G基站。

優(yōu)先合桿?；谧钌俚幕緮?shù)量，在實(shí)際選址規(guī)劃的過(guò)程當(dāng)中要優(yōu)先考慮把5G基站安裝在路燈桿上，這樣能夠達(dá)到節(jié)省空間、城市美化的目標(biāo)，更能夠降低重新立桿產(chǎn)生的成本，實(shí)現(xiàn)多桿合一、一桿多用的目標(biāo)[3]。

最佳的覆蓋效果；在上述幾種原則都滿足的前提下，基于對(duì)重復(fù)覆蓋率、覆蓋面積方面的衡量，選擇使用整體覆蓋成效最為理想的方案。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于頂層設(shè)計(jì)與分級(jí)、分類舉措對(duì)智慧燈桿相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行選址，基于搭載與綜合利用交通桿、應(yīng)急救助、環(huán)境傳感器、信息屏以及5G基站等多個(gè)設(shè)備、系統(tǒng)，全面感知整個(gè)城市，同時(shí)把獲得的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)匠鞘性贫?，達(dá)到互聯(lián)、互通與共享的目標(biāo)，對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施與諸多部門(mén)間的存在的重難點(diǎn)問(wèn)題進(jìn)行有效的解決?；谌斯ぶ悄芑?、云端計(jì)算等，處理并分析大數(shù)據(jù)與信息，精準(zhǔn)地為智慧交通、安防和醫(yī)療等提供服務(wù)，奠定智慧城市建設(shè)與發(fā)展的基礎(chǔ)。