白 鹭，陈壬贤，李 阳
（北京市城市照明管理中心，北京丰台100078）
摘要：为解决城市快速发展中各类设施在路灯杆上搭挂的需求，推广电动汽车充电设施的应用和促进智慧城市的建设，进行复合型路灯杆设备的研发，并同步开发智慧城市的运行平台，制定相关标准规范，从设备、平台、标准三个层次，推进路灯杆综合利用的规范化、智能化和产业化。
关键词：复合型路灯杆；城市照明；智慧城市；充电桩
随着城市的快速发展，通信基站、监控摄像头、交通指示牌等城市公共设施的数量迅速增加，由于城市道路空间承载能力有限，各类设施在路灯杆上搭挂的需求日益强烈，路灯杆上搭挂的设施日益增多，这其中既有来自企业的经营性设施，也有来自于政府部门、公用事业单位公益性设施的要求。这些来自不同部门、各有不同诉求的搭挂设施，多采取钻孔、抱箍、支架等简易形式，在结构设置、电气等方面存在诸多安全隐患，也影响市容环境。路灯杆的综合利用涉及多部门多行业，迫切需要进行引导和规范的安全、有序、健康发展。此外，近年来电动汽车充电设施的推广、智慧城市的建设，也在寻求借助路灯杆的电源布局和地理优势来加速发展。
为解决路灯杆综合利用的问题，进行了复合型路灯杆设备的研发，同步开发了智慧城市运行平台，并在北京市城区内完成了复合型路灯杆的试点建设及应用。项目基于复合型路灯杆设备和智慧城市运行平台的研究，寻求为绿色照明的发展、电动汽车充电设施的推广及未来智慧城市的建设提供核心技术，从路灯杆终端设备到其运行平台，对路灯杆拓展功能进行系统整合、标准设计、集成管控，为智慧城市的落地搭建统一的网架平台，实现了路灯杆的综合利用及其物联网技术的融合，形成了“基于照明设施构建的智慧城市”发展新模式。
从功能结构上来看，复合型路灯杆及其运行平台可分感知层、网络层和应用层三个层次。
感知层即现场的复合型路灯杆设备，在满足电动汽车充电设施接入需求的同时，可满足智慧城市所需的各类传感器、通信接入点的加载需求；网络层包括光纤、网线等有线传输方式和PLC、Zigbee等无线传输方式，借助路灯设施实现互联互通的信息传递；应用层是基于路灯监控系统平台升级的智慧城市运行平台，位于监控指挥大厅，可满足智慧城市各分支功能模块（智慧市政、智慧安防、智慧环保、智慧交通等）的拓展开发或接入需求。未来，智慧城市运行平台可以直接为政府部门提供实时的城市运行监测服务。
2.1 基于照明设施的复合型路灯杆设备
复合型路灯杆设备，在拥有基本照明功能的同时，集电动汽车充电桩、视频监控、RFID物体和人物监测、环境传感监测、无线网络、LED显示屏信息发布等功能于一体，成为未来智慧城市重要的终端设备载体，如图1所示。
图1 复合型路灯杆设备的功能模块
2.1.1 功能模块的设计及特点
智能照明：采用160 W的LED光源，具有AC85–264 V的宽电压输入范围和模块化的结构设计，3000 K的色温在保证照度需求的情况下可满足人眼视觉的舒适性。智能调控技术可通过软件平台对LED灯具进行远程控制，实现单灯或灯群的广播调光、组播调光，并实时监测信息发布：采用模块化的小间距P3户外全彩LED显示屏，像素为192点×576，净显面积为1.728 m×0.576 m；通过去波化的设计增加可视角度达120°，同时采用高亮度显示的LED技术，亮度≥3500 cd/m2，增加了可视距离。本项目中对路灯杆杆体进行了重新设计，解决了显示屏迎风荷载大、极端情况下普通路灯杆难以承受的问题。具体性能指标如表2所示。
表1 160W智能LED照明模块的具体性能指标
表2 信息发布模块的具体性能指标
信息采集传感器：综合采用摄像头、环境传感器、RFID阅读器及各类标签进行远程信息采集，既可服务于照明系统控制，又可用于智慧市政、智慧交通、智慧环保等拓展功能。对信息采集传感器、各功能模块控制器、通信模块进行集成设计，实现了设备的小型化。优化传感器的安装结构，减少了布线和安装的难度，充分利用了设备空间。传感器与路灯杆显示屏、运行监控平台联动，实现了对监测数据的实时显示和异常情况的自动报警。
彩色户外摄像头具有130万像素，可云台控制，定时设置360°图像采集，以对周围的人流量、车流量进行监控；同时还能对某些特定的安全情况（窨井盖异动、灯杆遭受撞击等）进行监控。彩色户外摄像头采集到的视频、图像信息将直接传送至服务器端。具体性能指标如表3所示。
表3 彩色户外摄像头的具体性能指标
环境传感器：对若干传感器进行整合，可对PM2.5、温度、湿度、大气压、风速、风向、噪声等环境信息实时监测，被采集的环境信息数据将在LED显示屏上实时显示；同时，通过通信链路，相关数据将被传送至运行平台服务器端进行保存，以便开展进一步的分析处理等工作。具体性能指标如表4所示。
表4 彩色户外摄像头的具体性能指标
RFID阅读器与各类标签：内置在灯杆中的RFID阅读器可阅读多种RFID有源标签，可实现对不同对象的监测功能，如通过安全卡标签，可对工作人员位置进行监测；通过资产标签，可对窨井盖异动进行监测等。具体性能指标如表5所示。
表5 RFID阅读器的具体性能指标
信息传输：信息传输和控制模块主要以智慧控制器为主体，此智慧控制器能够实现灯控、屏控、信息采集、信息本地处理、信息传输等功能。采用有限主路灯与大量辅路灯混合运用的集群分布式组网架构，形成易于扩展、具有自我修复能力的树状网络，支持最多500个节点。主路灯与辅路灯或相应传感器节点之间，采用2.4 GHz无线信号通信。支持128位AES加密，支持安全验证和设备加入，使信息的安全性可得到保障。同时支持网络下载，以便适应未来的设备应用和网络升级。主路灯通过3G/4G或者光纤方式与互联网连接，可提供Wi–Fi热点。具体性能指标如表6所示。
电动汽车充电桩：将7 kW交流充电桩集成到路灯杆体内部，为路侧停车提供充电服务。利用路灯杆的位置与电源优势，实现新能源汽车充电桩的布局。复合型路灯杆运行监控平台与充电服务云平台对接，实时监测充电桩运行状态。具备输出侧的过载保护、短路保护和漏电保护功能；交流输入配置D级防雷器，具备防感应雷、防操作过电压的保护功能；设置有急停按钮开关，能快速切断输出电流。杆体采取前后两个灯门的设计，前灯门负责充电桩内部线路的维护检修，后灯门负责路灯内路灯各项状态，主动反馈故障信号，提示故障类型，及时通知检修部门。具体性能指标如表1所示。部线路的维护检修。充电桩与LED显示屏联动，可以显示充电桩的使用情况；与监控摄像头联动，可对充电停车位的占用情况进行监测，实现充电停车位的管理。具体性能指标如表7所示。
表6 信息传输模块的具体性能指标
表7 电动汽车充电桩模块的具体性能指标
2.1.2 复合型灯杆终端设备的技术特点
功能模块化设计、菜单化选择。考虑到复合型灯杆在大面积推广过程中，各类功能模块需求的数量和地点各不相同，因此项目研究过程中对各项功能采取模块化设计，可进行菜单化选择，根据实际需要，进行各种功能的规划布局，有利于整合资源，降低成本。
可根据不同场景进行功能配置、外观选择。北京既是文明古都，又是现代化大都市，不同区域和地段对于城市设施的外观设计有着特殊的要求。为契合北京不同区域对于外观效果的差异化需求，本项目结合不同场景设计了三种不同风格外观造型的复合型路灯杆。
传统风格：杆型整体庄重有内涵，色调搭配沉稳，景观效果较好，能体现古都风貌，适用于具有传统文化特色的街区。充电桩为常规正圆柱体，杆形有局部变化区分功能与装饰区，杆体装饰有美好寓意的中国元素纹样——“如意祥云”，以金色米黄色色调及工艺区分功能区与装饰区，使灯杆不仅体现实用功能，更具有人文精神的深刻内涵，对城市景观起到美化作用。
简约风格：杆型整体简洁大气，结构简单，施工安装方便，适用于大多数道路。充电桩采用12边棱形结构，具有当代简约工业质感，喇叭式戴帽过渡自然，整个杆体一气呵成，充分体现现代简约。
时尚风格：与简约风格的灯杆相比，时尚风格的灯杆充电桩截面为6边形蜂窝式结构，体现了源于自然的设计理念。杆型整体时尚美观，适用于现代风格的街区。同时，在保持灯杆基础不变的情况下，6边形能够实现灯杆内部空间的最大化。
在确保安全可靠的前提下实现成本最低。在结构方面，按《建筑结构荷载规范》（GB 50009—2001）要求，选用北京地区50年一遇风压要求，同时考虑体形系数和高度系数，以及所有已装设备和部分预留安装设备迎风面对结构的影响，采用有限元分析的方式，计算灯杆的安全系数为1.25。由于底座杆体开设维修门和设备安装孔，开孔尺寸大，对其整体强度有一定影响，因此除了严格的结构计算之外，还经过了实体破坏性试验，得出结论，杆体的安全性远远大于理论计算数据。通过设备的集成化设计以及杆体结构的重新设计，使得灯杆在荷载大幅增加的情况下，成本得到有效控制：一是仍可采用成本较低的钢材质即可满足设备嵌入需要；二是可采用原有路灯基础，而无需进行施工难度大、成本高的基础更换。
在电气方面，为保证照明的稳定性和独立性，照明线路、充电桩及其他设备分别分为三路单独走线。灯杆杆体主结构部分采用两根PVC软管平行布置，一根软管走强电，一根软管走弱电，互不干扰。杆上每一个设备都进行接地，加装漏电保护，且在配电板中安装浪涌保护器，避雷针衔接处装配3 mm的绝缘板。由于复合型灯杆集成设备较多，对于整体的通风要求较为严格，在满足整体通风散热要求的同时，杆体顶部与灯臂衔接处的通信天线结构可保证杆体的防水。
2.2 实施照明设施供电和通信网络的升级改造
复合型路灯杆及监控平台的正常运行，需要对供电和信息网络进行改造，实现供电和信息网络的互联。
路灯箱变改造：由于现况路灯箱变低压仅夜间带电，满足不了复合型路灯杆24 h运行需要，故须对路灯箱变低压开关进行改造。对箱变内部开关进行重新设计，克服了现况箱变内部空间小、设备局促拥挤的问题。对于现况路灯箱变有富余容量的情况，只需改造开关；对于容量没有富余的情况，采取两种解决方式：对箱变进行增容改造后提供充电桩电源；对现有的道路照明进行节能改造，利用改造后剩余的容量提供充电桩电源。
电缆线路改造：加入充电桩功能后，对路灯供电网络承载能力提出更高要求，现况电缆无法满足。同时，道路照明影响到城市交通安全、治安环境和运行效率，也是中心政治保障工作内容，需要优先确保道路照明的安全可靠运行。为此，将道路照明和灯杆上的其他设施采取不同的电缆线路分别供电。
计量装置改造：同一灯杆上既有道路照明设施，又有充电桩设施。道路照明与充电桩执行电价不同，采取分别供电，单独计量。
通信网络：充分利用路灯网络资源进行智慧城市运行平台的网络布局，综合利用Ethernet、PLC等有线组网技术和4G、Wi–Fi、ZigBee等无线组网技术，建立新颖的有限复合型路灯杆主路灯与大量复合型路灯杆辅路灯混合运用的集群分布式组网架构，形成了具有良好扩展性的灯联网模式，能适应不同规模的照明应用环境。
2.3 开发基于照明设施的智慧城市运行平台
2.3.1 平台架构
开发基于照明设施的智慧城市运行平台，对复合型路灯杆的照明及其他设备进行统一监控,如图2所示。
图2 复合型路灯杆的系统架构
2.3.2 平台的功能设计
基于地理信息的设备管理：区别于以往灯杆外挂设施现场搭挂、纸质登记的方式，在智慧城市运行平台上，灯杆加载的各类设施均在系统中进行设备信息的动态管理和状态的实时监测。
智能照明：将道路照明从上限到下限划分为M1、M2、M3、M4、M5共5个等级，以道路等级、交通组成、车行道分隔线情况、交会密度、视觉引导等为静态参量输入，以车速、交通流量、环境亮度等为动态参量输入，建立全新的调光模型。由此实现对道路照明进行动态的按需调光，实现调光的人性化管理，确保安全并实现二次节能。
智能安防：对主要交通节点进行安全监测，加强安全管理、提高城市安全保障；对现有天网系统进行盲点补充，完善城市安全系统；还可对现场的照明设施运行状态进行可视化监测。
智能市政：实现指定范围内违规行为实时监测，提高城市管理力度和效率、有效遏制违规经营；对市政设施异常第一时间进行后台报警，减少人工巡视，提高管理效率；实现场景智能分析，自动化、智慧化管理城市。同交通、公安、路政、应急抢险等部门发挥联动作用，有效提升应急灾害发现能力，提供处置支持。实现路灯杆上LED屏实时可控，实时更新发布内容；形成LED屏显示网络，便于统一管理、节约运营成本、扩大覆盖范围；进行针对性布置，充分保证便民通告、新闻、广告等信息的价值最大化。
智慧环保：采集PM2.5、温度、湿度、大气压、风速、风向、噪声等环境信息，既可进行现场实时发布，也可传回智慧城市运行平台进一步分析处理。利用路灯杆广泛的布点资源，实现环境监测的精细化。可根据测得数据实时了解到各区域的环境状况，为气象部门提供支持，便于做出相应的措施来减小噪声和PM2.5的排放等。
智慧交通：智慧城市运行平台与智能充电服务云平台实时对接，支持多个平台同时接入，实现对复合型路灯杆上充电桩的统一监控管理。通过摄像头、传感器等设备，实时监测交通状况，结合显示屏的辅助，可实现拥堵状态下的交通疏导，合理分配交通资源，缓解交通压力，方便市民出行；实现信息化停车管理，减少人力资源投入，加强停车位管理力度。
智慧生活：实现免费Wi–Fi网络，提高城市形象，提高商业价值，推动城市数字化进程。收集数据并建立数据库，了解用户需求，根据需求对数据进行推送，为网络规划与调整提供依据。建立信息互动平台，市民与城管部门沟通更有效便捷，实现全民参与城市管理，调动市民积极性，可实现问题的随时上报、及时处理与反馈。
信息安全的方案遵循国家信息安全方面的规范及标准，建立系统的信息安全保障体系。主要包含以下关键技术。
统一的身份认证：采用基于数字证书的身份认证技术，实现了对管理系统中设备和应用程序等一切实体的身份认证。
密钥管理：建立了系统的安全通道，实现了密码设备基本信息管理、密码设备状态监控和对称密钥的管理。
网络边界防护：研制出了包括边界的安全控制产品以及纵深防御产品，通过安全机制的纵深多级部署，为骨干网提供可靠的安全保障。
2.4 建立复合型路灯杆的技术体系
建立和完善了包括《复合型路灯杆通用设计规范》《复合型路灯杆施工及验收规范》《复合型灯杆推广应用流程建议》《路灯设备设施占用管理办法》《复合型路灯杆运行维护规程》《复合型路灯杆检修规程》《复合型路灯杆抢修管理办法》等在内的一整套管理和技术体系，实现了复合型路灯杆的规范化、标准化，为推广应用奠定了良好基础。
《复合型路灯杆通用设计规范》：为解决在灯杆上安装支架、打孔等既不安全又不美观的问题，从初始设计就开始考虑摄像头、通信基站、挂旗、充电桩等设施的综合利用需求，保证浑然一体的设计，再预留一些电源、孔位、支架等可扩展的预留位置。为保证后期的安全运行，需同步论证物理强度、综合利用后各设备间互相影响、电气安全等问题，由此设定一些绝缘、强度、通用性设计等参数和结构要求等，提炼出复合型路灯杆应具备的基础性、通用性的特性参数，指导设计开发。
《复合型路灯杆施工及验收规范》：考虑综合应用后复合型路灯杆的供电时间、配套基础以及各类管线等因素，在原来路灯杆验收内容的基础上，增加对应的信息联调、漏电保护的强化、内部电器元件的标识张贴、灯杆警示标识等验收内容，特别突出复合型路灯杆增加的施工注意事项。
《复合型灯杆推广应用流程建议》：复合型路灯杆试点成功后如推广落地，需要有一套明确的流程，从而阐明行业管理部门、运行维护单位、投资建设方、运营方等各自需要配合的工作。按类可分为技术论证的工作和行政审批登记的程序，以及多方共赢的建议性推广方案。
《路灯设备设施占用管理办法》：路灯杆的综合利用需要进行规范，需要按一定程序，做一定报备手续，确保在复合应用后不影响原有的功能，让共享机制在规范的平台按既定的程序运转。
《复合型路灯杆运行维护规程》：复合型路灯杆的日常运维不仅涉及照明设备，更涉及其他复合功能设备的运维，彼此要明确运维界限、相互配合的机制，并且要提出各自的运维周期、相互支持的巡视制度等。
《复合型路灯杆检修规程》：复合型路灯杆因功能复合后元器件增加、结构更加复杂，从而检修工作周期应缩短，同时因工作特性及功能不同，可靠性要求不一，因此检修周期需进行差异化，同时又要约束彼此的检修作业，防止妨碍或伤害彼此的检修工作。
《复合型路灯杆抢修管理办法》：明确复合型路灯杆抢修的责任分工、工作流程以及典型故障的现场处置原则等，确保复合型路灯杆这一新型设备的故障抢修工作安全、高效、有序开展。
本项目利用路灯杆广泛分布的特点普及电动汽车充电桩建设，能为促进新能源汽车的快速发展提供最根本有效的基础设施保障，符合国家创建环境友好型、资源节约型社会的需求。同时积极响应国家《大气污染防治行动计划》和《北京市2013–2017清洁空气行动计划》，解决电动汽车充电难的问题，加快纯电动汽车对于传统内燃机汽车的替代，推进首都空气质量改善的步伐。
通过此项目，以路灯杆为感知触角、供电线路为网络架构搭建起智慧城市运行监测平台，可实现对物理城市的全面感知，真正将“智慧城市”概念落地。复合型路灯杆及后台系统具备信息感知、信息传递、信息收集、智能处理等多种功能，可以方便快捷地建立起覆盖范围足够广的信息感知网络，同时解决感知层面资源和数据无法整合的问题，通过统一数据交互、分享的接口标准，将城市中的交通、市政、环保、气象等信息收集汇总，后台系统实现统一规划，从而构建起智慧城市统一的信息感知、数据处理、控制执行的综合组网平台，在平安城市建设、城市信息发布、突发事件预警、便民通信服务、环境污染监测、应急电能供应等方面体现重要价值。
参考文献
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（责任编辑：张峰亮）
中图分类号：TM923
文献标志码：B
文章编号：1003-0867(2017)08-0016-05
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