臧 锋，王鹏展

(南京市路灯管理处，江苏 南京 210013)

引言

随着5G时代的到来，物联网、大数据、云计算获得了新的培养皿和加速器，宽连接、低时延成为时代特征，时间、空间维度扩展，产品、算法、运算能力的提升，于是物理的世界变得触手可及，智慧城市亦从单一功能走向复杂联动的场景，逐步形成了宏大的生态产业体系。智慧城市，依托于智慧灯杆；智慧灯杆，衍生自城市照明。在此背景下，以深圳、上海为代表的一系列城市，开展基于城市照明的智慧杆件建设、智慧城市体系的顶层设计，开展共杆、共箱、共管等新基建的分步实施，取得了令人惊叹的阶段性成果。南京，作为国内较早一批从城市照明跨圈的城市之一，借力信息化平台、单灯监控技术、合并杆箱项目等形成内生驱动，具备了一定的先发优势，在部分片区基本构成了“能源一张网”、“杆件一张网”、“终端一张网”，符合智慧杆件体系对于规模化、稳定性的基本要求，逐步具备运营条件。

1 智慧杆件体系发展的四个层级

传统基建向新基建的切换过程不是一次性的，而是多次的、动态调整的，分层分级多维度地达成。这就需要从传统的精细化、信息化，上升至“数字化”，为传统基建不断赋能；而新基建应用场景由于复杂性和动态性，亦需以“数字化”的工具作为支撑，保持其服务输出的能力。

基于此，结合南京实践，以“数字化”作为方法论和有效工具，构建从城市照明到智慧杆件体系全过程的新发展路径，我们将其归纳为“四个层级”(见图1)：第一层级，照明的数字化，实现监控、调度、作业的数字化，形成智慧杆件体系的持续扩展的支撑平台；第二层级，智慧杆件的数字化，推进能源网、杆件网、终端网的“数字化”，形成持续演进的智慧应用场景的支撑平台；第三层级，智慧城市应用场景的数字化，推进感知网、信息网、场景应用网的建设；第四层级，智慧城市应用场景的智能化，依次实现路侧单元的“可计算”、“可交互”、“可执行”、“可思考”、“可替代”。

图1 数字化驱动下的城市智慧杆件运营体系结构模型Fig.1 Operation architecture model of urban smart pole driven by digitalization

2 数字化的城市照明管理

城市照明是发展智慧城市的底层基础，因此我们以“目标导向”的数字化转型，实现照明本专业从传统的粗放管理，到感知更精准、效能更集约、服务更精细、要素可控、低碳节能的蜕变。主要路径为，感知体系-指令精准；作业体系-效能精准；设施体系-品质可控；能耗体系-动态调控。

2.1 数字化的感知体系

以单灯监控为代表的物联网技术应用，促成了城市照明设施实现精准故障定位的必备条件；配电箱集中监控体系，在单一的城市照明管理体系下，其关注程度一度被弱化，而在智慧城市的发展形势下，其重要性重新归位。即城市照明的感知数字化，应建立在精度和广度两个维度的结合之下。

(1)数字化的“感知精度”。以单灯监控体系为切入点，从传统的线路控制上升至每盏灯，结合信息系统实现线下的算法线上化，南京解决了目前30万条/天的数据筛选，实现派单精度、组织方式、作业形态3要素同步提升。

(2)数字化的“感知广度”。箱控系统不再仅仅承担城市照明设施的启闭，随着综合杆、智慧杆、基站(含充放电系统)的加载，用电负荷从原来照明的相对静态化到目前的动态化、离散化，驱动照明电网向供电专网的标准升级。

(3)数字化的“保障体系”。在实践过程中发现，从箱控到单灯，从单灯到智慧杆件，亟需建立一套数字化的保障体系保持感知系统的稳定，包括通讯的稳定性、设备的稳定性、平台的稳定性等要素。我们以“目标导向”建立数字化的保障体系，先设定关键的目标值，然后围绕这些目标值进行技术、管理的输入，形成实用的数字化系统。对于城市照明感知体系，以终端设备“在线率”的100%[1]，作为系统保障性目标，结合时间、空间要素，分解到通讯模块故障率、通讯网络故障率、终端设备故障率、机房设备故障率、平台运行故障率的叠加组合，对相应网络或设备进行更换，实现动态达标；以设施运行状态感知数据“准确率”的100%，作为系统功能性目标，结合时间、空间要素，分解到电流、电压、功率等电参数的准确率，对系统进行校正、算法的干预和调整，实现动态达标。延伸至智慧杆件，由于其终端体系亦是物联网设备，因此照明感知体系的数字化，亦为智慧城市终端的数字化管理创造了路径、模型、算法体系[2]。

2.2 数字化的管理体系

从照明设施的管理晋级向智慧城市杆件系统的管理，第一步是设施的被动式管理向主动管理的转型；第二步是设施照明达标的管理；第三步是设施具备智慧杆件体系运行条件的转型。数字化在于将其三步归并，形成目标导向的垂直跃升。其中，照明主业归纳为3个方面的数字化管理。

(1)数字化的“指令管理”，以狭义的感知系统，作为设施运行状态故障的观测平台，形成被动式的故障处置指令；以广义的感知系统，即地理信息、设施信息平台，形成主动式的设施整治指令。

(2)数字化的“模式管理”，依据数字化的指令建立数字化的作业系统，我们在系统中建立了对比工作量、工作定额，开展动态的人材机资源匹配(如南京实施的单灯修灯工单一周一次统筹派发，班组定额修复的机制)，开展组织模式的动态调整(如南京实施的亮灯管理的定修模式、设施整治的项目化扫盲式覆盖等)。在照明主业，我们已经形成了箱、线、杆、井为主要设施类型按包干区、按道路、按设施年代的分步管理，以全市设施为总体，进行专项整治覆盖率、整治设施达标率的管理。

(3)数字化的“效能管理”，传统模式的设施管理，是以整治周期的延长、以及故障修复为目的的；数字化模式下，将其转化为按类型、按片区、按时间进度精准掌控的设施管理，促成了设施品质的精准管控。而精准的、动态的作业指令与运维资源的数字化匹配(如我们通过工作日志，建立精确至班组、工作项的效能管理)，即是数字化对于城市照明设施管理效能的精准管控。

2.3 数字化的设施服务

城市照明传统服务于市民出行，重点关注晚间光环境的保障；而当照明服务于智慧杆件体系时，则是非一次性的、非静态的、存在客观反复的“数字化交付”。即与“能源网”、“杆件网”相关的照明设施安全要素、检验有效期限、设施运行状态，进行综合的数字化、动态化评价，得以输出：实时的可加载智慧终端的电缆(绝缘检测、接地检测有效期内)长度、分布；实时可加载智慧终端的杆件(强度检测、外观检测有效期内)数量、分布；实时可支持长供电系统的单灯终端(在线状态、开关响应达标)数量、分布等等，对于整改完毕、但超期的，以及未整改达标的设施，必须整治达标之后再纳入可交付范围。从而形成以感知体系为底层，以作业体系为过程，以设施服务的动态化、数字化交付为输出结果的，城市照明传统基建向智慧城市新基建转型的数字化模型。

2.4 数字化的节能体系

从设施运营的视角来看，当达成城市照明服务向智慧杆件体系的数字化交付，城市照明设施即完成了从消耗型资产向经营型资产的转变；而随着国家碳中和战略的提出，碳排放的可交易性质，提供了更广义的设施经营平台。

(1)照明主业的“数字化低碳”。数字化实现了以设施运行参数代替理论功率计算的模式，包括：建立数字化的节能感知体系，提供精确至灯具的功耗参数、精准至线路的实时功耗参数；建立数字化的节能调节体系，提供与照明服务动态匹配的功耗调节；建立数字化的设施改造体系，依据光照度、设施状态进行精准的设施更新；建立数字化的结果输出体系，依据感知、调节、改造体系，输出按照时段、片区、设施类型提供动态的、可产生交易价值的节能数字。

(2)智慧杆件体系“数字化低碳”。延伸城市照明的经验，智慧城杆体体系搭载的规模优势，将产生新的低碳市场。仅以待机功率为例，我们可采用路侧杆內的智能电源盒技术对其进行控制或消除。按照10万个终端，每年待机4300 h，平均待机功率10W计量，则年度将节约碳排放量将达到3300吨。因此，数字化的节能减排的经济效益和社会效益，将从城市照明节能体系中延伸和释放出来，成为智慧城市杆件设施运营重要方面。

3 数字化的智慧杆运营

当城市照明完成升级并向智慧城市进行数字化交付之后，就应以智慧杆件体系为中心进行专业化管理，以纵横结合的数字化模式来进行“能源网”、“杆件网”、“终端网”的管理，纵向延续城市照明管理的成熟模型，横向布置智慧城市的复杂体系。

3.1 数字化的能源网管理

从南京部分地区照明线路24 h带电运行过程中发现，从相对静态的照明负荷，到动态变化的智慧杆件终端负荷；从照明的三相均衡供电，到动态调整的三相供电；从亮灯供电模式，到24h全天候供电；从杆体漏电监测，到泛在的智慧终端设施漏电管理，智慧杆件体系的管理与智慧城市的管理有着本质区别。智慧杆件“能源网”的数字化，其管理目标是负荷资源的实时可用分布，是在城市照明“数字化”的基础上，进行差异化的增补。

(1)横向的数字化。①负荷管理方面，进行在用负荷、可用负荷，相关时间段、空间点位分布的数字化投切、数字化计量；②三相平衡方面，进行基站等智慧城市负载的相序管理，负荷均衡等数字化管理；③24h供电方面，进行城市照明负荷与智慧城市终端负荷的数字化区分、数字化监控、数字化保障，以及线路故障对于5G基站等负荷运行影响的数字化管理；④对于智慧终端外壳带电的数字化管理；⑤对于电网谐波控制的数字化管理。

(2)纵向的数字化。依然遵循，结合空间分布、时间维度的数据感知、数据对比、决策调控、闭环反馈的过程体系。

3.2 数字化的杆件网管理

智慧城市杆件网，是智慧终端加载的硬件平台，其数字化管理目标是系统能够实时提供可用杆件数量、可用接口数量[3]。

(1)横向的数字化。①建立围绕智慧终端可加载的评价体系，包括杆体强度、基础强度、可承载负荷、通用接口等数字化监测、评估。②建立杆件网，与能源网之间的关联关系，综合评估设施的可用性、可持续性状态。

(2)纵向的数字化。①建立与地理信息系统的关联，提供位置信息服务；②与作业系统关联与实际需求进行比对，触发替换原杆件、改造原杆件、专项工程，使之动态符合设备加载需要；③与环境因素相关的对比，如水浸、水淹的影响触发远程排水，如杆件被损触发的杆体更换等。

3.3 数字化的终端网管理

智慧城市杆件体系终端管理，与城市照明单灯监控终端管理具有极高的相似度，是单灯数字化管理纵向的复制和横向的扩展，其管理目标是终端设备的“100%在线”，“100%可用”。

(1)横向的数字化。①建立动态更新的设备类型库(如摄像头、信号灯、环境监测探头、WIFI探针、微基站等)，按照功能划分、按照应用场景划分；②建立面向场景的设备关联信息模型；③建立各类终端设备修复的工法库等。通过纵横结合的数字化模型，解决智慧城市终端数量大、类型繁杂、处置方式多样、分布分散的管理难题。

(2)纵向的数字化。①通过智能网关建立终端状态的通信通道；②通过智能电源建立终端电气参数的监测通道，建立精准定位至每个终端设备的感知体系；③通过智能化数据分析，对比实时在线率、故障率标准，触发终端故障工单派发、工单修复与反馈体系，以及批量设备问题的熔断机制、共性技术难题的攻关机制；关联至材料供应链体系、作业人力机械的定额化配置。

4 数字化的智慧杆应用场景

将从城市照明服务向智慧杆件体系的数字化交付，看作是一次有形的物理形态的转换；那么从智慧杆件体系向智慧杆件应用场景的落地，则认为是一次无形的数字化转换，分层演进数字化的感知网、信息网以及应用场景组合。

4.1 数字化的感知网

建立智慧城市“专业功能需求库”，同时建立“智慧终端库”对种类及特性进行分类归集，再建立功能与终端的“数字化匹配”，形成数字化的感知网络。

(1)视频监控方面，具有角度的、距离的、清晰度参数之分的摄像头管理库；射频监控方面，具有机动车、非机动车之分的射频探测器库。

(2)位移监测方面，建立静态位移、动态位移、低精度位移、高精度位移的监测器库。视频监测、射频监测、通讯监测、位移监测、环境监测，在不同智慧城市应用场景之下，有着不同的设定标准。需以数字化满足个性为主、兼顾共性的智慧杆件感知终端的网络运行。

4.2 数字化的信息网

依托智慧杆件驱动的数字化“感知网”，需要进行同类、不同类的感知组合，数据加工，形成“数字化输出”。比如，车流量(依托视频监测，以及视频的语言数字化技术转换)、人流量(依托WIFI信号的探知，以及相应算法)、车行轨迹(依托路侧单元的定位互动)、人行轨迹、设施状态、环境状态(基于多个监测单元的感知数据，以及专业的算法组合)，都是在依据多个类型的感知体系的组合下形成的。因此，在数字化模型下，我们将“感知网”看作是“功能中台”，将“信息网”，看作是“数字中台”，而将下一步的应用场景设定为前台。

4.3 数字化的场景组合

认为具有价值的信息网，是智慧杆件体系内部数据整合的终极形态；那么再引入外部数据的打通，多维度的数据排列组合，则是智慧杆件应用场景实现N到∞的关键所在。

(1)内部数据关联的应用场景。比如南京“喵喵街”的“行人闯红灯管理”，是多个摄像头的终端网建立的感知网，再通过图像的语言数字化形成的信息网，对比交通信号灯的逻辑信号，进行数字化的整合，达成实时的、动态的、精准的人员违规行为的获得。

(2)内外数据关联的应用场景。如南京南站的“黑车治理系统”，以覆盖车站周边划定区域以杆件为载体，高清摄像头为感知网，建立对站内车辆拍照信息、乘客信息精准抓拍的鹰眼系统，再通过交管系统数据共享将原黑车清单，或者具有黑车行为的车辆信息进行系统集成，则形成了车辆违规行为的获得。

(3)智慧城市场景的数字化组合。在纵向上是内外部数据的整合和输出，而在横向上则是智慧交通(如行人闯红灯、不按规则行驶、违规停车、黑车治理)，智慧安防(如河道越界、异常行为)，智慧城管(井盖移位、垃圾箱满溢、占道经营、渣土车管理)，商业服务(信息屏)等多专业、多序列的搭载，这些都需要进行数字化的编码、组合、管理。因此，数字化的场景组合，是智慧城市的复杂多变的场景应用实现智能可控的必要条件。

5 数字化的智慧杆人工智能

5.1 智慧杆件体系的“分布式”

智慧杆件体系下的智慧城市应用场景运营具有数据量大、数据类型繁杂的特质。我们仅以南京青奥示范区一期中的4个单功能应用为例，“河道越界监测”监测的数字化每天产生约30条数据；“垃圾箱及井盖监测”，20个终端，摄像机和位移探测器联动，每天产生约500条数据；“停车管理”，2部摄像机6个车位，每天产生约600条数据；“人流监测”，20个WIFI探针，每天产生3000条数据，这仅仅是1.4平方公里范围内，部分功能、单专业应用的场景。

基于此，多专业综合的应用场景、监测加执行的应用场景，其排列组合产生数据量不设限，给后台软硬件动态保障产生持续压力。因此，我们在青奥示范区二期采用了云计算、分布式计算的方式。在此过程中，我们将“分布式”的方法论进行了扩展，源自于算力的“分步式”，通过建立路侧单元的“计算能力”对后台算力进行补充；延伸至信息交互的“分步式”，赋予路侧单元“信息交互”的能力；延伸到执行单元的“分布式”，通过路侧单元对执行期间进行本地化管理，形成“动作执行”能力。据此我们建立了“数字化的前后端架构体系”、“数字化的前端自制系统”、“数字化的人工智能系统”，共3个层级的智慧杆件体系。

5.2 数字化的“后端”架构体系

即后台、前端的职能切分和关联关系的数字化。在“前端自制”的目标之下，后台从原来的管理到现场每个摄像机、探测器，转变为管理前端自制体系。在这个维度上，我们将后台比作是“保障中心”，为每个自治前端提供终端设备保障、能源供应保障、通讯供应保障；后台是“信息中心”，为每个自治端提供区域内的各类基础信息，帮助前端开展本地化管理；后台是“场景中心”，进行场景的开发、投运，建立动态的自制前端的排列组合；后台是“输出中心”，最终提交TOG、TOB的数据服务。

5.3 数字化的“前端自制”系统

我们在南京“喵喵街”推出“智能路灯机器人”的概念，将智慧杆件从信息可传输、设备可加载，升级为数据可计算、可交互、可执行的智慧城市“路侧单元”。

(1)可计算-“路侧计算”。通过“杆侧计算盒”，对终端设备的监测数据按照“算法”进行计算加工，向后台提供直接可用的价值信息(如“行人闯红灯”，路侧单元对视频信号、信号灯数据进行就地整合，完成异常行为的结果信息输出)；向本地执行单元提供执行指令(如“行人闯红灯”，灯光、音响、信息屏的动作执行的计算)。

(2)可交互-“路侧平台”。建立智慧城市分步式体系的路侧平台，路侧单元将围绕应用场景，进行数据的采集、输出，结合后台数据的支持，其数据源将跨越本杆的终端设备、邻杆的设备，到区域内的设备，直至交管、公安、城管的数据体系，形成广域的数据汇聚路侧单元。

(3)可执行-“路侧执行”。路侧可计算、路侧可交互，为路侧可执行创造了条件，为路侧的单一功能执行升级为广域联动的功能执行创造了条件。如渣土车异常行为的管理，路侧单元的可计算、可交互，让路侧单元在此类综合场景中形成自定义、自反馈，在什么时间、什么条件下，应该执行怎样的路侧声光电告警，直至触发公安、交管、城管的单兵执法。

5.4 “数字化的人工智能系统”

(1)可思考-“路侧智能”。当路侧单元依次达成“可计算”、“可交互”、“可执行”的三个阶段之后，进行一定时期的大数据积累，再融入“人工智能”AI技术，由此让路侧单元进入“可思考”的更高层级，让智慧杆件体系成为路侧智能机器人，让路侧单元替代“公安、交管、城管”各专业，以及各层次的人员，达到“可替代”的目层级。路侧智能机器人，在“喵喵街”的“行人闯红灯告警”、“车辆违停驱离”场景中，捕捉异常数值，替代了“执法人员”。

(2)可替代-“路侧机器人”。随着AI的加持，路侧智能机器人将动态捕捉道路车流量，动态释放信号灯指令，替代“交通指挥员”的角色；而将区域化的车流量、信号系统进行结合，再根据大数据的积累的习惯，则可以让路侧智能机器人体系替代，“交通规划”的职能。从“执法”、“指挥”、“规划”这三个层次依次推进，路侧单元的智能化，则认为是当前城市交通智能化的发展方向之一，并将带动现有传统设施的活化利用。经过“可计算”、“可交互”、“可执行”、“可思考”、“可替代”5个阶段进行纵向串联，以及横向的技术应用，路侧单元将彻底改变城市管理的形态，是从照明到智慧城市发展的科学路径。

6 结语

实践表明，新基建，依托于传统基建系统的稳定、高效、可加载；传统基建，受益于新基建应用场景的持续拓展所带来的对设施品质的持续升级的新标准、新要求。我们将照明的数字化、智慧杆件的数字化、智慧城市应用场景的数字化、智慧城市应用场景的智能化，作为智慧城市杆件体系发展的四个层级；在每个层级之内细分层次，依次演进，并在这个主轴线上产生大量的新技术、新产品的需求，进而形成多个单专业应用；而在每个层级之间，上下衔接、互相促进，构建多专业、多领域发展的综合产业生态。综上所述，从城市照明发展智慧城市，我们通过数字化，赋能新基建、赋能碳中和，实现城市照明从消耗型资产转化为经营型资产，实现数字化的智慧杆件体系，驱动智慧城市产业的持续升级与拓展。