面向智慧城市建設(shè)的多功能信息桿柱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 瓊，孔玉輝，沙云鵬，楊欣可

（平高集團(tuán)有限公司 河北雄安綜合能源科技分公司，河北 雄安 071600）

0 引 言

當(dāng)前，城市建設(shè)逐漸向著智慧化和智能化的方向發(fā)展，由于支撐建設(shè)的相關(guān)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問(wèn)題，因此造成了智慧化城市建設(shè)的止步不前[1]。例如，無(wú)線城市信息基站站址中的各類(lèi)信息資源十分稀缺，在其城市建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)同步，建設(shè)模式不清晰等均是制約智慧城市建設(shè)的主要問(wèn)題[2]。其中，備受人們關(guān)注的問(wèn)題是城市建設(shè)中能夠搭載多種無(wú)線設(shè)備的多功能信息桿柱。由于當(dāng)前針對(duì)這一方面的建設(shè)技術(shù)和手段不夠成熟，因此存在著選址困難和取電復(fù)雜等問(wèn)題，同時(shí)伴隨著桿柱數(shù)量少、分布散亂以及沒(méi)有秩序等現(xiàn)象，無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)城市區(qū)域范圍內(nèi)的全覆蓋，更無(wú)法滿(mǎn)足智慧城市的建設(shè)需求。針對(duì)這一方面的問(wèn)題，本文開(kāi)展面向智慧城市建設(shè)的多功能信息桿柱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)線AP設(shè)備選型

多功能信息桿柱系統(tǒng)主要需要完成對(duì)各類(lèi)無(wú)線設(shè)備的搭載，針對(duì)這一問(wèn)題，本文需要對(duì)該系統(tǒng)的核心硬件結(jié)構(gòu)無(wú)線AP設(shè)備進(jìn)行選型。選用TYCX456-545型號(hào)無(wú)線AP設(shè)備，實(shí)現(xiàn)智慧城市建設(shè)區(qū)域內(nèi)網(wǎng)關(guān)/中繼模式的全覆蓋[3]。TY-CX456-545型號(hào)無(wú)線AP設(shè)備的工作電壓為22 V，工作頻段為2.7 GHz，覆蓋半徑250 m。以無(wú)線AP設(shè)備為圓心的圓形范圍內(nèi)，無(wú)線傳輸速度為220 MB/s，無(wú)線傳輸速率為330 Mb/s，同時(shí)無(wú)線AP間采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的CAPWAP協(xié)議進(jìn)行通信，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)支持頻率為3.2 GHz。此外，TY-CX456-545型號(hào)無(wú)線AP設(shè)備還支持VPN、WDS以及WPS，滿(mǎn)足各類(lèi)搭載設(shè)備的運(yùn)行需要。針對(duì)本文系統(tǒng)中的網(wǎng)關(guān)和中級(jí)配置，可按照1:5的比例設(shè)置，在具體實(shí)施時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮到實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景及傳輸距離的需要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。將無(wú)線AP設(shè)備安裝在多功能信息桿柱的箱體內(nèi)部，將天線結(jié)構(gòu)與無(wú)線AP設(shè)備進(jìn)行連接，并拉遠(yuǎn)到箱體外部，以此保證全覆蓋效果。在箱體內(nèi)部還應(yīng)當(dāng)預(yù)留適當(dāng)空間，用于在后續(xù)系統(tǒng)優(yōu)化和升級(jí)時(shí)可再引入多臺(tái)中繼和網(wǎng)關(guān)設(shè)備的安裝空間條件。

1.2 多功能信息桿柱本體結(jié)構(gòu)規(guī)格設(shè)計(jì)

綜合本文面向智慧城市建設(shè)的多功能信息桿柱系統(tǒng)的加載需要安裝的無(wú)線AP設(shè)備數(shù)量等相關(guān)技術(shù)參數(shù)，對(duì)多功能信息桿柱本體結(jié)構(gòu)規(guī)格進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)置多功能信息桿柱本體高度為13.5 m（桿的高度可隨著城市實(shí)際建設(shè)需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，但最低不得小于5.5 m），桿柱上口橫截面直徑不得小于112 mm，下口橫截面直徑不得小于225 mm，并確保其錐度滿(mǎn)足智慧城市建設(shè)中對(duì)路燈桿提出的12:1000比例要求。根據(jù)城市照明需要，在桿柱上設(shè)置至少兩個(gè)，至多4個(gè)燈具，用以維持夜間城市路面的正常照明需求。為防止在雷雨天氣出現(xiàn)雷擊災(zāi)害，還需要在桿柱底部安裝避雷針。圖1為本文多功能信息桿柱本體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 多功能信息桿柱本體結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1所示，在本文多功能信息桿柱本體距離地面6.5 m位置上設(shè)置多種不同形式的設(shè)備箱，將天線結(jié)構(gòu)安裝在箱體的內(nèi)部或頂部。一般情況下，設(shè)備箱的主要作用是用于廣告展示，也可采用裝飾型燈箱，選擇形式時(shí)應(yīng)當(dāng)保證該結(jié)構(gòu)能夠與智慧城市建設(shè)整體風(fēng)格相一致。此外，在本文多功能信息桿柱本體距離地面4.5 m位置上設(shè)置一個(gè)高度為1.5 m的支架，用于安裝監(jiān)控?cái)z像頭，在距離地面0.45 m處安裝低壓直流配電單元。

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 智慧城市多功能信息展示

在完成硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本章采用設(shè)計(jì)智慧城市信息展示的方式完善系統(tǒng)軟件功能。設(shè)計(jì)過(guò)程中，結(jié)合智慧城市的基礎(chǔ)性建設(shè)需求，應(yīng)對(duì)信息桿柱進(jìn)行場(chǎng)景規(guī)劃設(shè)計(jì)，場(chǎng)景設(shè)計(jì)的過(guò)程如下。使用硬件設(shè)備采集與智慧城市相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，展示數(shù)據(jù)信息，對(duì)信息進(jìn)行組織性綜合管理。獲取的信息大多源于城市街區(qū)監(jiān)控等，根據(jù)獲取的信息將其真實(shí)地應(yīng)用與放置在信息展示區(qū)域場(chǎng)景中[4]。同時(shí)，對(duì)智慧城市內(nèi)的建筑信息進(jìn)行三維建模感知，結(jié)合獲取的建筑信息數(shù)據(jù)對(duì)區(qū)域信息展示進(jìn)行真實(shí)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上使用三維立體建模技術(shù)應(yīng)用樹(shù)型建模結(jié)果，此過(guò)程以提高信息展示的真實(shí)度與清晰度為核心，并注意在建模過(guò)程中檢索功能的全面性。

為了確保軟件功能的完善性，在完成相關(guān)設(shè)計(jì)后，采用可視化技術(shù)對(duì)獲取的多種場(chǎng)景信息進(jìn)行集成處理，遵循虛實(shí)結(jié)合方法中不同建筑物的構(gòu)建方式，將智慧城市中功能模塊和交通道路進(jìn)行組織結(jié)構(gòu)規(guī)劃，并按照一定的規(guī)律對(duì)其進(jìn)行重構(gòu)。搭建智慧城市信息展示區(qū)域時(shí)，使用的計(jì)算機(jī)操作工具為Multigen Creator，此工具是一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)信息實(shí)時(shí)互聯(lián)的工具包，在網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的支撐下，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組織控制[5]?？刂七^(guò)程中，沿用非阻塞信息接收模式對(duì)每間隔1.0幀的展示信息進(jìn)行識(shí)別，確保智慧城市信息展示場(chǎng)景具備一定的信息交互能力與對(duì)信息的實(shí)時(shí)接收能力。

2.2 感知剩余電量的智慧路燈照明控制

在完成對(duì)智慧城市信息展示設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，應(yīng)根據(jù)信息桿柱的功能需求，對(duì)智慧路燈進(jìn)行照明控制設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中，將LED顯示屏作為支撐系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)，此項(xiàng)指標(biāo)在設(shè)計(jì)中可引進(jìn)安時(shí)積分法[6,7]。通過(guò)此種方法，將獲取的信息完全用于對(duì)信息的展示方面，以此做到對(duì)智慧路燈照明剩余電量和消耗電量等相關(guān)信息的實(shí)時(shí)感應(yīng)。

當(dāng)LED顯示屏展示智慧路燈照明的剩余電量不足25.0%時(shí)，此時(shí)計(jì)量路燈的電壓將發(fā)生自動(dòng)調(diào)整，即通過(guò)降低電壓的方式減緩放電的速度。當(dāng)電壓有存在上升的趨勢(shì)時(shí)，證明智慧路燈照明正在進(jìn)行充電處理，當(dāng)其上升到一定數(shù)值后，即可認(rèn)為智慧路燈照明完成充電。對(duì)路燈充電的過(guò)程也可近似地認(rèn)為是太陽(yáng)能電池板儲(chǔ)能的過(guò)程，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)其儲(chǔ)能的控制，應(yīng)在設(shè)計(jì)此方面功能時(shí)使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)剩余電量進(jìn)行準(zhǔn)確定位。智慧路燈照明的電量等級(jí)按照使用規(guī)范通常被劃分為滿(mǎn)電電量、低電量、放電電量以及饋電電量4種。直接使用硬件設(shè)備中的多功能信息桿柱對(duì)電量信息進(jìn)行感知，根據(jù)感知的數(shù)據(jù)調(diào)整路燈的工作模式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)感知剩余電量的智慧路燈照明控制設(shè)計(jì)。

3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)面向智慧城市建設(shè)的多功能信息桿柱系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)選擇將該系統(tǒng)應(yīng)用于某地區(qū)正在進(jìn)行智慧城市建設(shè)項(xiàng)目開(kāi)展的城市中，將該系統(tǒng)的運(yùn)行情況與以往傳統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的各類(lèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，完成對(duì)比實(shí)驗(yàn)。隨機(jī)選擇該城市區(qū)域范圍內(nèi)分布的5個(gè)桿柱系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，在其中引入本文提出的桿柱系統(tǒng)，對(duì)比兩種系統(tǒng)的運(yùn)行結(jié)果，選擇運(yùn)行結(jié)果中的桿柱照明情況作為對(duì)比內(nèi)容，并將其相關(guān)數(shù)據(jù)繪制成如表1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表。

表1 兩種桿柱系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

由表1中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文系統(tǒng)的亮度等級(jí)均優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)，并且亮燈持續(xù)天數(shù)也明顯比傳統(tǒng)系統(tǒng)時(shí)間更長(zhǎng)，亮燈的概率均達(dá)到100%，在實(shí)際應(yīng)用中能夠有效提高桿柱路燈的亮燈質(zhì)量和效果。通過(guò)亮燈概率能夠進(jìn)一步推導(dǎo)得出，本文系統(tǒng)對(duì)于低壓直流電源的使用效率明顯高于傳功系統(tǒng)，能夠有效降低資源的浪費(fèi)，滿(mǎn)足智慧城市建設(shè)的綠色環(huán)保要求。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，除了桿柱路燈照明情況以外，其他各個(gè)方面的應(yīng)用功能均明顯優(yōu)于傳統(tǒng)桿柱系統(tǒng)。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)開(kāi)展面向智慧城市建設(shè)的多功能信息桿柱系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究，提出一種全新的桿柱系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含低壓直流供電功能、監(jiān)控功能、路燈照明功能以及AP設(shè)備搭載功能等。該桿柱系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能夠有效滿(mǎn)足智慧城市建設(shè)對(duì)桿柱系統(tǒng)提出的要求，為智慧城市建設(shè)提供技術(shù)支撐。由于研究時(shí)間有限，本文僅針對(duì)桿柱系統(tǒng)的照明功能開(kāi)展了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，并未實(shí)施對(duì)桿柱系統(tǒng)低壓直流供電功能和監(jiān)控功能等的對(duì)比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在后續(xù)的研究中還將針對(duì)桿柱系統(tǒng)的各個(gè)功能進(jìn)行更加全面地研究。