面向智慧城市建设的多功能信息杆柱系统设计

孙 琼，孔玉辉，沙云鹏，杨欣可

（平高集团有限公司 河北雄安综合能源科技分公司，河北 雄安 071600）

0 引 言

当前，城市建设逐渐向着智慧化和智能化的方向发展，由于支撑建设的相关技术在实际应用中存在诸多问题，因此造成了智慧化城市建设的止步不前[1]。例如，无线城市信息基站站址中的各类信息资源十分稀缺，在其城市建设和基础设施建设的过程中无法实现同步，建设模式不清晰等均是制约智慧城市建设的主要问题[2]。其中，备受人们关注的问题是城市建设中能够搭载多种无线设备的多功能信息杆柱。由于当前针对这一方面的建设技术和手段不够成熟，因此存在着选址困难和取电复杂等问题，同时伴随着杆柱数量少、分布散乱以及没有秩序等现象，无法实现对整个城市区域范围内的全覆盖，更无法满足智慧城市的建设需求。针对这一方面的问题，本文开展面向智慧城市建设的多功能信息杆柱系统设计研究。

1 硬件设计

1.1 无线AP设备选型

多功能信息杆柱系统主要需要完成对各类无线设备的搭载，针对这一问题，本文需要对该系统的核心硬件结构无线AP设备进行选型。选用TYCX456-545型号无线AP设备，实现智慧城市建设区域内网关/中继模式的全覆盖[3]。TY-CX456-545型号无线AP设备的工作电压为22 V，工作频段为2.7 GHz，覆盖半径250 m。以无线AP设备为圆心的圆形范围内，无线传输速度为220 MB/s，无线传输速率为330 Mb/s，同时无线AP间采用业界标准的CAPWAP协议进行通信，无线网络支持频率为3.2 GHz。此外，TY-CX456-545型号无线AP设备还支持VPN、WDS以及WPS，满足各类搭载设备的运行需要。针对本文系统中的网关和中级配置，可按照1:5的比例设置，在具体实施时还应当考虑到实际应用场景及传输距离的需要对其进行适当调整。将无线AP设备安装在多功能信息杆柱的箱体内部，将天线结构与无线AP设备进行连接，并拉远到箱体外部，以此保证全覆盖效果。在箱体内部还应当预留适当空间，用于在后续系统优化和升级时可再引入多台中继和网关设备的安装空间条件。

1.2 多功能信息杆柱本体结构规格设计

综合本文面向智慧城市建设的多功能信息杆柱系统的加载需要安装的无线AP设备数量等相关技术参数，对多功能信息杆柱本体结构规格进行设计。设置多功能信息杆柱本体高度为13.5 m（杆的高度可随着城市实际建设需要进行适当调整，但最低不得小于5.5 m），杆柱上口横截面直径不得小于112 mm，下口横截面直径不得小于225 mm，并确保其锥度满足智慧城市建设中对路灯杆提出的12:1000比例要求。根据城市照明需要，在杆柱上设置至少两个，至多4个灯具，用以维持夜间城市路面的正常照明需求。为防止在雷雨天气出现雷击灾害，还需要在杆柱底部安装避雷针。图1为本文多功能信息杆柱本体结构示意图。

图1 多功能信息杆柱本体结构示意图

由图1所示，在本文多功能信息杆柱本体距离地面6.5 m位置上设置多种不同形式的设备箱，将天线结构安装在箱体的内部或顶部。一般情况下，设备箱的主要作用是用于广告展示，也可采用装饰型灯箱，选择形式时应当保证该结构能够与智慧城市建设整体风格相一致。此外，在本文多功能信息杆柱本体距离地面4.5 m位置上设置一个高度为1.5 m的支架，用于安装监控摄像头，在距离地面0.45 m处安装低压直流配电单元。

2 软件设计

2.1 智慧城市多功能信息展示

在完成硬件设计的基础上，本章采用设计智慧城市信息展示的方式完善系统软件功能。设计过程中，结合智慧城市的基础性建设需求，应对信息杆柱进行场景规划设计，场景设计的过程如下。使用硬件设备采集与智慧城市相关的数据信息，展示数据信息，对信息进行组织性综合管理。获取的信息大多源于城市街区监控等，根据获取的信息将其真实地应用与放置在信息展示区域场景中[4]。同时，对智慧城市内的建筑信息进行三维建模感知，结合获取的建筑信息数据对区域信息展示进行真实设计。在此基础上使用三维立体建模技术应用树型建模结果，此过程以提高信息展示的真实度与清晰度为核心，并注意在建模过程中检索功能的全面性。

为了确保软件功能的完善性，在完成相关设计后，采用可视化技术对获取的多种场景信息进行集成处理，遵循虚实结合方法中不同建筑物的构建方式，将智慧城市中功能模块和交通道路进行组织结构规划，并按照一定的规律对其进行重构。搭建智慧城市信息展示区域时，使用的计算机操作工具为Multigen Creator，此工具是一种可实现对信息实时互联的工具包，在网络协议的支撑下，对网络进行组织控制[5]。控制过程中，沿用非阻塞信息接收模式对每间隔1.0帧的展示信息进行识别，确保智慧城市信息展示场景具备一定的信息交互能力与对信息的实时接收能力。

2.2 感知剩余电量的智慧路灯照明控制

在完成对智慧城市信息展示设计的基础上，应根据信息杆柱的功能需求，对智慧路灯进行照明控制设计。设计过程中，将LED显示屏作为支撑系统的关键指标，此项指标在设计中可引进安时积分法[6,7]。通过此种方法，将获取的信息完全用于对信息的展示方面，以此做到对智慧路灯照明剩余电量和消耗电量等相关信息的实时感应。

当LED显示屏展示智慧路灯照明的剩余电量不足25.0%时，此时计量路灯的电压将发生自动调整，即通过降低电压的方式减缓放电的速度。当电压有存在上升的趋势时，证明智慧路灯照明正在进行充电处理，当其上升到一定数值后，即可认为智慧路灯照明完成充电。对路灯充电的过程也可近似地认为是太阳能电池板储能的过程，为了进一步实现对其储能的控制，应在设计此方面功能时使用神经网络技术对剩余电量进行准确定位。智慧路灯照明的电量等级按照使用规范通常被划分为满电电量、低电量、放电电量以及馈电电量4种。直接使用硬件设备中的多功能信息杆柱对电量信息进行感知，根据感知的数据调整路灯的工作模式，从而实现对感知剩余电量的智慧路灯照明控制设计。

3 对比实验

为进一步验证本文所设计面向智慧城市建设的多功能信息杆柱系统的实际应用优势，现选择将该系统应用于某地区正在进行智慧城市建设项目开展的城市中，将该系统的运行情况与以往传统系统运行过程中的各类数据进行对比，完成对比实验。随机选择该城市区域范围内分布的5个杆柱系统作为实验对象，在其中引入本文提出的杆柱系统，对比两种系统的运行结果，选择运行结果中的杆柱照明情况作为对比内容，并将其相关数据绘制成如表1所示的实验结果对比表。

表1 两种杆柱系统实验结果对比表

由表1中的实验结果可以看出，本文系统的亮度等级均优于传统系统，并且亮灯持续天数也明显比传统系统时间更长，亮灯的概率均达到100%，在实际应用中能够有效提高杆柱路灯的亮灯质量和效果。通过亮灯概率能够进一步推导得出，本文系统对于低压直流电源的使用效率明显高于传功系统，能够有效降低资源的浪费，满足智慧城市建设的绿色环保要求。同时，在实验过程中，除了杆柱路灯照明情况以外，其他各个方面的应用功能均明显优于传统杆柱系统。

4 结 论

本文通过开展面向智慧城市建设的多功能信息杆柱系统设计研究，提出一种全新的杆柱系统，该系统包含低压直流供电功能、监控功能、路灯照明功能以及AP设备搭载功能等。该杆柱系统的实际应用能够有效满足智慧城市建设对杆柱系统提出的要求，为智慧城市建设提供技术支撑。由于研究时间有限，本文仅针对杆柱系统的照明功能开展了对比实验，并未实施对杆柱系统低压直流供电功能和监控功能等的对比实验验证，在后续的研究中还将针对杆柱系统的各个功能进行更加全面地研究。