1 引言
智慧城市建设是解决交通拥堵等城市发展难题，实现城市可持续发展的新理念和新模式。路灯在城市分布广泛、均匀，具有地理坐标精确、供电网络完整、通信位置明确等特点，是智慧城市物联网极佳的切入口，可以作为城市物联网的感知终端载体。由此发展起来的智慧路灯，近年来在北京、上海、南京、深圳等智慧城市试点应用，不仅切实提升了城市照明的管控水平，进一步节约照明用电，还为城市管理和服务实现信息化和智慧化提供了重要的技术支撑。
智慧路灯集成了智慧照明、无线 WIFI、视频监控、信息发布、环境监测、灾害预警、充电桩等多项功能，其架构一般分为应用层、平台层、传输层、硬件层，其中传输层通信方式的选择是智慧路灯应用的关键。目前，智慧路灯使用的通信方式主要有 PLC、ZigBee、NB-IoT、LoRa 等四种，其中 NB-IoT 由于广覆盖、海量连接、低功耗的特点备受智慧路灯用户主体和生产制造商的青睐，目前基于 NB-IoT 的智慧路灯发展势头迅猛。
2 基于 NB-IoT 的智慧路灯的作用
2017年初，全球各大运营商便在NB-IoT领域积极布局，从政策、运营到产业链推动 NB-IoT 发展与应用。
2017年6月，工信部发布的《关于全面推进移动物联网（NB-IoT）建设发展的通知》指出，到2017年末，实现 NBIoT 网络覆盖直辖市、省会城市等主要城市，基站规模达到40万个；到2020年，NB-IoT 网络实现全国普遍覆盖，面向室内、交通路网、地下管网等应用场景实现深度覆盖，基站规模达到150万个；
2017年实现基于NB-IoT的连接超过2000万，2020年总连接数超过6亿
基于NB-IoT的各类终端产品及系统不断被推出，智慧路灯、智慧照明、智慧停车、智慧水务等走向试点应用，成为政府、运营商、设备商、制造商关注的焦点。基于NB-IoT的智慧路灯具备多项优势，如可实现单灯精确控制和维护，无需人工巡检，可远程检测并定位故障，无需路灯企业建网，网络覆盖好，可靠性高等，其在智慧城市中应用案例不断增多
传统智慧路灯一般采用“两跳式”照明解决方案，即集中控制器与终端控制器之间的通讯一般采用PLC、ZigBee、LoRa 等通讯方式。这种方式需要部署大量网关控制路灯，成本高，组网难度高，操作管理麻烦，且易受干扰，可靠性无法保障。而基于 NB-IoT 的智慧路灯既满足路灯分布离散的特点，又实现对每盏路灯“一跳式”的连接和控制，不需要网关设备，减少了建设和维护成本。同时，由于 NB-IoT 使用授权频谱，这就免去了智慧路灯运行时网络干扰问题 ；且IoT 平台为智慧路灯应用提供基础的连接管理、数据管理、设备管理能力，并通过开放标准接口使得智慧路灯应用更加灵活便捷。基于NB-IoT的智慧路灯在 LED 路灯基础上配备了具有传感、通信和处理能力的组件以及控制装置，在智慧城市中发挥的作用将不断凸显。
1）推进城市绿色照明，进一步实现节能减排
推广LED路灯、应用控制技术是实现城市道路照明节能的重要手段，同时收集电力使用数据并智慧化管理也是节省电力能源的重要途径。智慧路灯在LED路灯节能的基础上，通过智能控制技术实现“按需照明”、二次节能。又基于物联网和云计算等现代信息技术实现路灯巡检、故障主动报警、自由编组、地图指引、故障报警、偷盗报警、远程抄表等功能，从而实现城市道路照明的精细化管理，更进一步挖掘城市道路照明节能的潜力，推进城市绿色照明。
2）助力城市管理的精细化和公共服务的便捷化
智慧路灯上集成了充电桩、微基站、视频探头、多媒体屏、信息交互屏，搭载了通信子系统、传感器子系统等，可以实现大数据采集、分析、处理，公共信息发布，导航定位和无线上网服务等功能。如：搭载微基站，实现“无线城市”；变身为充电桩，为新能源汽车提供充电服务 ；智能化监测市政管网管线，提升智能安防响应效率等等。智慧路灯为实现城市管理的精细化和公共服务的便捷化提供了很好的技术支撑，是智慧城市建设落到实处的重要手段。
3）展示城市文化，塑造城市品牌
作为城市公共设施的重要组成部分，路灯也是城市景观的一部分，承担着美化环境、传承城市文明的功能。智慧路灯可以根据各城市的人文特色、各区域的文化属性、各风景名胜区的文化内涵，设计定型、制作生产，可以成为城市文化的容器、载体和舞台，城市空间中居民进行交流和互动的良好平台。将城市文化元素、地域文化元素融入智慧路灯的设计中，通过光的语言加以刻画和表示，向城市的居民传递文化信息，可以打造城市新的“文化名片”，塑造城市品牌。
此外，基于NB-IoT的智慧路灯还可以降低智慧城市建设的投资成本，有效地节约城市用地资源和空间资源，有利于智慧城市的各二级应用系统协同发展、数据共享和数据二次利用等。
技术与应用 Technology and Application
应用情况与存在的问题随着智慧城市建设的不断推进和新一代信息技术的广泛应用，从智慧路灯入手搭建智慧城市物联网平台成为智慧城市项目落地的重要抓手，基于 NB-IoT 的智慧路灯已开始在北京、杭州、上海等城市试点应用与推广。
表 1 基于 NB-IoT 的智慧路灯应用的项目
投入运营时间 |
项目简介 |
2017 年 11 月 |
北京移动与未来科学城园区联手推出基于 NB-IoT 的智慧路灯项目。项目一期实现了未来科学城滨水公园内 615 盏路灯的智能单灯控制、编组控制、亮度调节和状态监控等功能。科学城闭园之后，所有路灯自动调节到最低照度水平，在 LED 路灯节能基础上实现了二次节能，节电效果非常明显。同时通过智慧路灯控制系统实现了路灯管理的智能化、现代化，有效提升管理效率。 |
2017 年 10 月 |
雄安新区联通在容城县主干道奥威路上安装试用了 40 盏基于 NB-IoT 的智慧路灯，运用物联网无线组网技术实现对路灯的集中控制，实现了路灯的调光和按需亮灯功能，可节约城市路灯综合用电量，节省人力物力（巡检费），降低维护成本。 |
2017 年 9 月 |
200 盏 NB-IoT 智慧太阳能路灯在上海崇明港沿镇惠军村投入使用，由上海联通和上海产研院联合研发。管理人员能够远程操控布置在崇明地区的路灯，可以远程实时监控路灯的运行状况，也可以根据需要对路灯进行单灯控制、集中控制，不仅为居民夜间出行提供便利，在一定程度上还能提升当地的治安水平，受到当地村民的极大欢迎。 |
2017 年 9 月 |
首批 16 盏基于 NB-IoT 的智慧路灯在上海浦东软件园试点运行，由上海电信及上海瓴泰科技合作实施，每个路灯的终端硬件由 NB-IoT 单灯控制器、电源驱动器、LED 灯组成，能够实现 GIS 地图管理、开关控制、调光控制、自由编组、计划任务、策略预警、智能运行、故障报警、数据采集储存分析等各种功能，通过手机 App、PC 端即能在园区全景协同中心系统上操作，对其实现动态化、流程化、可视化、规范化的智能管理。 |
2017 年 6 月 |
由中国电信、华为技术有限公司、泰华智慧联合建设的 NB-IoT 智慧路灯规模化商用项目落地江西鹰潭市信江新区，覆盖新区所有道路共计 2888 杆路灯，一期项目包括和平路、德政路、余信贵大道区域的 576 盏 LED 路灯，在满足市民正常照明需求的前提下，对每盏路灯实现全面的感知、智能的控制、广泛的交互和深度的融合，减少过度照明，对城市照明设施实现精细化管理，目前正式进入运营管理阶段。 |
2017 年 4 月 |
江苏省第一个 NB-IOT 智慧路灯项目在南京江北新区研创园团结路建成，由研创园携手江苏电信、华为公司完成，实现了对路灯的远程监控，提高了城市公共照明的管理和维护效率，以及能源使用效率。 |
2017 年 2 月 |
基于标准 NB-IoT 的智慧照明示范区在杭州滨江士兰微园区完成，首批建设、安装 20 盏 NB-IoT 智慧路灯，由华为、杭州移动和浙大网新易盛共同打造。通过运营商 NB-IoT 蜂窝网络实现对每盏路灯“一跳式”的连接管理和控制，不再需要汇聚网关设备，大幅度缩短业务上线时间，减少运维工作量，带来更高的可靠性保障。 |
由表 1 可见，当前基于 NB-IoT 的智慧路灯在城市中的应用情况呈现以下几个特点 ：①有运营商如中国移动、中国联通、中国电信的参与，这是因为NB-IoT是主流运营商、设备商在3GPP全球标准化组织提出的物联网新技术，NB-IoT基站、IoT平台主要掌握在运营商和设备商手中，基于NB-IoT的智慧应用必须有运营商的加入。②试点范围较小，一般都在园区，且安装的智慧路灯量也不大，基于 NB-IoT 的智慧路灯目前还处于发展的初级阶段，应用的标准化、推广的机制、运行的模式等还在探索中。③由几家跨领域跨学科的公司（包括运营商、网络设备供应商、智慧路灯厂商等）合作完成，充分体现了基于NB-IoT的智慧路灯多学科多领域交叉融合的特点。④从表 1 中，我们也可以发现 ：目前试点应用的智慧路灯的主要功能还是实现二次节能、路灯远程监控、提升公共照明管理和维护水平，并没有充分发挥智慧路灯作为智慧城市物联网接入口的关键功能。
这主要是因为基于NB-IoT的智慧路灯应用当前还存在以下问题 ：
1）智慧路灯由硬件（包括 LED 灯具、微基站、视频探测系统、信息交互屏、传感器等）和软件（IoT 监控平台）两部分组成，是多学科多领域交叉融合的复杂系统，硬件模块接口互换，平台的开放性、兼容性和扩展性，系统的互联互通等智慧路灯的共性问题有待解决。标准化是破解这些问题的重要手段，在促进智慧路灯与智慧交通、智慧城管和智慧公安等的衔接与互联，规范完善智慧路灯的制造、设计、建设与运维，实现城市资源共享等方面有着重要作用。但是目前智慧路灯的标准化进程明显落后于智慧城市的标准化进程，标准化体系尚未建立。
2）智慧路灯集成了多项功能（包括智慧照明、智慧城管、智慧交通、智慧管廊等），许多功能分属政府不同部门（如市政、公安、交通、气象等）的管理职能，而一些功能（如道路照明、灾害预警、出行安全提示等）则与城市居民的生产、生活、出行密切相关。但是受城市管理模式、管理体系的制约，管理部门之间信息资源目前仍缺乏互联互通和共享机制，整合智慧路灯的这些功能尤其是城市的管理职能难度很大。当前的智慧路灯各项功能之间的联系非常弱，有些功能并未发挥作用。
3）智慧路灯功能强大，但其安全性需要进一步加强。当前NB-IoT技术还处于初级发展阶段，并没有建立起一套完善的安全标准，且NB-IoT是运营商网络，其智慧应用依赖于运营商基站布局，受通信运营商基站布局的影响大，因此基于NB-IoT的智慧路灯的安全问题堪忧。
由于智慧路灯标准化的缺失，复杂的接入环境、多样化的接入方式又给智慧城市网络平台带来极其复杂的信息安全问题，而智慧路灯功能涵盖市政、交通、气象、安全、民生等多个领域，采集并拥有海量的大数据，极易成为网络攻击的目标，其大数据安全隐患亟待破除。同时，由于智慧路灯需要24h带电运行，关乎城市居民、运维人员人身安全的电气安全问题有待进一步加强。
此外，基于NB-IoT的智慧路灯造价高、前期投资大、建设周期长、投资风险度高，投融资难度不小，急需创新商业模式、管理模式和产业链。同时，NB-IoT正 面 临 来 自LoRa的挑战与威胁，LoRa工作在免授权频段，无需申请即可进行网络建设，网络架构简单，相比NB-IoT，运营成本低，且功耗更低，已经形成了从芯片到解决方案的完整物联网生态系统。这导致智慧路灯用户主体和厂商对采用NB-IoT还是LoRa持探讨态度，也是基于NB-IoT的智慧路灯目前没有在城市更大范围推广的原因之一。
基于NB-IoT的智慧路灯是智慧城市信息互联互通的节点，是物联感知、数据采集的交互平台，也是半导体照明、智慧城管、平安城市、智慧交通等多学科多领域交叉融合的复杂系统，其建设、推广、应用需要从多角色多维度综合考量。
近年来我国政府出台了一系列针对城市照明的建设、发展的文件，助推城市照明的快速发展，加快城市照明节能改造，提高城市照明信息化管理水平，提高城市照明设施建设和维护水平。基于 NB-IoT 的智慧路灯顺应城市绿色、智慧、和谐、特色发展的需求，也契合国家大力推动 NB-IoT 智慧应用的方向，为城市照明实现动态化、流程化、可视化、规范化管理，保障城市照明运行安全，为智慧城市打造公共服务、公共设施、节能环保等多维平台提供了全方位的技术支撑。随着智慧路灯标准化的推进NB-IoT技术应用的成熟、智慧城市建设的开展，我们相信基于NB-IoT的智慧路灯将会在更多城市中得到应用，而当前存在的诸多问题也会陆续被破解，其未来发展前景十分广阔，将为城市实现节能减排、精细化管理、个性化和特色发展贡献新的力量。
来源：郑炳松（中国照明学会）