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多功能信息杆柱 在智慧城市建设中的应用初探

发布时间:2013-09-03 10:32:00 来源:论坛 作者:C114中国通信网
关键字:信息柱 云计算 智慧城市

  0 前言

  目前我国多个城市纷纷提出建设智慧城市发展战略,意在抢占先发优势;然而,在智慧城市建设发展过程中也面临诸多问题和挑战。诸如,无线城市信息基站站址资源稀缺,无线城市建设与城市基础建设不同步,以及无线城市建设模式不清晰等现实问题。其中,特别是无线城市建设急需能够搭载无线设备的多功能信息杆柱,在规划和建设中面临着选址难、取电难的问题,存在少、散、乱现象,不能覆盖全市,不能满足建设中国特色城市和智慧城市的要求,急需解决。

  1 多功能信息杆柱概念的提出

  随着“无线城市”的迅速发展,基站的选址日益困难,此外也存在重复建设、与城市空间发展和城市景观美化要求不协调等问题,特别是随着各类信息化应用的开展,基站数量还将激增几倍,但可供建设的地方又非常有限。如何能够使这种资源得到高效配置和充分利用,是一个不可回避的现实问题。

  目前北京、上海、宁波等城市的信息化部门开始尝试利用城市路灯灯杆加载若干信息化终端,并正在开展相关示范项目的试点工作。

  智慧城市多功能信息杆柱是一种技术创新的复合应用产品,目前,国内没有形成严格意义上的技术规范,也没有可供借鉴的成熟案例。由于各个城市的基础状况、经济水平、信息化需求各具特色,智慧城市多功能杆的实施需要一定规模和不同场景的案例试验,以确保基础的扎实。

  同时,示范工程可以着重把技术创新放在更加突出的位置,重点攻克智慧城市多功能杆的功能多样性、安全可靠性、造价合理性、运维规程性和商业模式的共赢性及发展的可持续性等课题,使之具有很好的示范推广作用,可为进一步的实施提供指导。

  2 多功能信息杆柱示范项目技术方案

  2.1 设计依据及技术要求

  2.1.1 设计规范及标准

  多功能信息杆柱的设计应在参考现有市政路灯杆的基础上,综合考虑设备安装空间、承重、安全、防风、抗风、供电等因素。需要遵循的相关设计规范和标准主要涉及《建筑结构可靠度设计统一标准》(GB 50068-2001)、《建筑结构荷载规范》(GB 50009- 2001)、《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)、《钢结构设计规范》(GB 50017-2003)、《高耸结构设计规范》(GB 50135-2006)、《建筑结构可靠度统一标准》(GB 50068-2001)、《钢结构工程施工质量验收规范》(GB 50205-2001)、《城市道路照明设计标准》(CJJ 45-2006)、《通信局(站)防雷与接地工程设计规范》(YD 5098-2005)等。

  2.1.2 多功能信息杆柱上可能加载的信息化设备

  多功能信息杆柱需在杆体上配备设备安装箱体,集中安装各种信息化设备,可能加载的主要设备如下:

  a) 物联网设备。网关与中继配置比例按照1:5设计,具体根据应用场景及传输距离调整,设备安装在箱体内部,天线拉远至箱体外,以保证覆盖效果,预留空间按照可以同时满足一台中继和一台网关安装进行设计。

  b) WLAN设备。单杆配置2台AP设备,AP内置天线功能,安装在箱体内部。

  c) TD-LTE CPE设备。单杆配置1台TD-LTE CPE设备,安装在箱体内部。

  d) 监控设备。参照现行标准预留监控摄像及存储设备安装空间,存储设备安装在箱体内部,摄像头按现行方式安装。

  考虑物联网、WLAN、TD-LTE CPE等的无线覆盖效果,设备安装箱体拟挂装于杆柱距地6 m处。多功能信息杆柱需要或可能安装的设备数量及硬件规格如表1所示。表1中列举的设备规格参数仅供参考,工程实践中,在设计设备安装箱体的具体尺寸以及杆柱所增加的有效荷载时,需要考虑足够的冗余。

说明: http://image.c114.net/2013083049.JPG

  2.1.3 多功能信息杆柱的安全性和可靠性要求

  多功能信息杆柱在安全性和可靠性方面,需作如下考虑。

  a) 杆上设备负重安全,满足自身及各种安装负荷。

  b) 抗风要求,满足相应规范。如在北京地区,设计的基本风压可取0.45 kN/m2(北京地区50年一遇最大风压)。

  c) 抗震要求,满足相应的规范。通常可按8度考虑。

  d) 防雷接地要求。

  e) 需在远程管理多功能信息杆柱所属设备,并实时监控杆本身的安全状况,保证整套系统可靠运行。

  2.1.4 多功能信息杆柱在实际使用及成本上的要求

  多功能信息杆柱在实际使用及成本方面,需作如下考虑。

  a) 设备安装空间预留,杆柱内部穿线空间预留。

  b) 配套传输光缆光纤位置预留。

  c) 多功能信息杆柱技术参数指标满足无线设备发射需求。

  d) 由于多功能信息杆柱数量庞大,因此应尽量降低单点(单信息杆柱)造价,杆柱的构造形式需要适应灯杆批量及大规模制造生产的要求。

  2.2 设计方案考虑

  2.2.1 多功能信息杆柱柱体的设计方案

  综合以上可能加载或需要安装的设备数量及其相关技术参数要求,多功能信息杆柱柱体的总体设计方案建议如下:

  a) 多功能信息杆柱高12 m(杆的高度可以根据实际需求调整,最低不得低于6 m)。

  b) 上口直径116 mm,下口直径260 mm,满足目前市政路灯杆常用的锥度12∶1 000的要求。

  c) 顶部可承载2个灯具。

  d) 顶部设置避雷针。

  e) 在杆体距地6 m处设置设备箱,形式可多样。天线安装于箱体内部或顶部。设备箱可采用广告灯箱形式,也可采用装饰型灯箱,与环境融为一体。

  f) 在杆体距地5 m处设置一个高1 m的支架,可安装监控摄像头。

  g) 在杆体距地0.5 m处安装低压配电单元。

  h) 所有线缆从杆体内部走线,杆体上设置手孔进行安装或维护。

  i) 顶部安装杆体安全监控模块,可实时对杆体健康状况进行监控。

  j) 多功能信息杆柱采用预制式基础,在保证安全的前提下,可加快工程进度。

  初步测算杆高12 m的多功能信息杆柱其柱体本身的总重量约为600 kg(含杆体、路灯支架、摄像头支架、避雷针、基础预埋件,不含设备箱)。杆高为12 m的多功能信息杆柱杆体设计方案如图1所示。

说明: http://image.c114.net/2013083050.JPG

  2.2.2 多功能信息杆柱安全可靠性设计

  在结构安全上,建议采用结构安全等级为二级,使用年限为50年,进行多功能信息杆柱杆体结构设计。另外,可以根据现实需要在杆体上安装杆体安全监控系统,在提高系统可靠性的同时,实现对杆体倾斜角度、位移等指标的监控,实现对运行状态数据采集、状态特征信息提取,传感器可将杆体实时状态数据发送回中心机房,实现24 h监控。系统能实时监测杆体本身安全状况,智能感知潜在故障和危险并实现告警,提高系统运行效率。

  安全监控系统可实现对杆体的实时监控,提高维护效率,而且可获得更多的测量数据,减少1/3人员实地勘察次数,减少了人员简单重复劳动量,从而减少人工成本和管理成本。同时在地质灾害和气象灾害中可靠性会更加明显,可迅速确定信号损坏点,大幅提高信息网络修复速度,提高了反应速度及服务质量。

  2.2.3 多功能信息杆柱示范项目配电方案及负载设计

  根据是否需要为信息化设备提供引电电缆资源,多功能信息杆柱的配电(馈电)方式可有2种方案。一种是交流配电方式,在市电可以独立供应的情况下,信息化设备所需电源采用与路灯相同的引电方式引入,分路敷设,独立计量,适用于新建道路或者道路大修等方便新增布放电缆的情况;另一种是后备电源配电方式,在市电不能独立供应的情况下,信息化设备采用普通铅酸电池、磷酸铁锂电池或太阳能等供电方式,蓄电池的起始电能取自路灯现有供电设施,夜间路灯点亮期间充电,适用于不便新增布放电缆的现有道路以一定的间隔“插花式”改造安装信息杆的情况。

  综合考虑到物联网、无线城市WLAN、政府无线专网及安全监控摄像头等设备,单点总的用电负荷约为150 W,考虑今后发展,用电负载建议按照200 W/单点设计。

  2.2.4 多功能信息杆柱示范项目配套传输管道设计

  智慧城市多功能信息杆柱在信息化应用中的实际价值,往往要通过在其上面加载各类信息应用系统的信息终端设备,并通过有线或无线传输方式上联到各信息应用系统网络来体现。

  信息传输管道是重要的信息基础设施,是穿敷各类信息化应用系统组网光缆的重要物理载体,其建设需要遵循一般通信管道的设计规范和标准。实际工程建设中,信息传输管道的预埋位置需要市政道路建设规划部门提前规划预留,要在道路建设红线内和雨水管、污水管、煤气管、燃气管、通信管、有线电视管等各类地下管道统筹规划安排。

  智慧城市多功能信息杆柱项目配套的信息传输管道,条件许可时,建议独立路由建设;条件限制时,可以与有线电视管道、通信管道共路由建设。

  2.2.5 多功能信息杆柱的景观美化设计

  随着中国经济的高速发展,可持续发展和环境保护的理念深入人心。基础设施大规模建设和城市化进程的矛盾逐渐显现出来,在城市居住环境日益受到重视的今天,市政设施在城市的建设会遇到很多诸如对无线辐射过于敏感方面的投诉、景观不协调等的问题,影响项目的建设实施。

  为有效化解上述问题,目前无线基站选址均要考虑对周边环境的影响,在电磁辐射符合国家规定和保证信号覆盖的前提下,尽量与周边环境协调、消除居民对电磁波辐射的恐慌;同时,为城市美化、尽量创造和谐协调的周边环境,也需要城市建设中尽量多设计新颖美化的多功能信息杆柱。

  多功能信息杆柱可依据周边环境的不同进行不同的设计,以达到功能性和环境协调性一体。在满足基本功能(道路亮化)和附加功能(加载信息化及监控设备)等的总体功能性指标设计前提下,根据应用环境(如城区或园区的主干道、次主干道,以及风景园林环境)的不同和景观美化设计的要求,多功能信息杆柱的外观设计表现可以是多样的,也是丰富多彩的。

  2.2.6 多功能信息杆柱的应用场景及其布局设计

  根据供电方式的不同,“多功能信息杆柱”分为2种类型。一是全功能型。具备双路供电功能,可同时满足路灯和信息化设备的用电需求;具备光纤接入功能,可实现各类信号的落地和高速传输;此种类型需进行信息管道、光纤和电力等施工,适用于新建道路或道路大修时同步建设安装。二是简约型。由内装蓄电池向信息化设备供电,利用原路灯电路夜间向蓄电池充电;信息化设备均采用无线通信方式;此种类型只需替换原有路灯杆,适用于已建道路路灯杆的替换改造。

  多功能信息杆柱的布设。常见物联网、WLAN设备覆盖能力为100 m左右,路灯杆常规间距为35 m,为保证覆盖效果,多功能路灯/信息杆柱在道路两边呈S型(插花式)分布,与普通路灯杆按照1∶3比例布设,每公里道路需布设多功能路灯/信息杆柱10根。

  2.2.7 多功能信息杆柱应用项目的总体规划

  多功能信息杆柱作为城市信息通信基础设施的新型载体,其规划和建设,还要综合考虑各可能加载的无线基础设备的电磁兼容、电磁场强、场地限制、市民投诉等多方面因素,认真进行环境评价和频点网段组合的可行性分析,合理推进,保证共建共享后的无线通信基础设施符合环保标准,避免信号干扰和辐射污染。

  3 多功能信息杆柱示范项目实施方案建议

  3.1 示范项目主要内容

  3.1.1 项目目标

  示范项目选择2~3个重点功能区或产业园区及若干条市政道路,在不改变现有城市景观的前提下,利用现有路灯杆路进行改造,或新建多功能杆信息杆柱的方法,实现部分小型信息化设备的安全搭载,实现示范区域内无线城市、视频监控、物联传感网络的全覆盖,有效解决信息化设备选址难、取电难等问题。探索多功能信息杆柱建设、运营和管理模式,研究制定多功能信息杆柱的地方标准等。

  3.1.2 实施原则

  a) 改造与新建相结合,实现资源共享。对于已建市政道路采取更换改造部分现有路灯杆的方式;对于新建或大修的市政道路采取与路灯杆路同步建设新式多功能杆信息杆柱及其配套管道、线缆等设施的方式。充分利用现有路灯杆路资源,实现资源共享。

  b) 保持城市美观,确保安全。在不改变现有城市景观的前提下,美化多功能信息杆柱的设计方案,使之与周围环境自然和谐。综合考虑承重、抵抗自然灾害等安全因素,高标准设计,严格制造和施工工艺,确保示范项目的生产安全。

  c) 创新运营模式,促进产业发展。由企业投资建设运营多功能信息杆柱,大力推动建设单位就近采购本市产品,促进相关上下游产业发展。

  d) 试点先行,以点带面。选择具有代表性的区域和市政道路实施示范项目,总结试点经验,制定相关技术规范,创新建设、运营和管理模式,为在全市推广奠定基础。

  3.1.3 项目投资及其建设运营管理模式

  a) 项目投资。2012年6月27日,为贯彻落实《国务院关于鼓励和引导民间投资健康发展的若干意见》(国发[2010]13号)“鼓励民间资本参与电信建设。鼓励民间资本以参股方式进入基础电信运营市场。支持民间资本开展增值电信业务。加强对电信领域垄断和不正当竞争行为的监管,促进公平竞争,推动资源共享”的要求,工业和信息化部颁布了《工业和信息化部关于鼓励和引导民间资本进一步进入电信业的实施意见》。鉴于该《实施意见》的精神,笔者建议各城市可以尝试引入业内具备研发、生产、维护和先期资金投入能力的相关信息通信企业参与智慧城市多功能信息杆柱示范项目的投资、建设及营运管理。

  b) 建设运营模式。由业内具备研发、生产、维护和先期资金投入能力的相关信息通信企业负责投资建设多功能信息杆柱试点项目,并负责其中信息化设备承载部分的运营和维护。政府及其他单位采用租赁方式使用,建设单位获取租金收益。

  c) 管理模式。多功能信息杆柱的杆体及照明设施部分按照现有市政道路路灯管理有关规定执行;附属信息化设备承载部分建议由市信息化主管部门(如经济信息化委、信息办)制定相关管理办法实施管理。

  3.2 示范性工程验证的内容

  多功能信息杆柱通过不同场景的示范试点,除了达到以上项目目标外,实质上还有另一目的。在满足道路亮化指标前提下,需要重点验证多功能杆能否安全搭载物联网、无线城市、政府无线专网及城市监控多系统的信息化设备,以及各搭载设备功能能否满足各应用系统的技术指标要求等,具体验证内容包括但不限于以下各点。

  a) 满足道路亮化功能。

  b) 安全搭载物联网、无线城市、政府无线专网及城市监控等的信息设备。

  c) 满足各信息化设备功能。

  d) 环境美化(多功能杆与周边环境和谐)。

  e) 节约土地(既满足智慧城市需要建设安装无线发射设备要求,又能节约宝贵的土地资源)。

  f) 降低能耗。

  3.3 示范项目的组织实施

  鉴于此,智慧城市多功能信息杆柱示范项目是个创新性的项目,其实际实践过程中将涉及城市管理的众多机构或组织,涉及面较广、工程协调工作环节多、利益格局复杂,因此建议在市一级政府组织层级上成立“智慧城市多功能信息杆柱示范项目工作小组”,负责统一领导示范项目全面工作。工作小组成员建议涵盖城市的信息化(信息办)、规划、住房城乡建设、交通、市政市容、公安等职能管理部门,以及城市路灯管理中心、电力公司和项目投资建设运营主体企业、试点园区管理机构等,各司其职、协同推进。工作小组办公室建议设在市经济信息化委(信息办)。

  4 结束语

  在目前无线通信基站站址的选择越发困难的现实环境中,利用在现代城市里广泛存在的路灯灯杆加载信息化设施,将路灯灯杆改造为现代城市里可以被广泛应用的信息基础设施是必要的,可行的,更是一种必然的选择。

  同时,由于我国城市众多、城市地理环境、经济社会发展、信息化需求状况各具特色,以上关于智慧城市多功能信息杆柱示范项目的实施方案不一定具有普遍性的指导意义。各地市应当因地制宜,注重实际,稳步推进,试点先行。此外,还要注重创新机制,开放共享机制,政企合作,从而取得示范试点的成功,乃至智慧城市建设的长期发展。

  参考文献:

  [1] 王辉,吴越,章建强. 智慧城市[M]. 北京:清华大学出版社,2010.

  [2] 杨兴国.智慧城市创新与发展的路径[J]. 物联网·智慧城市,2012(6).

  [3] 刘韵洁. 物联网的发展及前景[J]. 物联网·智慧城市,2012(6).

  [4] 谢中业. 中国智慧城市建设的四大问题与八点认识[J]. 国脉物联网,2012(6).

  [5] 诸瑾文. 物联网技术及其标准[J]. 电子设计技术,2011(2).


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