面向城市生命线的智慧路灯无人集群感知协同体系-应用展望

面向城市生命线的智慧路灯无人集群感知协同体系-应用展望

王嵘

江苏未来城市公共空间开发运营有限公司江苏省南京市210000

摘  要：本文通过对城市生命线目前存在问题进行解构，结合时代背景和最新技术，提出“实时在线”的感知系统建设、“动静结合”的场景开发、“智能研判”的数据处理、“针对性”技术升级的城市生命线感知体系构架。与此同时，基于城市生命线可复用属性，提出以“智慧路灯+生命线”驱动数字城市建设的未来发展构想

关键字：城市生命线；智慧路灯；感知体系；无人集群

一、城市生命线背景

城市生命线是指城市的燃气、供水、排水、道路、桥梁、综合管廊等公众日常生活密不可分的城市基础设施，其安全运行关系到人民生命财产安全，是保证城市高质量发展和人民安居乐业的基础。随着城市建设的快速推进，城市运行系统愈加复杂，燃气、供水、电力、交通、通信等城市生命线不断经历着改建、扩建和新建，基础设施种类不断增加，数量不断增多，规模不断增大。然而，目前我国大多数城市的监测预警手段方式还相对滞后，存在重救援轻预防，重预案轻预警等问题。为有效解决目前城市安全运行问题，国家高度重视城市生命线系统的风险治理，2018年1月，中共中央办公厅、国务院办公厅印发的《关于推进城市安全发展的意见》中明确指出，要加强城市基础设施安全管理和强化安全科技创新和应用，“深入推进城市生命线工程建设，积极研发和推广应用先进的风险防控、灾害防治、预测预警、监测监控、个体防护、应急处置、工程抗震等安全技术和产品”。

二、南京城市生命线建设目标

以城市治理体系和治理能力现代化为方向，以数字政府建设和数字化转型发展为主线，全面提升城市基础设施安全运行风险防控能力和监管效能，切实增强城市生命安全韧性。遵循“综合监管、智慧监测”推进思路，打造以“四个一”为特征的南京市城市基础设施安全运行智慧监管系统（城市生命线），实现“信息汇聚、预警研判、综合决策、高效处置”的全流程闭环管理，打造全省领先的信息化平台和工程试验田，努力将城市生命线安全工程建设成为社会主义现代化典范城市的重要标识。

围绕“1平台、8+N场景”分期分步建设，在深入调研摸排基础上，按照“市级监管平台优先、基础数据同步汇聚、专项场景配套落实”的原则，以市级政务云和电子政务外网为依托，汇聚行业监管数据、设施基础数据、其他部门相关数据，通过基础支撑平台提供数据共享交换、地图、数据可视、融合通信等服务。面向燃气、排水、供水、桥梁、道路、地下管线交互、第三方施工、综合管廊领域各场景，提供全屏展示、智慧监测和综合监管功能；面向城市生命线安全运行管理部门，基于省级城市基础设施安全运行智慧监管系统、南京市地下基础设施平台进行二次开发，提供全市一图监管、综合统计分析、应急联动处置、行业综合监管、公众安全服务、运维提质增效、安全宁头条、南京生命线之眼等功能，并通过手机、电脑、大屏等各类终端显示，同时监管门户可以方便地获得全面、实时、便捷、高效、优质的数据服务。

三、集团发展机遇

从城市生命线项目本身来看，其管理平台侧的城市生命之眼、综合风险监测分析、安全公共服务、运维提质增效等各主要功能模块，以及燃气监测、城市内涝、供水爆管、供水爆管、桥梁倒塌、道路塌陷、第三方施工破坏、综合管廊等应用场景，均需大量采集城市公共空间的视频与数据，但其明显缺少城域级的实施落地资源。基于南京照明集团城域级“五网融合”的良好基础条件，通过智慧灯杆的开放共享能力，可实现基础网络的轻量化覆盖、感知网络的全域性部署、算力网络的复用式延伸、运维网络的数字化升级，实现南京城市生命线的平台功能和各应用场景可以实现集约高效的快速落地。并将为各地城市生命线建设提供低成本、高效能的可参照样本空间。

四、技术攻关方向

城市基础设施分布广、种类多，原本常规检查已具有很大的需求，随着基础设施感知设备的部署，应用场景又具有多样性、复杂性的特点。必然会增加传感器工作状态检查工作，判断是否存在误报、漏报等情况，但这些检查工作量巨大，过程复杂，人工实施危险系数高，涉及巨大的成本和努力。在南京照明集团城域级“五网融合”的良好基础条件，通过研究基于智慧路灯的无人集群感知协同体系，有助于提高城市生命线监管、研判效率，实现信息汇聚、预警研判、综合决策、高效处置的全流程闭环管理。

智能无人集群系统感知协同是通过感知汇聚和协同分析处理不同感知单元的数据，实现对智能无人集群系统所处环境的精准和系统认识。研究智能无人集群开放系统在与外界有强感知、弱感知或能量交换情况下通过智能无人集群系统内个体自身、个体间与外界环境信息的注意、探测、认知等作用，借助集群通信网络，实现不同无人个体或异构无人个体之间的同域或跨域感知信息汇聚融合，进而自发地形成在时间、空间和功能上的有序结构，以提升智能无人集群系统的整体感知性能。

根据智能无人装备之间任务的不同，智能无人集群协同感知包括协同目标搜索、协同目标识别、协同目标定位等。协同目标搜索使用动态任务分配、协同多源感知、实时动态协同等技术实现对搜索区域的全域实时搜索。协同目标识别使用深度学习技术实现对目标的特征进行学习。并将识别结果在集群内协同共识，精准识别出目标。智能无人集群协同目标定位通过搭载的多源传感器进行多角度、多方位协同目标定位，克服单一装备单一传感器定位的局限性，提高定位的精度与稳定性。

第一步，部署关键点位智慧路灯感知协同体系，通过基于智慧路灯加载的高位感知设备，对目标区域执行数据采集任务，利用信息融合技术，对多源信息进行时空配准和关联性分析处理，达到获取精准位置、状态等识别信息。充分利用协作感知优势，提升环境感知能力和任务执行效率。如，通过智慧路灯+激光甲烷遥测仪可实现远距离甲烷浓度和燃气微小泄露的精准监测；又如，基于智慧路灯对城市重点区域的视频监测，可与地下的光纤神经传感器等设备采集的数据进行综合校验，判定传感器是否存在误报、漏报情况，并提供事故处置全过程的实时监测，还能够与信息发布屏及广播进行联动，提供预估恢复时间播报。

第二步，布设基于智慧路灯的无人机感知协同体系，无人机因为移动灵活与视野广等特性被广泛用于感知环境信息，可以为检查城市基础设施提供灵活、快速和经济高效的工具。利用无人机航线规划、飞行计划管理技术，可以有效地用于其中一些基础设施检查，提供可能出现问题区域的图像和扫描，通过后续软件的分析，找出基础设施中任何问题的迹象。例如：路面巡查、河道巡查、夜间照明巡查等功能。南京市智慧灯杆建设起步早、基础好，将无人机与智慧路灯结合具有以下优势：

1.能源节点优势，大多数无人机使用电能来维持动力，它具有能源清洁、电机结构简单、造价低、可靠性高等特点，但它的续航时间比较短。通过在智慧灯杆高处加载停机坪，可以使无人机在停靠补充能源的同时，利用高位优势由鸟瞰巡查转换为定点监测，继续执行监测任务，提高工作效能。

2.网络节点优势，传统无人机通讯采用无线局域网组网，主要采用24G与5.8G两个频段，有效传输距离在 1km 以内。由于受宽带的限制，通常图像质量与时延表现均不理想。

随着 5G 网络不断的延伸覆盖，智能无人集群可以在大部分场景接入5G 网络进行通信与组网。智慧路灯所具备的高速率“通信网络”(光纤+5G)、分布式“算力供给”(路侧智能柜/智能盒)等方式，可以通过边缘计算、网络切片等技术满足智能无人集群不同应用场景的性能需求。

第三步，构成传感设备采集报送、高位感知辅助校验、无人机巡查预处理一体的“空天地”智能无人集群感知协同体系。

集群感知协同场景预想：

第三方违规施工导致燃气管道破损泄露的应急处理。

1.燃气传感器监测到气体外泄发出告警，同时智慧路灯激光甲烷遥测仪侦测到该区域甲烷浓度异常，将信息报送城市生命线监管系统。

2.城市生命线监管系统对信息进行研判，通知抢修部门。并预测事故影响范围，通过周边智慧杆信息发布屏及广播疏散周边人员，智慧杆视频监测设备进行现场警戒，遥测仪持续对该区域进行可燃气体监测。

3.无人机从空中飞越围挡抵达事故现场，驱离第三方施工人员、探寻受损位置、确认受损情况。完成上报信息后，停泊在指定智慧路灯处补充能源，等待下一步指令。（无人机可通过搭载应急组件，实施临时处置措施。）

4.抢修人员到达周边后，无人机指引人员到达故障点位，开展应急抢修工作。

5.智慧杆信息发布屏及广播持续联动，监控周边、提供预估恢复时间播报。

四、结语

目前我国经济发展仍处于的恢复阶段，为了规避外生冲击下的不确定性，集团应强化企业在城市生命线等新业务领域的赛道能力。建议尽快构建基于方核心能力的商业模式和产品体系，主动推广系统集成、技术服务、软件开发、运营维护等风险较小、中长期收益较高的商业模式。

以集团核心能力为依托，找准切入点，以点带面，进行城市生命线应用场景的孵化，快速迭代形成的标准产品，将集团资源优势逐步演变为局部场景优势。如，可以探索智慧路灯+城市生命之眼场景、智慧路灯+城市生命线网格管理、智慧路灯+无人集群等场景的快速落地。

参考文献

[1]臧 锋，王鹏展，陈俊羽，文 静,等.数字化城市照明驱动的新型城市生命线体系发展路径研究[J].照明工程学报,2022.第4期

[2]中国电子技术标准化研究院，华为技术有限公司.城市感知体系白皮书 (2022)

[3]中国电子技术标准化研究院.智能无人集群系统发展白皮书，2021版