智慧路灯的工业设计要点浅析

引言
       为了提高城市生活质量，近年来各大城市开始着力于建设智慧城市。智慧路灯作为基础设施的重要部分，具有分布广、布点匀等特点，是各种硬件设备和信息流的理想基站，将助力城市的智慧化建设。为了降低从生产到应用的各项成本，智慧路灯需要具备应用场景广泛、寿命长等特点，同时适应复杂的自然环境和社会环境。
       智慧路灯的寿命通常能够达到20年以上，随着技术发展，以智慧路灯为载体的硬件更加多样。然而目前大多数的路灯没有足够的功能扩展接口，使其适应社会环境的能力大大降低，因此灯杆的功能可扩展性以及各硬件的易拆装性应当得到重视。此外，为了适应恶劣的自然环境和多样的社会环境，智慧路灯应当具有结构稳定性，表面耐腐蚀性．适应社会的外观风格等特点。 1、智慧路灯的构成
       各大城市大力推广智慧城市的概念，开展了许多路灯改造工程，目前大多数城市采用升级旧灯的方案，建设全新的智慧路灯的实践案例较少，因此对智慧路灯工业设计的研究有较好的实际意义。为了满足城市道路中的各种需求，目前智慧路灯主要包含了照明应用、智能控制，安防监控等12种构成组件。
       1）照明应用。智慧路灯的灯头有单灯头、双灯头和多灯头的设计，发光方式以直下式照明为主。根据不同的道路类型，双灯头设计还可以分为安装机非分隔带和中央分隔带两种，前者采用一高一低灯头设计，后者采用对称灯头设计。此外，灯头的造型设计需与城市规划理念相呼应，常见的设计风格有模仿动物、花卉的仿生设计、现代简约风格、中式风格、或与当地文化特征相融合。除了造型设计外，还可以定制RGB氛围光，丰富灯光效果，美化城市。
       2）智能控制。智能控制技术包含传感器调光（如人体红外感应开关灯、根据日出日落时间调光等），还可以通过系统控制可以对任意一盏、一路或自定义的一组路灯进行远程开关控制，可随时查询路灯的开关状态、亮度、电流、电压、功率、寿命、使用障碍等数据。智能控制技术能够帮助城市提高照明质量、节约电能。
       3）安防监控。每到上班高峰期的时候，交通拥挤已经成为常态，在智慧路灯上装设摄像头可以对车人流进行监控，即时生成各时段的车人流状态，规划适当路线缓解道路压力。此外，还可以配合安防检查，对行人脸部进行识别，追踪定位，降低犯罪率；对特殊人群监控、提供安全帮助；根据行为模式分析进行治安防范或警告（如占道经营、井盖监控、围栏跨越等）、侦测违规停车、提供影像纪录等。
       4）环境监测。智慧灯杆上搭配气象或环境监测组件，可以对城市的环境状况进行数据搜集，包括积水情况、空气质量、土壤湿度、噪音污染、气压、PM2.5、光照强度，判断风速、风向等，帮助打造绿色、安全宜居的城市。
       5）紧急呼叫。智慧路灯还可集成紧急呼救系统：遇到紧急事件时，市民可使用应急警报和可视对讲系统，通过一键求助功能，能够快速接通安全管理部门，给人们提供更好更安全的信息及保障。
       6）便民服务。智慧路灯还可以为市民提供自助导航、停车位查询、公共交通精准查询、天气查看／播报、共享单车位置查询等，方便市民出行；还为清洁人员发送垃圾清理提醒，提高工作效率。在多个方面提供便民服务，打造科技城市，提升综合竞争力。
       7）共享服务。智慧路灯可以提供共享服务，如集成城市信息显示屏和新能源汽车充电接口。随着节能减排的提倡，新能源共享汽车越来越多，怎么解决充电难的问题困扰着很多用户。利用智慧路灯灯杆位置与自供电的特点，实现电动汽车充电桩的部署，很好地解决了充电难的问题。
       8）信息发布。智慧路灯还可以集成多媒体屏幕、公共广播等模块，可以发布时政和公益新闻、寻人启事等，也可为商户提供广告位；还可以集成内置音箱，播放城市广播、消防广播、天气情况等。多媒体屏幕优势在于可以替换传统旗杆公益性及商业性广告海报，实时远程控制、便于发布和管理。
       9）设备维护。智慧路灯的管理系统可以检测故障设备，改变了过去只能靠人工现场调控和巡检查故障的方式，大大节约了人力和维修成本，有助于安排工作人员精准维修，提高检修效率。
       10）5G微基站。5G时代即将到来，微基站将会扮演着不可或缺的角色，遍布于城市每个角落的智慧路灯，成为安装微基站的最佳公共设施，透过密布于路灯设备上的基站，未来不论是5G网络、物联网的使用或是提供给市民的Wi-Fi热点都会成为相当便利的增值服务，实现网络全覆盖，带动区域经济。
       11）交通指示设备。智慧路灯能够集成交通灯、路标、路牌、信号灯等交通指示设备，用以管理交通、指示行车方向以保证道路畅通与行车安全，无需重新立杆安装。
       12）城市装饰美化。智慧路灯灯杆还可以搭配其他装饰挂件，例如盆景、座椅、节日装饰品等挂件，渲染城市氛围，美化城市。
       智慧路灯的推广与应用无疑能够为城市管理者、市民带来许多便利，其模块化设计的特点能够适应多种应用环境。
2、智慧路灯工业设计要点
       2.1外观风格
       1)文化特征。为了适应不同城市的地方特色、人文、历史等，设计师需要对当地文化特征进行提炼，融入到智慧路灯的设计上，在创新与传统间寻找新平衡点，把城市的特色美传达给人们。智慧路灯外观设计风格多样，可以分为中式传统风格、中式现代风格、仿生风格、现代简约风格。
       中式传统风格主要以传统建筑园林、传统吉祥纹样设计元素为灵感来源，如提取屋顶、小雕饰、门窗、瓦当、榫卯或斗拱结构的特征线条作为路灯的装饰元素，外观色彩方面常采用红木色、正红色。中式传统风格的智慧路灯多用于居民区、景区、公园、广场等场所。
       中式现代风格的设计手法是以传统元素为基础，抽象其造型线条，在细节处保留设计特征，采用更加有现代感的银色、黑色。这类智慧路灯多用于城市干道、绿道、景观大道、支路等场所。
       设计师还可以从大自然的花卉草木、动物中获得灵感，造型较具象，装饰效果好，如羊角、花枝、花瓣、海豚、蝴蝶和神话动物等。这类智慧路灯多用于庭院、旅游景区、公园、广场、城市绿道等场所。
       现代简约风格在造型线条上较为简洁流畅，整体没有多余的装饰性元素，且多数产品的色彩为黑白灰，能够与城市融为一体。其中也不乏彩色的表面处理，显得城市更加活力。
       2)城市景观规划的理念呼应。氛围光为城市商业区烘托气氛。图l是日本银座的一款路灯设计，其在材料与工艺方面有大突破——采用双光源设计，灯头作为主光源为路面提供足够的照度，而灯杆的四面由玻璃组成，灯杆内部藏有光源，发光时整个灯具就像生物荧光一样散发出柔和的氛围光。
       2.2结构与材料工艺
       1)结构稳定性。灯头与灯杆的衔接要稳固。现场吊装时，主要受力点在灯头和灯杆连接部位，灯杆顶部不受力的话，容易变形。若灯头是异形造型，做灯杆和灯头衔接时需要加固受力部件，否则灯头的重心偏外，灯臂过长，将导致灯臂受力过大容易变形。
       为了便于后期维护，建议智能模块尽量安装在主杆上和主杆偏下的位置，并且在设计阶段预留出智能模块的接线。
       2)表面处理工艺。智慧路灯长期在户外风吹日晒，其耐候性、防护等级方面需要重点关注，材质要保证硬度、强度，支撑整灯重量，抗风，采用耐磨、耐磕碰的表面处理工艺。在材料方面，灯杆通常用高强度钢与高强度铝合金型材，在城市安装使用的智慧路灯可以考虑用铝材但铝材具有不抗撞的缺点，会导致在运输过程中造成损坏。抗风设计对灯头和灯杆的设计要求可参考下表。
       2.3功能模块
       智慧路灯的应用场景多样，如小区道路、厂区道路、广场、公园、公路等，每个场景对路灯的需求都不尽相同，因此我们需要区分不同场景的用光需求和功能需求。
       在照明方面，最基础的功能是要按照国家标准设计主光源，提供路面照明，需要有足够的亮度，色温不高于5000K，防眩效果好；其次可以根据社区、城市管理者的需求，为路灯设计辅助光源作为氛围照明。氛围照明多数采用RGB光源，RGB三种色彩利用编程技术可以由单一到两种组合及三种全亮可以实现多种色彩变化。氛围照明能够帮助营造节日氛围，特别是新春佳节和国庆黄金周，城市道路、公园都会进行灯光装饰，届时智慧路灯可以搭配城市装饰灯光装置，成为一道风景线。
3、智慧路灯设计实践
       中关村西区广场灯光改造项目背景：中关村大街是海淀区创新发展主纵轴，是中关村的起源地。目前，正按照“科技风、创新路、国际范”的定位要求进行升级改造，突出科技研发、科技服务、国际交流、创新展示等核心功能，建设最具活力的宜居宜业的全球科技创新街区。此次设计实践主要包含外观风格、材料工艺和结构设计方面的创新，使除了照明模块以外，建议将其他硬件设备整合在智慧路灯上，可以采用模块化设计，将不同的智能模块按需安装，例如，安防监控摄像头、信息播报扬声器，应急报警器、共享充电桩、WiFi共享、广告宣传模块、气象监测等功能。在小区道路、园区道路甚至可以加入更多传感器模块，如垃圾桶检测，停车位引导等功能，为人们出行、生活提供便利。
       而在广场、公园、公路等人流较为密集的公共场所，则建议加入人流监控、交通监控功能。图2所示的城市干道案例，在智慧路灯上集成了摄像头、交通信号灯、路牌、道路标志牌和信息显示屏，这些模块化硬件即插即用、按需加装、无时限扩展，搭建出一个智慧管理平台。智慧路灯在项目背景下对自然和社会环境具有更广泛的适应力。        3.1外观风格
       在草图阶段，为了符合“科技风、创新路、国际范”的定位，我们将设计主题定位“时光隧道”，并选用现代极简设计风格，尽量减弱灯杆上的装饰元素，最大程度地突出光的品质和效果。我们在灯头上做了一个特殊的设计，在灯头上增加一个辅助光源，能够在水平方向发出一束激光（如图4），与对面的灯杆相对而立，再加上灯杆通体发出柔和的氛围光，让人感觉通过这段道路时仿佛进入了时光隧道，踏进科技时代。        在这个项目中，我们对智慧路灯既要求外观上有一定的隐蔽性，能够与环境融合，不过于突兀，又要求它能够契合中关村的科技创新街区的定位。
       因此在构思方案时，我们坚持采用现代极简风格，不为设计而设计，整体形态和出光效果都始终贯穿一横一竖的线型感（图5），通过主光源加氛围光的双光源设计充分地表达出最初的设计概念——时光隧道。
       3.2材料工艺
       在材料与工艺方面，我们利用铝合金本身的防腐性能好，质量轻便于运输，使用寿命长，材料本身可回收节能减排的特点，使用铝合金作为灯杆的材料。我们对铝材灯杆表面做喷油处理，哑光细砂的光泽更凸显出产品的质感和科技含量。
       3.3结构设计
       在结构设计方面，一横为灯头，一竖为灯杆，模组化的设计可以实现在现场用螺丝衔接。灯杆与灯头的连接部件如图7中灯头连接部件所示，灯头与灯杆连接处的组合外观如图8所示；其细长的方形截面更合适整体的打包装箱进行运输，减少了异形造型模块在运输过程中由于包装空隙导致摇晃和磕碰，最终导致到现场出现产品缺陷问题。
       为了增强灯杆的扩展功能，灯杆采用U形包裹的形态半包灯头，灯杆与智能模块之间的连接结构则是在灯杆背后开槽固定（图9）。灯杆整体装有4段侧盖，需要在侧面装配时，拆下盖板，拆下后可装配辅助智慧模块。这样可以根据不同场景选配不同的智慧模块进行安装，安装更人性化，更能符合城市规划的道路系统的需求。
4、结语
       智慧路灯作为智慧城市的重要部分，随着智慧城市智慧照明等概念的推广和人工智能、5G通信等技术的发展，其需求将增大，应用场景也将更加丰富。智慧路灯的创新和设计可以从外观风格、结构设计以及表面处理等重点方面进行，提高智慧路灯面对自然和社会环境的适应性以及在功能扩展方面的规范化，降低生产到应用的各环节成本，为智慧城市建设提供有力支持。