朱以洲,姚益

(1．南通市測繪院有限公司,江蘇南通 226000; 2．南通市城市照明管理處,江蘇南通 226000)

GIS技術(shù)在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

朱以洲1?,姚益2

(1．南通市測繪院有限公司,江蘇南通 226000; 2．南通市城市照明管理處,江蘇南通 226000)

當(dāng)前路燈監(jiān)控多數(shù)采用傳統(tǒng)方式,管理方式陳舊,預(yù)警結(jié)果不夠直觀,需要人工判讀路燈故障線路,降低了工作效率。本文,在已有的監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上,結(jié)合GIS技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),構(gòu)建路燈預(yù)警模型,設(shè)計(jì)可視化路燈監(jiān)控系統(tǒng),以地圖可視化的形式,直觀地展現(xiàn)路燈監(jiān)控系統(tǒng)的預(yù)警結(jié)果。實(shí)踐驗(yàn)證表明,此方案具有較好的可行性與實(shí)用性,可實(shí)現(xiàn)“以圖管燈、以圖查燈”服務(wù),做到實(shí)時(shí)預(yù)警、預(yù)警定位。

預(yù)警模型;地圖可視化;實(shí)時(shí)監(jiān)控

1　引 言

近些年來,隨著城市的發(fā)展,各類路燈設(shè)施的安裝需求在不斷的提高,而且,城市路燈已從單純的照明功能發(fā)展成為美化城市環(huán)境、改善城市投資形象的重要組成部分[1]。城市規(guī)模越大,路燈設(shè)施量也就越多,再加上各類配套設(shè)施,如控制箱、電纜等,共同構(gòu)建了一個(gè)龐大、復(fù)雜的城市路燈照明系統(tǒng)。隨著整個(gè)路燈系統(tǒng)的建設(shè)完成后,對整個(gè)系統(tǒng)中各個(gè)路燈設(shè)施的監(jiān)控管理也是一個(gè)龐大的工程,尤其是監(jiān)控到系統(tǒng)中路燈設(shè)施出現(xiàn)故障時(shí),應(yīng)實(shí)現(xiàn)快速定位、搶修。如何保證城市的路燈系統(tǒng)高效、安全工作,實(shí)現(xiàn)對各種路燈設(shè)施可視化、信息化監(jiān)控管理已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

隨著信息技術(shù)的發(fā)展,GIS作為一種采集、存儲(chǔ)管理、分析、顯示與應(yīng)用地理信息的技術(shù)[2],將其對海量數(shù)據(jù)的處理和分析能力以及強(qiáng)大的可視化功能應(yīng)用到路燈監(jiān)控系統(tǒng)中,必將改變?nèi)斯づ凶x預(yù)警線路信息的落后面貌,會(huì)在一定程度上減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高工作效率。

2　現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)概況

2．1路燈設(shè)施的特點(diǎn)

通過對路燈設(shè)施監(jiān)控管理以及其業(yè)務(wù)流程分析,總結(jié)出路燈監(jiān)控系統(tǒng)的特點(diǎn)如下:

(1)設(shè)施數(shù)量多:一個(gè)城市中有規(guī)模的道路或者小區(qū)基本都配備路燈設(shè)施用于照明,再加上與之相匹配的控制箱、電纜,其總量都以萬為單位計(jì)算[3]。

(2)信息量龐大:每個(gè)路燈設(shè)施都具有一定量的屬性信息,如地理位置、功率、受控信息、監(jiān)控信息等,由于本身設(shè)施量的龐大,因此屬性數(shù)據(jù)量也相當(dāng)龐大。

(3)空間位置特征:路燈設(shè)施基本都是基于城市道路網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與鋪設(shè)的,所以具有地理空間特性,尤其是監(jiān)控系統(tǒng)中的預(yù)警信息定位,空間特征更加明顯。

2．2現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的不足

通過對現(xiàn)行的監(jiān)控系統(tǒng)分析,總結(jié)其不足有以下幾點(diǎn):

(1)難以實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的空間定位:由于監(jiān)控預(yù)警信息具有較強(qiáng)的空間位置特性,但是現(xiàn)行的監(jiān)控系統(tǒng),一般只能以文本的形式(如地址文本描述),指出故障,無法做到預(yù)警故障的空間位置可視化以及定位;

(2)難以實(shí)現(xiàn)空間分析功能:為了合理調(diào)配工作人員以及設(shè)備,通常需要分析整個(gè)路燈系統(tǒng)中預(yù)警故障高發(fā)區(qū)以及高發(fā)時(shí)間段,并為決策提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),而現(xiàn)行的系統(tǒng)并不能達(dá)到此目標(biāo);

(3)難以達(dá)到信息共享的要求:建立路燈監(jiān)控預(yù)警信息平臺(tái),實(shí)現(xiàn)路燈監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字信息化建設(shè)是整個(gè)行業(yè)的發(fā)展趨勢,而現(xiàn)行的路燈監(jiān)控系統(tǒng)各種資料以及數(shù)據(jù)組織分散、管理無結(jié)構(gòu)化,難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的要求[4]。

3　GIS技術(shù)在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

3．1設(shè)計(jì)思路

本文中,以ArcGIS 10．0以及SqlServer 2008為開發(fā)工具,來實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控信息的實(shí)時(shí)預(yù)警。系統(tǒng)中GIS功能模塊的主要作用是實(shí)現(xiàn)路燈設(shè)施的屬性信息與空間位置想結(jié)合,達(dá)到圖形數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)融合,預(yù)警可視化,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)中的各個(gè)子項(xiàng)功能。

整個(gè)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)流程為:首先由無線網(wǎng)絡(luò)獲取回傳回來的路燈設(shè)施監(jiān)控信息[3],然后再經(jīng)過系統(tǒng)中的預(yù)警模型,判斷其是否超過預(yù)警的閾值,如果超限,則通過GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的定位以及后續(xù)的預(yù)警處理,如圖1所示。

圖1　監(jiān)控預(yù)警流程圖

3．2數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

3．2．1地理數(shù)據(jù)分層

為了建立路燈設(shè)施的數(shù)據(jù)框架,確定數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn),本文分析了各種路燈設(shè)施之間的邏輯關(guān)系、采集方式以及相關(guān)的業(yè)務(wù)流程,以數(shù)據(jù)本身的技術(shù)特性和應(yīng)用要求為基準(zhǔn),確定了路燈設(shè)施基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分層,數(shù)據(jù)名稱及說明如表1所示:

路燈基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分層　表1

3．2．2數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的可視化表達(dá),需要構(gòu)建路燈點(diǎn)、控制線以及控制箱點(diǎn)之間的拓?fù)潢P(guān)系。在進(jìn)行數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),可以在它們之間建立特定的ID字段,以便相互連接,主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如下:

(1)控制箱表定義范圍內(nèi)所有的控制箱,其屬性表中包含有其所有的屬性信息,“控制箱編號(hào)”為主鍵,其屬性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2所示。

控制箱數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　表2

(2)在控制箱與控制線之間還存在一個(gè)橋梁—“支路”(其并不存在于實(shí)際的圖形數(shù)據(jù)中,而是存在于邏輯設(shè)計(jì)中),每一個(gè)控制箱中內(nèi)部包含有多個(gè)支路(通常最多24路),而控制線是由多條支路合并而成的(通常為3條支路),考慮到如此結(jié)構(gòu),本文中設(shè)計(jì)了控制箱支路表結(jié)構(gòu),“支路編號(hào)”為主鍵,其屬性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表3所示。

控制箱支路數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　表3

(3)控制線是由控制箱中的多條支路合并后,牽引出來的,每條控制線負(fù)責(zé)給該連接到該條線上的所有路燈設(shè)施供電,“控制線編號(hào)”為主鍵,其屬性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表4所示。

控制線數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　表4

(4)每個(gè)獨(dú)立的路燈點(diǎn)設(shè)施(通常為路燈桿)都直接連接到控制線上,是整個(gè)路燈系統(tǒng)運(yùn)行的最小單位,他直接負(fù)責(zé)對道路或者小區(qū)的晚間照明功能,“路燈點(diǎn)編號(hào)”為主鍵,其屬性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表5所示。

路燈點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)　表5

通過以上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì),能解決控制箱、控制箱以及路燈設(shè)施之間空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的表達(dá),其之間通過以上表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的相關(guān)編號(hào)字段進(jìn)行連接,實(shí)現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)的相互關(guān)聯(lián)。

3．3預(yù)警模型設(shè)計(jì)

預(yù)警模型的精確程度直接決定了整個(gè)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)良,一個(gè)設(shè)計(jì)合理、優(yōu)秀的預(yù)警模型可以減少大量的監(jiān)控預(yù)警的誤報(bào)、錯(cuò)報(bào)以及漏報(bào)[5]。

預(yù)警模型的關(guān)鍵點(diǎn)就是閾值的設(shè)定,如何設(shè)定合理、有效的閾值是本文探討的一個(gè)重點(diǎn)。傳統(tǒng)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的閾值完全是由人工設(shè)定,存在較大的人為誤差:如果閾值的范圍設(shè)的較寬,則會(huì)增加大量的誤報(bào)(實(shí)際情況并沒有出現(xiàn)預(yù)警也被播報(bào)了);如果閾值的范圍設(shè)的較窄,則會(huì)出現(xiàn)漏報(bào)(實(shí)際出現(xiàn)故障需要預(yù)警的卻沒有播報(bào)),這些情況,都得花費(fèi)大量的人力物力去逐一排查,降低了工作效率,增加了管理成本。

本文設(shè)計(jì)的預(yù)警閾值取值方案兼顧了系統(tǒng)自動(dòng)模擬與人工干預(yù)兩種方式:先由系統(tǒng)根據(jù)大量的歷史數(shù)據(jù),算出閾值的歷史經(jīng)驗(yàn)值,作為標(biāo)準(zhǔn)閾值,在運(yùn)行的過程中,如果發(fā)現(xiàn)存在細(xì)微誤差,可以通過人工調(diào)整至最優(yōu)。標(biāo)準(zhǔn)閾值計(jì)算出來后,對每一條監(jiān)控信息,按照監(jiān)測站以及所屬時(shí)間段的不同,分別匹配與之對應(yīng)的閾值范圍,進(jìn)行預(yù)警判斷。

標(biāo)準(zhǔn)閾值的計(jì)算步驟如下:

(1)從歷史監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中取一定量的樣本歷史數(shù)據(jù),為保證計(jì)算值的精確度,樣本數(shù)據(jù)不宜過少,通常一個(gè)月的數(shù)據(jù)量適中;

(2)按照路燈設(shè)施的開關(guān)燈(白天不開燈,夜晚開燈)時(shí)間以及變功率(為了節(jié)能,通常后半夜路燈會(huì)降功率運(yùn)行)時(shí)間,確定一天當(dāng)中,路燈設(shè)施運(yùn)行功率相對穩(wěn)定的時(shí)間段,比如可分為:開燈前、開燈、開燈后1 h、開燈后4 h(降功率運(yùn)行)、開燈后7 h(升功率運(yùn)行)、關(guān)燈等。每一個(gè)時(shí)間段,都需要確定與之對應(yīng)的閾值范圍;

(3)剔除樣本數(shù)據(jù)中的粗差(會(huì)存在偶爾電流或電壓突變情況,或者本身就是錯(cuò)誤的樣本數(shù)據(jù),參考萊特準(zhǔn)則,將這些數(shù)據(jù)從樣本中剔除);

(4)按照不同的時(shí)間段,通?？梢圆捎梅讲畲笮”容^法,獲取最優(yōu)的一組樣本數(shù)據(jù),并采用算法計(jì)算監(jiān)測站的各個(gè)時(shí)間段的歷史經(jīng)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)閾值。

4　系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

依據(jù)上文中所闡述的數(shù)據(jù)分層方案以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),結(jié)合無線監(jiān)控技術(shù),應(yīng)用．NET,ArcGIS Server等開發(fā)工具,實(shí)現(xiàn)了基于GIS技術(shù)的路燈設(shè)施監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的研制與開發(fā)。監(jiān)控系統(tǒng)的主界面如圖2所示,系統(tǒng)中以地圖可視化的方式,展示了各類路燈設(shè)施的空間分布及其之間的拓?fù)潢P(guān)系,同時(shí),可以查詢設(shè)施的相關(guān)屬性信息,實(shí)現(xiàn)了“以圖管燈、以圖查詢”的數(shù)據(jù)服務(wù)。再者,將監(jiān)控預(yù)警信息與GIS技術(shù)結(jié)合,可視化表達(dá)預(yù)警信息,實(shí)現(xiàn)預(yù)警定位,從而讓維修人員對報(bào)警的故障有一個(gè)空間位置的概念,提高搶修效率,如圖3所示(黑色加粗的線即為預(yù)警信息的空間定位)。

圖2　路燈設(shè)施空間分布圖

圖3　監(jiān)控預(yù)警定位

5　結(jié)論與展望

本文良好地解決了基于GIS技術(shù)的路燈監(jiān)控預(yù)警信息可視化表達(dá),實(shí)現(xiàn)了預(yù)警信息的實(shí)時(shí)報(bào)警與實(shí)時(shí)定位,基本實(shí)現(xiàn)“以圖管燈、以圖查燈”的目標(biāo)。但是,還存在著一些不足之處,由于本文研究以及實(shí)驗(yàn)的路燈監(jiān)控系統(tǒng),其無線監(jiān)控預(yù)警的最小單位是控制箱內(nèi)的每一條“支路”,其本身的硬件設(shè)施決定了不可能監(jiān)控到單個(gè)路燈設(shè)施,實(shí)現(xiàn)單燈控制。因此,監(jiān)控信息在經(jīng)過GIS地理模型處理后,可以將預(yù)警定位到“控制線”級(jí)別,暫時(shí)沒有實(shí)現(xiàn)路燈設(shè)施的單燈監(jiān)控預(yù)警,這將是筆者下一階段研究的重點(diǎn)方向。

希望通過本文,可以對路燈監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)的綜合管理提供技術(shù)支持,加快實(shí)現(xiàn)城市路燈監(jiān)控的精細(xì)化、可視化、科學(xué)化的管理,從而全面推薦城市數(shù)字化進(jìn)程[6]。

[1] 何東鋼,何中平,劉長軍．城市路燈管理GIS的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]．長春大學(xué)學(xué)報(bào),2008,18(5):38～42．

[2] 陳述鵬．地理信息系統(tǒng)導(dǎo)論[M]．北京:科學(xué)出版社, 2000．

[3] 劉三梅．基于GPRS_GIS_SMS的路燈節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]．廣州:中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所, 2007．

[4] 劉暾東,郭敏,陳力．基于GIS的智能路燈監(jiān)控網(wǎng)站設(shè)計(jì)．照明工程學(xué)報(bào)[J]．2007,18(4):70～73．

[5] 許倫輝,段英俠,陳蒼．基于SuperMap GIS的高速公路路燈設(shè)施管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．交通與計(jì)算機(jī),2008,4(26): 51～53．

[6] 曹偉．基于SMS/GPRS/USSD的路燈監(jiān)控管理系統(tǒng)[J]．東北師大學(xué)報(bào)·自然科學(xué)版,2009,41(2):69～73．

The Application Research of GIS on Streetlight Monitoring System

Zhu Yizhou1,Yao Yi2
(1．Nantong Surveying&Mapping Institute Co．,Ltd,Nantong 226000,China; 2．Nantong City Lighting Management Office,Nantong 226000,China)

Most of the current street surveillance used traditional way whose management style was obsolete,and warning was not intuitive．It need artificial to interpret fault line,so that reduced work efficiency．This article combines GIS technology and wireless network technology to construct streetlight warning model,and design visualization Streetlight Monitoring System based on the existing monitoring system．It shows the warning results with map visualization form．Proven shows that this scheme has better feasibility and practicability．It can use map to manage streetlight and do realtime warning and warning positioning．

warning model;map visualization;real time monitoring

1672-8262(2016)01-81-04

P208．2

B

?2015—10—10

朱以洲(1988—),男,碩士,主要從事測繪地理信息數(shù)據(jù)生產(chǎn)等技術(shù)工作。