周演匯

（九江職業(yè)大學 鶴問湖校區(qū)管理辦公室，江西 九江 332000）

智慧城市背景下智能路燈管理系統(tǒng)的設計
——基于GIS開發(fā)設計

周演匯

（九江職業(yè)大學 鶴問湖校區(qū)管理辦公室，江西 九江 332000）

為解決城市路燈管理中維修效率、實時狀態(tài)監(jiān)測、空間分析展示、智能預警響應等問題，采用GIS開發(fā)技術、ZigBee通信技術等設計一種可以實現(xiàn)對路燈狀態(tài)信息實時監(jiān)控調(diào)度、空間信息的展示、智能報警維修、智能應急響應的GIS終端控制系統(tǒng)。經(jīng)測試，系統(tǒng)實現(xiàn)了預期的設計目標，能安全、穩(wěn)定、高效地運行，符合功能應用需求。

GIS；智能路燈管理系統(tǒng)；ZigBee；空間數(shù)據(jù)庫；屬性數(shù)據(jù)庫

城市的管理經(jīng)歷了從單純的人工化到信息化過程，再到當下提出的智能化建設目標［1］，實現(xiàn)這一目標，任重道遠，是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及到城市規(guī)劃建設管理的方方面面，其中，路燈管理是城市管理中最基本﹑最重要的一個方面，涉及到生態(tài)環(huán)保﹑管理效率﹑日常檢修的時效性﹑科學照明等問題。

本文從智慧城市建設的需求出發(fā)，以實際應用為任務驅(qū)動，擬設計一種基于GIS的智能化城市路燈照明管理系統(tǒng)，系統(tǒng)的設計思路是充分運用物聯(lián)網(wǎng)技術﹑GIS開發(fā)技術﹑無線通信技術等，擬實現(xiàn)智能實時監(jiān)控路燈運行狀況﹑自動報警維修﹑空間可視化分析處理﹑空間數(shù)據(jù)操縱等功能，從而提高路燈管理效率和智能化水平。本文重點從系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)﹑模塊組成﹑設計架構(gòu)﹑GIS平臺設計等方面著手進行分析和研究。

1 智慧城市與GIS概述

智慧城市是在數(shù)字化﹑信息化基礎上進一步提升技術水平和管理效率，實現(xiàn)城市管理的智能化，綜合運用多種新技術，充分挖掘城市生活中各種數(shù)據(jù)資源進行科學分析﹑監(jiān)測﹑決策﹑統(tǒng)籌利用等，實現(xiàn)城市中各種硬件資源和軟件資源的協(xié)調(diào)管理﹑智能調(diào)度﹑科學供給﹑高效運轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)人與居住環(huán)境的和諧共處﹑智能共存［2］。智慧城市能給人類提供一個快捷﹑便利﹑高效﹑溫馨﹑智能的生活空間［3］。

GIS是一種整合了信息﹑通信等多種技術，能描述﹑存儲﹑處理空間特征信息的專門軟件，能與屬性數(shù)據(jù)信息建立鏈路，實現(xiàn)交互功能，能發(fā)現(xiàn)隱含的數(shù)據(jù)信息，揭示內(nèi)在的空間關聯(lián)性［4］。本文擬基于GIS技術開發(fā)一種能進行空間數(shù)據(jù)分析﹑管理，能對路燈狀況實現(xiàn)智能響應的城市智能路燈管理系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)嚴格按照軟件開發(fā)流程進行模塊化設計，首先給出系統(tǒng)設計目標，再進行詳細地需求分析，最后確定系統(tǒng)的總體架構(gòu)設計。

2.1 系統(tǒng)設計目標

系統(tǒng)設計的目標是解決路燈管理與維護過程中實際存在的各類問題，擬解決的問題如下：

1）構(gòu)建一套系統(tǒng)實現(xiàn)控制中心與單個路燈互聯(lián)通信，實時控制路燈設備的運行狀況；

2）單個路燈出現(xiàn)故障，不能實現(xiàn)照明功能，系統(tǒng)能自動響應，后臺控制中心也能實時監(jiān)測；

3）系統(tǒng)根據(jù)光照情況和下半夜行人狀況決定單個路燈的開和關；

4）系統(tǒng)控制中心平臺基于GIS開發(fā)，實現(xiàn)路燈空間特性的管理和各類空間應用操作。

2.2 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)基于GIS技術設計，能實現(xiàn)相應的空間特征分析展示等功能，因此系統(tǒng)要具備運行穩(wěn)定﹑網(wǎng)絡通信可靠﹑實時響應﹑智能化處理等特征，本文主要從三個方面進行需求分析：

1）功能需求。系統(tǒng)必須滿足各類用戶的操作需求，用戶類別包括：路燈管理部門行政管理人員和一線維修保障人員等。路燈行政管理人員期望系統(tǒng)具有很強的適用性﹑高可靠性﹑高準確性，能實現(xiàn)人工業(yè)務操作到數(shù)字化操作再到智能化操作的轉(zhuǎn)變，同時具備安全性；路燈設施設備的一線維保人員期望系統(tǒng)模塊之間運行穩(wěn)定﹑具有高可靠的智能響應能力﹑全天候的實時處理能力等。功能需求主要是弄清系統(tǒng)能解決什么樣的實際問題﹑具備什么樣的能力﹑代替人工到什么樣的程度等。

2）數(shù)據(jù)需求。重點從數(shù)據(jù)模型﹑數(shù)據(jù)的存儲方法等方面進行分析，單從路燈的智能化管理角度分析，數(shù)據(jù)類型為屬性數(shù)據(jù)，即非空間數(shù)據(jù)，主要有路燈實體的屬性數(shù)據(jù)和燈箱﹑線纜﹑電氣控制設施等實體的屬性數(shù)據(jù)等，系統(tǒng)采用SQL Server2008實現(xiàn)存儲操作；系統(tǒng)基于GIS構(gòu)建，具備空間可視化的各類操作功能，因此，系統(tǒng)數(shù)據(jù)類型還應包括空間數(shù)據(jù)，即描述路燈﹑線纜［5］等實體的空間特征信息，例如路燈所處的經(jīng)緯度信息等。系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)模型圖

3）性能需求。系統(tǒng)設計成功與否﹑性能優(yōu)劣如何，要靠性能指標來評判，系統(tǒng)要滿足以下性能要求：①確定系統(tǒng)中應包含的相關類型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要具備對這些數(shù)據(jù)處理﹑操縱的能力；②系統(tǒng)要具備較好的容錯性﹑易使用性，實現(xiàn)安全穩(wěn)定運行； ③系統(tǒng)運行時保持高效性，時間開銷和空間開銷要適中，滿足較好的時空占比；④系統(tǒng)修改﹑升級維護要簡便，同時應具備可移植性。

系統(tǒng)還應包括GIS的各類空間操作功能﹑屬性信息與空間信息雙向操作功能以及具有模塊化開放接口，可以與智慧城市中其他應用系統(tǒng)互聯(lián)。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模塊主要包括：總控中心模塊﹑中間控制模塊﹑信息通信模塊［6］﹑單燈控制終端模塊［7］。系統(tǒng)智能化的特點決定了系統(tǒng)模塊間通信鏈路是雙向的，總控中心的指令可以到達各單燈設備終端，單燈設備的實時狀態(tài)信息亦可反饋到總控中心。圖2所示為系統(tǒng)的設計架構(gòu)：

圖2 系統(tǒng)設計架構(gòu)圖

系統(tǒng)運行處理流程如下：

1）中間控制模塊與單燈控制終端模塊通過ZigBee技術［8］組成無線傳感網(wǎng)絡，每個單燈的實時狀況信息可以傳遞到中間控制模塊繼而傳給總控中心，實現(xiàn)交互通信，單燈控制模塊通過裝載的傳感器亦可實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)開關燈；

2）中間控制模塊與總控中心模塊間通過GPRS通信技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，中間控制模塊能將單燈的狀態(tài)信息實時傳遞給總控中心終端。

3）總控中心模塊通過通信模塊接收到相關的狀態(tài)數(shù)據(jù)信息后，作出分析識別，并通過GIS系統(tǒng)終端做出處理和響應：首先，能進行屬性信息分析處理；其次，充分發(fā)揮GIS系統(tǒng)的空間處理能力，實現(xiàn)空間分析以及空間特征展示。

3 系統(tǒng)模塊分析設計與關鍵技術分析

按照設計流程，對系統(tǒng)中的功能模塊需作進一步分析與設計，從而完成系統(tǒng)的全部設計工作。

3.1 系統(tǒng)功能模塊分析設計

1）單燈控制終端模塊。主要功能是實現(xiàn)有關光照度和路面移動物體等環(huán)境信息的采集和傳輸﹑將自身的電壓等狀態(tài)信息實時上傳﹑接收來自總控中心的有關指令。通過集成光照度﹑多普勒等類型傳感器實現(xiàn)環(huán)境狀態(tài)信息的采集：光照度傳感器即為感應光照強度實現(xiàn)動態(tài)開關燈；多普勒傳感器即為感應物體移動狀態(tài)從而判斷是否開關燈。

本模塊實現(xiàn)無線傳感功能的控制芯片可采用JN5139-X01-M0X［9］系列或CC2530系列芯片，它們同時支持IEEE802.15.4以及ZigBee，通過微型模塊化技術使用戶開發(fā)者減去很多中間開發(fā)環(huán)節(jié)，能使用戶以最低成本實現(xiàn)快速組網(wǎng)。

2）中間控制模塊。主要功能是實現(xiàn)與各個單燈控制終端模塊組成ZigBee無線通信網(wǎng)絡，收發(fā)并傳遞數(shù)據(jù)信息。

中間控制模塊充當網(wǎng)絡中繼協(xié)調(diào)連接器的作用［10］，中間控制模塊功能上主要包括GPRS［11］通信控制模塊﹑射頻通信控制模塊﹑電源供電模塊和主控芯片。射頻通信模塊充當ZigBee協(xié)調(diào)器角色，包含全功能設備（FFD），從而實現(xiàn)組網(wǎng)功能；主控芯片可選用CC2530或LPC2138等系列芯片。圖3顯示了中間控制模塊主要硬件模塊。

圖3 中間控制模塊主要硬件結(jié)構(gòu)

3）信息通信模塊。主要功能是實現(xiàn)各功能模塊間的數(shù)據(jù)通信，從而實現(xiàn)無線控制功能，主要由GPRS無線通信模塊和ZigBee模塊組成，GPRS用于總控中心模塊與中間控制模塊間的數(shù)據(jù)通信，ZigBee則用于中間控制模塊與單燈控制終端模塊間通信。

4）總控中心模塊。主要功能是實現(xiàn)人機交互功能，對從單燈控制終端傳來的數(shù)據(jù)進行分析處理，發(fā)出相應的操作指令，并可進行相關屬性數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。該模塊是系統(tǒng)核心功能模塊，是系統(tǒng)關鍵性的開發(fā)設計環(huán)節(jié)，主要包括：①首先要完成數(shù)據(jù)平臺的開發(fā)設計工作［12］，即構(gòu)建數(shù)據(jù)管理﹑操縱﹑應用﹑展示﹑分析的軟件平臺，可以利用的GIS開發(fā)設計工具有：ArcGIS﹑MapInfo﹑MapGIS等；②其次用C/S模式開發(fā)設計工具進行操作平臺的軟件開發(fā)，同時加入GIS控件［13］來完成整個系統(tǒng)的構(gòu)建，從而達到控制和操作空間數(shù)據(jù)的目標以及實現(xiàn)屬性數(shù)據(jù)的操作﹑統(tǒng)計﹑分析等；③再次對單燈控制終端模塊傳來的數(shù)據(jù)信息進行準確分析﹑識別﹑響應﹑處理，例如：電壓的數(shù)據(jù)信息傳來后，通過分析識別可得出路燈是否正常工作，做到精確維修排障［14］。

3.2 系統(tǒng)關鍵技術分析

1）系統(tǒng)軟硬件設計。

系統(tǒng)中的硬件設計包含：傳感器﹑控制芯片等設備的選?。?5］；外圍電路的設計等。系統(tǒng)中軟件設計包含：芯片控制程序的開發(fā)設計﹑數(shù)據(jù)平臺開發(fā)設計以及總控中心操作平臺軟件開發(fā)設計等。

2）數(shù)據(jù)平臺開發(fā)設計。

數(shù)據(jù)平臺開發(fā)設計是系統(tǒng)實現(xiàn)GIS開發(fā)的關鍵一環(huán)，是系統(tǒng)實現(xiàn)空間操作能力的基礎，簡單講，系統(tǒng)數(shù)據(jù)平臺開發(fā)設計主要包括兩個方面：

①空間數(shù)據(jù)庫設計。主要是對地面上的建筑物等空間實體進行分層分類，首先進行概念模型的設計，進而進入到邏輯模型的設計階段，最后完成物理模型的分析構(gòu)建，最后根據(jù)系統(tǒng)特征，確立系統(tǒng)所需的點﹑線﹑面﹑體圖層。

②電子地圖開發(fā)設計。主要包括以下兩個環(huán)節(jié)：一是確定電子地圖獲取的方法。包括自己動手開發(fā)﹑向?qū)I(yè)機構(gòu)購買以及現(xiàn)場測繪自動生成等，本文從經(jīng)濟實用原則出發(fā)，確定采用自己動手開發(fā)的方法實現(xiàn)；二是確定具體的實現(xiàn)細節(jié)。自己動手開發(fā)的基本方法是在紙質(zhì)地圖的基礎上通過GIS軟件來完成地圖實體的數(shù)字化工作，需要確定的開發(fā)細節(jié)包括：紙質(zhì)地圖比例尺問題；經(jīng)緯度參數(shù)配準設置；圖元信息結(jié)構(gòu)的描述以及地物的屬性要素信息的表述等。

3）總控中心終端應用平臺研發(fā)。

該系統(tǒng)利用GIS技術開發(fā)了主控中心的操作平臺，確定了開發(fā)工具為：MapX控件，Visual Basic，主要包括以下功能組件：

①實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息從單燈控制終端到總控中心終端平臺的傳輸，設計并實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收端口的功能；②實現(xiàn)GIS系統(tǒng)的基本功能和特殊功能，包括地圖控制操作﹑屬性分析﹑空間信息展示﹑空間特征分析等；③實現(xiàn)系統(tǒng)所必需的分析識別﹑自動響應﹑智能處理等功能。

圖4顯示了系統(tǒng)總控中心操作平臺的功能結(jié)構(gòu)層次。

圖4 GIS系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)層次圖

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文在完成系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計后，詳細分析了系統(tǒng)功能模塊及系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術，以九江市城區(qū)為研究背景，搭建了系統(tǒng)所需的硬件環(huán)境，開發(fā)設計了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)平臺，初步完成了GIS系統(tǒng)的軟件設計工作，構(gòu)建了原型系統(tǒng)，為系統(tǒng)的進一步研究奠定了基礎。原型系統(tǒng)主界面如圖5所示。

5 結(jié)束語

本文以實現(xiàn)系統(tǒng)的設計目標為導向，從解決實際問題和提高管理效率出發(fā)，設計并探討了系統(tǒng)的設計流程和技術組成，實現(xiàn)了單燈控制終端狀態(tài)信息的查詢展示﹑異常信息的空間分析處理﹑依據(jù)環(huán)境狀態(tài)信息自動開關燈﹑GIS的基本操作等功能，初步實現(xiàn)了城區(qū)路燈的智能化管理，為系統(tǒng)下一步開發(fā)升級﹑應用研究打下了根基。

圖5 原型系統(tǒng)主界面

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Design of Intelligent Street Lamp Management System under the Background of Wisdom City：a GIS-based Exploration

ZHOU Yanhui
（Crane Ask Lake Campus Management Office，JiuJiang Vocational University，JiuJiang Jiangxi 332000，China）

In order to raise the maintenance efficiency of urban street lamp，and realize real-time monitoring，spatial analysis display，and intelligent warning response etc，this paper designed a terminal control system by adopting GIS and ZigBee technology. After testing，the system could achieve the pre-set goals of street lamp real-time monitoring，space information display，intelligent warning and emergency response. The system is proved to be able to run safely，steadily and efficiently，meeting the functional application requirements.

GIS；smart street lighting management system；ZigBee；spatial database；attribute database

TU113.666；TP315

A

1672-6138（2017）04-0021-05

10.3969/j.issn.1672-6138.2017.04.006

2017-09-02

周演匯（1982—），男，江西九江人，副教授，研究方向：GIS﹑智能控制系統(tǒng)。

曹娜］