GIS技術在路燈監控系統中的應用研究

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技術在路燈監控系統中的應用研究

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)

當前路燈監控多數采用傳統方式,管理方式陳舊,預警結果不夠直觀,需要人工判讀路燈故障線路,降低了工作效率。本文,在已有的監控系統基礎上,結合GIS技術、無線網絡技術,構建路燈預警模型,設計可視化路燈監控系統,以地圖可視化的形式,直觀地展現路燈監控系統的預警結果。實踐驗證表明,此方案具有較好的可行性與實用性,可實現“以圖管燈、以圖查燈”服務,做到實時預警、預警定位。

預警模型;地圖可視化;實時監控

1　引 言

近些年來,隨著城市的發展,各類路燈設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展成為美化城市環境、改善城市投資形象的重要組成部分[1]。城市規模越大,路燈設施量也就越多,再加上各類配套設施,如控制箱、電纜等,共同構建了一個龐大、復雜的城市路燈照明系統。隨著整個路燈系統的建設完成后,對整個系統中各個路燈設施的監控管理也是一個龐大的工程,尤其是監控到系統中路燈設施出現故障時,應實現快速定位、搶修。如何保證城市的路燈系統高效、安全工作,實現對各種路燈設施可視化、信息化監控管理已經成為當前研究的熱點。

隨著信息技術的發展,GIS作為一種采集、存儲管理、分析、顯示與應用地理信息的技術[2],將其對海量數據的處理和分析能力以及強大的可視化功能應用到路燈監控系統中,必將改變人工判讀預警線路信息的落后面貌,會在一定程度上減輕勞動強度、提高工作效率。

2　現有監控系統概況

2．1路燈設施的特點

通過對路燈設施監控管理以及其業務流程分析,總結出路燈監控系統的特點如下:

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

(2)信息量龐大:每個路燈設施都具有一定量的屬性信息,如地理位置、功率、受控信息、監控信息等,由于本身設施量的龐大,因此屬性數據量也相當龐大。

(3)空間位置特征:路燈設施基本都是基于城市道路網進行設計與鋪設的,所以具有地理空間特性,尤其是監控系統中的預警信息定位,空間特征更加明顯。

2．2現有監控系統的不足

通過對現行的監控系統分析,總結其不足有以下幾點:

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

(2)難以實現空間分析功能:為了合理調配工作人員以及設備,通常需要分析整個路燈系統中預警故障高發區以及高發時間段,并為決策提供數據基礎,而現行的系統并不能達到此目標;

(3)難以達到信息共享的要求:建立路燈監控預警信息平臺,實現路燈監控系統的數字信息化建設是整個行業的發展趨勢,而現行的路燈監控系統各種資料以及數據組織分散、管理無結構化,難以實現數據共享的要求[4]。

3　GIS技術在監控系統中的應用

3．1設計思路

本文中,以ArcGIS 10．0以及SqlServer 2008為開發工具,來實現對監控信息的實時預警。系統中GIS功能模塊的主要作用是實現路燈設施的屬性信息與空間位置想結合,達到圖形數據與數據庫業務數據融合,預警可視化,實現監控系統中的各個子項功能。

整個監控預警系統流程為:首先由無線網絡獲取回傳回來的路燈設施監控信息[3],然后再經過系統中的預警模型,判斷其是否超過預警的閾值,如果超限,則通過GIS技術實現預警信息的定位以及后續的預警處理,如圖1所示。

圖1　監控預警流程圖

3．2數據庫設計

3．2．1地理數據分層

為了建立路燈設施的數據框架,確定數據標準,本文分析了各種路燈設施之間的邏輯關系、采集方式以及相關的業務流程,以數據本身的技術特性和應用要求為基準,確定了路燈設施基礎地理數據的數據分層,數據名稱及說明如表1所示:

路燈基礎數據分層　表1

3．2．2數據結構設計

為了實現預警信息的可視化表達,需要構建路燈點、控制線以及控制箱點之間的拓撲關系。在進行數據庫結構設計時,可以在它們之間建立特定的ID字段,以便相互連接,主要的數據結構設計如下:

(1)控制箱表定義范圍內所有的控制箱,其屬性表中包含有其所有的屬性信息,“控制箱編號”為主鍵,其屬性結構設計如表2所示。

控制箱數據結構　表2

(2)在控制箱與控制線之間還存在一個橋梁—“支路”(其并不存在于實際的圖形數據中,而是存在于邏輯設計中),每一個控制箱中內部包含有多個支路(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),考慮到如此結構,本文中設計了控制箱支路表結構,“支路編號”為主鍵,其屬性結構設計如表3所示。

控制箱支路數據結構　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,每條控制線負責給該連接到該條線上的所有路燈設施供電,“控制線編號”為主鍵,其屬性結構設計如表4所示。

控制線數據結構　表4

(4)每個獨立的路燈點設施(通常為路燈桿)都直接連接到控制線上,是整個路燈系統運行的最小單位,他直接負責對道路或者小區的晚間照明功能,“路燈點編號”為主鍵,其屬性結構設計如表5所示。

路燈點數據結構　表5

通過以上數據結構的設計,能解決控制箱、控制箱以及路燈設施之間空間拓撲結構的表達,其之間通過以上表結構設計中的相關編號字段進行連接,實現屬性數據、業務數據以及空間數據的相互關聯。

3．3預警模型設計

預警模型的精確程度直接決定了整個監控預警系統的優良,一個設計合理、優秀的預警模型可以減少大量的監控預警的誤報、錯報以及漏報[5]。

預警模型的關鍵點就是閾值的設定,如何設定合理、有效的閾值是本文探討的一個重點。傳統監控預警系統的閾值完全是由人工設定,存在較大的人為誤差:如果閾值的范圍設的較寬,則會增加大量的誤報(實際情況并沒有出現預警也被播報了);如果閾值的范圍設的較窄,則會出現漏報(實際出現故障需要預警的卻沒有播報),這些情況,都得花費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。

本文設計的預警閾值取值方案兼顧了系統自動模擬與人工干預兩種方式:先由系統根據大量的歷史數據,算出閾值的歷史經驗值,作為標準閾值,在運行的過程中,如果發現存在細微誤差,可以通過人工調整至最優。標準閾值計算出來后,對每一條監控信息,按照監測站以及所屬時間段的不同,分別匹配與之對應的閾值范圍,進行預警判斷。

標準閾值的計算步驟如下:

(1)從歷史監控數據中取一定量的樣本歷史數據,為保證計算值的精確度,樣本數據不宜過少,通常一個月的數據量適中;

(2)按照路燈設施的開關燈(白天不開燈,夜晚開燈)時間以及變功率(為了節能,通常后半夜路燈會降功率運行)時間,確定一天當中,路燈設施運行功率相對穩定的時間段,比如可分為:開燈前、開燈、開燈后1 h、開燈后4 h(降功率運行)、開燈后7 h(升功率運行)、關燈等。每一個時間段,都需要確定與之對應的閾值范圍;

(3)剔除樣本數據中的粗差(會存在偶爾電流或電壓突變情況,或者本身就是錯誤的樣本數據,參考萊特準則,將這些數據從樣本中剔除);

(4)按照不同的時間段,通常可以采用方差大小比較法,獲取最優的一組樣本數據,并采用算法計算監測站的各個時間段的歷史經驗標準閾值。

4　系統實現

依據上文中所闡述的數據分層方案以及數據結構設計,結合無線監控技術,應用．NET,ArcGIS Server等開發工具,實現了基于GIS技術的路燈設施監控預警系統的研制與開發。監控系統的主界面如圖2所示,系統中以地圖可視化的方式,展示了各類路燈設施的空間分布及其之間的拓撲關系,同時,可以查詢設施的相關屬性信息,實現了“以圖管燈、以圖查詢”的數據服務。再者,將監控預警信息與GIS技術結合,可視化表達預警信息,實現預警定位,從而讓維修人員對報警的故障有一個空間位置的概念,提高搶修效率,如圖3所示(黑色加粗的線即為預警信息的空間定位)。

圖2　路燈設施空間分布圖

圖3　監控預警定位

5　結論與展望

本文良好地解決了基于GIS技術的路燈監控預警信息可視化表達,實現了預警信息的實時報警與實時定位,基本實現“以圖管燈、以圖查燈”的目標。但是,還存在著一些不足之處,由于本文研究以及實驗的路燈監控系統,其無線監控預警的最小單位是控制箱內的每一條“支路”,其本身的硬件設施決定了不可能監控到單個路燈設施,實現單燈控制。因此,監控信息在經過GIS地理模型處理后,可以將預警定位到“控制線”級別,暫時沒有實現路燈設施的單燈監控預警,這將是筆者下一階段研究的重點方向。

希望通過本文,可以對路燈監控預警系統的綜合管理提供技術支持,加快實現城市路燈監控的精細化、可視化、科學化的管理,從而全面推薦城市數字化進程[6]。

[1] 何東鋼,何中平,劉長軍．城市路燈管理GIS的設計與應用[J]．長春大學學報,2008,18(5):38～42．

[2] 陳述鵬．地理信息系統導論[M]．北京:科學出版社, 2000．

[3] 劉三梅．基于GPRS_GIS_SMS的路燈節能監控系統的設計與實現[D]．廣州:中國科學院廣州地球化學研究所, 2007．

[4] 劉暾東,郭敏,陳力．基于GIS的智能路燈監控網站設計．照明工程學報[J]．2007,18(4):70～73．

[5] 許倫輝,段英俠,陳蒼．基于SuperMap GIS的高速公路路燈設施管理系統設計[D]．交通與計算機,2008,4(26): 51～53．

[6] 曹偉．基于SMS/GPRS/USSD的路燈監控管理系統[J]．東北師大學報·自然科學版,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據生產等技術工作。