朱以洲,姚益

(1．南通市测绘院有限公司,江苏南通 226000; 2．南通市城市照明管理处,江苏南通 226000)

GIS技术在路灯监控系统中的应用研究

朱以洲1∗,姚益2

(1．南通市测绘院有限公司,江苏南通 226000; 2．南通市城市照明管理处,江苏南通 226000)

当前路灯监控多数采用传统方式,管理方式陈旧,预警结果不够直观,需要人工判读路灯故障线路,降低了工作效率。本文,在已有的监控系统基础上,结合GIS技术、无线网络技术,构建路灯预警模型,设计可视化路灯监控系统,以地图可视化的形式,直观地展现路灯监控系统的预警结果。实践验证表明,此方案具有较好的可行性与实用性,可实现“以图管灯、以图查灯”服务,做到实时预警、预警定位。

预警模型;地图可视化;实时监控

1　引 言

近些年来,随着城市的发展,各类路灯设施的安装需求在不断的提高,而且,城市路灯已从单纯的照明功能发展成为美化城市环境、改善城市投资形象的重要组成部分[1]。城市规模越大,路灯设施量也就越多,再加上各类配套设施,如控制箱、电缆等,共同构建了一个庞大、复杂的城市路灯照明系统。随着整个路灯系统的建设完成后,对整个系统中各个路灯设施的监控管理也是一个庞大的工程,尤其是监控到系统中路灯设施出现故障时,应实现快速定位、抢修。如何保证城市的路灯系统高效、安全工作,实现对各种路灯设施可视化、信息化监控管理已经成为当前研究的热点。

随着信息技术的发展,GIS作为一种采集、存储管理、分析、显示与应用地理信息的技术[2],将其对海量数据的处理和分析能力以及强大的可视化功能应用到路灯监控系统中,必将改变人工判读预警线路信息的落后面貌,会在一定程度上减轻劳动强度、提高工作效率。

2　现有监控系统概况

2．1路灯设施的特点

通过对路灯设施监控管理以及其业务流程分析,总结出路灯监控系统的特点如下:

(1)设施数量多:一个城市中有规模的道路或者小区基本都配备路灯设施用于照明,再加上与之相匹配的控制箱、电缆,其总量都以万为单位计算[3]。

(2)信息量庞大:每个路灯设施都具有一定量的属性信息,如地理位置、功率、受控信息、监控信息等,由于本身设施量的庞大,因此属性数据量也相当庞大。

(3)空间位置特征:路灯设施基本都是基于城市道路网进行设计与铺设的,所以具有地理空间特性,尤其是监控系统中的预警信息定位,空间特征更加明显。

2．2现有监控系统的不足

通过对现行的监控系统分析,总结其不足有以下几点:

(1)难以实现预警信息的空间定位:由于监控预警信息具有较强的空间位置特性,但是现行的监控系统,一般只能以文本的形式(如地址文本描述),指出故障,无法做到预警故障的空间位置可视化以及定位;

(2)难以实现空间分析功能:为了合理调配工作人员以及设备,通常需要分析整个路灯系统中预警故障高发区以及高发时间段,并为决策提供数据基础,而现行的系统并不能达到此目标;

(3)难以达到信息共享的要求:建立路灯监控预警信息平台,实现路灯监控系统的数字信息化建设是整个行业的发展趋势,而现行的路灯监控系统各种资料以及数据组织分散、管理无结构化,难以实现数据共享的要求[4]。

3　GIS技术在监控系统中的应用

3．1设计思路

本文中,以ArcGIS 10．0以及SqlServer 2008为开发工具,来实现对监控信息的实时预警。系统中GIS功能模块的主要作用是实现路灯设施的属性信息与空间位置想结合,达到图形数据与数据库业务数据融合,预警可视化,实现监控系统中的各个子项功能。

整个监控预警系统流程为:首先由无线网络获取回传回来的路灯设施监控信息[3],然后再经过系统中的预警模型,判断其是否超过预警的阈值,如果超限,则通过GIS技术实现预警信息的定位以及后续的预警处理,如图1所示。

图1　监控预警流程图

3．2数据库设计

3．2．1地理数据分层

为了建立路灯设施的数据框架,确定数据标准,本文分析了各种路灯设施之间的逻辑关系、采集方式以及相关的业务流程,以数据本身的技术特性和应用要求为基准,确定了路灯设施基础地理数据的数据分层,数据名称及说明如表1所示:

路灯基础数据分层　表1

3．2．2数据结构设计

为了实现预警信息的可视化表达,需要构建路灯点、控制线以及控制箱点之间的拓扑关系。在进行数据库结构设计时,可以在它们之间建立特定的ID字段,以便相互连接,主要的数据结构设计如下:

(1)控制箱表定义范围内所有的控制箱,其属性表中包含有其所有的属性信息,“控制箱编号”为主键,其属性结构设计如表2所示。

控制箱数据结构　表2

(2)在控制箱与控制线之间还存在一个桥梁—“支路”(其并不存在于实际的图形数据中,而是存在于逻辑设计中),每一个控制箱中内部包含有多个支路(通常最多24路),而控制线是由多条支路合并而成的(通常为3条支路),考虑到如此结构,本文中设计了控制箱支路表结构,“支路编号”为主键,其属性结构设计如表3所示。

控制箱支路数据结构　表3

(3)控制线是由控制箱中的多条支路合并后,牵引出来的,每条控制线负责给该连接到该条线上的所有路灯设施供电,“控制线编号”为主键,其属性结构设计如表4所示。

控制线数据结构　表4

(4)每个独立的路灯点设施(通常为路灯杆)都直接连接到控制线上,是整个路灯系统运行的最小单位,他直接负责对道路或者小区的晚间照明功能,“路灯点编号”为主键,其属性结构设计如表5所示。

路灯点数据结构　表5

通过以上数据结构的设计,能解决控制箱、控制箱以及路灯设施之间空间拓扑结构的表达,其之间通过以上表结构设计中的相关编号字段进行连接,实现属性数据、业务数据以及空间数据的相互关联。

3．3预警模型设计

预警模型的精确程度直接决定了整个监控预警系统的优良,一个设计合理、优秀的预警模型可以减少大量的监控预警的误报、错报以及漏报[5]。

预警模型的关键点就是阈值的设定,如何设定合理、有效的阈值是本文探讨的一个重点。传统监控预警系统的阈值完全是由人工设定,存在较大的人为误差:如果阈值的范围设的较宽,则会增加大量的误报(实际情况并没有出现预警也被播报了);如果阈值的范围设的较窄,则会出现漏报(实际出现故障需要预警的却没有播报),这些情况,都得花费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。

本文设计的预警阈值取值方案兼顾了系统自动模拟与人工干预两种方式:先由系统根据大量的历史数据,算出阈值的历史经验值,作为标准阈值,在运行的过程中,如果发现存在细微误差,可以通过人工调整至最优。标准阈值计算出来后,对每一条监控信息,按照监测站以及所属时间段的不同,分别匹配与之对应的阈值范围,进行预警判断。

标准阈值的计算步骤如下:

(1)从历史监控数据中取一定量的样本历史数据,为保证计算值的精确度,样本数据不宜过少,通常一个月的数据量适中;

(2)按照路灯设施的开关灯(白天不开灯,夜晚开灯)时间以及变功率(为了节能,通常后半夜路灯会降功率运行)时间,确定一天当中,路灯设施运行功率相对稳定的时间段,比如可分为:开灯前、开灯、开灯后1 h、开灯后4 h(降功率运行)、开灯后7 h(升功率运行)、关灯等。每一个时间段,都需要确定与之对应的阈值范围;

(3)剔除样本数据中的粗差(会存在偶尔电流或电压突变情况,或者本身就是错误的样本数据,参考莱特准则,将这些数据从样本中剔除);

(4)按照不同的时间段,通常可以采用方差大小比较法,获取最优的一组样本数据,并采用算法计算监测站的各个时间段的历史经验标准阈值。

4　系统实现

依据上文中所阐述的数据分层方案以及数据结构设计,结合无线监控技术,应用．NET,ArcGIS Server等开发工具,实现了基于GIS技术的路灯设施监控预警系统的研制与开发。监控系统的主界面如图2所示,系统中以地图可视化的方式,展示了各类路灯设施的空间分布及其之间的拓扑关系,同时,可以查询设施的相关属性信息,实现了“以图管灯、以图查询”的数据服务。再者,将监控预警信息与GIS技术结合,可视化表达预警信息,实现预警定位,从而让维修人员对报警的故障有一个空间位置的概念,提高抢修效率,如图3所示(黑色加粗的线即为预警信息的空间定位)。

图2　路灯设施空间分布图

图3　监控预警定位

5　结论与展望

本文良好地解决了基于GIS技术的路灯监控预警信息可视化表达,实现了预警信息的实时报警与实时定位,基本实现“以图管灯、以图查灯”的目标。但是,还存在着一些不足之处,由于本文研究以及实验的路灯监控系统,其无线监控预警的最小单位是控制箱内的每一条“支路”,其本身的硬件设施决定了不可能监控到单个路灯设施,实现单灯控制。因此,监控信息在经过GIS地理模型处理后,可以将预警定位到“控制线”级别,暂时没有实现路灯设施的单灯监控预警,这将是笔者下一阶段研究的重点方向。

希望通过本文,可以对路灯监控预警系统的综合管理提供技术支持,加快实现城市路灯监控的精细化、可视化、科学化的管理,从而全面推荐城市数字化进程[6]。

[1] 何东钢,何中平,刘长军．城市路灯管理GIS的设计与应用[J]．长春大学学报,2008,18(5):38～42．

[2] 陈述鹏．地理信息系统导论[M]．北京:科学出版社, 2000．

[3] 刘三梅．基于GPRS_GIS_SMS的路灯节能监控系统的设计与实现[D]．广州:中国科学院广州地球化学研究所, 2007．

[4] 刘暾东,郭敏,陈力．基于GIS的智能路灯监控网站设计．照明工程学报[J]．2007,18(4):70～73．

[5] 许伦辉,段英侠,陈苍．基于SuperMap GIS的高速公路路灯设施管理系统设计[D]．交通与计算机,2008,4(26): 51～53．

[6] 曹伟．基于SMS/GPRS/USSD的路灯监控管理系统[J]．东北师大学报·自然科学版,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,硕士,主要从事测绘地理信息数据生产等技术工作。