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GIS技术下城市无线照明控制系统设计研究

时间:2020-03-06作者:杨光
本文导读:这是一篇关于GIS技术下城市无线照明控制系统设计研究的文章,本文研究了 WebGIS 技术和无线组网 Zigbee 等技术,以根据 GIS 的无线照明控制系统设计与实现为重点,进行平台搭建。软件平台主要包括照明管理、首页展示、系统配置管理、地图监控等。

  摘 要
  
  基于 GIS 的无线照明控制系统设计与实现

  
  随着我国经济的快速发展,作为重要的社会公共服务设施,全国现有 1 亿盏城市道路照明路灯,占全国耗电总量的 10%。其相当三峡一年的发电总量,达照明耗电 30%,比大亚湾核电站年发电量 7 倍之多,每年大约浪费的电能占 35%。传统的照明系统采用时控开关及人工管理,这种落后的方式不仅需要派专人巡检,还具有支付较高的维护费。特别是遇到路灯突发故障得不到及时有效的信息反馈,如果不能及时处理故障,将会给人们出行带来不便。且路灯照明会产生巨大的耗电量,加重了财政负担,同时也容易造成光污染,节能减排已成为经济建设中的一个重要目标。


GIS技术下城市无线照明控制系统设计研究

  
  随着社会的发展,科学技术水平的提高,控制方式和节能灯具样式较多,且发展速度较快。自从住建部推出 193 个“智慧城市”试点和“十城万盏”活动以来,通过与 GIS技术相结合,以无线技术为核心的照明管理系统,可以使管理更加直观、容易、科学。且通过物联网进行信息化控制,将大大提高管理效率,节能降费,存在巨大的发展潜力。
  
  本文通过前期的调研,在充分了解国内外研究现状的基础上,基于系统实现的总体目标、基本原则和思想,详细地进行了基于 GIS 的无线照明控制系统设计与实现,以系统需求分析为软件平台的骨架,在完成照明系统功能需求分析和性能需求分析的支撑下开发软件,理清了空间数据与业务数据的关系,深入研究了地理编码子系统,运用图表和 ArcGIS 地图相结合的方式,运用 UML 方法建模,建立静态和动态的系统模型。进行了包括控制系统整体设计、系统功能设计、系统架构设计、数据库设计、部署架构设计等工作。在电脑端实现了对照明终端设备的图形化、可视化管理,使得城市照明系统的管理更加人性化、智能化、自动化。为了提高管理效率、消除安全隐患,起到有效减少管理人员的维护强度和管理难度的作用,提高城市照明管理水平,将通信技术、GIS 信息系统、物联网技术、网络技术、数据库技术综合运用到无线照明控制系统上来是可行的。
  
  本文研究了 WebGIS 技术和无线组网 Zigbee 等技术,以根据 GIS 的无线照明控制系统设计与实现为重点,进行平台搭建。软件平台主要包括照明管理、首页展示、系统配置管理、地图监控等。以道路照明数据为实验背景,对无线照明控制系统进行了性能测试他功能测试。该系统为道路照明产生了积极的作用。
  
  关键词: 城市管理;GIS;网格化;城市照明管理;无线照明控制。
  

  Abstract
  
  Design and Implementation of Wireless Lighting Control System Based on GIS

  
  With the rapid development of China's economy, as an important social public service facility, there are 100 million urban road lighting street lamps in China, accounting for 10% of the total power consumption of the country, which is equivalent to the total power generation of the Three Gorges in one year, accounting for 30% of the total power consumption of lighting, more than seven times the annual power generation of Daya Bay nuclear power plant,which wastes about 35% of the power every year. The traditional lighting system uses time-controlled switch and manual management, which lags behind. It also needs to send a special person to inspect, and the maintenance cost is high. It is inconvenient for people to travel because they can't get timely and effective information feedback or deal with the malfunction in time when they encounter the sudden malfunction of street lamp. And street lighting will produce huge power consumption, increase the financial burden, but also easy to cause light pollution, energy saving and emission reduction has become an important goal of economic construction.
  
  With the development of society and the improvement of science and technology, the control mode and energy-saving lamps and lanterns are progressing continuously. Since the Ministry of Housing and Construction launched 193 "Smart City" pilot projects and "Ten Cities and Ten Thousands" activities, the lighting management system with wireless technology as the core can make the management more intuitive, easy and scientific by combining with GIS technology. And through the Internet of Things for information control,will greatly improve management efficiency, energy saving and cost reduction, there is great potential for development.
  
  Based on a thorough understanding of the current research situation at home and abroad,this paper designs and implements a wireless lighting control system based on GIS in detail based on the overall objectives, basic principles and ideas of the system. The software is developed with the framework of system requirement analysis as the software platform and with the support of completing the functional requirement analysis and performance requirement analysis of the lighting system. This paper clarifies the relationship between spatial data and business data, deeply studies the geocoding subsystem, uses the combination of charts and ArcGIS maps, uses UML method to model, and establishes the static and dynamic system model. It includes the whole design of control system, system function design, system architecture design, database design, deployment architecture design and so on.
  
  The graphical and visual management of lighting terminal equipment is realized on the computer, which makes the management of urban lighting system more humane, intelligent and automated. In order to improve management efficiency, eliminate hidden safety hazards,effectively reduce the maintenance intensity and management difficulty of managers, and improve the level of urban lighting management, it is feasible to integrate communication technology, GIS information system, Internet of Things technology, network technology and database technology into wireless lighting control system This paper focuses studies WebGIS technology and wireless networking technology such as Zigbee,on the design and implementation of wireless lighting control system based on GIS,and builds the platform. Software platform mainly includes lighting management, home page display, system configuration management, map monitoring, etc. Taking the road lighting data Province as the experimental background, the function test and performance test of thewireless lighting control system are carried out. The system has played an active role in road lighting in.
  
  Key words:    city management;GIS;grid;Urban Lighting Management;Wireless Lighting Control。
  

  第 1 章 绪论
 

  
  1.1 选题背景与意义。
  
  1.1.1 选题背景。

  
  当前我国已经全面进入信息化时代,随着城镇化建设的不断深化,城市人员日益增加,城市运行系统日益复杂,各部门的管理工作十分繁重,出现了许多难以解决的城市管理问题。尤其是在我国城市管理体制不完善、不健全的大背景下,传统的城市管理方法与管理技术已经难以满足新形势下的城市管理工作需求,市政服务工作地发展遇到了瓶颈。因此,当前我国的城市管理工作需要采用更加长效化、主动化、精细化的管理模式,进而改变以往城市管理工作各自为政、条块分割的僵化局面,实现以现代科技、依法行政为主导的管理模式,提高我国城市管理工作的技术水平与软实力。
  
  自国家倡导节能改造,建设智慧城市以来,智能照明是其中重要的一环,灯联网成为未来发展的必然趋势。《节能减排“十三五”规划》提出,仍然要将绿色照明节能改造工程、合同能源管理推广工程等作为节能减排重点工程。
  
  传统的照明系统采用时控开关及人工管理,方式落后,还要派专人巡检,维护费用高。遇到路灯突发故障得不到及时有效的信息反馈,也不能及时处理故障,给人们出行带来不便。且路灯照明会产生巨大的耗电量,加重了财政负担,同时也容易造成光污染。
  
  1.1.2 选题意义。
  
  采用智能照明控制系统后,能对路灯做到智能管理,集中控制,且能做到单灯控制,按需照明。这种系统代替了传统的人工巡检,降低维护成本,提高工作效率。不仅把每年巨额电费节省下来,还能减少灯具损坏,延长灯具使用寿命。
  
  智能照明将是智慧城市建设中的一大亮点,利用物联网技术助力建设照明系统的长效管理机制,进一步提高管理效率和照明质量,从而直接或间接提高社会效益、和管理、经济、环保等诸多效益。
  
  1.2 国内外研究现状。
  
  国内外城市市政路灯管理者所致力于解决的首要问题就是城市道路照明问题,伴随科学技术的进一步发展,城市道路照明管理方式也不断改进和优化。总的来看, 城市路灯管理方式从机械变成智能,从粗放管理到精细管理,从落后走向先进。
  
  1.2.1 国内研究现状。
  
  从国内研究情况来看,道路照明智能监控系统的研发始于 20 世纪 90 年代初,天津电力公司下属技术中心与天津路灯管理处首次将街路、街区等城市地理信息录入电脑,运用 MapInfo3.0 组件式技术开发了基于 GIS 的道路照明信息管理系统,路灯等市政设施在地图系统中实现可视化显示。上海路灯监控系统部分结合有线,主要通过无线通信,完成了对主要城市照明设施的遥感、遥测和远距离通信。到本世纪,网络通信和计算机技术得以飞速发展,城市道路规模不停增大,城市道路照明的管理难度要求显着提高,智能化、数字化的城市道路照明系统成为市政管理信息化领域的热点研究内容,慢慢出现了各类运用新手段,新技术的城市路灯管理信息系统。翻查国内诸多参考文献可知,只有以 GIS 地图作支撑,才有可能实现城市路灯管理信息系统的智能化、数字化和可视化。复旦大学的温聪源等人将道路照明管理平台分为路灯信息的发布系统和管理系统两部分,系统开发总体框架将 C/S、B/S 两种架构互相结合,面向内部用户基于 C/S 架构开发信息管理系统,实现对路灯属性和地理等信息 GIS 的查询决策分析、以及更新维护等功能,面向社会用户开发基于 B/S 架构的信息发布系统,实现可以通过网络在远程客户端查看路灯的运行情况和设施展示。厦门大学的郭敏等人以 ArcIMS 平台来实现对地图的显示以及操作功能。同时以 ASP.NET2.0 技术开发构建了基于.NET 框架 B/S 架构的路灯信息管理系统;中山市南朗值路灯监控系统,由下位机、中位机和监控中心组成,由电子科技大学的李波等人设计开发,下位机采集的路灯终端设备运行数据信息通过CAN 传递给中位机,中位机接收、编码数据后,发送短信给监控中心,可以在监控中心实时查看每盏路灯的运行情况,当路灯设施有故障发生时,监控中心会收到故障信息,相关人员可以及时定位出来故障路灯设施,从而达到降低成本提高效率的目的。武汉理工大学的张帆研制的路灯 GIS 系统,采用美国 ESRI 公司的组件式 ArcGIS 为开发平台,可以实现对路灯运行数据处理分析、可视化管理控制以及故障路灯的报警维护等功能。
  
  王家伟,张书亮等人将 MapObjects 作为地图开发平台设计的校园路灯管理 GIS 系统,通过建立路灯的设施属性数据库和图层属性数据库,结合校园背景地图,实现了对校园路灯信息的查询分析功能。华南理工大学的邛俊斌等人采用 WCDMA 网络通信技术和 GIS技术结合的模式搭建系统平台开发的总体框架,着重对路灯监控系统、数据库及通信软件三部分进行了系统设计,开发出一个可以对城市路灯进行远程智能监控的智能路灯管理平台。华南理工大学董玉德;张昌浩 ;丁保勇 ;刘蒙蒙 ;权循华 ;杜庆朋等人对城市道路数字化照明系统的设计进行了分析,提出了基于地理信息系统(GIS)的路灯检测和控制方案。他们还指出:现阶段,城市道路照明终端设备在使用过程中会产生较大的耗电量,并且由于其复杂性,大大增加了管理的难度,在加上,监控方式较为落后,城市道路照明系统扔需不断完善。为了能够实现照明设备的正常运转和保障照明设备的节能策略运转,则需要设计 ZigBee 网络和 GPRS 网络的照明终端设备通信架构,从而对照明系统进行可视化管理和对照明设备的运转过程进行层次化控制。这些都能够减少由于 GPRS 网络异常时所发生的数据丢失和发生掉线的现象。同时,地图界面出现加载的现象缓慢,海量标注也无法清晰的看清等问题也将解决。由此可见,对照明系统网络进行设计,能够提高数据的传达效率,还能够对系统通信的可靠性提供支撑。三峡大学电气与新能源学院的张彬桥;姚维对现代化的信息技术在城市路灯监控和管理中的具体应用进行了分析,通过依靠空间信息 技术和 GPRS 技术、视频监控技术等,构建了更加完善的城市路灯综合管理系统。该系统的构建不仅能够提高路灯监控管理的网络化功能,还能够进行可视化。从而让维护人员能够清晰、全面的了解城市道路照明系统的动态变化,减少了城市路灯发生故障的几率。
  
  郑州大学物理工程学院的李松认为目前我国大部分城市的照明规划和管理还处在比较落后的阶段,为了响应国家节能政策的号召,应改善目前路灯管理的方式。通过设计城市照明系统,并将 GIS 应用到城市照明中,使得 GIS 系统在照明系统中的作用更加显着,特别是对提高城市照明系统的稳定性、可靠性等提供了保障,人们的出行也更加的便捷。在维护社会治安和改善交通安全方面提供了积极的影响。
  
  上述城市道路照明监控管理系统基本上都是采用 C/S 模式基于 GIS 技术进行开发。
  
  但随着社会科学技术的发展,城市道路照明的管理要求的提高,近几年为提高城市路灯管理水平,城市道路照明监控管理系统逐渐融合网络通信、数据库、JSON (JavaScriptObject Notation)数据传输、Ajax (Asynchronous JavaScript and XML) 、基于 B/S架构的 WebGlS 等先进技术,作为一个重要方向被提上研究日程。
  
  1.2.2 国外研究现状。
  
  20 世纪 90 年代起,无线网络通信技术高速发展并得到长足进步,电磁波可以在空间自由进行信息能量交换,无线通信无需借助导线、电缆等有线介质进行信号传播,具有节省材料和节约成本、不受有线媒介限制、方便安装维护等优点,使得许多国家着手开始进行照明系统智能化研发。目前在路灯照明管理上已普遍利用计算机来进行对路灯的控制,不断涌现采用无线网络通信技术的城市路灯智能照明系统,如美、法、德和新加坡等发达国家,通过计算机开发一个智能化的运行管理软件并结合无线通信技术,对路灯的运行参数等信息进行实时的采集,对路灯的运行状态进行实时远程监测,并可依据经纬度等地理信息精确计算每日的日出日落时间,可以准确控制夜间照明路灯的开关,使日出日落时间与道路路灯照明的开关时间一致节能减排。在西欧,由定时模块、调制解调器和主控制器三个部分组成的远程路灯智能监控系统是尤里卡计划的一个重要研究项目,主控制器通过路灯中安装的电子镇流器,能与所有路灯传递信息,通过数据采集、开关和调光等控制指令的发送远程控制路灯,电子镇流器内部安装有调制解调器,如果假设每盏路灯为一个可控的从节点,通过对高压气体的气压控制系统实现电子镇流器与调制解调器的通信,那么,运用电力载波技术可实现同一通信网络中主节点和从节点间的相互通信,同时系统通过将电子镇流器中的调光模块与电子镇流器连接,可以实现路灯自动定时调光。以色列研发的路灯智能控制分为上位机软件和下位机硬件两个部分,上位机软件系统基于城市 GIS 地理信息系统将超短波和全球移动通讯系统 GSM作为桥梁采用基于 TCP/IP 的方式来实现顶层软件和底层硬件的相互通信,能够通过远程方式对路灯进行可视化监控。下位机硬件系统含 1 个分组无线技术 (GPRS)主控箱和600 多个紫蜂无线技术(Zigbee)节点,可以通过分组无线技术 (GPRS)模块实现所有数据的上传。
  

  【由于本篇文章为硕士论文,如需全文请点击底部下载全文链接】

  
  1.3 研究内容

  第 2 章 相关概念及技术

  2.1 无线照明控制系统的概念
  2.2 WEBGIS 技术
  2.3 J2EE 技术
  2.4 ZIGBEE
  2.5 GPRS
  2.6ACTIVEX
  2.7 SERVERAPI
  2.8 SERVLET

  第 3 章 需求分析

  3.1 系统功能需求分析
  3.1.1 用户角色管理需求
  3.1.2 地图操作需求
  3.1.3 地理信息查询需求
  3.1.4 照明系统查询、控制与监控需求
  3.1.5 电缆监控需求
  3.1.6 系统配置需求
  3.2 系统性能需求分析
  3.3 系统安全性需求分析

  第 4 章 系统设计

  4.1.控制系统整体设计
  4.1.1 地理信息系统介绍
  4.1.2 地理信息服务平台选择
  4.2.系统设计原则
  4.3.系统架构设计
  4.4.系统功能设计
  4.5.部署架构设计
  4.6.数据库设计
  4.6.1.空间数据结构表设计
  4.6.2.业务数据结构表设计
  4.7 空间数据与业务数据关系

  第 5 章 系统实现与测试

  5.1 系统软硬件开发环境
  5.2 系统功能实现
  5.2.1 首页展示
  5.2.2 照明管理
  5.2.3 地图监控
  5.2.4 系统配置
  5.3 系统部署
  5.3.1 前端设备安装
  5.3.2 系统登录
  5.4 系统测试
  5.4.1 测试数据
  5.4.2 系统功能性测试
  5.4.3 系统性能性测试
  5.4.4 监控系统的实现
  5.4.5 测试评价

  第 6 章 总结

  本次研究深入分析了国内外基于 GIS 技术的照明系统应用现状,基于新形势下我国的城市管理工作需求,综合运用无线通信技术、互联网技术、计算机技术以及 Web 技术,对城市服务与管理资源进行整合,对无线照明控制系统相关技术应用与应用效果进行了研究与分析。

  采用该智能照明控制系统后,能对路灯做到智能管理,集中控制,且能做到单灯控制,按需照明。代替了传统的人工巡检,不仅延长灯具使用寿命,降低维护成本,减少灯具损坏,提高工作效率。还能节省每年的巨额电费。

  智能照明将是智慧城市建设中的一大亮点,利用物联网技术助力建设照明系统的长效管理机制,进一步提高管理效率和照明质量,从而直接或间接提高社会效益、管理效益、经济效益和环保效益。主要是因为现阶段我国路灯数量不断增加,耗电量也在急剧增加,特别是光污染给人们的身体健康和所产生的经济费用增加等带来了诸多的问题。

  另外,我国在开展节能减排战略后,只有加大对照明系统的管理,才能达到节能减排的目的。本文在对无线照明控制系统进行研究后,通过对路灯进行智能化管理,有效减少了路灯数量增加产生的成本,减少了国家对路灯建设的投资比例。例如:通过对光源进行选择,对照明参数的选择,对路灯的后期保养费用、供电损耗等方面的控制,有效的解决了国家在对照明上所支出的费用。另外,还在节能减排和解决能源紧缺等方面发挥着重大的作用,这些主要归功于智能照明的研发和应用,对促进我国的长久发展提供了重要的保障。

  (1)对 GIS 系统需要进行了总结与分析,提出组成 GIS 系统的整体架构,对相关功能模块设计方法进行了详细的阐述。在数据传输方面,通过 ArcSDE 详细规划了平台建设体系。

  (2)本次研究深入研究了地理编码子系统,并实现了地理信息的查询功能,照明系统查询、监控报警、调亮功能,提升城市照明设施管理效率。

  对本次研究所建设的 GIS 照明控制控制系统进行了测试,经实验研究发现,该系统功能完善,运行状态良好,符合设计预期。该项目有 1000 盏高压钠灯,5 个配电柜,用 120W 的 LED 路灯替换 250W 的高压钠灯。分析采用该控制系统前后的经济效益。

  假设:

  1)电费按 1 元/kwh 计;2)开灯按 12 小时计,每天下午 6 点开灯,早上 6 点关灯。

  节电率:

  改造前:

  


  参考文献

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