城市道路照明智能化管理控制系统研究

摘要众所周知，城市道路照明是一个城市的重要基础建设，也是城市的重要标志之一。它反映了一个现代化城市的精神风貌，是一个城市的形象代表。对城市治安、城市美化、夜间交通以及城市文明建设起重要作用，为城市人民生活和经济活动提供了重要的保障。目前，国内大多数城市的路灯照明管理控制系统仍在沿袭落后的传统模式，这种模式己远远不能适应当前城市路灯照明飞速发展的需要，同时也造成了国家资源的大量浪费。在软件开发技术、控制技术和GIS技术研究的基础上，本文以武汉市城市路灯为本文研究对象，开展了研究工作。主要研究内容包括了系统分析与设计、路灯地理信息系统和管理控制子系统三个部分。城市道路照明智能化管理控制系统分析与设计的研究是从系统需求分析、路灯电子地图需要分析与设计和软件开发环境三个方面进行阐述；在学习了ARCGIS二次开发技术的基础上，本文以组件式GIS为开发平台，VISUALC60为开发工具，ACCESS2003为数据库服务器，设计和实现了路灯地理信息系统，该子系统完成了在电子地图上对路灯信息查询、故障报警和确认、数据分析和处理、可视化管理和控制（动态添加和删除路灯）等功能；管理控制子系统包括了系统设置、用户管理、人工控制、定时控制、路灯监控及自适应控制模块，这些功能模块实现路灯信息管理和智能控制的功能。基于路灯电子地图，融入地理信息系统实现路灯动态管理控制功能是本系统最大的优点；结合VC60串口通信编程技术，设计实现了城市路灯信息管理控制是本系统另一特色。本文内容分为五个部分，首先是介绍了国内外城市路灯智能化管理控制系统研究的现状、存在问题以及研究目的和意义；接着详分析了系统的需求；然后重点阐述了路灯地理信息系统二次开发和管理控制子系统两个研究内容；最后对本文进行了总结和展望。关键词电子地图；ARCGIS；管理；控制；串口通信本论文的研究得到了武汉市科技攻关计划项目的资助（项目编号20081212555）。ABSTRACTASWEKNOWN,URBANROADLIGHTINGISANIMPORTANTFOUNDATIONFORBUILDINGOFACITYANDALSOISANIMPORTANTSIGNOFTHECITYITREFLECTSTHESPIRITOFAMODERNCITYANDISREPRESENTATIVEOFACITYSIMAGEITPLAYSANIMPORTANTROLEINURBANSECURITY,URBANLANDSCAPING,TRAFFICANDURBANCIVILIZATIONINTHENIGHTANDALSOPROVIDESIMPORTANTPROTECTIONFORTHECITYPEOPLESLIVESANDECONOMICACTIVITIESCURRENTLY,MOSTOFTHECITYSSTREETLIGHTINGCONTROLANDMANAGEMENTSTILLFOLLOWTHETRADITIONALMODELOFBACKWARDINDOMESTICTHSICONTROLANDMANAGEMENTHADNOTADAPTTOTHERAPIDDEVELOPMENTOFTHECURRENTCITYSTREETLIGHTINGANDALSOCAUSEDAGREATWASTEOFNATIONALRESOURCESONTHEBASISOFTHERESEARCHDETECTINGTECHNOLOGY,SOFTWAREDEVELOPMENTTECHNIQUESANDGISTECHNOLOGY,THEPAPERISBASEDONTHEWUHANCITYLIGHTSFORRESEARCHOBJECTTHERESEARCHTOPICSINCLUDETHEINFLUENCESTRATEGYEVALUATIONMETHODOFROADLIGHTING,CONTEXTAWARETECHNOLOGY,LAMPGEOGRAPHICINFORMATIONSYSTEMANDINFORMATIONMANAGEMENTFOURPARTSTHEROADLIGHTINGEFFECTEVALUATIONMETHODSOFRESEARCHSTRATEGYTOMEETREQUIREMENTSFORVISUALOFTHEDRIVER,GUARANTEETHESAFETYOFDRIVER,THEVISIBILITYOFSMALLTARGETTHROUGHCORRECTIONMETHODOFTRIAL,CONSIDERINGTHETARGETANDBACKGROUNDOFBRIGHTNESS,BRIGHTNESS,EYELEVEL,CANADAPTTOGLARE,ANDGENERALEVENNESS,ENVIRONMENTALIMPACTTHANETC,INDIGITALLIGHTINGVIRTUALDESIGNVRINURBANROADLIGHTINGEFFECTOFTHEVISUALDESIGNANDDEGREEOFREFERENCEINDEXLIGHTINGCONTEXTAWARETECHNOLOGYRESEARCHINCLUDINGTHEESTABLISHEDMODELBYUSINGKALMANFILTERTOGETMOVINGTARGETTRACKINGFORCURRENTROADTRAFFICFLOW,USINGHSICOLORMODELTOGETCURRENTILLUMINATION,COMPREHENSIVINGRBFNEURALNETWORKANDSILICONPHOTOVOLTAICCELLSTOOBTAINVISIBILITYWITHGISFORDEVELOPMENTPLATFORM,VISUALC60FORDEVELOPMENTTOOLS,SQLDATABASESERVER2000TOFORGET,DESIGNANDIMPLEMENTTHELAMPGEOGRAPHICINFORMATIONSYSTEM,THESUBSYSTEMOFLAMPCOMPLETEFACILITIESINFORMATIONQUERY,FAULTALARM,DATAANALYSISANDVISUALIZATIONMANAGEMENTFUNCTIONINFORMATIONMANAGEMENTSYSTEMINCLUDINGTHEUSERMANAGEMENTMODEL,THESYSTEMSETTINGSMODELANDADAPTIVECONTROLMODEL,REALIZINGLAMPCONTROLANDMANAGEMENTFUNCTIONSTHESISISDIVIDEDINTOFIVEPARTSFIRSTLY,INTRODUCETHEINTELLIGENTCONTROLSYSTEMOFSTATUS,PROBLEMS,PURPOSE,SIGNIFICANCEATHOMEANDABROADTHENELABORATEDTOTHEFOURRESEARCHCONTENTFORACHIEVEROADLIGHTINGINTELLIGENTCONTROLSYSTEMINCLUDINGEVALUATIONOFAFFECTTHECONTROLSTRATEGY,THETECHNLOLGYTOGETTHEINFORMATIONFORLINGTINGENVIRONMENT,DEVELOPMENTMANAGEMENTSYSTEMFINALLY,THEPAPERSUMMARIZESANDOUTLOOKKEYWORDSSMALLTARGETVISIBILITYKALMANFILTERHSICOLORMODELRBFNEURALNETWORKGEOGRAPHICINFORMATIONSYSTEMSOFSTREETLIGHTINGINFORMATIONMANAGEMENTSYSTEM第1章绪论11概述路灯是一个现代化城市的窗口和形象标志，也是城市建设中的必须的公有基础设施。城市道路照明是关系到广大市民切身利益的一个重要环节，直接反映了城市的建设水平和精神面貌，路灯的控制和管理水平更显示出城市的现代化程度。因此，保证城市路灯稳定可靠的运行，对城市治安、城市美化、夜间交通以及城市文明建设起重要作用，为城市人民生活和经济活动提供了重要的保障；而且对于改善投资环境，吸引外商投资，促进经济发展等起着非常重要的作用。随着我国经济建设的发展，城市化进程的加速和交通运输事业的高速发展，城市和城市道路照明得到了长足发展。针对城市和城市道路照明发展中的能源需求和消耗不断加大，以及光污染等问题，建设部会同国家发改委、科技部等部门大力推进绿色照明工程，在“十一五”期间取得了显著的经济效益和社会效益。但是，从总体看，城市和交通绿色照明工作刚起步，发展不平衡，还存在不少问题和薄弱环节，如城市和城市道路照明的宏观指导还不够有力，相关的配套制度还不完善，低效率、高能耗、光污染等问题仍然较为突出，全社会节约用电、保护环境的意识有待进一步加强。“十二五”期间是全面建设小康社会的关键时期。国家确定了“十二五”时期单位国内生产总值能源消耗继续降低20的目标，强调要落实节约资源和保护环境的要求，建设低投入、高产出、低能耗、少排放、能循环、可持续的国民经济体系和资源节约型、环境友好型社会，并把推广高效节能绿色照明系统等”列为十大节能重点工程之一。照明的质量和水平已成为衡量社会现代化和人类社会进步可持续发展的重要标志1。12国内外研究现状及发展趋势智能化高效节能城市道路照明是智能、安全、绿色的道路照明，它是指通过科学的照明设计，使用效率高、寿命长、安全和性能稳定的道路照明电器产品作为光源和附属器件，利用计算机、无线通讯数据传输、扩频电力载波通讯技术、计算机智能化信息处理及节能型电器控制等技术组成的分布式无线遥测、遥控、遥信控制系统，通过合理的照明控制策略、集中管理并实时监控照明状况从而实现对照明设备的智能化控制，创造一个高效、舒适、安全、经济、有益的环境并充分体现现代文明的城市道路照明。城市道路照明节能是一个系统工程，涉及光源、电子镇流器、监控技术、控制决策和照明控制管理等环节2。因此，必须在智能照明系统的构成和控制方法上实现智能化，城市道路照明才能达到安全和节能环保的目的。而国内外相关的研发及产品在智能照明控制上面，功能大多相近，主要通过电力载波和无线通信技术对城市道路照明系统中的光源进行开启、关闭控制，实现路灯的管理。节能方面主要采用降电压控制、分时降功率技术，对路灯实现节能。上述方案主要存在如下问题一般的系统中照明光源和器材的效率不高，还需研究光源、灯具、镇流器等系统构成优化方法。采用高效节能的钠灯、金属卤化物灯以及高性能电子镇流器，并选用优质系列灯具以提高电能光能的利用效率；此外，有的智能城市道路照明系统采用定制控制策略方式实现节能，没有客观地根据实时的交通情况诱导节能，统计资料表明它是造成许多交通事故的内在因素之一。因此在控制策略上，可采集并融合现场的交通信息，并指导城市道路照明控制决策。随着计算机技术和自动化技术的不断发展，智能化道路照明管理控制系统不断普及，也提出新的系统发展趋势（1）系统的大规模集成化。需集成计算机技术、计算机网络通信技术、总线控制技术、微电子技术、数据库技术和系统集成技术于一体，以达到现代控制系统的智能化水平。（2）网络化与分层控制。智能化照明控制系统可以是大范围的控制系统，需要包括硬件技术和软件技术的计算机网络技术的支持，以进行必要的控制信息交互和通信。（3）使用方便。由于各种控制信息可以以图形化的形式显示，所以控制方便、显示直观，并可以利用集中软件控制的方法灵活改变照明效果。（4）智能化。具有信息采集、传输、逻辑分析、智能分析推理及反馈控制等智能特征的控制系统。13需求分析根据调研分析，目前我国大部分城市路灯照明系统改造的需求主要有一下几个方面（1）集中控制、统一开关目前，国内多数城市路灯的开/关灯控制由每台变压器（配电箱）分散控制，整体性较差，故障率较高，路灯管理部门也多采用上路巡查的办法来发现故障，排除故障，不仅反应迟缓，且费时费力费钱，很难满足高“亮灯率”的管理要求，也远远落后于现代化道路照明的需要3。（2）先进控制算法、策略综合先进控制算法，实现智能、节能控制是节能减排、建设资源节约型、环境友好型社会的重要举措，对于调整经济结构、转变增长方式、提高人民生活质量具有重要意义。（3）监控、管理可视化利用组件式GIS技术建立城市路灯地理信息子系统，系统将路灯图形和数据信息相结合，用户可以直接在电子地图上进行路灯信息查询、故障报警处理、动态添加和删除路灯、可视化管理等。通过该系统，远程监控中心可以实时了解路灯运行状态，掌握远程路灯的照度情况，改变传统落后的人工巡视方式，能够做到无人值守，快速发现故障路灯所在位置并能主动报警闪烁，控制中心及时通知工作人员进行故障处理。14本文研究目的及意义本文通过四个方面的研究内容，顺应了“科学发展观”精神，利于可持续发展和构建资源节约型、环境友好型社会，可带来强大的经济和社会效益（1）经济效益（A）可节省人力物力，减少经济开支；（B）通过实时采集照明环境信息，实现路灯照明的“按需照明”，避免不必要的照明浪费，节约照明能源，节省照明开支；（C）实现道路照明系统设备的可视化动态管理，提高道路照明系统的管理水平，降低管理成本和维护费用。（2）社会效益作为比较完整的科技攻关项目，本文研究的内容涉及面较广，包括系统需求分析、数据库设计、电子地图、控制技术、地理信息系统以及信息管理等，是其他更复杂系统的基础，故它有一定的代表性。可以说，研究城市路灯智能化管理控制系统对今后开展其它工作和类似项目具有指导意义4。15本文来源智能化城市道路照明系统的关键技术与示范工程（武汉市科技攻关计划项目，编号为20081212555）。16本文研究的主要内容针对国内城市路灯照明系统中的控制方式、管理模式比较落后的现象，本文以智能照明、节能照明为目的，通过对传统城市路灯照明系统的控制方式、信息采集方法和信息管理模式的研究基础上，分析了城市道路照明智能化管理控制系统的需求，研究了地理信息系统二次开发的关键技术，开发了路灯地理信息系统和管理控制子系统，具体的研究内容如下（1）通过对比国内外城市路灯照明系统的优点和不足，分析了当前我国城市道路照明系统需求；（2）采用MAPGIS开发简单电子地图；（3）为了适应现代城市的发展步伐，本文把地理信息系统应用到道路照明系统中，研究了GIS地理信息系统二次开发技术，完成了城市路灯地理信息系统的开发；（4）开发一套与城市道路照明系统相对应的信息管理控制子系统。第2章系统分析与设计21前言随着经济的发展和社会的进步，城市照明设施越来越引起人们的高度重视和社会各方面的关注。近几年来，各城市政府和建设主管部门投入大量资金建设照明设施,改善城市环境，取得了很大成绩。作为城市照明设施重要一环的城市道路照明也取得了突飞猛进的发展,但同时也存在许多不足。目前，城市道路照明系统的控制方法和管理手段落后。路灯控制特别是中小城市多采用时控法、光控法和时光控法，精密度不够，工作效果不佳。平时的维护维修工作仍靠人工夜间巡查和居民的举报及定期的检修。这些落后的控制方法浪费了大量的人力物力，同时由于亮灯时间的控制多采用要亮全亮要灭全灭的方式，不能根据实际情况控制亮灯,造成能源的浪费，相对降低了电器及灯具的使用寿命。因此，提高路灯控制手段,实现智能化管理，根据客观需要,逐步实现路灯智能化管理控制是当前路灯管理控制发展的趋势。22系统需求分析221系统功能分析传统路灯的照明和管理存在浪费大，路灯使用寿命短，远程操控、巡查无法监控，人工作业量大，故障维修反应效率低，统计查询功能弱等现象。对于“全夜灯”照明造成的浪费和“半夜全灭或半灭灯”带来的交通安全问题，都是可以实现智能管理的。智能化管理控制型路灯照明系统是运用先进的通讯手段、计算机网络技术、自动控制技术、自动检测技术等现代先进技术组建综合性系统，能够快速准确地对城市道路照明进行管理和控制，如图21所示。因此，这种系统具备以下功能（1）远程遥控功能。采用智能化管理控制系统的路灯开关、亮度调节、时间控制等方式都能实现远程遥控，达到时控模式、光控模式、压控模式、声控模式、旁路模式的目的。把开关灯时间存入时间数据库，根据经纬度、季节、节假日及不同的天气情况进行的“时控”可实现路灯全夜灯和半夜灯自动定时控制，管理人员可针对具体的情况对某一个或多个终端随时进行开关控制（单灯、分组、分区、全市开关等方式）；还可根据季节和天气的变化进行的“光控”和“压控”，通过分站集中控制器调节特殊天气和时段条件下的功率，从而实现路灯的光照强度的改变，达到“光控”的目的，这样不仅节约电能，而且也保护了路灯，延长了它们的使用寿命；还可根据路灯上的传感器感应公路上行车和行人的声音、速度，将这些信息反馈给远程控制管理中心，由控制管理中心决定是否打开灯，以及打开灯的数量和光照强度。上述设计遥控模式，可根据具体情况酌情考虑选用。（2）遥测、遥信功能。通过控制器对区域内路灯数据（如实时电压、电流、接触器状态、有功功率、无功功率、功率因数、用电量等）的检测和采集，再由无线通讯技术，将数据反馈给远程控制管理中心，进而分析各区域内每盏路灯的工作情况，了解它们的实际使用功率，开关次数、关照强度、亮灯率、节约电能资源等方面。（3）遥监、遥视功能。对于现场检测的数据和信息，通过网络传输给远程控制管理中心，可由控制中心的电脑LCD进行图文显示，如配上GIS和GPS的相关硬件和软件，则可对这些数据和信息，进行实时监视和管理，真正意义上体现出管理无人化、系统服务高效化、反应维护快速化的特点。（4）自动检测、反馈、报警功能。通过远程控制管理中心发送控制命令，集中控制中心对区域内各路灯进行实时监控和巡查，如果发现异常情况，如在不该亮灯和熄灯的时候发生“时控”失灵故障、电流和电压超过高低限造成“光控”失灵、还有导致电灯无法正常工作的其他设备和控制器故障等，就将这些数据通过通讯手段反馈给远程控制管理中心，通过图形闪烁报警来引起注意，如有GIS地理信息系统，则能迅速显示出故障点区域信息，再由中心职务人员或电脑、网络自动联系相关维修人员，这样不仅大大提高检测、巡查工作的效率,减少了人员工作强度，而且提高了整个路灯系统的反应机制和处理突发事件的能力。（5）统计、查询和打印功能。智能化控制管理系统能对采集反馈的实时数据和信息进行存储、统计和分类，以表格、曲线、直方图等显示出来，可根据年、月、日统计数据进行查询，同时可通过本文打印出来作分析和研究。还可配上相关管理软件，对实测数据和信息进行管理和分类，以便更加直观地了解整体路灯运行情况，如每月故障类别分类统计，某区域内路灯开关、持续工作时间、亮灯率情况，电源点电量统计，电源过负荷故障分析情况“时控”和“光控”条件下的电量节约情况等。此外，系统还可根据实际需求，进行卫星校时、信息存储管理、终端设置管理等功能。图21智能化管理控制道路照明系统示意图222数据库需求分析目前，系统开发常用的数据库有ACCESS和SQL两种数据库，这两种数据库应用于不同的系统开发情况下，各具优点。MICROSOFTOFFICEACCESS是由微软发布的关联式数据库管理系统。它结合了MICROSOFTJETDATABASEENGINE和图形用户界面两项特点，是MICROSOFTOFFICE的成员之一。它提供了表、查询、窗体、报表、页、宏、模块7种用来建立数据库系统的对象；提供了多种向导、生成器、模板，把数据存储、数据查询、界面设计、报表生成等操作规范化；为建立功能完善的数据库管理系统提供了方便，也使得普通用户不必编写代码，就可以完成大部分数据管理的任务。ACCESS有以下特点（1）完善地管理各种数据库对象，具有强大的数据组织、用户管理、安全检查等功能；（2）强大的数据处理功能，在一个工作组级别的网络环境中，使用ACCESS开发的多用户数据库管理系统具有传统的XBASE（DBASE、FOXBASE的统称）数据库系统所无法实现的客户服务器（CIENT/SERVER）结构和相应的数据库安全机制，ACCESS具备了许多先进的大型数据库管理系统所具备的特征，如事务处理/出错回滚能力等；（3）可以方便地生成各种数据对象，利用存储的数据建立窗体和报表，可视性好，作为OFFICE套件的一部分，可以与OFFICE集成，实现无缝连接。同时，能够利用WEB检索和发布数据，实现与INTERNET的连接25MICROSOFTSQLSERVER是一个关系数据库管理系统，它是MICROSOFT推出新一代数据管理与分析软件，具有强大的关系数据库创建、开发、设计和管理功能26。MICROSOFTSQLSERVE有以下特点（1）是客户机/服务器关系型数据库管理系统RDBMS，能完成客户机负责组织与用户之间的交互、数据显示、数据存储管理、操作请求等任务；（2）支持分布式数据库结构，一个或多个网络中可有多个SQLSERVER，用户可以将在逻辑上作为一个整体的数据库的数据分别存放在各个不同的SQLSERVER服务器上，成为分布式数据库结构，客户端可分别或同时向多个SQLSERVER服务器存取数据；（3）与WINDOWSNT/2000完全集成，包括安全策略、时间查看器和性能监测器等功能的集成，并与MICROSOFTBACKOFFICE服务器类集成，允许INTERNET客户软件访问SQLSERVER中的数据，同时，具有多线程体系结构27，它有一个工作线程池，有1024个线程，响应用户的连接请求，使每个连接对应一个线程。ACCESS和SQL两种数据库的对比如表21所示。表21ACCESS和SQL对比表数据库（类型）最大容量功能特点适用性成本ACCESS2003文件大小2G对象32,768个安全性较低要求低，操作简单小型数据库便宜SQLSERVER2000文件大小32TB对象CPU要求较高，安全性较好中小型数据库中等2,147,483，647个由表21可知，ACCESS2003数据库和SQLSERVER2000虽然最大容量和性能都比ACCESS2003好，但其成本却较之大为增加，而城市道路照明智能化管理控制系统前期开发对数据存储量需求较小、数据处理较简单，因此，本文研究时选用ACCESS2003。另外，在数据库管理共享方面，本文拟划分出集中共享和分布式有偿共享（安全验证方式），并确定用户级别，把集中数据与元数据一同提交服务中心24。具体流程为远程端信息采集后通过ZIGBEE将信息发送到数据中心（元数据），数据中心利用专网将数据传输到安装软件的服务器，通过用户权限校验和审核批复机制后，到达用户管理的计算机，用户以向数据库存储器发送命令的方式提交所需数据信息，通过应答式的反馈将数据提取出来，最终显示在用户界面上，如图22所示。数据源数据源数据源ZIGBEE元数据专用网络用户权限校验数据存储管理审核批复机制用户操作安装按软的服务器图22数据采集存储流程图223通信子系统需求分析目前现有的城市路灯控制系统大多采用有线网络布局，不仅施工复杂，灵活性差，而且存在能源浪费的问题。近年来，随着GPRS和ZIGBEE无线技术的发展和广泛应用，本文提出了将GPRSZIGBEE技术串口通信模式应用于城市道路照明智能化管理控制系统，如图23所示。这种方法不但方便灵活，而且无需考虑布线问题维护简单，并且通过与各种新型传感器、功率控制器的结合，实现远距离遥控。图23城市道路智能化管理控制通信子系统示意图GPRS网络在远程管理控制中的应用有着许多实际的意义。首先，作为一个无线系统在实现上就比有线系统要简单容易，尤其在环境比较恶劣，布线难度高的地区，这种优势就更为明显。其次，系统的利用率高，可以同时对多个被监控对象甚至被监控的系统进行监控，减少了系统的重复建设和系统的人员维护以及资金的投入，为企业和国家节省了大量的资源。再次，适应的范围广，具有很好的通用性，系统可以在不同的地方对不同的对象进行监控，如路灯监控，车辆收费，污水回收工程等等项目8,9。只要对系统进行少量的参数修改和系统程序算法的调整就可以完成整个系统的移植。另外，GPRS技术是2G通往3G的桥梁，这样给系统应用3G技术作了一个很好的铺垫。当3G技术发展成熟后，系统可以进行通信方式的升级，可以通过更换系统的通信模块和系统的通信方式（使用3G技术）就可以实现系统升级，为3G技术的应用提供一个很好的平台。由此不难看出GPRS技术的应用将会给人们的生活带来一个很大的改变10,11,12。ZIGBEE是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据数率、低成本的无线传感器网络技术。采用了OSI分层结构，MAC层和物理层采取了IEE802154协议，ZIGBEE联盟增加了网络层、会聚层和应用层，组成了ZIGBEE协议。ZIGBEE具有三种拓扑结构星型网、簇状网和网状网。典型的ZIGBEE个域网由全功能设备和简化功能设备组成。协调器和路由器通常是全功能设备,总是处于开机状态20。协调器支持所有点对点的连接,负责网络的形成,它决定是否接受新网络成员。路由器负责不同节点的路由。全功能设备可以是协调器、路由器和终端设备,但简化功能设备只能是自动搜寻邻近协调器并与其通信的终端设备。ZIGBEE技术的无线传感器网络的特点21,22,23（1）数据传输速率低。ZIGBEE技术的最大传输速率仅250KB/S，专注于低速率传输应用。（2）设备省电，功耗极低。ZIGBEE技术采用了多种节电的工作模式，可确保两节普通电池支持长达6个月到2年左右的使用时间。（3）通信可靠性高，数据安全。ZIGBEE采用了CSMACA的避免碰撞机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，通信可靠性高。ZIGBEE提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES128，同时协议栈的各层可以灵活确定其安全属性24,25。（4）网络自组织、自愈能力强。ZIGBEE网络无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，构成结构化的网络；ZIGBEE网络增加或者删除一个节点、节点位置发生变动、节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作26,27,28。（5）时延短，设备接入网络快。通常时延都在15MS0MS之间，设备接入网络和数据传送时延很短，适合实时监控应用。（6）成本低廉，工作频段灵活。设备复杂程度低，且ZIGBEE协议是免专利费的，可有效降低设备成本；工作频段灵活，使用的频段为24GHZ（全球）、868MHZ（欧洲）及915MHZ（美国），均为免执照频段29,30。（7）网络容量大。每一个网络多达65536个网络节点，网络容量极其庞大，适用大规模无线传感器网络。23路灯电子地图分析电子地图是地理信息系统GIS的主要信息来源，在GIS中发挥着重要作用，数据的建立、存储和可视化是建立GIS的首要任务。下面将从电子地图的图层设计、数据库设计、数据的访问三个方面进行阐述，并最终实现的电子地图，如图24所示。图24路灯电子地图231图层分析与设计根据实际的需求，本研究将电子地图设计为以下两大图层（1）基础设施地理层河道层、湖泊层、建筑物层、网络层、道路名称层、铁路层、绿化层等。（2）路灯设备层路灯层、变电箱层、路段层等。通过图层管理，可以实现路灯电子地图上的某个或某些图层显示或者隐藏，并可对具体的某个图层中的要素进行复制、移动、删除等编辑操作。232图层数据库设计要成功的完成一幅电子地图的设计，设计前就要把电子地图所需要的数据准备好。ARCINFO作为一个地理信息软件，提供了对大量数据的集成管理，空间数据管理常用的方式有LIBRARIAN、ARCSTORM和SDE。LIBRARIAN和ARCEDIT、ARCPLOT一样，是ARCINFO的基本模块之一，它可管理大数据量的图形数据，并采用先进的空间索引方式，用户只要指定范围和内容，系统会自动调入相关而不是所有的数据，它还支持多用户同时读取同一地图库,当一用户在对固定范围的数据进行修改时，系统锁定这一范围数据，防止别的用户同时修改使数据产生不一致性；ARCSTORM则是ARCINFO的一个扩展模块，它采用客户/服务器的结构设计，比起LIBRARIAN可以管理更大量的数据，数据的锁定可以基于单个特征，增加了数据的共享性；SDE采用了也是客户/服务器结构，提供了一种手段使空间数据可以添加到关系型数据库进行管理，提供了对空间、非空间数据进行操作的接口，支持VISUALBASIC、C、C等流行的程序语言对ARC/INFO数据的操作。由此可见，LIBRAIAN适用于一定范围纯ARCINFO图形数据（COVERAGE）的管理，ARCSTORM则适用于大数据量、多用户的ARCINFO图形数据管理，SDE则在开发基于图形的应用程序时发挥作用。因此，本文采用LIBRAIAN进行建库。数字地图库分块、分幅存贮地理数据，但可以把它作为一个整体进行访问，一般来说，一个图库代表一个地理区域。一个数字地图库的功能就是用一种方法来组织信息，使之容易被访问，并提供一种方法来控制访问和事务处理。LIBRAIAN具有定义数据库的空间位置关系、定义数据内容的组织方式、控制用户对数据库数据的使用权限、控制访问并跟踪对库数据的任何修改及提供数据库结构和数据统计等功能。在逻辑上，LIBRAIAN以两种方式组织这个区域的数据TILES和LAYERS，如图24所示。图库是一个三维结构，在图库中，TILE是水平的，而在概念上，LAYER是垂直的。当一个TILE横切一个LAYER时，就产生一个COVERAGE。其中，TILE是对图库进行二维分割，所有TILE边界连起来便组成数据库的整个地理区域。TILES在空间上分割数据库中的数据，数据在库中的存贮物理上是以TILE为单位的。TILE可以基于规则格网、自然地理边界或景观特征。TILES形状应反映数据库数据的使用和以后的应用；TILES形状不应是经常变动的边界或不稳定的边界；TILES应是连续的多边形COVERAGE，在一个TILE中不允许存在不相连的岛多边形，每一个岛多边形应是独立的TILES。TILE是以ARCINFO的WORKSPACE形式存贮。TILES是最难以改变的库结构，所以确定TILE时应做充分的实验及论证。LAYER在数据库中，分割数据的第二种方法就是用LAYER进行分割，一个LAYER包含整个区域中的某类特征,由一个类型的COVERAGE构成，用于具体存放数据库的内容。数据库查询、显示的就是LAYER。LIBRARY是一个层次数据结构，数据库由标准的ARCINFO数据结构的COVERAGE和INFO文件构成，如图25所示。它由以下四部分组成（1）数据库位置文件。每一个数据库只有一个位置文件，包含数据库的名字和存放位置，这个文件存放于ARCINFO主目录的TALES目录下。（2）数据库参考目录（DATABASE）包含定义数据库结构的文件，包括一个数据库索引COVERAGE，该COVERAGE包含TILE的名字、物理位置等等，该目录里还包括数据库的样板LAYER。（3）TILE工作空间。这是一个ARCINFO的工作空间，它包含某一TILE中的所有MAPSECTION。（4）MAPSECTION/COVERAGE。这是一个ARCINFOCOVERAGE，由某个TILE中的一个LAYER构成图24LIBRARY的数据结构图24LIBRARY的数据组织其中，ACCESS目录包含数据库的权限管理文件，LIBRARYACCESS控制用户对数据库的访部权限，LAYERACCESS控制用户对LAYER的访问，LAYERIDS包含有关用户访问组的信息；INDEX是一个连续的多边形COVERAGE，描述数据库的TILE结构，一个数据库只能有一个INDEX文件；DATABASE下的BOUNT、HYDNT等是LAYER的模版COVERAGE，定义了数据库中每一个LAYER的属性表结构、投影、精度等等，LAYER入库时与这些COVERAGE比较，只有属性结构、投影、精度等等都完全一样才能入库。基于以上的分析，建立数据库的步骤如下（1）确定数据库索引。即TILE的结构。（2）建立索引文件INDEXCOVERAGE。（3）建立TILE目录。使用BUILDTILESINDEX命令，它根据INDEXPAT中的TILENAMEO为TILE工作空间命名，用LOCATION确定TILE工作空间所在的位置。（4）建立数据库的框架。使用CREATEMAPLIBRARYROADLAMPSINDEX命令，其中，ROADLAMPS为数据库名称。（5）定义LAYER。使用LIBRARYADDLAYER命令。其中，是LAYER的名称；是在DATABASE中存贮的样板LAYER名；是做为样板的的特征属性，的空模板被拷入DATABASE中，应与同名。（6）数据入库。使用INSERTDROPBORDER命令。233数据访问为了保证路灯地理信息系统的功能完整性和运行的高效性，本研究通过SDX空间数据库引擎技术来访问数据库。SDX空间数据库引擎技术支持目前流行的多种商用数据库平台，如ACCESS2003、ORACLE、SQLSERVER、SYBASE等，这些数据库可以运行在多种操作系统平台上，既可以搭建同类型数据库之间的多节点集群，也可以搭建异构数据库和异构操作系统的分布式集群37。如图47所示。SDX是一个运行稳定、功能成熟、性能卓越的空间数据库引擎，通过它，可以把GIS的空间几何对象数据和属性数据一体化存储到多种关系型数据库中，可以对数据进行索引维护、追加、更新、删除等维护操作，同时还可以按属性条件或空间条件来对数据进行各种查询返回需要的数据。本研究采用SDX空间数据库引擎直接访问ACCESS2003。使用ARCOBJECTS组件打开ACCESS2003时，要使用到联接数据库字符串，是不需要访问权限验证。DATABASEROADLAMPINFO/其中ROADLAMPINFO是ACCESS2003里的表名，IWORKSPACEPTRIPWORKSPACEHRESULTHRIWORKSPACEFACTORYPTRIPWSFACTORYCLSID_ACCESSWORKSPACEFACTORYHRIPWSFACTORYOPENFROMFILE_BSTR_TSFULLNAME,NULL,/打开已经建立好的数据库文件为工作空间。IFFALLEDHRRETURNNULLELSERETURNIPWORKSPACEIFEATURECLASSPTRIPFEATURECLASSIFEATUREWORKSPACEPTRIPFEATUREWSHRIPWSQUERINTERFACE_UUIDOFIFEATUREWORKSPACE,VOID/打开工作空间指定的FEATURECLASSIWORKSPACEPTRIPWSOPENPGDSFILENAMEIFEATRUECLASSPTRIPFEATURECLASSOPENPGDFEATUECLASSIPWS,SFCNAME/打开工作空间和其中的FEATURECLASSBOOLBRESADDFC2MAPIPFEATURECLASS,SFLYRNAME,5/再将已经打开的FEATURECLASS添加到地图中去。24软件开发环境25本章小结第3章路灯地理信息系统二次开发41前言目前国内大多数城市的路灯控制是由配电箱进行分散控制的，所以其整体性较差，故障率也较高。路灯故障的发现和排除多采用上路巡查的方式实现，这种方式不仅反应迟缓，且费时费力费钱，很难满足现代化城市路灯高水平管理的要求。针对此种现象，本研究将GIS应用到城市路灯管理系统中，利用组件式GIS技术建立城市路灯地理信息子系统，系统将路灯图形和数据信息相结合，用户可以直接在路灯电子地图上进行路灯信息查询、故障报警处理、可视化管理等。通过该系统，远程监控中心可以实时了解路灯运行状态信息，掌握远程路灯的照度情况，彻底改变传统落后的人工巡视方式，快速发现故障路灯所在位置并能主动报警闪烁。系统可视化控制和管理方式，为城市路灯管理提供了一种崭新的决策支持方法。42GIS技术概述421GIS概念及发展历程地理信息系统（GEOGRAPHICINFORMATIONSYSTEMS，GIS）于70年代中期产生。随着自身的不断发展和应用的日趋广泛，GIS的定义也各种各样，其中较为准确且被广泛接受的阐述为GIS是一个能用于进行有效的搜集、储存、处理、分析和显示所有形式之地理信息的计算机硬件、软件、地理数据和有关人员（用户）的有机集合34。组件式技术使面向对象技术进入成熟的实用化阶段。在组件式技术的概念模式下，软件系统可以被视为相互协同工作的对象集合，其中每个对象都会提供特定的服务，发出特定的信息，并以标准形式公布出来，以便其他对象了解和调用。GIS技术的发展在软件模式上经历了功能模块、包式软件、核心式软件，进而发展到组件式GIS（COMGIS）和WEBGIS的过程，如图41所示。传统GIS虽然在功能上已经比较成熟，但是这些系统大多是基于10年前的软件技术开发的，属于独立的封闭系统。组件式GIS带来了开发平台的灵活性，能够使GIS功能嵌入非GIS软件，或者将其他软件功能引进GIS软件平台，从而GIS技术与其他的应用相结合，成为一体化的应用35。图41GIS发展历程图422GIS技术特点地理信息系统属于信息系统的范畴，与一般的管理信息系统相比，地理信息系统具有以下特征（1）地理信息系统在分析和处理问题中同时使用了空间数据与属性数据，并通过数据库管理系统将两者联系在一起共同管理、分析和应用，从而为认识地理现象提供了一种新的思维方法；而管理信息系统则只有属性数据库的管理，即使存储了图形，也往往只以文件形式机械化存储，而不能进行有关空间数据的操作，如空间查询、分析、检索等。（2）地理信息系统重点强调的是空间分析，它通过利用空间解析式模型来分析空间数据，地理信息系统的成功应用是基于空间分析模型的研究与设计的。GIS的开发方式主要有三种单独开发方式、单纯二次开发方式、集成二次开发方式。（1）单独开发。指的是不使用任何的GIS工具软件，从空间数据的采集和分析、编辑和处理以及输出，所有的算法都是独立设计，然后选择某种程序设计语言在一定的操作系统上编程实现。（2）单纯二次开发。指的是完全使用GIS工具软件提供给用户开发的宏语言进行二次开发。用户以宏语言为开发工具、GIS工具软件为开发平台，开发出针对不同应用对象的应用程序。（3）集成二次开发。指的是通过使用专业的GIS软件来实现GIS的基本功能。将专业的GIS软件和可视化开发工具进行无缝集成。43ARCGIS431ARCGIS的框架概述ARCGIS是ESRI的GIS产品家族体系的总称，它是一个开放的地理信息处理平台，具有强大的地理数据管理、显示、分析等功能，主要包括有ARCMAP、ARCSCENE、ARCGLOBE等多个子系统。ARCGIS的体系结构是非常庞大的，涵盖了服务器端软件、客户端软件以及数据模型产品等，如图42所示。因此，ARCGIS本身并不是个GIS的应用软件，而是完整的软件产品的体系，它的每个产品都是依据特定的用户需求设计的。图42ARCGIS90系统体系结构图432ARCGIS二次开发工具ARCOBJECTS4321ARCOBJECTS概述ARCOBJECTS是ARCGIS的功能核心，它是ARCMAOP、ARCSCENE等桌面应用程序的开发平台。ARCOBJECTS是一个集成了面向对象的地理数据模型的软件组件库，包括了ARCGIS的全部的功能组件，是开发GIS程序的基础。ARCOBJECTS的组件具有层次性，如图43所示。处于最高层次是应用层（APPLICATION）；中间层次分别为显示、文档和扩展功能三个层次；处于组件最低层次的是地图图层（LAYER）层次。图43ARCOBJECTS组件层次4322ARCOBJECTS功能特点ARCOBJECTS是基于组件对象的模型的集合，是构造ARCGIS系列的COM组件库。ARCOBJECTS具有以下的特点（1）支持地理数据的输入、地理要素分析和显示、专题制作、编辑等基本GIS功能，提供动态分段技术、网络分析、三维分析等大量的GIS分析功能。（2）支持将组件插入其他兼容的COM的应用中，融入其他的信息系统，实现资源共享、信息同步，具有技术先进性和开放性。（3）引入了一种全新的面向对象的空间数据模型，建立了相应的拓扑关系，同时定义了区域、事件等高级空间特征，具有空间特征丰富性和数据结构合理性。（4）同时支持矢量数据、栅格数据、遥感数据、据矢量和栅格叠加数据四种数据格式，具有广泛的地理数据源。4323ARCOBJECTS数据模型及开发方式ARCOBJECTS使用的数据模型是GEODATABASE数据模型，GEODATABASE是将空间对象的属性和行为结合起来的智能化地理数据模型。GEODATABASE中的数据对象是面向实体的概念，如地块与建筑物、变电箱与保险丝，而不是面向系统的概念，如点、线、面。GEODATABASE数据模型具有地理数据形式统一、数据对象直观、动态显示要素等优点。ARCOBJECTS在应用开发方面主要有以下三种开发模式（1）利用ARCGIS内置的VBA宏开发应用程序。主要是完成一些重复性的工作和添加一些扩展功能模块。（2）利用ARCOBJECTS提供的组件库独立开发应用程序。（3）编写新的组件库扩展ARCOBJECTS，编写的组件库可以无缝的集成到GIS环境中去。434软件实现4341基本功能及运行流程图路灯地理信息系统的基本功能模块包括了如下七个方面路灯控制模块、数据统计模块、路灯监控模块、地图操作模块、图层管理模块、右键操作模块。如图44所示。路灯地理信息系统路灯控制模块数据统计模块路灯监控模块地图操作模块图层管理模块右键操作模块动态添加路灯路灯地理信息放大缩小移动全屏撤销复位取消操作路灯信息查询路灯报警查询删除弃用路灯图44路灯地理信息系统功能结构图（1）路灯控制模块。其功能是实现城市路灯的动态添加、路灯地理信息查询。动态添加路灯。用户可以根据城市路灯监控系统的实际需求选择某个区域作为一个路灯添加区、区域内的某些灯作为一组，实现分区、分组和路灯地址的动态添加。同时，该控制模块具有对区、组、灯和路灯地址进行删除的功能36。路灯地理系统查询。地理信息是有关地理实体的性质、特征和运动状态的表征和一切有用的知识，它是对地理数据的解释。在地理信息中，其位置是通过数据进行标识的，这是地理信息区别于其它类型信息的最显著的标志，通过路灯地理信息查询，用户可以得到地图上路灯的常规地理数据、LAMPID信息和ALARMTYPE信息等。（2）数据统计模块。可对路灯按区域、设备类型或时段等条件统计历史运行状态。（3）路灯监控模块。系统设计有启动监控、停止监控两个功能。（4）地图操作模块。其功能是实现电子地图的放大、缩小、移动、全屏等。地图放大、缩小。此操作功能分为定点放大（缩小）和拉框放大（缩小）。定点放大（缩小）即点击界面上的地图操作菜单的放大（缩小）或者操作快捷菜单的放大（缩小）图标后当前地图以其中