基于GIS的路灯控制管理系统的实施策略

　　1  问题的提出

　　随着城市现代化建设的高速发展，市政设施的自动化控制和管理越来越重要。本文提出基于GIS的城市路灯自动化控制管理系统关键技术的设计和实施策略。

　　传统的路灯控制方法是由人工或定时时钟来控制开关。由于各路段实行分段独立控制，且各定时器之间存在误差，导致路灯开启和关闭不统一，且由于缺乏相应的检测手段，不能监控其工作状态。为改变这一落后现状，实现城市路灯自动化控制管理就提上了议事日程。

　　2  系统设计目标

　　2. 1  终端控制器的智能化

　　我们把控制一个路段灯开关的控制设备称为终端控制器。要实现路灯的控制和管理，必须首先对现有控制器实施智能化改造。

　　2. 2  对分散的终端智能控制器实施远程控制

　　为实现路灯整齐划一的开启和关断，需有一套中央控制机制，负责统一的控制和管理。由于终端控制器分散在各个街区，因此需要建立远程控制系统。

　　2. 3  建立基于GIS 的控制和管理系统

　　为了使系统成为一套集控制和管理功能为一体的综合性系统，同时也为了便于直观地操作、检测、显示和查询有关路灯的各种信息，需建立一套基于GIS 的控制和管理系统。

　　3  系统的功能设计及实施策略

　　3. 1  终端控制器的功能设计

　　终端控制器要实现的主要功能有如下三个方面：根据指令实行路灯开关控制；完成路灯的灯况检测；实现与中央控制管理系统的数据通讯。如图1所示：

图1 终端控制器功能图

　　3. 1. 1  根据指令实行路灯开关控制。

　　路灯的开关由控制单元控制。其控制依据主要取决两个方面，一是通过远程数据通讯接收从中央控制系统发来的控制指令，二是在控制单元测定超过预期设定值后，自动开启或关闭路灯。后者主要用于中央控制系统或通讯出故障时，控制单元自动强制实现路灯的开关。此外，它同时对工作状况的异常情况作出相应判断和处理。

　　3. 1. 2  完成路灯的灯况检测。

　　灯况检测的主要目的在于测试路灯的工作状况。

　　3. 1. 3  终端控制器的远程通讯。

　　远程通讯是与中央控制管理系统对各个终端控制器实施统一集中控制的信息传输手段，是实现本系统的技术关键之一。有关远程通讯将在后面的"系统远程通讯设计与实施策略"中详细讨论。

　　3. 2  中央控制管理系统的功能设计

　　构造GIS 可视化城市路灯自动化地理信息系统，内容包括创建城市基础地理信息、街区、路灯分布等可视化失量图形，为路灯控制管理提供可视化查询、动态显示以及监控的支撑平台。

　　构造路灯资料数据库。路灯资料数据库包括两个方面，一是静态资料数据库，二是动态资料数据库。静态资料数据库的主要内容有：路灯安装的地理位置、架设日期、改造日期，所用材料规格（灯杆、灯罩、灯泡等） 、功率大小、额定光照度指标等有关数据，动态资料数据库主要内容有：路灯工作状况、路灯参数、额定值、报警值、当前工作电流和工作电压等。

图2  中央控制管理系统

　　构造中央控制管理模块。中央控制管理模块是基于GIS 可视化和LAN 操作平台的一套控制管理功能模块。其主要功能包括：系统初始化工作参数的设定；数据库管理和网络数据库的共享管理；中央通讯设备的管理和数据通讯（关于数据通讯将在后面的"系统远程通讯设计与实施策略"中详细讨论） ;通过中央通讯设备与终端路灯控制器的数据通讯，实现终端控制器的参数设定、时钟校正、开关指令的下达、工作状况的检测等功能；照度检测。如图2。

　　4  系统远程通讯设计与实施策略

　　系统的远程通讯是实现远程控制的手段。可采用有线和无线两种方式，前者由于涉及长距离线路铺设、信号中继等诸多问题，实际操作中有一定难度。本文着重介绍无线方式，采用一个主站对多个从站的主站呼叫方式。主站和从站采用带数据通讯接口的数字调制电台，主站电台由中央计算机控制，从站电台由终端控制器控制，电台功率的大小需视控制的最大半径的长短和地理环境而定。由于主站具有较大的发射功率和较高的接收灵敏度，从站功率通常设定为主站功率的四分之一到三分之一。

　　4. 1  通讯方式

　　通讯方式需有两种，一是主站广播方式，二是主-从点对点方式。第一种方式主要用于公共控制指令发展发送，如开关灯、公共参数，时钟校正等。第二种方式主要用于主站与特定从站的数据传输。从站采用地址编码来唯一标识。从站发送数据是被动握手方式，需主站呼叫某从站后，该从站在终端控制器的控制下，向主站发送数据。其数据内容主要为灯况信息、系统测试等。在中央计算机控制下，主站通过与从站的的轮流通讯传输，从而实现各段路灯的灯况数据实时采集。

　　4. 2  通讯的数据格式定义

　　任何数据通讯都必须定义数据的格式。因此一般意义下的数据格式在此就不作过多描述，但要指出的是，在这种通讯方式中，主站一旦发出信息，所有从站都同时接收，逻辑上是否接收是通过广播标识或地址编码来确定的。为提高系统效率，地址编码段的长度应是动态的，可以包括多个地址编码，这样可以实现在非广播方式下的主-多从站。

　　5  软件设计策略

　　本系统的软件分为两个部分，一是中央控制管理，二是终端控制器控制检测。

　　5. 1  终端控制检测软

　　终端控制检测软件是一套基于单片机上的软件包。控制和检测部分并无多少技术难度。其重点主要是与从站数字调制电台的数据通讯以及与中央控制管理系统的数据通讯上。其主要流程如图3。

图3 流程图

　　5. 2  中央控制管理部分

　　中央控制管理除需完成对系统的控制、检测等主要前台功能外，另一个重要功能就是提供一套基于GIS 的可视化路灯工作状况的动态显示功能。动态数据库的刷新依据的是实时灯光信息的检测，便于通过图形直观地监控灯况动态信息，同时也提供基于GIS 的灯况数据库的可视化查询和数据库管理。如果使用单位已建立内部LAN ,则可以通过数据共享，向其它相关部门提供可视化灯况信息查询，从而大大提高了路灯管理的效率和水平。实现上述功能的主要技术关键：

　　GIS、DBMS 和应用控制模块的无缝集成；动态数据的实时可视化刷新；多任务并发的系统效率以及系统资源较低占用。

　　5. 2. 1  GIS、DBMS 和应用控制模块的无缝集成。

　　由于GIS、DBMS 和应用控制模块面向三个不同的应用环境，如果分别构造，势必造成整个系统不能在同一界面上协同工作，从而使系统不能成为一个统一体。为解决这一问题，必须寻求平台支持。

　　·GIS 的选择。

　　GIS 的开发与否对于系统集成是至关重要的。

　　经过比较，选择了Maplnfo - Proserver.它是工作在Windows 9X 或Windows NT 上的GIS 平台， 它支持OLE 和DDE ,所有Maplnfo 环境中可以使用的命令都可以作为OLE 动词发送，使其它宿主语言（如VB、VC 等） 可以直接启动Maplnfo 命令，从而实现了其它开发工具与Maplnfo 之间的完美结合。如图4 所示。

图4

　　·关于GIS 与DBMS 的接口。

　　作为一个引入了MIS 概念的控制系统， 没有DBMS 的支持，就无法完成众多的数据管理。Maplnfo支持Client/ Server 体系结构，且具有多种DBMS 的访问接口，几乎包括了目前常用的DBMS （如Oracle、Sybase、Microsoft Access、Informix、SQL Srver 等） .

　　Maplnfo 提供了DDE 和DLL ,为实现这些功能提供了强有力的工具。

　　5. 3  动态数据的实时可视化刷新

　　应用控制模块采集的动态数据，需要以可视化方式实时显示，Maplnfo 提供了功能丰富的DLL ,应用控制模块可以通过调用DLL 来激活Maplnfo 的相应功能，动态数据经过格式转换在已构成城市Map上，在相应位置以图形颜色、闪烁变换等方式来直观动态地显示出来，从而达到GIS 可视化动态刷新。

　　5. 4  多任务并发的系统效率及系统资源较低占用

　　虽然Windows 9X支持多任务并发，但实际应用中不难发现，当多个应用进程同时请求系统资源时，系统效率将急剧下降。本系统中，当应用控制模块把控制权转交给Maplnfo 后，由于数据采集和控制的实时性要求，因此应用控制模块不能处于挂起状态，但如果应用控制模块处于完全激活状态时，系统在响应其它请求（如用户激活的Maplnfo 应用等） ,其响应速度将难以让人接受，所以，既保证应用控制模块的实时性要求，同时又不能让应用控制模块无谓占用过多的系统资源。解决这一问题的有效方法是：

　　在设计应用控制模块时，对所有具有实时性要求的部分，由时间控件激活。其状态如图5 :

　　采用这种技术后，当应用控制模块出于休眠状态时，其系统资源占用相对较低。这样可以加快系统对其它任务的响应速度。

图5

　　6  结束语

　　本文描述了一套较为完整的基于GIS 的城市路灯控制管理系统，旨在提供一些复合系统集成设计中关键技术的实施策略。这些技术不仅适用于本系统的应用，对于一些具有多平台环境下的系统集成，如GIS 和GPS 全球卫星定位系统下的动态定位跟踪系统、基于GIS 的火灾报警定位系统等，也有一定参考作用。鉴于时间仓促，且笔者水平有限，敬请多多指正。