基于GIS的路燈控制管理系統(tǒng)的實(shí)施策略 - 全文

　　1 問題的提出

　　隨著城市現(xiàn)代化建設(shè)的高速發(fā)展，市政設(shè)施的自動(dòng)化控制和管理越來越重要。本文提出基于GIS的城市路燈自動(dòng)化控制管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)和實(shí)施策略。

　　傳統(tǒng)的路燈控制方法是由人工或定時(shí)時(shí)鐘來控制開關(guān)。由于各路段實(shí)行分段獨(dú)立控制，且各定時(shí)器之間存在誤差，導(dǎo)致路燈開啟和關(guān)閉不統(tǒng)一，且由于缺乏相應(yīng)的檢測手段，不能監(jiān)控其工作狀態(tài)。為改變這一落后現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)城市路燈自動(dòng)化控制管理就提上了議事日程。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)

　　2. 1 終端控制器的智能化

　　我們把控制一個(gè)路段燈開關(guān)的控制設(shè)備稱為終端控制器。要實(shí)現(xiàn)路燈的控制和管理，必須首先對現(xiàn)有控制器實(shí)施智能化改造。

　　2. 2 對分散的終端智能控制器實(shí)施遠(yuǎn)程控制

　　為實(shí)現(xiàn)路燈整齊劃一的開啟和關(guān)斷，需有一套中央控制機(jī)制，負(fù)責(zé)統(tǒng)一的控制和管理。由于終端控制器分散在各個(gè)街區(qū)，因此需要建立遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

　　2. 3 建立基于GIS 的控制和管理系統(tǒng)

　　為了使系統(tǒng)成為一套集控制和管理功能為一體的綜合性系統(tǒng)，同時(shí)也為了便于直觀地操作、檢測、顯示和查詢有關(guān)路燈的各種信息，需建立一套基于GIS 的控制和管理系統(tǒng)。

　　3 系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)及實(shí)施策略

　　3. 1 終端控制器的功能設(shè)計(jì)

　　終端控制器要實(shí)現(xiàn)的主要功能有如下三個(gè)方面：根據(jù)指令實(shí)行路燈開關(guān)控制；完成路燈的燈況檢測；實(shí)現(xiàn)與中央控制管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。如圖1所示：

　　圖1 終端控制器功能圖

　　3. 1. 1 根據(jù)指令實(shí)行路燈開關(guān)控制

　　路燈的開關(guān)由控制單元控制。其控制依據(jù)主要取決兩個(gè)方面，一是通過遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊接收從中央控制系統(tǒng)發(fā)來的控制指令，二是在控制單元測定超過預(yù)期設(shè)定值后，自動(dòng)開啟或關(guān)閉路燈。后者主要用于中央控制系統(tǒng)或通訊出故障時(shí)，控制單元自動(dòng)強(qiáng)制實(shí)現(xiàn)路燈的開關(guān)。此外，它同時(shí)對工作狀況的異常情況作出相應(yīng)判斷和處理。

　　3. 1. 2 完成路燈的燈況檢測

　　燈況檢測的主要目的在于測試路燈的工作狀況。

　　3. 1. 3 終端控制器的遠(yuǎn)程通訊

　　遠(yuǎn)程通訊是與中央控制管理系統(tǒng)對各個(gè)終端控制器實(shí)施統(tǒng)一集中控制的信息傳輸手段，是實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的技術(shù)關(guān)鍵之一。有關(guān)遠(yuǎn)程通訊將在后面的“系統(tǒng)遠(yuǎn)程通訊設(shè)計(jì)與實(shí)施策略”中詳細(xì)討論。

　　3. 2 中央控制管理系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

　　構(gòu)造GIS 可視化城市路燈自動(dòng)化地理信息系統(tǒng)，內(nèi)容包括創(chuàng)建城市基礎(chǔ)地理信息、街區(qū)、路燈分布等可視化失量圖形，為路燈控制管理提供可視化查詢、動(dòng)態(tài)顯示以及監(jiān)控的支撐平臺(tái)。

　　構(gòu)造路燈資料數(shù)據(jù)庫。路燈資料數(shù)據(jù)庫包括兩個(gè)方面，一是靜態(tài)資料數(shù)據(jù)庫，二是動(dòng)態(tài)資料數(shù)據(jù)庫。靜態(tài)資料數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容有：路燈安裝的地理位置、架設(shè)日期、改造日期，所用材料規(guī)格（燈桿、燈罩、燈泡等） 、功率大小、額定光照度指標(biāo)等有關(guān)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)資料數(shù)據(jù)庫主要內(nèi)容有：路燈工作狀況、路燈參數(shù)、額定值、報(bào)警值、當(dāng)前工作電流和工作電壓等。

　　圖2 中央控制管理系統(tǒng)

　　構(gòu)造中央控制管理模塊。中央控制管理模塊是基于GIS 可視化和LAN 操作平臺(tái)的一套控制管理功能模塊。其主要功能包括：系統(tǒng)初始化工作參數(shù)的設(shè)定；數(shù)據(jù)庫管理和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫的共享管理；中央通訊設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)通訊（關(guān)于數(shù)據(jù)通訊將在后面的“系統(tǒng)遠(yuǎn)程通訊設(shè)計(jì)與實(shí)施策略”中詳細(xì)討論） ;通過中央通訊設(shè)備與終端路燈控制器的數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)終端控制器的參數(shù)設(shè)定、時(shí)鐘校正、開關(guān)指令的下達(dá)、工作狀況的檢測等功能；照度檢測。如圖2。

　　4 系統(tǒng)遠(yuǎn)程通訊設(shè)計(jì)與實(shí)施策略

　　系統(tǒng)的遠(yuǎn)程通訊是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制的手段?？刹捎糜芯€和無線兩種方式，前者由于涉及長距離線路鋪設(shè)、信號中繼等諸多問題，實(shí)際操作中有一定難度。本文著重介紹無線方式，采用一個(gè)主站對多個(gè)從站的主站呼叫方式。主站和從站采用帶數(shù)據(jù)通訊接口的數(shù)字調(diào)制電臺(tái)，主站電臺(tái)由中央計(jì)算機(jī)控制，從站電臺(tái)由終端控制器控制，電臺(tái)功率的大小需視控制的最大半徑的長短和地理環(huán)境而定。由于主站具有較大的發(fā)射功率和較高的接收靈敏度，從站功率通常設(shè)定為主站功率的四分之一到三分之一。

　　4. 1 通訊方式

　　通訊方式需有兩種，一是主站廣播方式，二是主-從點(diǎn)對點(diǎn)方式。第一種方式主要用于公共控制指令發(fā)展發(fā)送，如開關(guān)燈、公共參數(shù)，時(shí)鐘校正等。第二種方式主要用于主站與特定從站的數(shù)據(jù)傳輸。從站采用地址編碼來唯一標(biāo)識(shí)。從站發(fā)送數(shù)據(jù)是被動(dòng)握手方式，需主站呼叫某從站后，該從站在終端控制器的控制下，向主站發(fā)送數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)內(nèi)容主要為燈況信息、系統(tǒng)測試等。在中央計(jì)算機(jī)控制下，主站通過與從站的的輪流通訊傳輸，從而實(shí)現(xiàn)各段路燈的燈況數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集。

　　4. 2 通訊的數(shù)據(jù)格式定義

　　任何數(shù)據(jù)通訊都必須定義數(shù)據(jù)的格式。因此一般意義下的數(shù)據(jù)格式在此就不作過多描述，但要指出的是，在這種通訊方式中，主站一旦發(fā)出信息，所有從站都同時(shí)接收，邏輯上是否接收是通過廣播標(biāo)識(shí)或地址編碼來確定的。為提高系統(tǒng)效率，地址編碼段的長度應(yīng)是動(dòng)態(tài)的，可以包括多個(gè)地址編碼，這樣可以實(shí)現(xiàn)在非廣播方式下的主-多從站。

　　5 軟件設(shè)計(jì)策略

　　本系統(tǒng)的軟件分為兩個(gè)部分，一是中央控制管理，二是終端控制器控制檢測。

　　5. 1 終端控制檢測軟件

　　終端控制檢測軟件是一套基于單片機(jī)上的軟件包?？刂坪蜋z測部分并無多少技術(shù)難度。其重點(diǎn)主要是與從站數(shù)字調(diào)制電臺(tái)的數(shù)據(jù)通訊以及與中央控制管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊上。其主要流程如圖3。

　　圖3 流程圖

　　5. 2 中央控制管理部分

　　中央控制管理除需完成對系統(tǒng)的控制、檢測等主要前臺(tái)功能外，另一個(gè)重要功能就是提供一套基于GIS 的可視化路燈工作狀況的動(dòng)態(tài)顯示功能。動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫的刷新依據(jù)的是實(shí)時(shí)燈光信息的檢測，便于通過圖形直觀地監(jiān)控?zé)魶r動(dòng)態(tài)信息，同時(shí)也提供基于GIS 的燈況數(shù)據(jù)庫的可視化查詢和數(shù)據(jù)庫管理。如果使用單位已建立內(nèi)部LAN ，則可以通過數(shù)據(jù)共享，向其它相關(guān)部門提供可視化燈況信息查詢，從而大大提高了路燈管理的效率和水平。實(shí)現(xiàn)上述功能的主要技術(shù)關(guān)鍵：

　　GIS、DBMS 和應(yīng)用控制模塊的無縫集成；動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化刷新；多任務(wù)并發(fā)的系統(tǒng)效率以及系統(tǒng)資源較低占用。

　　5. 2. 1 GIS、DBMS 和應(yīng)用控制模塊的無縫集成。

　　由于GIS、DBMS 和應(yīng)用控制模塊面向三個(gè)不同的應(yīng)用環(huán)境，如果分別構(gòu)造，勢必造成整個(gè)系統(tǒng)不能在同一界面上協(xié)同工作，從而使系統(tǒng)不能成為一個(gè)統(tǒng)一體。為解決這一問題，必須尋求平臺(tái)支持。

　　·GIS 的選擇。

　　GIS 的開發(fā)與否對于系統(tǒng)集成是至關(guān)重要的。

　　經(jīng)過比較，選擇了Maplnfo - Proserver.它是工作在Windows 9X 或Windows NT 上的GIS 平臺(tái)， 它支持OLE 和DDE ，所有Maplnfo 環(huán)境中可以使用的命令都可以作為OLE 動(dòng)詞發(fā)送，使其它宿主語言（如VB、VC 等） 可以直接啟動(dòng)Maplnfo 命令，從而實(shí)現(xiàn)了其它開發(fā)工具與Maplnfo 之間的完美結(jié)合。如圖4 所示。

　　圖4

　　·關(guān)于GIS 與DBMS 的接口。

　　作為一個(gè)引入了MIS 概念的控制系統(tǒng)， 沒有DBMS 的支持，就無法完成眾多的數(shù)據(jù)管理。Maplnfo支持Client/ Server 體系結(jié)構(gòu)，且具有多種DBMS 的訪問接口，幾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 ，為實(shí)現(xiàn)這些功能提供了強(qiáng)有力的工具。

　　5. 3 動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)可視化刷新

　　應(yīng)用控制模塊采集的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，需要以可視化方式實(shí)時(shí)顯示，Maplnfo 提供了功能豐富的DLL ，應(yīng)用控制模塊可以通過調(diào)用DLL 來激活Maplnfo 的相應(yīng)功能，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換在已構(gòu)成城市Map上，在相應(yīng)位置以圖形顏色、閃爍變換等方式來直觀動(dòng)態(tài)地顯示出來，從而達(dá)到GIS 可視化動(dòng)態(tài)刷新。

　　5. 4 多任務(wù)并發(fā)的系統(tǒng)效率及系統(tǒng)資源較低占用

　　雖然Windows 9X支持多任務(wù)并發(fā)，但實(shí)際應(yīng)用中不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多個(gè)應(yīng)用進(jìn)程同時(shí)請求系統(tǒng)資源時(shí)，系統(tǒng)效率將急劇下降。本系統(tǒng)中，當(dāng)應(yīng)用控制模塊把控制權(quán)轉(zhuǎn)交給 Maplnfo 后，由于數(shù)據(jù)采集和控制的實(shí)時(shí)性要求，因此應(yīng)用控制模塊不能處于掛起狀態(tài)，但如果應(yīng)用控制模塊處于完全激活狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)在響應(yīng)其它請求（如用戶激活的 Maplnfo 應(yīng)用等） ，其響應(yīng)速度將難以讓人接受，所以，既保證應(yīng)用控制模塊的實(shí)時(shí)性要求，同時(shí)又不能讓應(yīng)用控制模塊無謂占用過多的系統(tǒng)資源。解決這一問題的有效方法是：

　　在設(shè)計(jì)應(yīng)用控制模塊時(shí)，對所有具有實(shí)時(shí)性要求的部分，由時(shí)間控件激活。其狀態(tài)如圖5 ：

　　采用這種技術(shù)后，當(dāng)應(yīng)用控制模塊出于休眠狀態(tài)時(shí)，其系統(tǒng)資源占用相對較低。這樣可以加快系統(tǒng)對其它任務(wù)的響應(yīng)速度。

　　圖5

　　6 結(jié)束語

　　本文描述了一套較為完整的基于GIS 的城市路燈控制管理系統(tǒng)，旨在提供一些復(fù)合系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)中關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)施策略。這些技術(shù)不僅適用于本系統(tǒng)的應(yīng)用，對于一些具有多平臺(tái)環(huán)境下的系統(tǒng)集成，如 GIS 和GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)下的動(dòng)態(tài)定位跟蹤系統(tǒng)、基于GIS 的火災(zāi)報(bào)警定位系統(tǒng)等，也有一定參考作用。鑒于時(shí)間倉促，且筆者水平有限，敬請多多指正。