基于百度地图的智慧路灯数字化管理系统的设计与实现

引言

随着社会经济的快速发展，城市化进程的不断推进，城市道路照明工程的体量日益庞大[1]。城市道路照明作为公共照明的重要组成，采用节能的照明方式可缓解能源危机、实现可持续发展，并推进“节能减排”政策的实施[2]。

根据数据统计，目前我国每年照明用电量约占总发电量的13%左右，其中城市照明用电约占总发电量的7%～8%[3]。这个数据表明城市照明工作的实施要求路灯管理部门节约照明设施运维成本，降低照明能耗。如何发挥路灯资源特有的属性优势、挖掘新的盈利增长点等问题成为路灯管理部门关心和思考的重点[4]。智慧路灯建设随着物联网技术的发展逐渐进入路灯管理部门的视野，成为研究热点，为实现节能减排、照明管理系统升级、降低城市照明管理成本及改善城市公共服务系统提供了方向。

在现有技术的基础上结合路灯管理系统实际需求，我们提出基于百度地图的智慧路灯数字化管理系统，采用百度地图API实现照明设备的可视化监测和控制;提供的策略模式可以制定满足生活照明需求的节能策略，从而实现照明设备的远程实时监控，并且能达到很好的节能环保效果。该系统的具体设计包括实时监控、设备管理、策略设置、统计分析、数据中心等多项功能，使得路灯的管理变得可视化、数字化、智能化。

大丫在车上问我现在干什么呢。我说当保管员，就是混，眼神儿不行，别的也干不了。她问我这些年一直是挣工资生活吗？

1 系统设计

1.1 系统架构的选取和设计

根据系统的性能需求选取适当的系统架构，考虑到系统将来需应用于数万盏路灯以及B/S相比于C/S的优势，系统选取B/S架构进行开发设计[5]。系统的可视化人机交互界面需要成熟的技术来保证其稳定性，因此选择ASP.NET MVC4.0框架进行综合搭建。

行政当局已订好合同，要铺设人行道，就在她父亲去世的那年夏天开始动工。建筑公司带着一批黑人、骡子和机器来了，工头是个北方佬，名叫荷默·伯隆，个子高大，皮肤黝黑，精明强干，声音宏亮，双眼比脸色浅淡。一群群孩子跟在他身后听他用不堪入耳的话责骂黑人，而黑人则随着铁镐的上下起落有节奏地哼着劳动号子。没有多少时候，全镇的人他都认识了。随便什么时候人们要是在广场上的什么地方听见呵呵大笑的声音，荷默·伯隆肯定是在人群的中心。过了不久，逢到礼拜天的下午我们就看到他和爱米丽小姐一齐驾着轻便马车出游了。那辆黄轮车配上从马房中挑出的栗色辕马，十分相称。

MVC设计模式即是模型(model)、视图(View)、控制器(controller)相互协作。模型主要是业务实体组件和逻辑实体组件相关的数据逻辑并且独立于视图和控制器存在，通常在数据库中被用来获取和储存相应的数据；视图是应用程序中用来实现人机交互的部分，依据模型数据来创建相应的界面视图，通常把数据加工后展示给用户；控制器是应用程序中处理视图和数据库交互的模块，通常在视图和数据库的数据传送中起到一个桥梁的作用。

MVC模式可以让模型、视图和控制器三个模块相互分离而又能使它们相互协作，提高了系统的机动性以及互换性。使用MVC模式的用户界面设计往往将这些对象整理得井井有条，避免了不必要的代码混乱。

MVC模式的优点主要是模型和视图的关系为一对多，创建新的视图也不需要重写模型。这样模型就可以重复利用，提高工作人员开发系统的效率。

钢筋在绑扎过程中，首先应该明确构件在交接部位对于钢筋位置、层次等相关因素的思考，确保受力构件间钢筋位置处于重要受力部位，框架节点纵向受力钢筋应该处于内侧，通俗说来也就说所谓的柱包梁；针对梁低标高一致时，次梁下方的钢筋应该置于主梁纵向钢筋上部。

系统需要满足控制数万盏路灯的性能，并且后期需要相关人员进行升级、维护等操作，因此该系统选择MVC架构进行开发设计。视图通过数据绑定技术建立联系，接受浏览器传来的请求并传给数据层，同时将处理结果返回到浏览器[6]。百度地图 API、Ajax(Asynchronous JavaScript and XML)技术、JSON(JavaScript Object Notation)数据传输技术的结合构成系统业务逻辑层的核心[7]。编写控制器完成对SQL Server数据库中数据进行添加、删除、更新和查询等必要的数据交互，系统内的数据交互如图1所示。

图1 MVC设计模式

Fig.1 Relationship diagram of MVC

1.2 系统总体功能设计

系统选用成熟的Microsoft Visual Studio 2015为开发工具，选择稳定的Microsoft.NET Framework 3.5为开发环境，同时以主流的Microsoft SQL Server 2015为作为后台数据库管理工具[8]。在MVC框架内控制器使用面向对象的C#语言实现数据库与后台数据的交互，视图以HTML+CSS布局、JavaScript为客户端脚本语言等，实现数据的成功发送与获取。根据智慧路灯数字化管理系统的性能需求将系统划分为实时监控、设备档案、策略设置、统计分析、数据中心五个模块，五个模块能够分配各自的任务并且能够紧密配合满足整个项目的功能需求，各功能模块之间基本达到了低耦合、高内聚的要求[9]。

2 程序子功能

根据该项目用户提出的实际需求以及项目的初步方案，我们将系统子程序功能细化分解，初步完成系统功能模块图，如图2所示。

图2 系统功能模块图

Fig.2 System function module architecture

2.1 实时控制

对于Web GIS的选取，系统采用百度地图实现地理信息可视化。百度地图提供的免费地图服务可以通过在HTML文件内的head部分加入<script>标签引入百度地图API来获取。通过Ajax异步交互技术和JSON序列化和反序列化处理照明设备数据，将获取的数据返回客户端从而初始化实时监控界面。项目中网关数量相比于单灯控制器数量要少很多，经过分析决定网新，这样的设计使得页面初始化更为迅速便捷，由于百度地图API中这两类对象含有方法addEventListener()以及监听事件click、dblclick、mouseover、mouseout等，可以利用该方法和事件实现系统所需完成的基本功能。根据以上分析完成如图3所示的实时监控界面加载流程图。

图3 实时监控界面加载流程图

Fig.3 The flow chart of loading the real-time monitoring interface

实时监控界面内网关和单灯都用特定的覆盖物图例加以表示，网关和单灯分别用实心正方形和实心圆表示，网关根据网关编号来关联对应的数据信息，单灯根据网关编号+Zigbee地址来关联特定的数据信息[10]。百度地图中提供加载覆盖物图例方便用户查看所有的照明设备，网关的图标蓝色、黑色和红蓝交加分别代表网关工作状态为正常在线、掉线和网关异常，单灯的图标颜色分为绿色、黄色和红色分别代表单灯工作状态为正常照明、关闭和单灯故障。用户在正常登录后不仅可以很方便地查看照明设备的实时运行状态，还可以点击地图上的图例完成系统对照明设备发送采集、开灯、关灯、调光等指令，方便快捷地实现对照明设备的远程实时控制。图4就是用户在登录后的实时监控界面。

2.2 设备档案

设备档案是管理各级区域或设备参数信息的界面，页面的加载方式与实时监控界面的加载方式相似[11]。通过使用jQuery Easy UI框架下div控件的onclick事件实现区、道路的添加、编辑和删除功能；利用百度地图API接口中的测距工具，实现在地图上进行多点测距，辅助项目进行时遇到的测距问题。利用Marker、PointCollection类的对象提供的监听事件合理分配界面实现网关和单灯的添加、更新和删除功能。系统层次结构的排布为“项目-区-道路-网关-单灯”，节点的添加、更新和删除功能会有相应的提示信息。为保证系统的管理规范，末端子节点禁止继续添加并且初始父节点禁止删除。

图4 实时监控界面

Fig.4 The interface of real-time monitoring

2.3 策略设置

策略设置模块包括项目策略、告警设置和接触器方案，提供路灯运行模式的设定和优化、告警参数更改以及日出日落时间和光照度阈值的设定和更改。

目前，高校较为丰富的图书资源和相对充足的课余时间，为学生的自主学习提供了良好的条件；各种课外活动的组织开展，丰富了大学生的课余生活，提供训练各种技能的平台；良好的自我管理和科学的作息安排，能使大学生的校园生活变得充实、丰富和高效，有利于学生顺利完成学业、养成良好习惯，为其知识和潜能的积淀提供支持保障。科学、健康、优质的课余生活，对大学生成长、成才所产生的积极影响是课堂教学不能替代的。

项目策略可以定义定时调光策略模式和多火灯策略模式两种策略模式，定时调光策略模式适用于时段控制而多火灯策略模式适用于路段控制，两种策略模式配合使用既能满足市民的照明需求又可以节省不必要的电能损耗。项目策略执行首先要在策略定义中根据该街道日常照明需求制定一套完善的照明策略，其次选择在项目中的执行范围，按照策略执行的优先级从上至下依次升高给该范围选择一种完善的照明策略，最后确定所要执行的照明策略，网关和单灯等照明设备就会按照制定的策略运行。

告警设置是一项维护网关的重要功能，系统在网关添加时自动生成告警参数信息，当然该参数信息也可以由用户根据项目需要做出适应性更改。网关对应参数不在告警设置的参数范围内，网关便会自动发送信息给用户，提示其及时做维修工作。接触器策略定义包括按照日出日落时间节点开关接触器和按照光照度阀值开关接触器两种模式，保证策略执行的准时性以及感光的智能性。三种策略的有效配合使得照明设备在有光照计来配合使用时更为智能化。

每个货代公司都有自己的优势以及劣势航线，优势航线能够以低于其他货代公司运费的价格为客户提供服务。HM货代公司的优势航线包括从江浙地区前往日韩以及东南亚的航线、欧地、南北美的航线等。

该模块主要使用jQuery Easy UI库中的datagrid、treegrid插件，通过为datagrid、treegrid配置url属性，向后台发出请求，后台接受请求通过SQL语句访问数据库将数据序列化为JSON字符串返回前端，前端页面分析并处理数据，从而实现数据呈现[12]。treegrid采用异步加载子节点的方式，能够实现在策略选择执行范围时提供人机友好的操作方式，当展开一个关闭的节点时，便可以查看其下的子节点，通过配置的url向服务器发送HTTP的请求参数获取子节点相关的数据，从而实现策略模式在结构树中流畅的执行。图5所示为系统设计的策略定义与策略执行双向综合界面。

与此同时,许多学者从解析角度对该类问题进行研究。古特曼(1976)曾总结过中尺度气象过程的非线性理论研究成果,对存在地形时的气流运动状况做了研究和讨论。近十几年来,也不乏学者研究背风波及地形对大气运动的影响,其中,Das et al.(2016)研究了穿过中尺度康纳山的三维正压背风波中的地形效应。Teixeira(2017)利用Taylor-Goldstein方程,研究和讨论了流体经过二维山脉时转子的生成。

2.4 统计分析

统计分析模块根据系统的功能需求主要设计了运维管理系统和统计报表两大主要信息处理功能。运维管理系统是具有展示近期网关运行和维护的信息以及网关维护信息查询的功能，使得用户能够对网关运行状况一目了然，能及时发现网关运行时的问题并能及早做出相应的措施[13]。统计报表主要用于将大量的数据以表格或者图表的形式加以显示，直观、方便地了解和掌握项目各项参数的具体信息。开关灯时间查询、用电量查询、亮灯率查询和单灯故障分析等七个独立子模块实现统计报表的主要功能。我们熟悉的jQuery框架下有HighCharts，因此需要通过HTML中的<script>标签引入两个js文件，以便对HighCharts发起调用[14]。引入方法为在HTML文件中的head内使用标签引用exporting.js文件实现图表导出和打印功能。通过jQuery框架下的Ajax方法从后台发出数据请求，后台将远程监控中心服务器软件通过Internet访问嵌入式网关来获取无线灯具网络的实时信息数据封装成JSON字符串返回前端页面，经HighCharts解析处理后，完成图表的呈现[15]。

2.5 数据中心

数据中心模块主要是管理所有用户的信息和分配用户权限，系统设计时分为用户数据和角色数据两块来实现管理用户信息和分配用户权限。基于以上设定，要慎重操作这些用户登录系统相关的数据。内置的角色权限参数是提前设定好的，用于过滤没有操作权限的浏览用户，提高系统实用性和安全性。

图5 策略定义与策略执行界面

Fig.5 The interface of policy definition and policy enforcement

3 分析

该系统已在安徽省阜阳市某市政工程实验阶段测试，系统备用单灯控制器总数量为150个，网关总计2个，已投入实验运行状态稳定的2个网关下的20个单灯控制器。取2018年12月24日2：00到29日12：00五天时间获取测试数据，选取策略模式为主道辅道异步控制的多火灯模式。每隔30 min采集一次系统中单灯运行的实际数据来分析，依据统计报表中亮灯率数据中的图表功能和第一天的照明设备数据生成的亮灯率曲线图如图6所示；从数据库提取出的部分亮灯数据如表1所示。图6和表1很好地反映了路灯在亮灯时间内能够及时按照照明需求调节路段照明，路灯能够给市民在生活时间段提供充足的照明。

除了照明供应问题之外，我们还需要考虑该系统的策略下路灯提供的节能效果。同样2018年12月24日12：00至12月29日12：00内对系统下20盏单灯能耗进行统计分析，标称用电是根据当地传统的供电照明方式计算出的理论系统能耗，为了使该系统的节能效果一目了然地在测试时间内对使用智慧路灯数字化管理系统下的系统能耗和使用传统照明系统下的系统能耗进行详细的比对，结果如表2所示。

表1 亮灯率部分数据统计

Table 1 Partial data statistic of lighting rate

时刻12月24日12月25日12月26日12月27日12月28日12月29日00:0250%50%50%50%50%50%02:0250%50%50%50%50%50%04:0250%50%50%50%50%50%06:02100%100%100%100%100%100%08:0200000010:0200000012:0200000014:0200000016:0200000018:02100%100%100%100%100%100%20:02100%100%100%100%100%100%22:0250%50%50%50%50%50%

图6 亮灯率曲线图

Fig.6 The curve of lighting rate

表2 系统能耗数据

Table 2 Data of system energy consumption

网关名称(系统备注)单灯数量/盏累计运行时长/h累计用电量/(kW·h)标称用电量/(kW·h)单位用电量/(kW/盏)策略节电率实验网关112701271680.15124.4%实验网关2870851120.15224.2%

4 总结

基于百度地图的智慧路灯数字化管理系统，综合使用计算机技术、数据库技术和Web GIS技术等使系统具有可视化的人机交互视图、稳定的数据分析处理能力和成熟的数据库管理功能，我们实现了对城市路灯的实时监控、档案管理、节能策略运行、告警提示和运维统计分析等功能。该系统已在阜阳市某市政工程实验阶段测试，实现了城市照明的数字化、智能化。

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