基于GIS的市政路灯及景观灯远程集中管理系统总体技术方案.docx
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基于GIS的市政路灯及景观灯远程集中管理系统总体技术方案
市政路灯及景观灯远程集中管理系统
总
体
技
术
方
案
市政路灯及景观灯远程集中管理系统
一、概述
本方案提供完整的景观灯光监控软硬件系统（监控中心、无线通讯系统、无线通讯终端、地理信息系统），该系统适应与大、中、小各种规模的城市，系统大小可灵活配置（如从几个点到数万个控制点）。
具有遥控、遥测、遥信、遥调、遥视（见方案第二部分扩展功能）的“五遥”功能。
该系统通过收发指令、数据来控制远动控制器，完成对路灯及景观灯系统的照明控制，电量/非电量的采集、报警、等具体操作。
1.1项目名称
项目命名为《城市照明自动化监控及管理系统》（以下简称系统）。
1.2项目背景
随着城市建设的发展，城市照明建设越来越注重于城市的形象，道路照明和景观照明的要求和数量不断增加，今后城市照明管理部门除了管理城市道路照明外，还将参与城市景观灯的管理。
因此各级政府和市民对城市的建设、道路照明和景观照明提出更高的要求。
希望实现城市照明管理的现代化，使城市管理水平达到国内领先水平。
现行的控制方法以分散时控为主，就是在现场的控制箱内设置好开关灯时间，由现场设置控制灯光的动作。
这种方法既不能及时调整开/关灯的时间，更无法及时反映照明设施的运行情况，并且故障率高、维修困难。
随着城市的不断发展，控制范围越来越大，现行的控制方法无法及时反映照明设施的运行情况，使得维修工作十分被动。
运行过程中的故障只有等待巡视人员到达现场才能发现，或者被动地等待市民的电话反映，因此难以做到及时维修。
当遇到一些接待领导，举办大型活动等特殊任务时，由于缺乏灵活的控制手段，必须临时派出大量的人员到现场手动操作照明开关箱或者临时通知各景观灯单位，因此在时间十分紧迫的情况下，无法满足领导和市民的要求。
此外，由于缺乏灵活的控制手段，花费大量经费建设起来的各类景观灯，难以充分发挥应有的效能。
1.3建设系统的意义
提高城市形象：
随着社会文明的不断发展，城市景观照明已成为体现城市形象的重要标志。
因此，现代社会对景观灯的管理和维护也提出了越来越高的要求，这些要求包括随时调整景观灯的开/关灯时间并进行应急调度、及时发现故障并立即进行修复，目前各城市管理部门所采用的控制方式已很难保证城市照明系统的正常开关灯和运行，特别是当照明控制箱或线路出现问题时，就有可能造成大面积灭灯，产生较坏的影响。
同时由于缺少实时监测手段，无法实现故障的及时发现和维修。
随着政府和市民对照明管理和维护要求越来越高，照明管理部门的管辖范围也越来越大，为了及时发现故障并立即进行修复，仍然采用检修车上街巡灯的方法越来越难以胜任。
采用本系统以后，全市范围的全夜灯、半夜灯和景观灯的开/关均可实现自动控制。
同时，由于城市照明监控系统具有自动报警和巡测、选测功能，同时结合显示界面，调度人员可以在故障发生后的数秒钟内及时了解故障的地点和状态，为及时进行修复提供了有力的保障。
景观灯维护及时，可以极大地减少对照明管理部门的投诉，从而进一步提高城市的形象。
降低维修成本：
本系统将传统的“巡灯查找故障”改为“值班等待报警”，不仅减少了“巡灯”人员和车辆损耗，降低了维修成本；而且在检修车出所之前已经知道了故障的准确地点和基本状态，因而缩短了维修时间、提高了检修效率；由此将产生了极大的经济效益。
节约电能：
本系统能提高开/关灯的可靠性和可检查性，避免白天亮灯、晚上熄灯情况的出现；同时，系统采用光控和时控相结合的控制方案，在预置的时间区段内根据光照度决定景观灯的开或关，既能在阴雨天自动延长照明时间，又能在晴好天气自动缩短照明时间；这些措施既可满足市民对城市景观照明的需求，又避免了景观灯的无谓开启，减少了开灯时间,从而节约了大量的电能；还可通过对照明线路的改进，增加景观灯在非节假日采用只开部分景观灯的控制方案，可节约大量的电能，在当前建设节约型社会的政策下具有实际意义。
降低运行成本：
通过减少开灯时间，延长灯具的寿命，可有效降低运行成本，进一步提高了经济效益。
自动计费，减少电费支出：
本系统具有远程自动抄表和计量电费功能，每天、每月、每年的照明用电能够及时的自动采集、计算、存储、打印，随时了解用电情况，实施有效管理，降低支出，提高经济效益。
对景观灯还可采用双计费功能，实现政府开灯与各景观大楼业主自行开灯分别计费的方式，减少政府与大楼业主为电费的相互扯皮的现象，保证双方的利益。
实现照明系统的管理现代化：
本系统能将采集到的数据自动进行存储、统计，并能随时进行查询和打印，为管理现代化提供了基本数据依据。
1.4设计依据及参考资料
设计主要依据为：
系统的设计还参照如下技术规范和标准：
GB8566计算机软件开发规范
GB/T12504计算机软件质量保证计划规范
GBJ93-86工业电气自动化仪表工程施工及验收规范
GBJ232-82电气装置安装工程施工及验收规范
GB11920-89电站电器部分集中控制装置通用技术条件
GB4720-84低压电器电控设备
JECC144低压开关和控制设备的外壳防护等级
ANS1488可编程仪器的数字接口
二、系统功能
该系统具有以下功能：
Ø采用时控法控制方式进行照明控制，实现预约控制和分时控制。
Ø开关灯可以自动和手动遥控，实现实时控制和点对点控制；
Ø按路段对设备进行分组，从而实现分路段控制。
Ø自动巡测、手动巡测和选测（三相电压、12路电流、有关功功率、无功功率、功率因数及各种数字状态量）；
Ø能够自动调节照明系统的供电电压，优化供电参数；
Ø报警处理。
报警内容包括：
白天亮灯、晚上熄灯，远程控制器过热，配电箱门开关不正常打开，电压、电流越限和供电线路停电等故障；
Ø自动计算亮灯率。
能根据电压、电流、功率因数的变化自动进行亮灯率估算；
Ø远程查询打印功能。
根据年、月、日统计数据进行查询，显示的数据均可打印；
Ø安全管理。
采用多级操作口令和自动密码保护；
Ø结合地理信息系统（GIS）进行对路灯的地理位置显示和查询；
Ø卫星自动校时系统（GPS）对系统进行授时；
Ø系统实现“五遥”功能：
遥控、遥测、遥信、遥调、遥视；
Ø通过不间断的巡检监控器的运行状态随时接受和处理上报信息；
Ø进行超限、开关量、通信中断、掉电等告警处理；
Ø并具有历史纪录（用电量、负荷曲线、视频记录等）查询统计功能；
Ø多种组网及通讯方案选择；
Ø系统容量：
1个主站，65000个分控点，规模可灵活配置；也可构成网络化控制。
（须配置网络版软件）。
Ø工作温度环境：
照明监控端的工作环境温度范围满足-30℃~+65℃；
Ø无线通讯模块备有电池，可以掉电工作几小时；
三、设计原则
3.1可靠性
由于系统的服务对象是广大市民，稍有差错即会产生严重的社会后果；同时监控设备长期在户外运行，工作环境极为恶劣；因此必须充分考虑系统的可靠性，要求监控系统能够长期稳定地运行；同时要求监控系统在个别设备出现故障的情况下仍能稳定运行，不影响或者少影响照明系统的按时开启和关闭。
3.2先进性和实用性
设备须符合相关国内、国际标准，整个系统应是目前国内最先进的，并长期处于国内较为先进的水平。
同时，应以实用为原则，不可脱离实用性而盲目追求先进性，从而造成华而不实、浪费资金，降低可靠性。
3.3可维修性
系统的设备模块化设计，并且各单元部件具有故障定位指示，便于设备维修。
3.4可扩展性
硬件采用模块化设计，软件采用组态化设计，使得系统扩展、升级均不必改变现有设备的状态。
3.5通用性
硬件设备具有通用性，通过不同的软件参数设置，可以实现不同的功能。
3.6经济性
尽可能采用成熟的先进技术，选择性价比高的方案和设备，既要考虑初期建设费用，也要降低今后的运行维修费用。
四、系统控制中心建设方案
4.1控制中心系统框图
本系统软件采用B/S结构设计，分为表示层、服务层、数据库3层。
表示层：
用于表现业务的操作逻辑，主要以图形化的界面来表示。
服务层：
实现具体的业务逻辑，此部分是实际业务处理的过程，没有图形化的界面，对于用户来说是不透明的，是用户在表示层所作操作的具体实现。
数据库：
存储系统运行期间的采集数据及系统运行时的所有系统管理数据，通过数据库将所有系统所需要的数据进行存储，以便于日后统计查询。
本系统数据库服务器采用SQLSERVER。
软件配置清单：
序号
软件名称
操作系统
开发环境
1
灯光控制系统
WinXP
C#
2
信息管理系统
WinXP
ASP.NET
3
前置机通信软件
Win2000Server
VC++
4
数据库
Win2000Server（中文）
SQLServer
5
地图操作控件
WinXP
MapX4.0
物理结构图
系统外部的计算机均可通过拨号上网，采用加密查询的方式访问相应的各类最新和历史数据。
同时，系统也可以通过电话语音方式查询当前的最新情况，或指定相应的电话号码和告警方式实现电话语音告警。
整个系统的网络化设计为今后的生产管理与办公自动化的实施奠定了良好的基础，同时保留了足够的软件与硬件扩展接口，以便现有的监控系统能随着网络技术的飞速发展，发挥越来越大的作用。
中心局域网拓扑结构图
4.2调度端微机系统配置
4.2.1通信前置机
一般名牌商用计算机的平均无故障工作时间为4000～6000小时，而工业控制计算机平均无故障工作时间为30000～50000小时，并且带有看门狗，可以对一般故障进行自动复位，从而避免了计算机在无人注意的情况下长时间陷于瘫痪。
因此本系统前置微机采用工业控制微机，其配置为P4/2.8G、512MDDR、120GB双高速硬盘，19吋液晶显示器，双100M网卡，DVD光驱，多媒体，56K高速Modem，前置USB两个，后置USB四个，罗技光电鼠标。
4.2.2服务器
选用著名品牌服务器，运行平均无故障工作时间5万小时：
数据服务器1台：
其配置为至强Xeon3.0G，512MDDRECCRAM，72*2SCSI硬盘，DVD光驱，100M网卡，17寸纯平彩显，4个USB接口，光电鼠标，1.44M软驱。
4.2.3GPS卫星校时系统（选装）
选用进口的GPS全球卫星接收系统，组成一个精确的校时时钟，以保持系统时间的准确性和开/关灯的准确性。
4.2.4大屏幕投影（选配）
根据监控机房的实际情况系统可以采用正投影方案，也可采用背投影方案。
但从效果来看硬背投方案的投影效果更佳。
建议系统的投影仪采用3300流明和1024*768分辨率。
4.2.5不间断电源（UPS）（选配）
根据系统实际工作情况，并兼顾造价，拟选用山特在线式1KW8小时长延时UPS一台，用以确保停电时维持前置工作站和网关服务器的正常工作，以保证数据的完整性和开/关灯的实时性。
4.2.6WEB服务器
WEB服务器主要提供网上信息浏览服务。
我们的系统采用三层结构的Web技术，在整个系统中，数据库不是直接向每个客户机提供服务，而是与Web服务器沟通，实现了对客户信息服务的动态性、实时性和交互性。
这种功能是通过诸如CGI、ISAPI、NSAPI以及Java创建的服务器应用程序实现的。
4.2.7数据库服务器
数据库服务器是在构建系统中位于第三层，是整个系统的核心，它提供了整个系统正常运行时所需要的基础数据，同时将系统运行过程中的数据进行存储，利于日后的检索与分析。
4.2.8防火墙
防火墙将可信任的企业内部网和不可信的公共网或网络安全域隔离开，根据服务器的安全政策控制（允许、拒绝、监测）出入网络的信息流，使得系统本身具有较强的抗攻击能力。
它是不同网络或网络安全域之间信息的唯一出入口，是实现网络和信息安全的基础设施。
4.2.9照明监控管理坐席
在整个系统中，照明监控管理坐席是必不可少的，在底层的系统服务中，实现了灯光远程控制、实时数据采集及视频监控的功能，这些信息都需要图形化的界面形象直观地显示出来才能起到快速反应的目的。
4.2.10系统/网络管理工作站
通过设置系统与网络管理工作站，可实现网络与系统的实时状态监控与远程维护，可方便的查看系统的运行状况，针对异常情况可及时处理快速反应，保证系统安全可靠的运行。
4.2.11防静电系统
防静电系统采用防静电地板。
4.2.12防雷系统
一个完整的防雷系统包括两个方面：
直接雷击的防护和感应雷击的防护。
缺少任何一面都是不完整的、有缺陷的和有潜在危险的。
直接雷击的防护主要使用避雷针，包括避雷带和接地系统。
根据《建筑物防雷设计规范》（GB50057-94）和九八年三月邮电部和石化总公司颁发的文件，直接雷击的防护应采用传统的避雷针，避雷带应均匀分布在建筑物的四周并与建筑物的框架结构及水管等相连。
地网的接地电阻不大于10W。
感应雷击的防护主要使用感应雷击防雷器。
从我们对多次遭受雷击的通信网络系统进行的现场勘测发现：
大多数受到雷击损坏的计算机网络所在建筑物屋顶中央多装有铁塔或避雷针，建筑物为框架结构，铁塔基座、避雷针、避雷带与建筑物主框架钢筋相连，并通过建筑物主钢筋作为避雷引下线。
由此看来，建筑物本身防雷状况良好的同时，并不能保证建筑物内部电子设备不受影响。
因此，当前电子设备受到雷电袭击的主要途径是：
电源线路、信号线路被感应雷电而产生瞬态过电压，进而损坏设备。
最佳的解决方法是在上述设备前端安装防雷器，雷电压达到其设备端子的残压一般可控制在800V以下，使电子设备处于不被雷电损坏的范围之内。
4.2.13光照度传感器（选配）
光照度传感器采用对弱光也有较高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器；具有测量范围宽、线形度好、防水性能好、使用方便、便于安装、传输距离远等特点，适用于各种场所。
尤其适用于农业大棚、城市照明等场所。
光照传感器可以测量以lux为单位的照明光（1尺烛光=10.764lux）,该光照是肉眼可以看到的。
五、照明监控通信系统
5.1系统通信方案的选择
正确选用系统通信方案，是城市照明监控系统得以成功运行的必要前提，在照明监控系统中目前可采用的通信方案主要有无线专用网、移动通信网中的GSM短消息、GPRS/CDMA通信方式和数传电台通信方式。
5.1.1数传电台通信方案简介。
通信系统的组成框图见下图。
5.1.2集群移动通信系统
集群移动通信，也称大区制移动通信。
它的特点为只有一个基站，天线高度为几十米至百余米，覆盖半径为30-50KM,发射机功率可高达200W。
用户数约为几十到几百，采用车载台，它们可以与基站通信，也可通过基站与其他移动台及市话用户通信，基站与市站通过有线网连接。
数传电台（dataradio）是指借助DSP技术和无线电技术实现的高性能专业数据传输电台。
数传电台的使用从最早的按键电码、电报、模拟电台加无线MODEM，发展到目前的数字电台和DSP、软件无线电；传输信号也从代码、低速数据（300～1200bps）到高速数据（N*64K～N*E1），可以传输包括遥控遥测数据、数字化语音、动态图像等业务。
目前使用的数据传输电台，主要有模拟电台加MODEM、数字电台、网络图像电台等。
数字电台是数字式无线数据传输电台的简称。
即采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。
区别与模拟调频电台加MODEM的模拟式数传电台，数字电台提供透明RS232接口，传输速率达19.2Kbps，收发转换时间小于10ms，具有场强、温度、电压等指示，误码统计、状态告警、网络管理等功能。
数传电台构成图：
无线数传电台作为一种通讯媒介，与光纤、微波、明线一样，有一定的适用范围：
它提供某些特殊条件下专网中监控信号的实时、可靠的数据传输，具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远的特点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合，在很多专网领域有广泛的应用。
5.2GPRS通信方式
GPRS是移动通信网中的一种新技术，完成了无线Internet接入，这种技术在数据传输时，将数据进行分组（TCP/IP）传送，并提供透明通道。
网络容量仅在需要时才分配，一旦分组完成发送任务，信道容量立即释放，所以提供了即时连接和高效传输，实现了实时在线的功能。
因此，它是一种经济高效的分组数据技术。
5.2.1GPRS无线通信方式的优点
1.覆盖地域广，目前移动通信网在全国的覆盖率95%以上，非边远地区覆盖率几乎100%。
GPRS用户可随意分布和移动自己的网络点，无须担心线路的维护或有线在移机时导致的通讯中断。
建设新的监控点无需进行拉线，埋线等工作。
较光纤，或专线系统投资较少，设备安装方便。
通信距离远，在任何场合都可以设中心站。
覆盖较好，比较很多无线数据网络（集群，双向传呼，CDPD，CDMA）而言，其网络覆盖是最好的。
2.GPRS网络接入速度快，提供了与现有数据网的无缝连接。
由于GPRS网本身就是一个分组型数据网,支持TCP/IP、X.25协议，因此无需经过PSTN等网络的转接，直接与分组数据网（IP网或X.25网）互通，接入速度仅几秒钟，快于电路型数据业务。
采用TCP/IP协议，较以前的无线数据网络（集群，双向传呼，GSM短信息）而言，网络接入更加直接方便。
3.网络可靠性高。
首先网络有较大的冗余设备及信道；其次设备复用；再次，一旦基站在特殊情况下损坏，移动公司抢修非常及时。
4.稳定性好，一方面抗自然干扰的能力强；另一方面频段专用，不会受到人为干扰。
GPRS能最好地支持频繁的、少量突发型数据业务。
通信质量稳定可靠，永不掉线。
5.GPRS资费便宜，计费合理。
GPRS资费包月比有线电话网络资费还便宜。
路灯监控数据采集业务没有大数据量的信息传输，不必要采用资费很高的专线（DDN、帧中继）。
GPRS还可根据通信的数据量和提供的服务质量进行计费。
在GPRS网中，用户只需与网络建立一次连接，就可长时间的保持这种连接，并只在传输数据时才占用信道并被计费，保持时不占用信道不计费。
这样，营业点即不用频繁建立连接，也不必支付传输间隙时的费用。
5.2.2无线组网方案
1.GPRS/CDMADTU与用户的数据中心之间通过TCP/UDP建立数据连接；
2.用户的数据中心通过专线方式申请GPRS网络上固定的IP地址，并指定侦听端口：
3.GPRSDTU上设置服务端的IP和PORT为用户数据中心的固定IP地址及侦听端口，DTU上电自动拨号，如果GPRSDTU与用户的数据中心之间采用TCP协议传输数据，则自动与服务器建立TCP连接；该专用网络需与移动运营商共同建立，租用运营商的端口和接入线路，它是在运营商的GPRS网络，所有终端分配在一个特定的号段内。
中国移动开展VPN接入的业务，使用运营商所分配的专用接入号码，该方案由于需要租用当地移动通信网络运营商的接入通道（光纤或者DDN专线等）、端口等，使用费用相对较高。
六、照明监控终端
6.1照明监控终端的基本性能
照明监控终端（RTU）为LCS-6/12型系列照明监控终端。
该终端选用工业级芯片，允许在－40℃～+80℃的环境温度下的连续运行；实现了交流采样方案，交流电流、电压采集精度优于0.5%；设备设计、生产全过程进行ISO-9001质量控制；印制板焊接采用波峰焊技术消除了人工焊接的漏焊和虚焊；每台整机都进行100小时高温上电老化排除了早期失效，有效地保证了设备的出厂质量，现场开箱率达到100%，平均无故障时间达到10万小时。
LCS-6/12型监控终端外形如图所示。
照明远程智能监控终端的采集和控制的内容包括：
●遥测：
1路三相电压、12路电流及有功功率和功率因数、2路直流（测光照等）
●遥控：
6路继电器输出，触点为交流220V12A，一组常开和常闭触点
●遥信：
8路隔离开关量/脉冲量输入
●通讯：
2路隔离232或485接口，MODBUS工业标准协议
●具有远程抄表接口。
●遥调：
具有远程自动调压接口。
●具有单灯监测接口。
组装好的控制箱外观如图示：
LCS-X-II型景观灯控制器（无线GPRS一体化设备）如下图示：
主要功能：
●具有6路独立的开关量输出，可以作为遥控、跳闸或者告警。
●8路开关量输入，也可以作为脉冲量输入。
●1路RS232/1路RS232/RS485可选通信接口。
●高度集成GPRS/CDMA和TCP/IP技术，将互连网和无线网络有机的结合起来（关于GPRS的说明可参见我公司DTU产品的相关说明）。
●支持多种TCP/IP协议，TCP，UDP，DNS，PPP，RAS等。
●支持基于DNS协议的动态IP解析功能，可节省租用固定IP的费用。
●支持ALWAYSONLINE（永远在线）模式，断线重拨和基于PING模式的心跳功能，保持链路畅通
●采集数据与状态的主动上报功能，上报周期可通过监控中心进行设置
●可预设3组开关灯时间表，可方便用户自由设定开关灯的时间
●自带掉电保护的时钟，并可远程校准时钟
●可采集6路DO和8路DI的状态
●可以远程接收中心对DTU的配置信息，并自动运行，方便组网、转网和调试
●远程上传设备故障信息，例如电压、时钟、EEPROM灯
6.2照明监控终端主要功能
6.2.1自动报警
●当采集到的交流电流、电压超过上下限时能自动报警。
●当白天亮灯或晚上熄灯时能自动报警。
●当供电停电时通过自备电源运行，同样能自动报警。
6.2.2独立运行
当发生中控室微机或通信线路发生故障时，终端会根据预先设定的程序定时自行开/关灯，以确保路灯照明线路的正常运行。
6.2.3监控终端断电运行
监控终端内装有不间断电源，具有断电运行功能，能在供电线路断电时及时告警，使有关部门在第一时间获知并抢修，同时具有防盗报警功能。
在基本配置中，停电后能够维持终端正常工作4小时。
不间断电源能防止过分充/放电，保证长期使用。
6.2.4现场自动设定功能
通过手持式键盘、显示器，可以现场中文显示，便于现场的安装调试和维护、维修，并可控制该点的全夜灯、半夜灯、景观灯等，其显示的内容如下：
●时间（年、月、日、时、分、秒）
●开、关灯的最后时限
●采集的交流电流和电压值
●输入的开关量状态
●输出的开关量状态
●在自检状态下，可以显示或修改本机的多种工作参数
6.2.5抗干扰能力
由于监控终端一般均安装在干扰较大的环境中，为了保证系统可靠工作，终端的软硬件设计中采用了下列多种抗干扰措施。
●对现场采集的模拟量和开关量信号在硬件上采用隔离和限幅等防强干扰措施。
在软件上采用数据滤波处理，保证了数据的准确性。
●对开关量输出采用软件连续循环置位输出的处理方法，保证了输出的可靠性。
●对强干扰信号造成的运行出错采用软硬件自恢复电路处理。
保证在无人值守时也能可靠运行。
●对采集到的高压交流信号实行多重防电脉冲冲击和防雷保护措施，已在实际应用中获得了极好的效果。
6.2.6高可靠的变送器电路
选用交流电压、电流二次互感，具有输入输出完全隔离、精度高、功耗低等优点，加以输入端的多重防护措施，极大地提高了传感器的可靠性和精度。
6.2.7通用化设计
终端所有工作参数都可通过终端或中控微机中的设置软件包进行在线设定和修改。
工作参数包括：
站号、通信参数、现场物理量参数、模拟量的计算方式、采集方式、矢量设置和组合报警等内容。
用户可随时根据现场情况（如全夜灯、半夜灯、景观灯等各种类型）自行组态各终端的工作参数，从而既保证了监控终端设备的通用性
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