城市LMAS系统的优化设计与实现

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摘要：LMAS（Lightscape Monitoring & Administration System）是城市照明监控管理系统的简称。本文在研究现今国内城市LMAS应用现状基础上，结合城市照明网总线星形结构的网络结构特点及目前通信技术的发展，提出了城市照明网智能管理的新模式及其优化方案，以智能管理和节能控制为目的，结合工程实践，对城市LMAS系统的工作原理和结构进行了分析论述，并进行了系统功能、体系结构及软件的优化设计。

　　关键词：LMAS　GPRS　智能管理　节能控制

　　引言

　　城市照明管理是城市管理中技术含量最高、难度最大的工作之一，很大程度上反映了一个城市的经济实力、人文特色和现代化水平。九十年代起，有少数城市陆续局部安装了路灯计算机自动测控系统，但其自动化程度不高，系统可靠性低。目前国内大部分系统都只能初步地实现 “三遥”控制及“线控”，不具备“点控”即监控到灯的功能，且控制方法多为“钟控”和“光控”，二者均不能实现开关灯控制的合理化、科学化，能源浪费显著，灯具设备寿命短。其安全运行目前基本依靠工作人员夜间巡视和群众举报的方式，造成发现故障的时间长、劳动强度大、效率低。作者针对上述问题提出了城市LMAS的新模式，对整个系统进行了功能、体系结构及软件的优化设计。实践证明：系统除能实现“五遥”外，还能实现单灯的智能监控，其安全性和节能效果显著。

　　1 、智能管理的优化设计

　　本系统的研究将多元化的事务形成一个统一的模块化、网络化、智能化的整体系统，在实现强大的监控能力的同时，充分体现高度智能化、安全性、可靠性和能源的有效合理利用。本系统克服传统的不足，在优化软硬件结构的同时，进一步实现模块化，通过集中控制和信息交流，采用多级管理结构，使得整个系统自成体系，形成全新的管理模式。其智能管理模式的优化设计主要体现在以下几点：

　　其一，提高节能效果，采用先进的技术设备带来运行管理维护成本的降低，通过专用的路灯节电器和智能可调光电子镇流器的配合作

　　用，摒弃隔盏关灯的落后设计，实现光照度的遥调，达到节约电能和保护设备双重目的；

　　其二，提高可靠性，采用“点控”技术和故障冷测试技术，保证未开灯情况下也能发现路灯故障、老化及断路等问题，方便维护管理，确保高亮灯率，升级“线控”与“面控”技术；

　　其三，提高安全性，采用“实时监控”技术，实现遥测、遥信、遥控、遥调、遥视等“五遥”功能，实时监测并控制系统可能发生的灾变，保证系统正常稳定的运行；

　　其四，系统具备防窍电与防盗功能，通过对运行参数的实时监测，异常变化时及时报警；

　　其五，提高管理效率，采用分布式网络结构，以及数据分布采集、信息集中管理的方式，主控中心可对整个所辖照明网进行有效管理，提高管理的自动化水平和智能化水平。

　　2 、系统工作原理

　　2.1 通信方案设计

　　结合城市照明网的网络结构特点（总线星形结构）及目前通信技术的发展，系统通信采用GPRS无线通信术[1]与电力载波通信相结合。GPRS通信方式具有投资成本低、通信质量可靠、通信速率高，实时在线，按流量计费（或包月）的特点。尤其是GPRS的实时在线特性，使系统无时延，无需轮巡就可以同步接收、处理多个/所有终端的数据，GPRS与其核心网络中精确的信令处理程序相结合，以分组打包数据的形式传递短消息，克服了现有短消息业务在延迟时间、处理能力和无线资源利用率方面存在的固有缺陷，为短消息提供更高的传输速率和更快的发送时间。而采用电力载波技术无需再铺设通信电缆就可实现对每盏灯的检测（一般的电力载波芯片其通信距离不超过1千米，与目前灯具配电柜控制范围相当）。在主控中心（主站）与配电监控终端（分站）之间采用GPRS无线通信，在配电监控终端与单灯监控终端（子机）之间采用电力载波通信技术。图1为系统通信拓扑结构图。

　　图1 系统通信拓扑结构

　　Fig.1 The Topology Structure of System‘s Communication

　　2.2 工作原理

　　系统采用分布式主从监控方式，主体为星型网，各子站构成星型网的外围节点，采用半双工通信工作方式。每个分站和子站都有自己的专用地址，主站可对其进行选呼和群呼通信。选呼通信是针对某一特定终端的点对点通信方式，主要用于设备控制和日常维护工作；群呼通信是点对多点通信方式，主要用于参数状态量测等工作。

　　为了尽量缩短系统巡检周期，以便能在最短时间内发现灯具故障，采用故障上报和巡检相结合的工作模式。分站根据预先设定的告警限判断站点灯具设备是否发生故障，当灯具设备出现故障时，分站自动将故障的类型和发生故障时的状态和运行数据打包上报主站，主站记录并弹出报警窗口（反拔号功能）。站点的数量不影响故障上报时间。支持多点同时告警上报是短消息通信方式所特有的强大功能，它大大缩短了故障响应的时间。而单频点的无线数据传输电台，则无法实现故障上报，且站点数量越多，信息响应速度越低。同时，为了在无故障时监控中心维护人员也能够查看站点信息，系统也支持巡检工作方式，即监控中心也可以定期查询各个站点运行信息。

　　3 、系统结构设计

　　系统设计成分层分布式结构，实行模块化设计，以便于规划和升级。根据其通信和工作原理划分为主控中心、配电监控终端和单灯监控终端三部分。

　　主控中心位于城市路灯管理处，是整个监控系统的操作、维护、处理、统计、分析和监管的中心。根据功能要求设计为分布式开放式体系结构，其主要优点是组合灵活，功能扩展方便，通信速率快，可靠性高 [2].通过专线接入GPRS网络的GGSN，接收采集终端传来的站点号、注册、运行参数等信息，解析后传给相应管理软件，作进一步处理与显示。具体组网结构见图2.

　　图2 主控中心分布式开放式网络图

　　Fig.2 The Control Center‘s Distributing and Opening Network

　　配电监控终端位于路灯配电柜内，按嵌入式系统要求设计，既可由主站控制，也可独立工作，实现对所管辖路灯的智能监控。监控终端采用分布式结构，由数字单元、模拟量I/O回路单元、开关量I/O回路单元、非电量输入电路单元、人机对话回路单元、通信接口单元、电源单元等组成[4]，具有灯光节能设备控制接口。分控点传输设备主要为GPRS MODEM和载波通信装置。图3为分站硬件结构图。

　　图3 分站硬件结构图

　　Fig.3 The Substation‘s Hardware framework

　　单灯监控终端装设在每盏灯的灯柱或灯罩内，包括电力调制解调器、电源滤波器、微处理器、整流与补偿单元、开关与电源单元、镇流与启辉单元等部分。采用专用可调光电子镇流器，它包括一个镇流器和光源状态监视器两部分。光源状态监视器用于监测每盏灯的开关状态，通过检测其电流，实现对每盏灯的监测，如故障准确定位及明灯率的精确计算等。增加专用的故障测试仪可作为信号源辅助实现对单灯及相关设备、线路的故障冷测试，避免夜间开灯才能发现故障的情况，提高系统可靠性，确保高亮灯率。

　　4 系统软件功能设计

　　系统软件体系结构分为：平台层，管理层，数据层，应用层。每个层次内部都由一组完成一定功能的软件模块构成，各个层次相互支撑，实现系统功能需求。将软件体系规划为C/S结构，基于互联网架构，支持远程访问，支持多台终端同时运行客户端软件，实行全组件模块化设计，划分为五大功能模块：通信模块、服务器模块、管理模块、监控模块、GIS模块[3].

　　图4 照明网管理软件系统体系结构图

　　Fig.4 The Systematic Framework of Lightscape Network‘s Management Software

　　通信模块：负责主站与分站之间各种信息双向转发，利用GPRS网来获取所有终端的运行参数和告警信息，并将各种指令经过GPRS网传递给终端，对通信信息进行相应处理并分类入库。

　　服务器模块：包括数据服务器和WEB服务器，管理网络共享资源和网络通信，为网络中的工作站提供各类网络服务，如数据、程序等，同时进行数据的存储与备份工作。

　　管理模块：以地理信息系统为图形界面，可同时调用监控模块和GIS模块数据，实现对全市照明系统日常工作的全面运行管理及系统高层应用分析。

　　监控模块：是该系统的核心，集监测、控制、管理于一体。监测现场配电设备运行状态，完成对现场设备的五遥工作。其功能包括远程监控、报警提示、灯具保护、动态节电、分析查询等。

　　GIS模块：显示管理范围内的全部被管理对象的各种信息，自动与监控系统相互调用数据。可以进行对象设置、地图操作、分站定位功能、作业计划管理、照明设备的操作、查询、统计和维护以及维修车辆的调度等功能。

　　上述基于GPRS无线通信和电力载波通信相结合的三层结构城市LMAS系统已在多座城市投入使用，且运行状况良好，实践表明，该方案具有组网简单、节省投资、能源节约显著、功能完备、结构合理等优势，在技术和实现上完全可行。结合本文的优化设计思想，进一步的工作是其功能和结构的深入完善，功能上如故障呼叫抢修子系统和高级应用子系统的建设，结构上如进一步缩小子机体积等，相信城市照明网管理水平将达到新的高度。

　　5 、结论

　　本文在智能管理与节能控制方面对城市LMAS系统进行了全面的优化设计，同目前国内同类系统比较有较大改进与创新。理论和实践表明，城市LMAS系统的建立应随着城市建设的发展不断扩展和完善，必须全面规划，从全局的观点出发，既要满足现在的业务管理需求，还要考虑到今后的信息处理增长及其技术升级适应性的要求。围绕智能管理和节能控制之目的，本着保护前期投资的原则，预留充足的设备和技术扩展裕度，达到稳定可靠，自动化程度高，节能效果显著的目的。

　　参考文献

　　[1] Theodore S Rappaport. Wireless Communication Principles and Practice[M]. Beijing： Publishing House of Electronics Industry, 1999.

　　[2] ROMAN P, TERO O. Wireless, internet- IMT-2000 /wireless LAN inter-working [J]. Journal of Communications and Networks,2000,（3）：147～149.

　　[3] 奚辉,张书亮,闾国年。 路灯AM/FM/GIS建设研究[J]. 现代测绘,2003,26（1）：36～39.

　　[4] 丁书文,黄训诚,胡起宙。变电站综合自动化原理及应用[M].北京：中国电力出版社,2003：39～41.

　　作者简介：

　　吴强（1981-）,男，湖南宁乡人，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化（Email：Wuqiang826@163.com Phone：13880955759）；

　　滕欢（1965-）,女，四川成都人，高级工程师，长期从事电力系统自动化科研、教学及工程实践工作。

　　王凯富（1962-）,男，内蒙古自治区人，高级工程师，长期从事工业控制工程实践工作。