智慧城市照明監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建中數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的運(yùn)用

李宗辰 李東燕

1 長春金融高等專科學(xué)校現(xiàn)代教育中心（吉林 長春 130012）

2 吉林省農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校輝南縣分校（吉林 通化 135100）

0 引言

城市照明很容易被忽視。有公開資料顯示，城市照明用電量占到社會用電總量的10%左右，而其中有35%左右的電量被浪費(fèi)。城市照明用電量大，而且浪費(fèi)較多。因此，有必要建立城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，對城市照明燈具實(shí)現(xiàn)更加智能化、智慧化的管理，最大限度優(yōu)化城市照明，在保證照明需求的基礎(chǔ)上，減少用電量，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。在構(gòu)建城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的過程中，需要有效應(yīng)用一些先進(jìn)技術(shù)，如數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)。基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)對城市照明數(shù)據(jù)的綜合分析，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的相應(yīng)管控功能[1]。

1 城市照明監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建的意義與功能需求

1.1 構(gòu)建意義

2004—2013年，我國城市道路照明燈具數(shù)量從1 055萬盞上升到2 199萬盞。時至今日，這一數(shù)字仍在進(jìn)一步加大。數(shù)千萬盞照明燈具，電量消耗巨大。從當(dāng)前城市照明管理看，處于較為分散、混亂的情況，沒能構(gòu)建統(tǒng)一的監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)城市照明的集中管理，這就導(dǎo)致不少地方的照明燈具使用不合理，在很多無人時段長時間亮燈，雖消耗了電量，卻沒有發(fā)揮實(shí)際的作用。因此，建立城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，統(tǒng)一管理城市照明，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

具體而言，建設(shè)城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，能起到多方面的積極作用[2-3]。（1）能切實(shí)掌握城市照明的具體情況。通過建立照明監(jiān)控系統(tǒng)，可以將城市照明燈具納入監(jiān)控，有助于掌握與了解城市照明燈具的整體情況。（2）能對城市照明實(shí)現(xiàn)整體控制。城市照明需要依據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，讓照明功能發(fā)揮更加合理。監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，有助于逐步摸清各個區(qū)域的具體照明需求和變化規(guī)律，從而對照明實(shí)現(xiàn)針對性控制。（3）可以推動智慧城市建設(shè)。智慧城市的建設(shè)，需要在各項(xiàng)城市服務(wù)與功能上實(shí)現(xiàn)智慧化構(gòu)建。智慧照明也是智慧城市的一部分，通過建立照明監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)照明的智慧控制，可為智慧城市建設(shè)起到添磚加瓦的作用。

1.2 功能需求

構(gòu)建城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，需要明確其基本功能需求。具體而言，城市照明監(jiān)控系統(tǒng)所需具備的功能，應(yīng)該包含流量分析、遠(yuǎn)程控制、故障報警、防盜報警、自動抄表等。（1）流量分析，即對燈具照明區(qū)域內(nèi)的人流量或車流量展開分析，根據(jù)流量的多少，自動調(diào)節(jié)照明亮度。流量越大，照明亮度應(yīng)越大；流量越小，照明亮度就應(yīng)適當(dāng)減小。（2）遠(yuǎn)程控制，即對照明亮度、開關(guān)等進(jìn)行的遠(yuǎn)程操作，基于監(jiān)控系統(tǒng)，直接遠(yuǎn)程控制燈具的亮度[4]。（3）故障報警，能在照明燈具發(fā)生故障時，自動向監(jiān)控系統(tǒng)反饋信息，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報，并將故障警報發(fā)送到相關(guān)設(shè)備端，以供維修人員了解具體信息。（4）自動抄表，則是可以對照明燈具的電量消耗實(shí)現(xiàn)自動抄表，統(tǒng)計用電數(shù)據(jù)并回傳系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動整理，從而使相關(guān)人員了解城市照明所消耗的具體電量。

2 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)流程及技術(shù)優(yōu)勢

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，即針對數(shù)據(jù)展開的分析、解析等相關(guān)技術(shù)，核心作用在于發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)內(nèi)部的規(guī)律、關(guān)聯(lián)、價值等，為相關(guān)決策提供直觀的數(shù)據(jù)支持和參考。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)有多種不同的類型，目前的主流技術(shù)類型包括決策樹、遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。對于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的運(yùn)用，在基本流程上大致相似，具體如下。

2.1 技術(shù)流程

不同數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的運(yùn)用流程大致相似，都是從大量信息中，挖掘出目標(biāo)信息，并且對其展開分析。在實(shí)現(xiàn)技術(shù)利用的過程中，主要會涉及以下技術(shù)流程。

（1）數(shù)據(jù)搜集。要挖掘數(shù)據(jù)，需要先搜集相關(guān)數(shù)據(jù)。對數(shù)據(jù)的搜集，可以基于不同渠道、方法及需求，設(shè)定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，篩選符合特征的信息數(shù)據(jù)，并建立數(shù)據(jù)池，將搜集到的數(shù)據(jù)匯總。（2）數(shù)據(jù)集成。數(shù)據(jù)搜集整理完成后，還需要集成處理，即依照格式、屬性、來源等整理信息，按照格式、屬性等進(jìn)行歸類，為后續(xù)的數(shù)據(jù)挖掘處理奠定基礎(chǔ)。（3）數(shù)據(jù)清理。此階段即對整理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將不完整、真實(shí)性不高、屬性值缺失的數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)池中清理出去，將完整、真實(shí)、可信的數(shù)據(jù)保留下來。（4）數(shù)據(jù)變換。清除無用信息，留下可用信息之后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行變換處理。原始數(shù)據(jù)往往不能直接展開數(shù)據(jù)分析，需要依照一定的條件處理之后，使其達(dá)到一定的要求才能用于分析。（5）數(shù)據(jù)挖掘。對于變換后的數(shù)據(jù)，需要基于具體的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，如決策樹、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等展開數(shù)據(jù)挖掘，得出具體的“御用”數(shù)據(jù)。（6）評估結(jié)果。對于挖掘處理得到的數(shù)據(jù)，需要評價其可信度、正確性。（7）結(jié)果表示。利用具體、可視的形式，如圖片、表格、程序等展示結(jié)果。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢。（1）能處理大量數(shù)據(jù)。在社會不斷發(fā)展的背景下，各行各業(yè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)越來越多，數(shù)據(jù)量逐漸增大，這就讓數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)有了用武之地，可以對行業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)處理挖掘，發(fā)揮這些信息數(shù)據(jù)的價值。（2）適用性強(qiáng)，能在諸多行業(yè)中發(fā)揮作用，沒有明顯的行業(yè)限制。因?yàn)閿?shù)據(jù)挖掘的對象就是數(shù)據(jù)，對于行業(yè)性質(zhì)的限制比較小，所以在城市照明監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建中，數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)具有很強(qiáng)的適用性。

3 數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在城市照明監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建中的運(yùn)用

在具體實(shí)踐中，需要關(guān)注數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)整體的系統(tǒng)構(gòu)成，并把握數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)在具體功能上的運(yùn)用。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

對于智慧城市照明監(jiān)控系統(tǒng)，在系統(tǒng)架構(gòu)上，需要其具備數(shù)據(jù)采集、處理、控制、運(yùn)行管理、狀態(tài)監(jiān)測等方面的功能，并且要能實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)測、控制和調(diào)度管理等。需要采集監(jiān)測的數(shù)據(jù)，主要包含電壓、電流、功率因數(shù)、回路信息、開關(guān)量、光照度等相關(guān)數(shù)據(jù)。從具體的系統(tǒng)架構(gòu)看，主要分為智能感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層與數(shù)據(jù)處理層三個層次，各層次具備的功能各不相同。

感知層，輔助數(shù)據(jù)的采集和輸入，即在城市照明設(shè)備上設(shè)置各類傳感器，采集電壓、電流等數(shù)據(jù)，然后回傳到監(jiān)控系統(tǒng)。

傳輸層，傳遞數(shù)據(jù)的功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其不僅負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)回傳，還涵蓋了將系統(tǒng)數(shù)據(jù)指令下傳到照明終端設(shè)備的功能，即實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳遞。傳輸層的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇已經(jīng)成熟的4G技術(shù)，也可以采用正在推廣普及的5G技術(shù)。

處理層，是監(jiān)控系統(tǒng)的核心大腦，其可實(shí)現(xiàn)對回傳數(shù)據(jù)的分析與處理，實(shí)現(xiàn)能耗計算、狀態(tài)分析、故障預(yù)警等多項(xiàng)功能，并且下傳操作指令，對照明設(shè)備實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)度和控制。

3.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

城市照明監(jiān)控重點(diǎn)就是要通過采集城市照明系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并集中于城市管理部門的數(shù)據(jù)中心，以便于展開大數(shù)據(jù)分析，而數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)作為大數(shù)據(jù)分析的核心，采用基于統(tǒng)計學(xué)的統(tǒng)計方法，對非隨機(jī)抽樣樣本進(jìn)行分析，以便得出更加科學(xué)的結(jié)論。

數(shù)據(jù)挖掘的運(yùn)用重點(diǎn)是要先有正確的業(yè)務(wù)問題，然后利用手機(jī)的正確數(shù)據(jù)回答業(yè)務(wù)問題，上述系統(tǒng)框架本質(zhì)上是一個IoT，即物聯(lián)網(wǎng)，通過網(wǎng)絡(luò)將機(jī)器與機(jī)器進(jìn)行連接（M2M），并在加入大數(shù)據(jù)技術(shù)后，可實(shí)現(xiàn)人、事、物的互聯(lián)互通。

在現(xiàn)有技術(shù)支持下，照明監(jiān)控的前端以及傳輸網(wǎng)絡(luò)組建相對簡單，前端采用集成了調(diào)制解調(diào)器芯片、傳感器和驅(qū)動器的智能終端設(shè)備即可，傳輸網(wǎng)絡(luò)可基于4G網(wǎng)絡(luò)甚至5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。相關(guān)建設(shè)研究不少，可提供參考借鑒。文章重點(diǎn)對處理層，即后臺應(yīng)用平臺的搭建展開分析。后臺應(yīng)用平臺應(yīng)滿足數(shù)據(jù)的存儲與預(yù)處理，分布式計算、數(shù)據(jù)挖掘和成果展示。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，可基于云計算、網(wǎng)格平臺打造后臺應(yīng)用平臺。（1）云計算的開源框架如Hadoop等可在大量計算機(jī)上運(yùn)行，亦可作為海量數(shù)據(jù)的存儲平臺和并行計算或網(wǎng)格計算的平臺。（2）云計算本身支持分布式計算，用于在云計算的相關(guān)自定義平臺上可自定義處理海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序，實(shí)現(xiàn)支持大數(shù)據(jù)需求的分布式計算。（3）要實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)挖掘算法成為最需要解決的問題，文章列舉了數(shù)據(jù)挖掘算法，此處以決策樹為例，決策樹算法的核心為ID3，這種算法屬于機(jī)器學(xué)習(xí)算法中的一類，分類決策樹發(fā)揚(yáng)了ID3的長處，實(shí)現(xiàn)用信息增益率選擇屬性，可對決策樹構(gòu)造進(jìn)行剪枝操作，并對連續(xù)屬性進(jìn)行離散化處理，也可對不完整數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，但該算法不夠高效，針對這些問題出現(xiàn)了K-means算法及其改進(jìn)算法。（4）智慧照明監(jiān)控要實(shí)現(xiàn)可視化（這是成果展示的關(guān)鍵），實(shí)現(xiàn)靈活多樣的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)跨平臺的訪問，并進(jìn)行可視化分析，方便管理部門的決策。

3.3 具體功能運(yùn)用

在智慧城市照監(jiān)控系統(tǒng)中，從具體的系統(tǒng)功能看，最需要使用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的環(huán)節(jié)是照明設(shè)備故障預(yù)警方面。城市照明設(shè)備的運(yùn)行具有很強(qiáng)的規(guī)律性，依據(jù)規(guī)律設(shè)定好具體的參數(shù)之后，就可以在較長時間內(nèi)不需要進(jìn)行較大的調(diào)整。但是照明設(shè)備故障存在較大的隨機(jī)性與偶發(fā)性，沒有規(guī)律可循，無法提前采取措施，這就需要通過數(shù)據(jù)挖掘?qū)φ彰髟O(shè)備故障加強(qiáng)預(yù)警，以便提前發(fā)現(xiàn)故障并處理。

對于智慧照明監(jiān)控系統(tǒng)故障預(yù)警的構(gòu)建，采用的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)以決策樹技術(shù)較為適宜。決策樹數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)和故障診斷本身存在一定的相似性，該種技術(shù)能體現(xiàn)出更強(qiáng)的適用性。具體而言，決策樹算法是基于流程圖樹結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述、分析和處理。基于照明監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過決策樹算法訓(xùn)練和測試，可生成基本的決策樹結(jié)構(gòu)，基于C4.5算法對樹結(jié)構(gòu)的分類規(guī)則予以描述，依靠生成的分類規(guī)則，達(dá)到系統(tǒng)預(yù)警功能。

具體運(yùn)用流程如下。（1）數(shù)據(jù)的搜集和預(yù)處理。以某一具體的路燈設(shè)備為例展開說明，需要搜集的數(shù)據(jù)包含設(shè)備編號、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、開燈與關(guān)燈時間、電流、電壓、功率等。在預(yù)處理環(huán)節(jié)，剔除不適合用于分析的數(shù)據(jù)，如設(shè)備編號、開關(guān)燈時間等，保留電壓、電流、功率等主要數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)挖掘故障預(yù)警。基于C4.5算法，輸入預(yù)處理之后的數(shù)據(jù)，根據(jù)之前訓(xùn)練得到分類規(guī)則，對數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘處理，然后輸出監(jiān)控預(yù)警C4.5決策樹模型。

4 結(jié)束語

近年來，我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展非常迅速，城市化建設(shè)的速度很快，城市規(guī)模、人口、產(chǎn)業(yè)等發(fā)展迅速，這也同步帶動城市基礎(chǔ)照明規(guī)模不斷擴(kuò)大。基于數(shù)據(jù)挖掘構(gòu)建智慧照明監(jiān)控系統(tǒng)，需要相關(guān)人士形成認(rèn)識，通過合理措施推進(jìn)智慧照明監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建。