一种基于大数据的LED路灯运行分析系统及方法
技术领域
本发明涉及大数据技术分析领域，特别地涉及一种基于大数据的LED路灯运行分析系统及方法。
背景技术
随着LED路灯技术的发展，越来越多的城市开始采用LED路灯来取代钠光灯。城市的发展促进了路灯种类的增多和适用范围的扩大。不仅在公共道路上，街道、隧道、地铁、公园等城市区域都需要路灯来进行照明。而大范围的铺设路灯就需要LED路灯运行分析系统对LED路灯的运行情况进行分析。当一个城市或者一家企业决定使用某品牌的LED路灯时，需要考虑各方面因素来帮助进行选择。建立和完善LED路灯运行分析系统已经发展成为一个必须解决的问题。
目前，现有技术中的LED路灯系统偏向于对于LED路灯的控制和管理，通过需求调整路灯的亮度和开关。现有技术中对灯具寿命的计算一般是基于灯具厂家提供的寿命曲线进行分析，LED照明产品的理论寿命一般在几万小时以上，但在实际使用时往往低于理论寿命，因为LED的实际使用寿命还会受到温度、降水、电压不稳等环境影响。但现有技术缺乏对LED照明产品的实际使用寿命的研究。而且，在城市或者企业选择LED路灯时，需要参考实际使用寿命、照度亮度、价格、特殊情况下运行的稳定性等多种因素，缺乏相应的经济运行分析工具帮助决策者进行综合考量。因此，建立和完善LED路灯的运行分析系统十分必要。
发明内容
本发明提供了一种基于大数据的LED路灯运行分析系统及方法，以解决现有技术中缺乏对LED照明产品的实际使用寿命的研究、在选择LED路灯时缺乏相应的经济运行分析工具帮助决策者进行综合考量的技术问题。
本发明包括一种基于大数据的LED路灯运行分析系统，包括：
基础信息采集模块，所述基础信息包括灯具参数信息及地理环境信息；
灯具运行监测模块，通过大数据中心对当前联网管理的LED路灯进行实时监测，每间隔固定时间对各区域LED路灯当前运行状态进行记录并采集损坏信息；
器件信息录入模块，用户选择对应灯具型号或输入自定义器件信息，并选择安装区域；
设备寿命仿真模块，接收所述器件信息录入模块录入的信息，根据所述器件信息及所述安装区域进行设备寿命仿真模拟，计算LED路灯寿命；
3D照明仿真模块，包括街景仿真模块及光效仿真模块，根据用户输入的器件信息，通过调整模拟参数，利用光效仿真模块模拟实际光照效果，并记录用户选择的最佳模拟方案；
综合经济分析模块，接收设备寿命仿真模块及3D照明仿真模块的模拟结果，根据需求选择相应经济分析模型对所述模拟结果及LED路灯价格进行综合分析；
经济分析结果展示模块，对不同LED路灯的经济分析结果进行展示。
基础信息采集模块中所述灯具参数信息包括：灯具名称、灯具形状、灯具价格以及灯具品牌及生产厂家，生产厂家提供的设计参数、额定电流、电压、功率，LED灯具所用的器件包括LED灯头、灯杆、引线材料、固定螺丝、芯片、传感器、驱动电源、封装材料、透镜及散热器等器件，器件信息包括器件名称、器件所处位置、器件平均使用时长；
所述地理环境信息包括利用GPRS定位系统获取地理位置信息，采集固定区域的气候及气温信息，所述区域内街道地图，各街道长宽，路灯使用时间段，道路高峰时段及空闲时段，夜间平均人流量，车流量等。
所述灯具运行监测模块包括：LED路灯实时监测模块，大数据中心及灯具维修信息统计装置；所述LED路灯实时监测模块还包括：灯具基本情况统计装置，记录当前区域所使用的LED路灯品牌、型号、安装个数等;状态监测器，检测正常状态下的路灯电路的交流输入电压、电流、设备温度；空气温湿度传感器，检测空气温、湿度具体参数数据；光照监测设备：加装光照传感器，监测外界光照度信号；环境监测设备，监测沙尘、浓雾、PM10、降雨等恶劣天气情况；多功能电能表，远程采集现场道路用电量数据；异常运行状态报警装置，例如供电电网波动、大规模停电、电压过载、重大节日电压电流情况等。
所述LED路灯实时监测模块将各装置采集的数据汇总上传至大数据中心，按照日期、时段、正常或异常类别录入后台数据库中；灯具维修信息统计装置，负责统计灯具损坏及维修信息，包括路灯故障信息，故障原因，具体损坏部位及器件，实际使用时长，随机坏灯率等。
所述器件信息录入模块中，若用户选择的对应灯具型号未存在于数据库中，则根据用户输入的器件名称，识别与该灯具相关度最高的其他灯具作为替代。
所述设备寿命仿真模块包括：寿命区间预测模块，根据灯具的基础信息及实时监测数据预测其寿命区间；寿命曲线构建模块，利用光通量衰减作为失效判据，根据实时监测数据模拟实际使用环境，使用韦布尔模型描述灯具寿命，经过统计分析处理构建灯具寿命曲线；预测值校正模块，采用模糊评价法对LED寿命预测进行校正；选取基础数据信息、地理位置信息及运行状态检测信息，作为LED模拟仿真元素集合，根据每个元素对LED寿命的影响程度定义对应权重，利用层次分析法构建评价矩阵，选取加权评价函数进行计算，得出模糊评价结果作为校正值。
所述设备寿命仿真模块还包括：重大故障及特殊情况仿真模块，根据所述大数据中心采集到的异常信息，设定运行条件模拟紧急状况，计算灯具稳定性。
所述3D照明仿真模块包括：街景仿真模块，通过基础数据模块收集的地理环境信息模拟街景；光效仿真模块，通过基础数据模块收集的灯具参数信息，计算各灯具的照度、亮度，模拟实际灯光效果；根据用户输入的器件信息，调整模拟参数，通过光效仿真模块模拟实际光照效果，并保存用户选择的最佳模拟方案；所述模拟参数包括灯头尺寸，灯杆高度，灯杆距离，灯具数量等。
所述综合经济分析模块包括：LED路灯数量计算模块，根据设备寿命仿真计算出的LED路灯的使用寿命、3D照明仿真所需路灯数量，计算用户输入的使用时间内所需灯具的消耗资源数量；经济分析模块，综合灯具价格及稳定性生成经济分析报告，用户可根据需求对经济分析模型中的使用寿命、照明亮度、价格及稳定性权重进行调整，对经济分析结果打分排序。
所述经济分析结果展示模块包括：器件展示模块，根据用户输入的器件信息匹配到运行分析系统中存储的器件二维形状或者三维形状，并将该器件的二维形状或三维形状展示到用户的显示设备上；辅助决策模块：将用户录入的器件信息所得到的经济分析结果以包括但不限于图表的方式进行显示。
本发明还包括一种基于大数据的LED路灯运行分析方法，包括：
步骤1，基础信息采集，所述基础信息包括灯具参数信息及地理环境信息；
步骤2，灯具运行监测，通过大数据中心对当前联网管理的LED路灯进行实时监测，每间隔固定时间对各区域LED路灯当前运行状态进行记录并采集损坏信息；
步骤3，器件信息录入，用户选择对应灯具型号或输入自定义器件信息，并选择安装区域；
步骤4，设备寿命仿真，根据所述器件信息及所述安装区域进行设备寿命仿真模拟，计算LED路灯寿命；
步骤5，3D照明仿真，包括街景仿真及光效仿真，根据用户输入的器件信息，通过调整模拟参数，利用光效仿真模块模拟实际光照效果，并记录用户选择的最佳模拟方案；
步骤6，综合经济分析，根据需求选择相应经济分析模型对所述模拟结果及LED路灯价格进行综合分析；
步骤7，经济分析结果展示，对不同LED路灯的经济分析结果进行展示。
步骤1中所述灯具参数信息包括：灯具名称、灯具形状、灯具价格以及灯具品牌及生产厂家，生产厂家提供的设计参数、额定电流、电压、功率，LED灯具所用的器件包括LED灯头、灯杆、引线材料、固定螺丝、芯片、传感器、驱动电源、封装材料、透镜及散热器等器件，器件信息包括器件名称、器件所处位置、器件平均使用时长；
所述地理环境信息包括利用GPRS定位系统获取地理位置信息，采集固定区域的气候及气温信息，所述区域内街道地图，各街道长宽，路灯使用时间段，道路高峰时段及空闲时段，夜间平均人流量，车流量等。
步骤2中通过大数据中心对当前联网管理的LED路灯进行实时监测包括：记录当前区域所使用的LED路灯品牌、型号、安装个数等;
所述对各区域LED路灯当前运行状态进行记录包括：通过状态监测器检测正常状态下的路灯电路的交流输入电压、电流、设备温度；通过空气温湿度传感器，检测空气温、湿度具体参数数据；通过光照监测设备：加装光照传感器，监测外界光照度信号；通过环境监测设备，监测沙尘、浓雾、PM10、降雨等恶劣天气情况；通过多功能电能表，远程采集现场道路用电量数据；采集异常运行状态信息，包括供电电网波动、大规模停电、电压过载、重大节日电压电流情况等；将采集的数据汇总上传至大数据中心，按照日期、时段、正常或异常类别录入后台数据库中；
采集维修信息，包括统计灯具损坏及维修信息，包括路灯故障信息，故障原因，具体损坏部位及器件，实际使用时长，随机坏灯率等。
步骤3中所述器件信息录入时，若用户选择的对应灯具型号未存在于数据库中，则根据用户输入的器件名称，识别与该灯具相关度最高的其他灯具作为替代。
步骤4中所述进行设备寿命仿真模拟包括：
步骤4.1，根据灯具的基础信息及实时监测数据预测其寿命区间；
步骤4.2，利用光通量衰减作为失效判据，根据实时监测数据模拟实际使用环境，使用韦布尔模型描述灯具寿命，经过统计分析处理构建灯具寿命曲线；
步骤4.3，采用模糊评价法对LED寿命预测进行校正；选取基础数据信息、地理位置信息及运行状态检测信息，作为LED模拟仿真元素集合，根据每个元素对LED寿命的影响程度定义对应权重，利用层次分析法构建评价矩阵，选取加权评价函数进行计算，得出模糊评价结果作为校正值。
所述设备寿命仿真模拟还包括：重大故障及特殊情况仿真模拟，根据所述大数据中心采集到的异常信息，设定运行条件模拟紧急状况，计算灯具稳定性。
步骤5中所述3D照明仿真包括：
通过基础数据模块收集的地理环境信息模拟街景；通过基础数据模块收集的灯具参数信息，计算各灯具的照度、亮度，模拟实际灯光效果；根据用户输入的器件信息，调整模拟参数，通过光效仿真模块模拟实际光照效果，并保存用户选择的最佳模拟方案；所述模拟参数包括灯头尺寸，灯杆高度，灯杆距离，灯具数量等。
步骤6中所述进行综合分析包括：根据设备寿命仿真计算出的LED路灯的使用寿命、3D照明仿真所需路灯数量，计算用户输入的使用时间内所需灯具的消耗资源数量；综合灯具价格及稳定性生成经济分析报告，用户可根据需求对经济分析模型中的使用寿命、照明亮度、价格及稳定性权重进行调整，对经济分析结果打分排序。
步骤7中所述经济分析结果展示包括：根据用户输入的器件信息匹配到运行分析系统中存储的器件二维形状或者三维形状，并将该器件的二维形状或三维形状展示到用户的显示设备上；并显示用户录入的器件信息所得到的经济分析结果。
本发明利用LED路灯物联网平台获取LED路灯在实际使用时的数据，对用户选择的LED灯具进行设备寿命仿真模拟和3D照明模拟，并根据用户的设计方案进行综合经济分析，生成经济分析报告辅助用户在比较各类LED路灯时进行设计和决策。
附图说明
图1为基于大数据的LED路灯运行分析系统的系统框架。
具体实施方式
现在将参照若干示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。
如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。
如图1所示，在本发明的优选实施例中，一种基于大数据的LED路灯运行分析系统主要包括：
S01，基础信息采集模块，所述基础信息包括灯具参数信息及地理环境信息。
其中灯具参数信息包括：灯具名称、灯具形状、灯具价格以及灯具品牌及生产厂家，生产厂家提供的设计参数、额定电流、电压、功率。
同时，LED照明灯具的主要组成部分包括光源、驱动电源、封装、透镜及散热器等多个部分，其寿命往往是由光源、驱动电源以及散热部件的设计决定的,任何一部分的失效都将影响其寿命，采集器件信息有利于后期进行灯具匹配及寿命分析。因此灯具参数信息还包括：LED灯具所用的器件包括LED灯头、灯杆、引线材料、固定螺丝、芯片、传感器、驱动电源、封装材料、透镜及散热器等器件，器件信息包括器件名称、器件所处位置、器件平均使用时长；
基础信息采集模块中还可包括器件信息管理模块，用于对器件信息进行录入、编辑以及存储。对市场上常见的LED路灯所用到的每个器件的器件信息进行录入，录入完成之后，器件信息管理模块能够存储器件信息。当需要再次调用器件信息时，能够直接调用器件信息进行使用。
地理环境信息包括利用GPRS定位系统获取地理位置信息，采集固定区域的气候及气温信息，所述区域内街道地图，各街道长宽，路灯使用时间段，道路高峰时段及空闲时段，夜间平均人流量，车流量等。采集不同区域的路灯放置需求可以在建立仿真模型时更加精确，辅助决策。
S02,灯具运行监测模块，通过大数据中心对当前联网管理的LED路灯进行实时监测，每间隔固定时间对各区域LED路灯当前运行状态进行记录并采集损坏信息。
灯具运行监测模块是基于LED路灯物联网实现的，包括LED路灯实时监测模块，大数据中心及灯具维修信息统计装置；
LED路灯实时监测模块包括：灯具基本情况统计装置，记录当前区域所使用的LED路灯品牌、型号、安装个数等;
状态监测器，检测正常状态下的路灯电路的交流输入电压、电流、设备温度；
空气温湿度传感器，检测空气温、湿度具体参数数据；
光照监测设备，加装光照传感器，监测外界光照度信号；
环境监测设备，监测沙尘、浓雾、PM10、降雨等恶劣天气情况；
多功能电能表，远程采集现场道路用电量数据；
异常运行状态报警装置，例如供电电网波动、大规模停电、电压过载、重大节日电压电流情况等；LED路灯实时监测模块负责将各装置采集的数据汇总上传至大数据中心，按照日期、时段、正常或异常类别录入后台数据库中；
灯具维修信息统计装置，负责统计灯具损坏及维修信息，包括路灯故障信息，故障原因，具体损坏部位及器件，实际使用时长，随机坏灯率等。
S03,器件信息录入模块，用户选择对应灯具型号或自定义输入器件信息，并选择安装区域。
用户可选择一种或多种灯具进行分析，也可自定义灯具内容录入器件信息管理模块中。若用户输入的对应灯具型号未存在于数据库中，则根据用户输入的灯具器件名称，识别与该灯具相关度最高的其他灯具作为替代。例如，对LED灯具使用寿命影响最大的部件包括驱动电源、芯片及散热器，在数据库中搜寻使用相同型号器件、功率相近的灯具作为替代。
S04,设备寿命仿真模块，接收所述器件信息录入模块录入的信息，根据所述器件信息及所述安装区域进行设备寿命仿真模拟，计算LED路灯寿命。
设备寿命仿真模块包括：寿命区间预测模块，根据灯具的基础信息及实时监测数据预测其寿命区间。
寿命曲线构建模块，利用光通量衰减作为失效判据，根据实时监测数据模拟实际使用环境，使用韦布尔模型描述灯具寿命，经过统计分析处理构建灯具寿命曲线。
预测值校正模块，采用模糊评价法对LED寿命预测进行校正；选取基础数据信息、地理位置信息及运行状态检测信息，作为LED模拟仿真元素集合，根据每个元素对LED寿命的影响程度定义对应权重，利用层次分析法构建评价矩阵，选取加权评价函数进行计算，得出模糊评价结果作为校正值。
在实施例中，设备寿命仿真模块还可以包括：重大故障及特殊情况仿真模块，根据所述大数据中心采集到的异常信息，设定运行条件模拟紧急状况，计算灯具稳定性。例如分析大数据中心中的重大节日数据，用电需求变化导致的电网波动对该区域路灯照度、器件损坏率的影响来估算相似灯具的稳定性。
S05,3D照明仿真模块，包括街景仿真模块及光效仿真模块，根据用户输入的器件信息，通过调整模拟参数，利用光效仿真模块模拟实际光照效果，并记录用户选择的最佳模拟方案。
3D照明仿真模块具体包括：街景仿真模块，通过基础数据模块收集的地理环境信息模拟街景。
光效仿真模块通过基础数据模块收集的灯具参数信息，计算各灯具的照度、亮度，模拟实际灯光效果；根据用户输入的器件信息，调整模拟参数，例如灯头尺寸，灯杆高度，灯杆距离，灯具数量，通过光效仿真模块模拟实际光照效果，辅助用户更直观地对路灯灯光进行设计，在仿真结束后，保存用户选择的最佳模拟方案。
S06,综合经济分析模块，接收设备寿命仿真模块及3D照明仿真模块的模拟结果，根据需求选择相应经济分析模型对所述模拟结果及LED路灯价格进行综合分析。
综合经济分析模块包括：LED路灯数量计算模块，根据设备寿命仿真计算出的LED路灯的使用寿命、3D照明仿真所需路灯数量，计算用户输入的使用时间内所需灯具的消耗资源数量；
经济分析模块，综合灯具价格及稳定性生成经济分析报告，用户可根据需求对经济分析模型中的预测使用寿命、耗电量、LED灯具价格、维修成本及稳定性权重进行调整，对经济分析结果排序。
各评价指标可表示为一个N维向量：
本发明实施例采取了如下公式：
对各评价指标进行加权计算，其中，
S07,经济分析结果展示模块，对不同LED路灯的经济分析结果进行展示。
经济分析结果展示模块包括：器件展示模块，根据用户输入的器件信息匹配到运行分析系统中存储的器件二维形状或者三维形状，并将该器件的二维形状或三维形状展示到用户的显示设备上；
辅助决策模块，将用户录入的器件信息所得到的经济分析结果进行显示，包括但不限于将系统计算出的预测使用寿命、耗电量、LED灯具价格、维修成本及稳定性以图表的形式展示给用户以辅助用户决策。
本发明同时提供了一种基于大数据的LED路灯运行分析方法，包括：
步骤1，基础信息采集，所述基础信息包括灯具参数信息及地理环境信息；
步骤2，灯具运行监测，通过大数据中心对当前联网管理的LED路灯进行实时监测，每间隔固定时间对各区域LED路灯当前运行状态进行记录并采集损坏信息；
步骤3，器件信息录入，用户选择对应灯具型号或输入自定义器件信息，并选择安装区域；
步骤4，设备寿命仿真，根据所述器件信息及所述安装区域进行设备寿命仿真模拟，计算LED路灯寿命；
步骤5，3D照明仿真，包括街景仿真及光效仿真，根据用户输入的器件信息，通过调整模拟参数，利用光效仿真模块模拟实际光照效果，并记录用户选择的最佳模拟方案；
步骤6，综合经济分析，根据需求选择相应经济分析模型对所述模拟结果及LED路灯价格进行综合分析；
步骤7，经济分析结果展示，对不同LED路灯的经济分析结果进行展示。
步骤1中所述灯具参数信息包括：灯具名称、灯具形状、灯具价格以及灯具品牌及生产厂家，生产厂家提供的设计参数、额定电流、电压、功率，LED灯具所用的器件包括LED灯头、灯杆、引线材料、固定螺丝、芯片、传感器、驱动电源、封装材料、透镜及散热器等器件，器件信息包括器件名称、器件所处位置、器件平均使用时长；
地理环境信息包括利用GPRS定位系统获取地理位置信息，采集固定区域的气候及气温信息，所述区域内街道地图，各街道长宽，路灯使用时间段，道路高峰时段及空闲时段，夜间平均人流量，车流量等。
步骤2中通过大数据中心对当前联网管理的LED路灯进行实时监测包括：记录当前区域所使用的LED路灯品牌、型号、安装个数等;
对各区域LED路灯当前运行状态进行的记录包括：通过状态监测器检测正常状态下的路灯电路的交流输入电压、电流、设备温度；通过空气温湿度传感器，检测空气温、湿度具体参数数据；通过光照监测设备：加装光照传感器，监测外界光照度信号；通过环境监测设备，监测沙尘、浓雾、PM10、降雨等恶劣天气情况；通过多功能电能表，远程采集现场道路用电量数据；采集异常运行状态信息，例如供电电网波动、大规模停电、电压过载、重大节日电压电流情况等；将采集的数据汇总上传至大数据中心，按照日期、时段、正常或异常类别录入后台数据库中；
采集维修信息，包括统计灯具损坏及维修信息，包括路灯故障信息，故障原因，具体损坏部位及器件，实际使用时长，随机坏灯率等。
步骤3中录入器件信息时，若用户选择的对应灯具型号未存在于数据库中，则根据用户输入的器件名称，识别与该灯具相关度最高的其他灯具作为替代。
步骤4中的进行设备寿命仿真模拟包括：
步骤4.1，根据灯具的基础信息及实时监测数据预测其寿命区间；
步骤4.2，利用光通量衰减作为失效判据，根据实时监测数据模拟实际使用环境，使用韦布尔模型描述灯具寿命，经过统计分析处理构建灯具寿命曲线；
步骤4.3，采用模糊评价法对LED寿命预测进行校正；选取基础数据信息、地理位置信息及运行状态检测信息，作为LED模拟仿真元素集合，根据每个元素对LED寿命的影响程度定义对应权重，利用层次分析法构建评价矩阵，选取加权评价函数进行计算，得出模糊评价结果作为校正值；
设备寿命仿真模拟还包括：重大故障及特殊情况仿真模拟，根据所述大数据中心采集到的异常信息，设定运行条件模拟紧急状况，计算灯具稳定性。
步骤5中所述3D照明仿真包括：
通过基础数据模块收集的地理环境信息模拟街景；通过基础数据模块收集的灯具参数信息，计算各灯具的照度、亮度，模拟实际灯光效果；根据用户输入的器件信息，调整模拟参数，通过光效仿真模块模拟实际光照效果，并保存用户选择的最佳模拟方案；所述模拟参数包括灯头尺寸，灯杆高度，灯杆距离，灯具数量等。
步骤6中进行的综合分析包括：根据设备寿命仿真计算出的LED路灯的使用寿命、3D照明仿真所需路灯数量，计算用户输入的使用时间内所需灯具的消耗资源数量；综合灯具价格及稳定性生成经济分析报告，用户可根据需求对经济分析模型中的使用寿命、照明亮度、价格及稳定性权重进行调整，对经济分析结果打分排序。
根据用户输入的器件信息匹配到运行分析系统中存储的器件二维形状或者三维形状，并将该器件的二维形状或三维形状展示到用户的显示设备上；
将用户录入的器件信息所得到的经济分析结果以包括但不限于图表的方式进行显示。
本发明优选实施例的方法和系统可以实现为纯粹的软件，例如用Java语言来编写的软件程序，并基于JRE8以及以上版本的Java运行环境；也可以根据需要实现为纯粹的硬件，例如专用ASIC芯片或FPGA芯片；还可以实现为结合了软件和硬件的系统，例如存储有固定代码的固件系统。
本发明的另一个方面是一种计算机可读介质，其上存储有计算机可读指令，所述指令被执行时可实施本发明各实施例的方法。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所公开的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。要求保护的主题的范围仅由所附的权利要求进行限定。
