CN114520979A - 包括中转模块的灯杆通讯系统及中转模块安装预测方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种包括中转模块的灯杆通讯系统，本申请先将周围灯杆的通信信号通过无线传输方式汇集于一个中转模块，再将通信信号从中转模块通过光缆传输到控制终端，通过无线和有线相结合的方式，大大节省了每个灯杆与控制终端建立通信连接所需光缆的铺设成本，也扩大了每个控制终端的应用范围，便于实现远程管理。为了进一步优化中转模块的选址，本申请还提出了一种针对灯杆通讯系统的中转模块安装预测方法，用于预测中转模块的最佳安装数量和安装位置。

Description

包括中转模块的灯杆通讯系统及中转模块安装预测方法

技术领域

本发明涉及安装位置预测系统领域，尤其是涉及包括中转模块的灯杆通讯系统及中转模块安装预测方法。

背景技术

随着智能时代的到来，多功能灯杆越来越多的应用于人们的生活当中。伴随着拥有语音功能的灯杆、拥有监控功能的灯杆等多功能灯杆的发明，多功能灯杆的通信工作就显得尤为重要。在5G场景下的多功能灯杆，通讯功能的正常运行是发挥其多功能的基础。目前所发明的自带通讯模块的灯杆要么是需要铺设对应光缆传输信息，要么是通过无线信号传输信息。第一种方法虽然可以使得终端位置不受距离限制，但每个灯杆都需要铺设对应光缆来进行信息传输，建设成本极高不利于普及。第二种方法虽然简便且成本低，但限制了对应终端必须在有线范围内，不利于远程集中管理。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供了一种包括中转模块的灯杆通讯系统及针对包括中转模块的灯杆通讯系统的中转模块安装位置预测方法。

本申请采用以下技术方案来实现：一种包括中转模块的灯杆通讯系统，包括：位于一定范围内的若干个带有通讯模块的灯杆、n个中转模块以及一个控制终端；所述灯杆的通讯模块与中转模块无线连接，实现近距离通信；所述中转模块与控制终端通过光缆连接，实现远程通信；每个所述中转模块覆盖一部分灯杆，且中转模块的无线容量与所覆盖灯杆的通讯模块负载量总和相匹配；n个所述中转模块对于所述范围内灯杆的覆盖率达到预设值。

本申请中，中转模块是一种将无线信号发送接收器和有线信号接收发送器相结合的产品，起到信号转发的作用。本申请先将周围灯杆的通信信号通过无线传输方式汇集于一个中转模块，再将通信信号从中转模块通过光缆传输到控制终端，通过无线和有线相结合的方式，大大节省了每个灯杆与控制终端建立通信连接所需光缆的铺设成本，也扩大了每个控制终端的应用范围，便于实现远程管理。

进一步地，所述中转模块安装在其中一个灯杆上。

理论条件下，中转模块的安装不限于安装于灯杆上，位于多个灯杆之间的某处也能实现最优设置。但是考虑到实际安装条件下，将中转模块单独置于多个灯杆之间的某处需要建立独立基站，恶劣的施工环境下基站的选址还需考虑施工难度、施工成本，这一方案会给实际操作带来很多不便，因此，本申请将中转模块设置于灯杆上，借助已有的灯杆就可安装，无需建立独立基站，实施成本小、难度低。

增加中转模块在很大程度上可以节省每个灯杆与控制终端之间的通信成本，但如果能对中转模块进行科学选址，不仅能进一步降低所需的光缆铺设成本，还能实现每个中转模块的功能最大化，尽可能覆盖更多的灯杆或是预留出更多的可用带宽，以供未来建立新的灯杆所用。

为了进一步优化中转模块的选址，本申请还提出了一种针对灯杆通讯系统的中转模块安装预测方法，用于预测中转模块的最佳安装数量和安装位置，使得一定范围内所设置的中转模块数量合理，位置最优，既能满足各个灯杆实现通讯所需的带宽额度，又能使得所有中转模块与控制终端所需光缆的铺设成本总和达到最低，还能预留出充足的宽带限额，供后续新安装的灯杆使用。这里的安装位置对应某一个灯杆及灯杆上的某一具体高度。

一种针对灯杆通讯系统的中转模块安装位置预测方法，适用于上述包括中转模块的灯杆通讯系统，所述方法包括：

S10，获取一定范围内，需要与控制终端进行通讯的灯杆所处的地图数据，按照获取到的地图数据及每个灯杆的高度进行三维建模；

S20，在三维模型中规划出满足预设覆盖率的中转模块分布的初级方案，并标记出每个中转模块的安装位置和对应的覆盖范围；

S30，计算相邻中转模块覆盖范围的重合体积，判断所述重合体积的占比是否小于设定的阈值时，若是则直接获得中转模块分布的最终方案；否则调整中转模块的分布，直至相邻覆盖范围的重合体积的占比小于所述阈值，从而获得中转模块分布的最终方案。

进一步地，所述S20中在三维模型中规划出满足预设覆盖率的中转模块分布的初级方案，包括：为不同类型的灯杆赋予不同的权重，获取中转模块的覆盖半径R，每个灯杆与控制终端之间所需的光缆铺设成本；将获取到的地图数据及每个灯杆的高度用包围盒的方式进行三维建模，将正面的左下角记为坐标原点(0,0,0)，同时获取预设的单位长度；将所有灯杆在三维模型中以黑点的形式标记；

规划过程如下：

1）随机选取1个黑点作为初始点，以该初始点为球心O，覆盖半径R为半径，统计在覆盖半径R中的n个黑点，记为点集P。

2）获取点集P内每个黑点对应灯杆的权重，将半径R除以对应灯杆的权重得到n个黑点对应的有效半径，对n个黑点的有效半径求交并取相交部分中心得到重心O1；

2.1统计所有距离球心O小于所述单位长度的黑点点集P’；

2.2计算中转模块位于所述黑点点集P’内每个黑点处所对应的光缆铺设成本y，以及以该黑点为球心、以R为半径的覆盖范围内所有黑点的权重之和w，从而得到黑点点集P’内每个点对应的光缆铺设平均成本为y/w；

2.3选择其中平均成本最小的黑点b作为预测点并记录，黑点b所覆盖的黑点点集为P1，其平均成本记为Y；

3）将重心O1作为新的球心O，统计距离球心O小于半径R的黑点点集P；

4）重复2）、3）步骤，直到O和O1重合，此时获得多个预测点；

5）选出所有预测点对应的平均成本Y中的最小值，并将其对应的黑点点集P1全部标为已覆盖；

6）计算此时所有灯杆的覆盖率是否满足预设覆盖率，若是则输出多个中转模块的安装预测点和对应的覆盖范围，获得中转模块分布的初级方案，否则转到1）重新进行安装预测点的规划，直至所有灯杆的覆盖率满足预设覆盖率，其中覆盖范围在三维模型中以球体进行标记

进一步次，所述S30调整中转模块的分布，包括：

8）计算所述中转模块分布的初级方案中，体积重合最大的两个球体的球心连线，给其中一个球体沿所述球心连线方向一定的偏移量，偏移量大小为所述球心连线方向上保证两个球的覆盖点集不变情况下的最大移动距离；

9）对8）中偏移量较大的球体以对应的偏移量进行一次偏移；

10）重新计算所有预测点对应球体的重合体积，判断其是否超过设定阈值，若是则重复8）、9），直至重合体积小于设定阈值时输出所有预测点的位置，获得中转模块分布的最终方案。

附图说明

下面结合附图对本发明专利进一步说明。

图1为灯杆通讯系统示意图；

图2为中转模块安装于灯杆上的示意图；

图3-图6为规划算法运行过程示意图；

图7为中转模块分布的初级方案；

图8为偏移矫正示意图

图9为中转模块分布的最终方案。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。

一种包括中转模块的灯杆通讯系统，如图1所示，包括位于一定范围内的若干个带有通讯模块的灯杆100、n个中转模块200以及一个控制终端300。中转模块本质上是一种无线信号接收器及有线信号发送器。灯杆通讯模块110与中转模块200无线连接，实现近距离无线通信，将每个通讯模块110的采集信号传输至中转模块200，中转模块200与控制终端通过光缆410连接，实现集中远程通信。每个中转模块200覆盖多个灯杆，且中转模块200的无线容量与所覆盖灯杆的通讯模块负载量（即所需带宽）总和相匹配，n个中转模块对于所述范围内灯杆的覆盖率达到预设值。考虑到实际实施过程中可能遇到的不确定因素，本实施例将中转模块安装在其中一个灯杆上，如图2所示，中转模块200与灯杆的通讯模块110之间进行无线连接，再通过地下光缆410连接至控制终端。

为了实现成本优化，在中转模块的选址上需要考虑使得多个中转模块与控制终端之间的光缆铺设成本总和最低。为此，本申请还提出了一种针对包括中转模块的灯杆通讯系统的中转模块安装位置预测方法，用于准确预测中转模块的安装个数和安装位置，优化安装方案。

针对包括中转模块的灯杆通讯系统的中转模块安装位置预测方法，包括如下步骤：

S10，获取一定范围内，需要与控制终端进行通讯的灯杆所处的地图数据，按照获取到的地图数据及每个灯杆的高度进行三维建模。

本实施例中，考虑到灯杆的不同类型，例如用于城市道路照明的路灯、景观灯、庭院灯等，不同类型的灯杆高度不同，路灯的灯杆高度一般在12m左右，相邻路灯的间距在32-36米之间，景观灯灯杆高度在6米左右，相邻景观灯的间距在15-18米左右，庭院灯的灯杆高度一般在8米左右，相邻庭院灯的间距在20-24米之间，用于信号采集的通讯模块一般安装于灯杆顶部。因此在进行中转模块的选址时，不仅要考虑水平距离，还需要考虑到空间高度。

建模过程包括：将获取到的地图数据及每个灯杆的高度用包围盒的方式进行三维建模，将正面的左下角记为坐标原点(0,0,0)，同时获取预设的单位长度；将所有灯杆在三维模型中以黑点的形式标记，生成黑点点集P。

S20，在三维模型中规划出满足预设覆盖率的中转模块分布的初级方案，并标记出每个中转模块的安装位置和对应的覆盖范围；

S30，计算相邻中转模块覆盖范围的重合体积，判断所述重合体积的占比是否小于设定的阈值时，若是则直接获得中转模块分布的最终方案；否则调整中转模块的分布，直至相邻覆盖范围的重合体积的占比小于所述阈值，从而获得中转模块分布的最终方案。

不同灯杆的功能也不同，例如有的灯杆用于照明，带有路灯控制开关，有的用于传输音频信号，有的用于传输视频信号，不同灯杆通讯模块的负载量也即所需的网络带宽不同。因此，本实施例中为不同类型的灯杆赋予不同的权重。

总体规划过程如下：

获取每个灯杆对应的权重和中转模块的覆盖半径R，以及每个灯杆与控制终端之间所需的光缆铺设成本。所谓覆盖半径是指中转模块进行无线通讯时所能达到的最远通讯距离。光缆铺设成本包括多种因素，本实施例中只考虑所需铺设的光缆长度。以下所提到的成本和平均成本针对的都是光缆铺设成本。

1）随机选取1个黑点作为初始点，以该初始点为球心O，覆盖半径R为半径，统计在覆盖半径R中的n个黑点，记为点集P，如图3所示。

2）获取点集P内每个黑点对应灯杆的权重，将半径R除以对应灯杆的权重得到n个黑点对应的有效半径，对n个黑点的有效半径求交并取相交部分中心得到重心O1（用空心三角表示），如图4所示；

2.1 统计所有距离球心O小于所述单位长度的黑点点集P’；由于得到的球心三角O不一定和已有的灯杆（也即黑点）重合，所以要统计小于单位长度的周围灯杆集合也即黑点点集P’，来确定将哪个灯杆作为预测安装位置；

2.2计算中转模块位于所述黑点点集P’内每个黑点处所对应的光缆铺设成本y，以及以该黑点为球心、以R为半径的覆盖范围内所有黑点的权重之和w，从而得到黑点点集P’内每个点对应的光缆铺设平均成本为y/w；这里的y和w是每个黑点点集p’都有的，比如黑点点集有3个黑点，那么就有3个对应的铺设成本和3个对应的覆盖范围的所有黑点权重之和w，算平均成本即是为了选取最优的那个黑点（即灯杆）作为安装位置；

2.3选择其中平均成本最小的黑点b作为预测点并记录，黑点b所覆盖的黑点点集为P1，其平均成本记为Y；

3）将重心O1作为新的球心O，统计距离球心O小于半径R的黑点点集P，如图5所示；

4）重复2）、3）步骤，直到O和O1重合，此时获得多个预测点，如图6-7所示，图6所示为重复2）、3）的实现步骤，圆心的转移路径，所示为迭代到最后重心与圆心重合时，圆心的位置；在初次规划中转模块位置时不进行偏移矫正，规划结果如图7所示；

5）选出所有预测点对应的平均成本Y中的最小值，并将其对应的黑点点集P1全部标为已覆盖；

6）计算此时所有灯杆的覆盖率是否满足预设覆盖率，若是则转至7），此时获得多个中转模块的安装预测点和对应的覆盖范围，覆盖范围在三维模型中以球体进行标记；否则转到1）重新进行安装预测点的规划；

7）计算所有预测点对应球体的重合体积，判断其是否小于设定阈值，若是则输出所有预测点的位置，获得中转模块分布的最终方案；否则，转至8），对当前预测点的位置进行调整；

8）计算重合体积最大的两个球体的球心连线，给其中一个球体沿所述球心连线方向一定的偏移量，偏移量大小为所述球心连线方向上保证两个球的覆盖点集不变情况下的最大移动距离；

9）对8）中偏移量较大的球体以对应的偏移量进行一次偏移，偏移矫正过程如图8所示；

10）重新计算所有预测点对应球体的重合体积，判断其是否超过设定阈值，若是则重复8）、9），直至重合体积小于设定阈值时输出所有预测点的位置，获得中转模块分布的最终方案，如图9所示。

其中，步骤1）、2）、3）、4）采用标记算法实现。将最终获得的数据写入到数据库，数据库设置于云端服务器，用于存储数据但不限于仅存储地图数据、灯杆位置数据、已预测的中转模块最佳安装位置数据，还包括存储有以往每次标记算法的计算记录及计算出的重合体积占比和偏移量，方便后期工作人员对系统进行维护。需要在相邻区域新增中转模块时，还可以从数据库中调取原有的数据作为预测参考。在原有范围内增加灯杆时，需要考虑是更换原有中转模块，换成带宽更大的设备更合理，还是新增中转模块更合理，这时通过调取数据库历史规划记录，就能明显看出新增灯杆是否在原有中转模块的覆盖范围内，如果不在，则可根据原有中转模块的覆盖范围与带宽更大的设备覆盖范围进行对比，总和成本因素，选择更合理的实施方案。

标记算法是通过不断寻找点集集合的重心，使得最后寻找的中心点能移动到整个集合的重心。本系统利用标记算法先求解出所有灯杆点集的重心，去掉能覆盖到的灯杆后再求余下点集的重心，循环往复达到所有灯杆全覆盖，从而得到初次的安装位置预测方案，这时检测从不同预测点出发的覆盖范围所形成的球体的体积重合占比是否超过阈值，超出后调整偏移值再次迭代，随着迭代次数增多其重合体积占比会越来越小也即通讯中转模块利用率越来越高。如果用户输入阈值为0，系统视为迭代到某次体积重合占比与上一次相同时，此时的体积重合占比为最优值，将对应的灯杆通讯信号中转模块最佳安装方案进行输出。本实施例中的标记算法可以通过meanshift算法来实现。

以上显示和描述了本发明专利的基本原理、主要特征和本发明专利的优点。本行业的技术人员应该了解，本申请不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书描述的只是说明本发明专利的原理，在不脱离本申请精神和范围的前提下，本申请还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本申请范围内。

Claims (6)

1.一种包括中转模块的灯杆通讯系统，其特征在于，包括：位于一定范围内的若干个带有通讯模块的灯杆、n个中转模块以及一个控制终端；

所述灯杆的通讯模块与中转模块无线连接，实现近距离通信；

所述中转模块与控制终端通过光缆连接，实现远程通信；

每个所述中转模块覆盖一部分灯杆，且中转模块的无线容量与所覆盖灯杆的通讯模块负载量总和相匹配；

n个所述中转模块对于所述范围内灯杆的覆盖率达到预设值。

2.根据权利要求1所述的一种包括中转模块的灯杆通讯系统，其特征在于，所述中转模块安装在其中一个灯杆上。

3.根据权利要求1所述的一种包括中转模块的灯杆通讯系统，其特征在于，多个所述中转模块与控制终端之间的光缆铺设成本总和最低。

4.针对灯杆通讯系统的中转模块安装预测方法，适用于权利要求1-3任一所述的一种包括中转模块的灯杆通讯系统，其特征在于，包括：

S10，获取一定范围内，需要与控制终端进行通讯的灯杆所处的地图数据，按照获取到的地图数据及每个灯杆的高度进行三维建模；

S20，在三维模型中规划出满足预设覆盖率的中转模块分布的初级方案，并标记出每个中转模块的安装位置和对应的覆盖范围；

S30，计算相邻中转模块覆盖范围的重合体积，判断所述重合体积的占比是否小于设定的阈值时，若是则直接获得中转模块分布的最终方案；否则调整中转模块的分布，直至相邻覆盖范围的重合体积的占比小于所述阈值，从而获得中转模块分布的最终方案。

5.根据权利要求4所述的针对灯杆通讯系统的中转模块安装预测方法，其特征在于，所述S20中在三维模型中规划出满足预设覆盖率的中转模块分布的初级方案，包括：

为不同类型的灯杆赋予不同的权重，获取中转模块的覆盖半径R，每个灯杆与控制终端之间所需的光缆铺设成本；

将获取到的地图数据及每个灯杆的高度用包围盒的方式进行三维建模，将正面的左下角记为坐标原点(0,0,0)，同时获取预设的单位长度；

将所有灯杆在三维模型中以黑点的形式标记；

规划过程如下：

1）随机选取1个黑点作为初始点，以该初始点为球心O，覆盖半径R为半径，统计在覆盖半径R中的n个黑点，记为点集P；

2）获取点集P内每个黑点对应灯杆的权重，将半径R除以对应灯杆的权重得到n个黑点对应的有效半径，对n个黑点的有效半径求交并取相交部分中心得到重心O1；

统计所有距离球心O小于所述单位长度的黑点点集P’；

2.2计算中转模块位于所述黑点点集P’内每个黑点处所对应的光缆铺设成本y，以及以该黑点为球心、以R为半径的覆盖范围内所有黑点的权重之和w，从而得到黑点点集P’内每个点对应的光缆铺设平均成本为y/w；

2.3选择其中平均成本最小的黑点b作为预测点并记录，黑点b所覆盖的黑点点集为P1，其平均成本记为Y；

3）将重心O1作为新的球心O，统计距离球心O小于半径R的黑点点集P；

4）重复2）、3）步骤，直到O和O1重合，此时获得多个预测点；

5）选出所有预测点对应的平均成本Y中的最小值，并将其对应的黑点点集P1全部标为已覆盖；

6）计算此时所有灯杆的覆盖率是否满足预设覆盖率，若是则输出多个中转模块的安装预测点和对应的覆盖范围，获得中转模块分布的初级方案，否则转到1）重新进行安装预测点的规划，直至所有灯杆的覆盖率满足预设覆盖率，其中覆盖范围在三维模型中以球体进行标记。

6.根据权利要求4所述针对灯杆通讯系统的中转模块安装预测方法，其特征在于，所述S30调整中转模块的分布，包括：

8）计算所述中转模块分布的初级方案中，体积重合最大的两个球体的球心连线，给其中一个球体沿所述球心连线方向一定的偏移量，偏移量大小为所述球心连线方向上保证两个球的覆盖点集不变情况下的最大移动距离；

9）对8）中偏移量较大的球体以对应的偏移量进行一次偏移；

10）重新计算所有预测点对应球体的重合体积，判断其是否超过设定阈值，若是则重复8）、9），直至重合体积小于设定阈值时输出所有预测点的位置，获得中转模块分布的最终方案。

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