基于開放地圖平臺構(gòu)建配電網(wǎng)GIS

衛(wèi)黨會，劉粵海

(珠海優(yōu)特電力科技股份有限公司，廣東 珠海519000)

0 引言

配電網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS)是配電網(wǎng)規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行等工作的一個重要平臺，是配電網(wǎng)工程自動制圖(AM)、設(shè)備設(shè)施管理(FM)的基礎(chǔ)。隨著地理信息系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中不斷被推廣，用戶開始體會到通過GIS 系統(tǒng)提高企業(yè)管理效益和水平的重要性。但是在信息技術(shù)飛速發(fā)展背景下，封閉GIS 系統(tǒng)的缺陷也凸現(xiàn)出來，主要表現(xiàn)在以下幾個方面［1］:

(1)標(biāo)準(zhǔn)缺乏:不同公司的GIS 平臺在數(shù)據(jù)模型、體系架構(gòu)、開發(fā)工具等諸多方面都存在很多不同，因此構(gòu)建在其上的GIS 應(yīng)用在技術(shù)、性能特征等各方面都存在明顯的不同。

(2)系統(tǒng)封閉:依賴配電網(wǎng)GIS 的各子系統(tǒng)之間使用特定交換數(shù)據(jù)接口，不同部門的應(yīng)用軟件花費大量的后期開發(fā)工作，系統(tǒng)升級牽動各種相關(guān)軟件開發(fā)，對信息系統(tǒng)提供商和最終用戶都是漫長艱難的精力消耗。

(3)地圖滯后:由于基礎(chǔ)建設(shè)速度快，地圖數(shù)據(jù)遠(yuǎn)滯后于實際情況，必須不斷購買地圖，在獲得最新地圖數(shù)據(jù)后，導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫也要增加額外維護(hù)工作量。

(4)費用難估:運行環(huán)境、開發(fā)工具都必須按照各種模塊付費，有時甚至無法估算投資。

(5)終端制約:由于主站端系統(tǒng)的封閉，移動設(shè)備必須選擇專門的支持組件 (如ESRI 的ArcGIS for Mobile，不同終端需要購買不同的套件)，要滿足多平臺用戶體驗，開發(fā)投入大、周期長。

在信息技術(shù)、通信技術(shù)，特別是開放系統(tǒng)以及云概念發(fā)展背景下，Google 公司在2004 年10月27 日收購Keyhole 衛(wèi)星圖像公司，聯(lián)網(wǎng)地圖應(yīng)用在開放性和實時性等技術(shù)上獲得突破，為解決各種不同行業(yè)應(yīng)用提供了一個嶄新的契機［2］。本文通過實例，分析了如何在配電網(wǎng)GIS 利用Google Maps 這一技術(shù)平臺，解決長期以來困擾配電網(wǎng)GIS 的幾大問題。

1 開放地圖平臺的優(yōu)勢

(1)開放性優(yōu)勢

以Google Maps 為例，Google 誕生于互聯(lián)網(wǎng)，互聯(lián)網(wǎng)本身就是一個開放式系統(tǒng)，Google Maps 開放性體現(xiàn)在:地圖數(shù)據(jù)是開放的，Google Maps 提供基礎(chǔ)地圖數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)格式是開放的;開發(fā)接口是開放的，在Google 網(wǎng)站上有全部的開發(fā)文檔，不僅接口函數(shù)是開放的，甚至接口函數(shù)的實現(xiàn)還有完整源代碼也是開放的;編程語言是開放的，由于JavaScript 本身的開放性，Google Maps API 是JavaScript 函數(shù)庫，自然也遵循開放標(biāo)準(zhǔn);數(shù)據(jù)訪問機制是開放的，基于AJAX 的異步訪問機制，是為了提高客戶端與服務(wù)器端數(shù)據(jù)交換和負(fù)荷分配的開放式標(biāo)準(zhǔn)［2］，在Google 的大力支持下得到推廣的。

(2)成本優(yōu)勢

GIS 系統(tǒng)需要兩個支撐，第一是地理數(shù)據(jù)，第二是平臺。大半以上的投資花費在平臺購買和地理數(shù)據(jù)上，大半以上的精力花費在對應(yīng)用平臺的消化理解上［2］。Google Maps 企業(yè)版可以通過注冊獲得使用權(quán)［3］，綜合費用也不高。地圖數(shù)據(jù)更新是Google 在后臺來完成的。

(3)終端支持優(yōu)勢

Google 對Android 開源，Google 有一套面向手持終端的API，基于Android 手持終端已經(jīng)非常普及，積累了大量的硬件、軟件、人力資源，包括遠(yuǎn)程通信、近距離通信(WIFI、籃牙)、GPS 支持等等成熟應(yīng)用，這些技術(shù)對配電網(wǎng)GIS 深度應(yīng)用意義深遠(yuǎn)。

2 Google Maps 開放式接口實現(xiàn)

面向特定應(yīng)用的GIS，其實就是在基礎(chǔ)地圖上疊加各種不同的應(yīng)用層(疊加層)，通過對設(shè)備及線路地理數(shù)據(jù)庫的訪問，在基礎(chǔ)地圖上顯示和進(jìn)行交互的過程，Google Maps API 提供實現(xiàn)特定應(yīng)用的疊加機制。

2.1 Google Maps 圖形疊加機制

(1)標(biāo)記GMarker:比如桿塔、電纜井、環(huán)網(wǎng)柜等都可以作為標(biāo)記來實現(xiàn)。

(2)折線GPolyline:折線是表現(xiàn)電力線路的直接方法，但是由于API 提供的線型只有實線，本文為表現(xiàn)電纜線路進(jìn)行了擴展。

(3)多邊形GPolygon:實際應(yīng)用中可把封閉多邊形用于顯示供/停電范圍。

(4)地圖塊疊加GTileLayerOverlay:Google地圖是由256 ×256 象素的正方形圖塊(即“瓦片”Tiles)拼接而成的，通過圖塊疊加層機制可以替換Google 提供的缺省圖塊層，形成不同的地圖［4］。

一幅大地圖需要按照不同縮放等級預(yù)先進(jìn)行一塊塊切塊、命名和存放，調(diào)用時再按照相應(yīng)縮放等級一塊塊疊放到地圖上，放大后不會失真，具有透明度參數(shù)，可隨時加上和去掉它們。適用于對整個城市或一個城區(qū)地圖的整體更新替換［5］。

(5)底面疊加GGroundOverlay:在地圖上任何經(jīng)緯度及其限定的范圍內(nèi)疊加圖片，對原來地圖背景全覆蓋，不需要對圖片切分，可以跨多個瓦片。疊加圖片隨著地圖的縮放而縮放，以象素縮放顯示，放大后會失真。沒有透明度。

在配電網(wǎng)GIS 中，放大倍數(shù)較小時，使用圖標(biāo)方式(GMarker)表示變電站，放大倍數(shù)較大時可以將變電站、開閉所的平面布局圖加工成圖片疊加到底圖上，辨認(rèn)更加直觀。

(6)自定義地圖GMapType:Google 已經(jīng)提供地圖、衛(wèi)星、地形3 種地圖類型，如果希望有其他全新類型的地圖，可以使用GMapType 對象創(chuàng)建，從頭構(gòu)造地圖類型是一個復(fù)雜的過程［5］。

(7)信息浮窗GInfoWindow:信息浮窗作為特殊的彈出窗口，可以用作對復(fù)雜對象內(nèi)部結(jié)構(gòu)顯示，比如本文案例在分支箱、環(huán)網(wǎng)柜標(biāo)記上點擊會彈出信息窗口，在信息窗口中顯示分支箱、環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部電氣接線圖，在窗口中對斷路器、刀閘進(jìn)行進(jìn)一步的操作。

2.2 事件偵聽機制

各類應(yīng)用都必須在人機交互下才有價值，瀏覽器中豐富的人機交互是通過JavaScript 事件驅(qū)動的方法實現(xiàn)的，Google Maps API 也為各種疊加對象提供了事件偵聽的方法:GEvent．a(chǎn)ddListener，通過對GEvent 的繼承和擴展，友好的操作界面才能呈現(xiàn)出來。

2.3 Google Maps 應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

配電GIS 空間數(shù)據(jù)由電氣設(shè)施層空間數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)組成［1］，基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)來源于Google Maps，而電氣設(shè)施層數(shù)據(jù)來源于設(shè)計和現(xiàn)場勘測。通過物理安全隔離裝置從配電自動化系統(tǒng)獲取設(shè)備實時信息，通過生產(chǎn)資產(chǎn)管理系統(tǒng)獲取設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)，這樣形成GIS 系統(tǒng)配電綜合應(yīng)用［6］，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 配電網(wǎng)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖Fig．1 Structure diagram of the distribution grid GIS

3 在配網(wǎng)GIS 中應(yīng)用

把配電設(shè)備及其拓?fù)溥B接關(guān)系疊加到Google Maps 上，通過二次開發(fā)增加客戶端人機接口與數(shù)據(jù)庫交互，可以實現(xiàn)配網(wǎng)GIS 功能。

3.1 搭建Google Maps 開發(fā)環(huán)境

(1)加載Google Maps API

Google Maps API 是一個基于JavaScript 的類(或函數(shù))庫，在訪問頁面頭部必須嵌入以下腳本:

其中KEY 是申請的密鑰。

(2)建立配網(wǎng)GIS 對象模型

配網(wǎng)GIS 中對象繼承自Google Maps 的疊加對象，見圖2，在本文實例中還使用到兩個擴展庫:

(a)Prototype :一套對JavaScript 的擴展類庫［7］。

(b)DGridline:

GoogleMapAPI 沒有虛線的畫法，使用此擴展表示電纜線［8］。

(3)安裝SVG 控件

圖2 基于Google Maps 的GIS 應(yīng)用對象構(gòu)架圖Fig．2 Object diagram of the GIS application on Google Maps

開關(guān)站、環(huán)網(wǎng)柜、電纜分支箱內(nèi)部接線的顯示和操作，使用到SVG 控件，通過安裝Adobe 公司的SVG Viewer 即可，也可用于VML 技術(shù)表示主接線［9］。

(4)調(diào)試工具

調(diào)試工具采用Microsoft Visual Studio JavaScript調(diào)試功能。

3.2 配網(wǎng)GIS 基本功能的實現(xiàn)

(1)加載地圖

檢查瀏覽器的兼容性后直接調(diào)用GMap2 在頁面上創(chuàng)建地圖對象，然后把各種疊加對象加載到系統(tǒng)中。

(2)疊加元件

把配電網(wǎng)的元件疊加到地圖上，見本文2.1。因配電網(wǎng)應(yīng)用元件與地圖API 提供的基本元件目標(biāo)不同，對其進(jìn)行了擴展。DGridMarker 是各種設(shè)備元件基類，是對GMarker 對象的繼承［10］，使用原型繼承方式。

(3)疊加線路

Google Maps API 本身的線形非常單調(diào)簡單，沒有虛線，無法表現(xiàn)配電網(wǎng)電纜線路，因此采用繼承自GPolyline 的擴展類DGridline 實現(xiàn)虛線，表現(xiàn)線路類型(電纜、架空)、運行狀態(tài)(帶電、檢修、在建等)，見圖3。

(4)為對象添加偵聽事件

由于對每一類元件對象，操作事件響應(yīng)的結(jié)果不同，例如對線路，通過點擊看到本線路的類型、長度、帶電狀態(tài)、當(dāng)前負(fù)荷、上下級桿塔編號等。

設(shè)備和線路響應(yīng)的事件有鼠標(biāo)移入、移出、點擊3 個事件。

圖3 同塔(井)多線路的處理Fig．3 Measurement of multi-line on the single pole (or well)

設(shè)備鼠標(biāo)移入的偵聽事件表現(xiàn)為:當(dāng)鼠標(biāo)放到設(shè)備上面時，圖標(biāo)跳起、文字變大、文字變?yōu)榧t色，以醒目顯示本設(shè)備被選中。

線路響應(yīng)事件鼠標(biāo)移入事件，表現(xiàn)為整回線路變粗，醒目的顯示本回線路所有的走向，在有實時設(shè)備狀態(tài)時，可以看到本出線的帶電(紅色)、停電(綠色)狀態(tài)。

鼠標(biāo)放到環(huán)網(wǎng)柜圖標(biāo)上，圖標(biāo)跳躍，且以鮮明顏色顯示環(huán)網(wǎng)柜名稱，點擊則進(jìn)一步擴展一個多頁面信息浮窗見圖4 。

圖4 配網(wǎng)GIS 線路及環(huán)網(wǎng)柜內(nèi)部主接線圖Fig．4 Single line diagram of the ring grid cabinet and the distribution grid line

(5)其他實現(xiàn)細(xì)節(jié)

(a)配電網(wǎng)設(shè)備數(shù)量龐大(如桿塔)，不能同時在圖面上顯示，應(yīng)把不同類型設(shè)備歸到不同圖層，不同放大等級，顯示不同設(shè)備層，否則運行效率低，在縮小到全圖后設(shè)備密集，不可辨識。

(b)為了顯示同塔多回線路，在兩回路經(jīng)緯度完全相同時，采用了強制布局標(biāo)志，如圖3，這樣1 號井與3 號井之間多回路電纜才不會由于兩點經(jīng)緯度的相同重合。

(c)在設(shè)備上點擊(如環(huán)網(wǎng)柜)，彈出信息窗口，顯示本環(huán)網(wǎng)柜的內(nèi)部接線圖，地理位置、設(shè)備參數(shù)(不同頁箋)，如圖4。主接線圖的顯示采用了SVG 格式，每一個環(huán)網(wǎng)柜和分支箱內(nèi)部的接線圖都以獨立的文件存儲，這樣在與應(yīng)用接口時滿足IEC61970/61968 對主接線文件的要求，可以在不同系統(tǒng)中的交互，滿足互聯(lián)網(wǎng)圖形標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展趨勢。

4 需完善的工作及存在的問題

4.1 采用XML 數(shù)據(jù)庫

本文案例是通過JavaScript 多維數(shù)組文件形式來組織數(shù)據(jù)的，在實際應(yīng)用中應(yīng)該采用XML 格式存儲，支持多種訪問方式，增加代碼通用性［11］。數(shù)據(jù)庫包括:地理位置數(shù)據(jù)庫、設(shè)備資產(chǎn)數(shù)據(jù)庫、實時數(shù)據(jù)庫、拓?fù)潢P(guān)系庫［12］等。

4.2 服務(wù)器端開發(fā)

本文的代碼全部是JavaScript 完成的，配電網(wǎng)應(yīng)用需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)庫交互功能，實際應(yīng)用中必須借助ASP．net 開發(fā)工具來進(jìn)行后臺數(shù)據(jù)庫復(fù)雜交互功能的應(yīng)用開發(fā)。

4.3 方便的維護(hù)工具

設(shè)備地理信息系統(tǒng)采集后，因許多設(shè)備地理坐標(biāo)是完全相同的，為了在地圖上布置，可能需要少許調(diào)整，特別是同塔多回架空線、同溝多回電纜，調(diào)整后美觀清晰，這樣就需要一個工具(類似ArcEditor)按照所見即所得的方式調(diào)整并且存儲，需要完成:

(1)獲取原始的設(shè)備、線路坐標(biāo)并顯示。

(2)所見即所得調(diào)整設(shè)備、線路的位置和走向，編輯設(shè)備、線路屬性。

(3)生成調(diào)整后的坐標(biāo)并存儲為XML 數(shù)據(jù)格式。

(4)繪制主接線圖并存儲為SVG 格式。

4.4 采用開放式地圖平臺的問題

(1)開放與安全問題

根據(jù)國家規(guī)定，電力二次系統(tǒng)依據(jù)安全等級劃分為生產(chǎn)控制大區(qū)和管理信息大區(qū)［13］。生產(chǎn)控制大區(qū)分為:實時控制區(qū)(Ⅰ區(qū))、非控制生產(chǎn)區(qū)(Ⅱ區(qū));管理信息大區(qū)分為:生產(chǎn)管理區(qū)(Ⅲ區(qū))、管理信息區(qū)(Ⅳ區(qū))。生產(chǎn)控制大區(qū)與管理信息大區(qū)之間不允許直接通信，必須通過相關(guān)檢測機構(gòu)認(rèn)證的物理隔離裝置，而物理隔離裝置對互聯(lián)網(wǎng)是完全隔絕的。按照相關(guān)規(guī)定，管理信息大區(qū)，允許通過防火墻與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行有限制的鏈接，例如用電管理的客戶服務(wù)模塊就有這種需求，配網(wǎng)GIS 也屬于這個大區(qū)，所以只要防火墻的技術(shù)措施合理，開放式地圖平臺就不會對電網(wǎng)安全構(gòu)成威脅。

(2)數(shù)據(jù)一致性及維護(hù)問題

開放地圖基礎(chǔ)地形數(shù)據(jù)更新是由基礎(chǔ)地圖提供服務(wù)商在后臺來完成的，使用用戶幾乎沒有維護(hù)工作量，用戶需要維護(hù)的工作僅僅是電力設(shè)備空間數(shù)據(jù)，所以實際維護(hù)工作量比采用專用的GIS 系統(tǒng)大幅降低，見文獻(xiàn)［2］前言部分。也因此能夠保證不會出現(xiàn)基礎(chǔ)地圖的更新跟不上基建建設(shè)速度實際情況的數(shù)據(jù)不一致問題。

5 結(jié)論

從以上幾個關(guān)鍵功能的驗證可以確定，Google Maps 是完全可以適用于配電網(wǎng)GIS 應(yīng)用的。與此同時，我國也逐步放開對地圖的管制，原先作為國家機密的地圖信息逐步開放為各行業(yè)大量采用。Google Maps 開放技術(shù)已經(jīng)被相關(guān)國內(nèi)公司學(xué)習(xí)，如百度地圖、天地圖等等，百度API的接口和Google Maps API 的接口相近［14］，天地圖開發(fā)了10 類標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)接口和超過1 000 個應(yīng)用程序編程接口［15］。

采用開放式地圖平臺，讓關(guān)注配電網(wǎng)應(yīng)用的用戶不再為基礎(chǔ)地圖操心，同時獲得優(yōu)異的用戶體驗，使得GIS 平臺能夠最大程度地促進(jìn)配電網(wǎng)各項業(yè)務(wù)的深度應(yīng)用。

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