基于GIS 的電力通信線路管理系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用

陳海宏，張 靜，萬書亭

（1.蒼南電力有限責(zé)任公司，溫州325802；2.華北電力大學(xué)機(jī)械系，保定071003）

電力特種光纜以其容量大、抗干擾能力強(qiáng)、保密性好等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)通信中的應(yīng)用越來越廣泛，據(jù)統(tǒng)計，電力系統(tǒng)目前鋪設(shè)了近幾十萬千米的光纖線路。隨著電力通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，依靠人工處理通信線路資源和實行動態(tài)管理，己經(jīng)越來越不能適應(yīng)線路設(shè)備量大、種類多、變化快、管理復(fù)雜的要求，而且電力光纖一旦出現(xiàn)故障，就會引起通信中斷，特別是繼電保護(hù)業(yè)務(wù)中斷，可能引起電網(wǎng)事故，造成重大損失。建立電力通信線路管理系統(tǒng)對電力企業(yè)通信設(shè)備與線路的管理、規(guī)劃和光纖故障的及時搶修具有深遠(yuǎn)影響。

科學(xué)有效地建立電力通信線路管理系統(tǒng)成為電力行業(yè)自動化深入發(fā)展的重要課題?；诘乩硇畔⑾到y(tǒng)GIS（geographical information system）的電力通信線路管理系統(tǒng)將使我國電力行業(yè)自動化上升到一個更高的臺階。地理信息系統(tǒng)是專門管理具有地理坐標(biāo)的空間數(shù)據(jù)的計算機(jī)系統(tǒng)，它在數(shù)據(jù)綜合、地理模擬和空間分析能力等方面有很大的優(yōu)勢，可以使得電力通信線路信息表現(xiàn)的更加直觀形象，提高光纖線路的維護(hù)效率。GIS 在配電網(wǎng)規(guī)劃與調(diào)度、輸電線路的巡檢和電網(wǎng)設(shè)計與規(guī)劃等方面有廣泛應(yīng)用，但基于GIS 的電力通信線路管理系統(tǒng)的研究很少。

在電力系統(tǒng)GIS 管理系統(tǒng)的研究中，文獻(xiàn)[1-4]具有代表性。文獻(xiàn)[1]以地理信息系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用模塊化思想，設(shè)計了電網(wǎng)規(guī)劃輔助決策系統(tǒng)，有效地提高了規(guī)劃工作的科學(xué)性、實用性和高效性，但系統(tǒng)沒有最優(yōu)路徑規(guī)劃的模塊；文獻(xiàn)[2]探討了GIS 在通信領(lǐng)域應(yīng)用的發(fā)展，重點介紹了GIS 在通信光纖維護(hù)和光纖選線輔助決策方面的應(yīng)用，但沒有突出電力通信光纖的特點；文獻(xiàn)[3]建立了基于網(wǎng)絡(luò)GIS 的新型電能質(zhì)量監(jiān)測評估系統(tǒng)，實現(xiàn)了電能質(zhì)量的動態(tài)管理，對應(yīng)用GIS 平臺開發(fā)電力通信線路管理系統(tǒng)有一定的參考價值；文獻(xiàn)[4]重點闡述了光纜監(jiān)測系統(tǒng)和光纜資源管理系統(tǒng)在唐山電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用，但文中沒有涉及到電力光纖的規(guī)劃。雖然現(xiàn)在市場上有比較成熟的通信資源管理系統(tǒng)軟件，但這些軟件都是適用于電信網(wǎng)絡(luò)的通信資源管理，由于在資源管理對象、系統(tǒng)接口和業(yè)務(wù)流程的差異，使得開發(fā)一套基于GIS的電力通信線路管理系統(tǒng)，對進(jìn)一步提高電力通信光纖的管理、規(guī)劃和故障及時搶修的能力有很大的意義。

1 電力通信線路GIS 管理系統(tǒng)開發(fā)與實現(xiàn)

利用Internet 在Web 上發(fā)布和應(yīng)用空間數(shù)據(jù)，為網(wǎng)絡(luò)用戶提供空間數(shù)據(jù)的瀏覽、查詢與分析等功能，已經(jīng)成為GIS 發(fā)展的一種趨勢。WebGIS 就是將Internet 技術(shù)應(yīng)用于GIS 開發(fā)的產(chǎn)物，它具有空間數(shù)據(jù)共享和互操作、分布式服務(wù)體系和數(shù)據(jù)更新維護(hù)方便等優(yōu)點。系統(tǒng)采用先進(jìn)的瀏覽器/服務(wù)器技術(shù)，運用WebGIS 技術(shù)實現(xiàn)對電力通信設(shè)備和光纖的空間管理和可視化分析，以及為線路故障搶修提供最優(yōu)路徑的決策支持。

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以B/S 方式運行，這種計算模式能靈活高效地尋求計算負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)流量負(fù)載在服務(wù)器端和客戶端的合理分配。系統(tǒng)核心層采用三層結(jié)構(gòu)，大大減少了服務(wù)器的負(fù)擔(dān)，并且通過服務(wù)器負(fù)載均衡的技術(shù)解決了多用戶同時運行的瓶頸問題。三層結(jié)構(gòu)包括客戶端、Web 服務(wù)器和GIS 服務(wù)器、空間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器?？蛻舳耸怯脩襞c整個系統(tǒng)的接口，用于數(shù)據(jù)結(jié)果的顯示和用戶請求的提交；Web服務(wù)器和GIS 服務(wù)器啟動相應(yīng)的代碼來響應(yīng)和處理用戶的請求；空間數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用于空間數(shù)據(jù)的操作管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Fig.1 Structure of system

1.2 開發(fā)工具

本系統(tǒng)基于模型視圖控制器MVC（model view controller） 架構(gòu)，使用以互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)IIS（internet information services）為基礎(chǔ)的動態(tài)服務(wù)器頁面ASP（active server page）進(jìn)行開發(fā)，中間件采用MapInfo MapXtreme 3.0 和ASPGrid 3.0，服務(wù)器端使用VBScript 腳本語言， 客戶端使用JAVAScript 腳本語言。選用Oracle 9i 作為后臺數(shù)據(jù)庫存儲空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，它的Spatial 模塊可以實現(xiàn)空間幾何數(shù)據(jù)的相關(guān)存儲、地理信息數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的集中式管理以及海量GIS 數(shù)據(jù)的存儲與檢索[6]。

1.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

地圖底圖使用mapinfo TAB 表格保存數(shù)據(jù)，但底圖數(shù)據(jù)是不可修改的，根據(jù)底圖生成的地圖集文件（Geoset）保存在服務(wù)器端。地圖業(yè)務(wù)層使用mapinfo TAB 表格和Oracle spatial 格式保存數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行修改。系統(tǒng)通過自動控制可以實現(xiàn)多用戶并行操作。為了確保業(yè)務(wù)地圖數(shù)據(jù)的安全，在Oracle 數(shù)據(jù)中建立矢量數(shù)據(jù)表備份和維護(hù)所有業(yè)務(wù)的矢量數(shù)據(jù)，并充當(dāng)GIS 和管理信息系統(tǒng)MIS（management information system）的關(guān)系對應(yīng)表，提供一定程度的數(shù)據(jù)冗余，確保系統(tǒng)和MIS 系統(tǒng)的松耦合。同時，為了提高GIS 地圖的響應(yīng)速度，地圖底圖使用逐級縮放顯示的方案。

2 電力通信線路GIS 管理系統(tǒng)功能

將此系統(tǒng)應(yīng)用于蒼南電力有限責(zé)任公司，取到很好的效果，并且由于該系統(tǒng)具有功能完善、安全可靠、界面友好、使用方便等特點，可在其他供電企業(yè)中得到較好的推廣應(yīng)用。按功能的不同，電力通信線路GIS 管理系統(tǒng)可分為圖層管理、圖形顯示、設(shè)備查詢和管理等，如圖2 所示。電力通信線路管理系統(tǒng)的地圖顯示界面如圖3 所示。

2.1 圖層管理

圖2 電力通信線路管理系統(tǒng)主要功能Fig.2 Main functions of electric power communication line management system

圖3 電力通信線路管理系統(tǒng)的地圖顯示界面Fig.3 Map display interface of electric power communication line management system

系統(tǒng)對不同類別的圖形元素實行圖層管理，便于對不同圖元的屏蔽。線路和設(shè)備分別在獨立圖層顯示，這樣可為用戶提供靈活的地圖顯示內(nèi)容搭配。線路圖層是其他設(shè)備圖層的基礎(chǔ)，它采用單線表示，主干線路和分支線路使用不同的顏色和樣式顯示。系統(tǒng)提供完善的業(yè)務(wù)圖形信息的編輯工具，包括線路和其他設(shè)備的添加、刪除和移動操作都是在圖層管理的基礎(chǔ)上建立起來的。圖層控制窗口如圖4 所示。

2.2 圖形顯示

系統(tǒng)具備“鷹眼”功能，可同時顯示全景窗口和局部窗口。在局部區(qū)域圖和全景圖上可以方便實現(xiàn)縮放和移動功能，便于直觀了解全局和局部的關(guān)系。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力通信線路、設(shè)備及其標(biāo)注的關(guān)聯(lián)，可查閱隱性關(guān)聯(lián)關(guān)系。在相應(yīng)圖元的右鍵菜單中，可方便地了解通信線路、設(shè)備的基本情況，通過簡單操作可以在圖形上完成線路和設(shè)備的追加、插入、刪除和移動的操作。用鼠標(biāo)沿著地圖上某條線路畫一條直線，系統(tǒng)將沿著與該直線垂直的方向繪出對應(yīng)范圍內(nèi)的線路斷面圖，更加直觀地展示通信線路的實際情況。

2.3 設(shè)備查詢和管理

系統(tǒng)可以實現(xiàn)不同通信線路和設(shè)備的統(tǒng)計查詢、定位查詢和測距查詢功能，同時可以將查詢結(jié)果直接在界面上顯示。光纖通信網(wǎng)、節(jié)點、線路、接頭、桿塔、交跨點都可以在設(shè)備查詢中找到。為了方便光纖通信網(wǎng)的維修和管理，系統(tǒng)具有光配表示表維護(hù)和檢修記錄功能。同時，系統(tǒng)還能實現(xiàn)架空線路、管道、復(fù)合地線、接續(xù)盒、預(yù)留線、芯數(shù)、占用率、中繼等通信線路及線路上設(shè)備的檔案管理。

統(tǒng)計分析是系統(tǒng)的一個重要功能。通過及時地掌握光纖通信網(wǎng)的整體動態(tài)和歷史信息，更加有效地對電力通信線路進(jìn)行管理。系統(tǒng)可以實現(xiàn)光纖線路數(shù)據(jù)、類型、運行率、檢修次數(shù)和運營期限的統(tǒng)計分析。圖5 為光纖線路數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。

圖5 光纖線路數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Fig.5 Data statistical table of cable line

3 電力通信線路最優(yōu)路徑規(guī)劃算法

從網(wǎng)絡(luò)模型的角度看，最佳路徑求解就是在網(wǎng)絡(luò)中兩個結(jié)點間找到一條阻礙強(qiáng)度最小的路徑[5]。最優(yōu)路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)分析，系統(tǒng)通過對MapInfo 的TAB 格式的數(shù)據(jù)文件進(jìn)行拓?fù)湫畔⑻崛『途W(wǎng)絡(luò)分析，為最優(yōu)路徑規(guī)劃提供必要的基礎(chǔ)。電力搶修模塊綜合利用全球定位系統(tǒng)GPS（global positioning system）、GIS 和無線通信技術(shù)，巡檢人員通過移動GIS 設(shè)備將光纖故障的具體位置在系統(tǒng)界面上標(biāo)示出來，同時系統(tǒng)對裝有GPS 的電力通信線路搶修調(diào)度車輛進(jìn)行定位，通過車載無線通信系統(tǒng)，將信息傳送到服務(wù)中心，信息中心把搶修車輛的位置顯示在服務(wù)中的系統(tǒng)界面上。服務(wù)中心系統(tǒng)軟件根據(jù)故障地點和搶修車輛位置，計算出各條道路的權(quán)值，使用A*算法，智能生成搶修調(diào)度車輛的最優(yōu)路徑，并將最優(yōu)路徑通過無線通信系統(tǒng)傳送到搶修車輛上，從而實現(xiàn)對電力通信線路故障的及時搶修。本文重點介紹A*算法及其實現(xiàn)過程。搶修車調(diào)度流程如圖6 所示。

圖6 搶修車調(diào)度流程Fig.6 Flow chart of rescue vehicle dispatch

3.1 A*算法在電力通信線路管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

A*算法是一種以Dijkstra 算法為基礎(chǔ)的啟發(fā)式搜索算法，啟發(fā)式搜索優(yōu)先搜索具有特定信息節(jié)點，選擇可能性最大的節(jié)點作為下一個搜索節(jié)點，提高了搜索效率。A*算法搜索過程中，在選擇下一個搜索節(jié)點時，引入地理信息系統(tǒng)中的空間數(shù)據(jù)，對于待搜索節(jié)點距目標(biāo)點的距離進(jìn)行評估，作為評價該節(jié)點屬于最優(yōu)路徑節(jié)點可能性的評價指標(biāo)[6]。

A*算法為待搜索節(jié)點引入估計函數(shù)

式中：樣f（n）為節(jié)點n 從起始節(jié)點到目標(biāo)節(jié)點的估價值；g（n）（深度因子）為從初始節(jié)點到n 節(jié)點最優(yōu)路徑的實際代價；h（n）（啟發(fā)因子）為從n 到目標(biāo)節(jié)點最佳路徑的估計代價。

Nilsson 等[7]通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)搜索圖中每個節(jié)點的后續(xù)節(jié)點是有限的，節(jié)點的h（n）是可接納的，節(jié)點和節(jié)點之間的代價都大于某個確定的正數(shù)，就可以保證通過A*算法總能找到搜索圖中的最優(yōu)路徑。

h（n）的選取對A*算法至關(guān)重要，只有它滿足不能大于節(jié)點到終點的實際最短距離這一相容性條件時，故障搶修最優(yōu)路徑問題才能找到最優(yōu)解。本系統(tǒng)選擇電力通信線路搶修調(diào)度車位置和故障點的直線距離作為h（n）的估計參數(shù)，滿足相容性條件。

3.2 A*算法在電力通信線路管理系統(tǒng)中的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的是矢量地圖，它具有數(shù)據(jù)量小、可隨意縮放和便于更新等特點。矢量地圖可以看成是以點、線、面以及它們的屬性數(shù)據(jù)構(gòu)成的集合。系統(tǒng)設(shè)計了地圖矢量庫和地圖數(shù)據(jù)庫，地圖矢量庫用來存儲地圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系，分為節(jié)點數(shù)據(jù)和弧數(shù)據(jù)，地圖數(shù)據(jù)庫用來保存幾何對象的屬性數(shù)據(jù)，兩個數(shù)據(jù)庫可以通過幾何對象的索引號建立關(guān)聯(lián)。地圖矢量庫中的節(jié)點數(shù)據(jù)和弧數(shù)據(jù)正好與A*算法相關(guān)聯(lián)，因此，A*算法主要涉及地圖矢量庫?？蓪⑹噶康貓D中的節(jié)點和弧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)定義如下。

節(jié)點的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

所有節(jié)點和弧都有唯一的ID 號。節(jié)點和弧的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分別包含對方的信息，生成節(jié)點和弧相互連通的拓?fù)潢P(guān)系。通過對道路網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點和弧進(jìn)行定義，構(gòu)建矢量地圖數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ?。這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義方法不僅使得矢量地圖的存儲量較小，同時為基于A*算法的最優(yōu)路徑規(guī)劃提供必要的基礎(chǔ)。A*算法的主要搜索過程。

創(chuàng)建兩個表，OPEN 表保存所有已生成但未搜索的節(jié)點，CLOSED 表中記錄已訪問過的節(jié)點。遍歷當(dāng)前節(jié)點n 的各個鄰接節(jié)點，將n 節(jié)點放入CLOSED 表中，取n 節(jié)點的子節(jié)點Y，計算Y 的估價值。

通過A*算法的搜索，將搜索到的最優(yōu)節(jié)點在地圖上顯示并連接起來，直觀的展示從線路故障點和離故障點最近的搶修車之間的最優(yōu)路徑，同時通過無線傳輸將最優(yōu)路徑發(fā)送到搶修車輛上，提高了電力通信線路的故障搶修效率。

3.3 最優(yōu)路徑規(guī)劃算法的實際應(yīng)用

將上述最優(yōu)路徑規(guī)劃算法應(yīng)用于蒼南電力公司的電力通信線路管理系統(tǒng)中，通過實踐證明，該系統(tǒng)對電力通信線路故障的及時搶修，提高搶修效率具有重要的意義。圖7 為蒼南縣龍港鎮(zhèn)的光纖發(fā)生故障時，通過定位光纖故障的具體位置、搶修車位置和最優(yōu)路徑算法，得到的光纖故障點和搶修車位置之間的最優(yōu)路徑。

圖7 最優(yōu)路徑應(yīng)用Fig.7 Application of optimal route

4 結(jié)論

（1）綜合運用WebGIS 技術(shù)與Oracle 數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)存儲與高級數(shù)據(jù)管理。

（2）通過圖層管理和模塊設(shè)計，將系統(tǒng)功能劃分為較小的單元并獨立實現(xiàn)，便于系統(tǒng)功能的維護(hù)和擴(kuò)展。

（3）將A*算法應(yīng)用于電力通信線路管理系統(tǒng)中，可以得到光纖故障搶修的最優(yōu)路徑，對提高故障搶修效率有重大的意義。

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