基于GIS的電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)運(yùn)行案例分析

俞亮

摘 要：本文基于筆者多年從事GIS技術(shù)應(yīng)用的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)，以三維GIS技術(shù)在電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了面向電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的三維GIS可視化系統(tǒng)，結(jié)合案例對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行了分解，詳細(xì)分析了系統(tǒng)運(yùn)行的作業(yè)流程，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：三維GIS 電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì) 可視化系統(tǒng) 作業(yè)流程

中圖分類號(hào)：TP315 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）06（b）-0000-00

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， 地理信息系統(tǒng)（Geographic Information System ， 簡(jiǎn)稱GIS） 在整個(gè)電力行業(yè)中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。將GIS引入配電管理系統(tǒng)（DMS） ， 并與用電MIS， 負(fù)荷管理及SCADA 等子系統(tǒng)相結(jié)合， 為各級(jí)管理人員提供一套簡(jiǎn)單、迅速、方便的配電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)已成為現(xiàn)代電力企業(yè)提高管理水平和工作效率的有效手段。然而， 目前在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的主要還是基于二維坐標(biāo)的GIS系統(tǒng)， 其空間表現(xiàn)和分析能力都有很大的局限性。

輸電線路是位于地理空間中的人工構(gòu)建物， 其線路距離長(zhǎng)， 通過(guò)地區(qū)的地理?xiàng)l件比較復(fù)雜， 與眾多電力線路和通訊線路交叉跨越， 并且通常會(huì)通過(guò)居民區(qū)、公園和其它特殊區(qū)域。輸電線路及其桿塔位置與地理空間位置密切相關(guān)， 特別是在垂直方向上的層次信息尤為重要， 這使得二維地理信息系統(tǒng)無(wú)法達(dá)到其管理的需求。近年來(lái)， 計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的成倍提高使得三維表現(xiàn)技術(shù)日益完善， 通過(guò)這些技術(shù)， 我們能夠構(gòu)造更接近于現(xiàn)實(shí)的三維地表模型和各類設(shè)備模型， 使得GIS 系統(tǒng)從二維向三維發(fā)展。

從相關(guān)的研究來(lái)看，國(guó)內(nèi)的部分系統(tǒng)僅初步具備輸電線路可研選線、初步設(shè)計(jì)的功能，還無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)線路三維施工圖設(shè)計(jì)的功能，實(shí)現(xiàn)真正意義上的線路三維施工圖設(shè)計(jì)也是各大設(shè)計(jì)院和相關(guān)軟件公司的努力方向。從目前的計(jì)算機(jī)硬件配置、三維地理信息發(fā)展水平的角度來(lái)看，已基本具備開(kāi)展此項(xiàng)工作的條件。為進(jìn)一步拓展輸電線路三維設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，加快線路設(shè)計(jì)的自動(dòng)化、一體化進(jìn)程，提高線路勘測(cè)設(shè)計(jì)的進(jìn)度、質(zhì)量和服務(wù)水平，本文以輸電線路設(shè)計(jì)為主要出發(fā)點(diǎn)，提出了構(gòu)建輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的技術(shù)方案。

1 系統(tǒng)的構(gòu)建

1.1 開(kāi)發(fā)模式

輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)模式采用三級(jí)構(gòu)架模式：支撐采用開(kāi)放數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)GIS軟件；在此基礎(chǔ)上，采用組件式二次開(kāi)發(fā)專業(yè)作業(yè)平臺(tái)；在專業(yè)作業(yè)平臺(tái)之上，再開(kāi)發(fā)各種高級(jí)應(yīng)用。

采用這種可很好的隔離了高級(jí)和底層基礎(chǔ)平臺(tái)，減少了開(kāi)發(fā)的難度，提高系統(tǒng)對(duì)公用數(shù)據(jù)庫(kù)和基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的利用率。但對(duì)于專業(yè)作業(yè)平臺(tái)來(lái)說(shuō)，卻提出了很高的要求，它不僅和GIS專業(yè)知識(shí)有關(guān)，還需要輸電線路勘測(cè)設(shè)計(jì)的相關(guān)專業(yè)知識(shí)和技術(shù)，對(duì)輸電線路有個(gè)整體全面的了解。

1.2 軟件體系結(jié)構(gòu)

輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)推薦采用自下而上的4層次型軟件體系結(jié)構(gòu)。這種體系結(jié)構(gòu)綜合考慮了現(xiàn)有的軟硬件技術(shù)水平和系統(tǒng)需求的因素，充分體現(xiàn)了軟件體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)性和可擴(kuò)充性，是一套面向可視化輸電線路設(shè)計(jì)的、具有高重用度的軟件體系結(jié)構(gòu)。

系統(tǒng)各層功能和設(shè)計(jì)考慮如下：

（1）專業(yè)應(yīng)用層。專業(yè)應(yīng)用層構(gòu)成了輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)與用戶交互的界面，包括各種可視化的輸電線路顯示、查詢、設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)管理、圖表輸出等功能。

（2）模型對(duì)象層。主要功能是把多數(shù)據(jù)源的地理數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為單一的、綜合的、基于數(shù)據(jù)模型的對(duì)象，從而有效地解決了GIS中多數(shù)據(jù)源多數(shù)據(jù)類型的問(wèn)題。在模型對(duì)象層中，設(shè)置了代表三維場(chǎng)景中的地形、覆蓋在地形上的矢量對(duì)象（如公路、地區(qū)邊界、河流等）、立體建模的地物對(duì)象（如主要的居民地、重要的河流、輸電線路上主要的跨越和標(biāo)注等）和輸電線路上的電力器件對(duì)象（如輸電線、避雷線、桿塔和絕緣子等）。

（3）數(shù)據(jù)層。在數(shù)據(jù)層中，采用文件系統(tǒng)加關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)構(gòu)成系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，由關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理系統(tǒng)的屬性數(shù)據(jù)，由文件系統(tǒng)來(lái)管理系統(tǒng)的空間數(shù)據(jù)?？紤]到三維GIS中對(duì)空間數(shù)據(jù)查詢、顯示以及分析的特殊要求，需要對(duì)管理空間數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)采用多種形式的優(yōu)化。

（4）轉(zhuǎn)換通信層。轉(zhuǎn)換通信層包含數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和連接通信兩個(gè)子層，通信子層的設(shè)立屏蔽了各種物理通信介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的差別，為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子層提供統(tǒng)一格式的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換子層負(fù)責(zé)將不同分系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)分類、轉(zhuǎn)換、融合后上傳到數(shù)據(jù)層；通信層實(shí)現(xiàn)了與電力行業(yè)其它數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)共享。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)建原則

構(gòu)架輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)所應(yīng)遵循的原則如下：

（1）系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

C/S（Client/Server）和B/S（Browser/Server）是開(kāi)發(fā)模式架構(gòu)的兩大主流技術(shù)。C/S結(jié)構(gòu)可以充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢(shì)，將任務(wù)合理分配到Client端和Server端來(lái)實(shí)現(xiàn)，降低了系統(tǒng)的通訊開(kāi)銷；B/S結(jié)構(gòu)用戶工作界面通過(guò)WWW瀏覽器實(shí)現(xiàn)，極少部分事務(wù)邏輯在瀏覽器實(shí)現(xiàn)，但是主要事務(wù)邏輯在服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)遵循 B/S和 C/S相結(jié)合原則，以便充分發(fā)揮兩類架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

（2）穩(wěn)定可靠

穩(wěn)定性、可靠性是對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的最基本的要求。作為大型的信息系統(tǒng)，輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)通信復(fù)雜，一旦發(fā)生丟失或者系統(tǒng)崩潰將會(huì)造成嚴(yán)重的損失、浪費(fèi)大量的人力物力，甚至?xí)绊懻５纳a(chǎn)活動(dòng)，所以要充分考慮系統(tǒng)的各個(gè)方面，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）可擴(kuò)展性原則

輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)投資巨大、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，較短的開(kāi)發(fā)周期內(nèi)難以達(dá)到預(yù)想的功能要求，如何保證這些人力物力的可持續(xù)性利用，保證系統(tǒng)能夠適應(yīng)組織機(jī)構(gòu)調(diào)整、適應(yīng)新增的功能需求、適應(yīng)因流程重組而帶來(lái)的需求變化也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)中的一個(gè)指導(dǎo)思想。

（4）運(yùn)行高效

如果運(yùn)行效率低下，即使系統(tǒng)功能建設(shè)非常完善，最終也無(wú)法實(shí)現(xiàn)實(shí)用化。由于輸電線路可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)量大，要確保所選擇的三維GIS平臺(tái)有良好的性能和數(shù)據(jù)加載手段；除上述手段外，還需要進(jìn)行良好的需求控制，避免系統(tǒng)功能的冗余。

（5）開(kāi)放性

輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)與其它專業(yè)軟件的平穩(wěn)“對(duì)接”，設(shè)計(jì)時(shí)就必需確保其有足夠的開(kāi)放性，具有良好的應(yīng)用編程接口和對(duì)業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的遵循，保證各模塊間相互協(xié)調(diào)處理、數(shù)據(jù)共享。

（6）開(kāi)發(fā)期的系統(tǒng)投資重點(diǎn)

本系統(tǒng)總體投資較大，但GIS軟件平臺(tái)和二次開(kāi)發(fā)所占的費(fèi)用相對(duì)較少，但作為影響系統(tǒng)性能較為關(guān)鍵因素，決定著系統(tǒng)的可用性和實(shí)用性，系統(tǒng)一旦建成后便難以更換平臺(tái)或重新進(jìn)行整體開(kāi)發(fā)。因此在構(gòu)建系統(tǒng)前應(yīng)進(jìn)行大量的調(diào)研工作，并加大對(duì)軟件平臺(tái)和二次開(kāi)發(fā)的預(yù)期投入。各種專題信息及地理數(shù)據(jù)所占的投資較高，但在系統(tǒng)開(kāi)發(fā)或調(diào)試期間利用率較低，其有效性又極容易失時(shí)，因此建議分步展開(kāi)地理數(shù)據(jù)的采購(gòu)和各種專題信息制作。

（7）GIS系統(tǒng)的選用

建設(shè)輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是一個(gè)投入大、時(shí)間長(zhǎng)的過(guò)程，這要求平臺(tái)供應(yīng)商對(duì)用戶的應(yīng)用系統(tǒng)提供長(zhǎng)期的支持和維護(hù)。另外，由于系統(tǒng)所包含的內(nèi)容非常龐雜，技術(shù)涉及面廣，應(yīng)該采用具有廣大用戶群的GIS產(chǎn)品，從而在技術(shù)支持、產(chǎn)品的穩(wěn)定性和產(chǎn)品的升級(jí)換代等方面得到保證。

2 GIS數(shù)據(jù)

2.1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

地球表面的自然地物和人文地物形狀各異、錯(cuò)綜復(fù)雜、關(guān)系密切，經(jīng)過(guò)抽象簡(jiǎn)化，地球表面的地物可以用下面四大類數(shù)據(jù)來(lái)表達(dá)：

（1）數(shù)字線劃數(shù)據(jù)（DLG）：DLG作為大多數(shù)的GIS最為常見(jiàn)的核心數(shù)據(jù)形式，用抽象的圖形表達(dá)地理空間的實(shí)體，非常適合于計(jì)算機(jī)的表達(dá)。（2）影像數(shù)據(jù)：影像數(shù)據(jù)包括遙感影像和航空影像。由于影像數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)源豐富，生產(chǎn)效率高，并且直觀而詳細(xì)地記錄了地表的自然現(xiàn)象，因此影像數(shù)據(jù)在現(xiàn)代GIS中起越來(lái)越重要的作用。（3）數(shù)字高程模型（DEM）：DEM在GIS中已經(jīng)作為專門空間數(shù)據(jù)來(lái)采集，DEM的精度已經(jīng)逐步成為衡量一個(gè)地理信息系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。（4）屬性數(shù)據(jù)：GIS的空間查詢、空間分析都離不開(kāi)屬性數(shù)據(jù)的支持。正是因?yàn)镚IS存儲(chǔ)了圖形和屬性數(shù)據(jù)，才使GIS內(nèi)容豐富、應(yīng)用廣泛。

GIS數(shù)據(jù)可以由野外數(shù)據(jù)采集、地圖數(shù)字化、攝影測(cè)量、遙感圖像處理等多種方式獲取，在構(gòu)建本系統(tǒng)時(shí)應(yīng)綜合利用以上獲取手段，依據(jù)所要解決問(wèn)題的選擇數(shù)據(jù)獲取手段。對(duì)于輸電線路核心區(qū)域可利航空影像經(jīng)處理生成DEM及DOM等基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，對(duì)于規(guī)劃走廊可購(gòu)買相關(guān)區(qū)域高分辨遙感衛(wèi)星影像經(jīng)遙感軟件處理獲取三維GIS系統(tǒng)所需的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)。

2.2 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅要有輸變電設(shè)備的坐標(biāo)、高程信息，還應(yīng)具有各設(shè)備的空間形狀和各種屬性信息。輸變電數(shù)據(jù)包括電廠升壓站、變電、輸電設(shè)備的數(shù)據(jù)等。電廠升壓站：電廠的名稱、類型、用途、所在地，升壓站構(gòu)架的三維模型、經(jīng)緯度坐標(biāo)和高程；變電數(shù)據(jù)：變電站和開(kāi)關(guān)站的名稱、電壓等級(jí)、性質(zhì)、所在地及全景三維模型，構(gòu)架經(jīng)緯度坐標(biāo)、高程、間隔名稱和相序；輸電設(shè)備：輸電線路名稱、編號(hào)、回路數(shù)、設(shè)計(jì)氣象條件、污區(qū)等線路屬性，所有輸電桿塔的三維實(shí)體模型、具體塔位定位坐標(biāo)、高程，絕緣子金具串三維實(shí)體和各種屬性信息，導(dǎo)、地線類型、結(jié)構(gòu)、安全系數(shù)和控制導(dǎo)、地線架線的各種屬性信息。

對(duì)于已有竣工圖資料的線路，可結(jié)合桿塔明細(xì)表中的桿塔、呼高、轉(zhuǎn)角度數(shù)、檔距、絕緣串型等信息，并通設(shè)定線路起止端的塔位坐標(biāo)將線路一次性導(dǎo)入系統(tǒng)。對(duì)于竣工圖資料不全的線路，可通過(guò)外業(yè)數(shù)據(jù)采集，用手持GPS采集構(gòu)架、桿塔等坐標(biāo)，由于此方法耗時(shí)耗力，又無(wú)法直接獲取桿塔高度和導(dǎo)線等屬性信息，故不建議在設(shè)計(jì)院大面積推廣。

3 系統(tǒng)功能用例

3.1 基本功能模塊

輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體功能模塊包括三維基本功能、歸檔信息查詢、輔助設(shè)計(jì)功能、數(shù)據(jù)更新維護(hù)和權(quán)限安全管理等。

3.2 三維高級(jí)功能

（1）智能規(guī)劃、選線通過(guò)建立矢量地理信息、設(shè)置障礙物緩沖半徑，系統(tǒng)可自動(dòng)優(yōu)選出若干條線路路徑，分析輸電線路對(duì)耕地、村鎮(zhèn)和廠礦影響，且在交互設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)控制線路走向的不良地質(zhì)、特殊地質(zhì)等災(zāi)害性地質(zhì)或重點(diǎn)設(shè)施等必須繞避的控制點(diǎn)發(fā)出警告信息等。

（2）二、三維聯(lián)動(dòng)智能排塔定位：系統(tǒng)開(kāi)發(fā)獨(dú)立的排塔定位模塊，要求系統(tǒng)可以在三維場(chǎng)景、二維平面和排塔定位模塊等3個(gè)窗口上聯(lián)動(dòng)操作；在給定導(dǎo)、地線型號(hào)及安全系數(shù)、電壓等級(jí)后，通過(guò)一定的人工干預(yù)（如設(shè)定經(jīng)濟(jì)檔距范圍、增加跨越點(diǎn)、特殊地形強(qiáng)制立塔等），系統(tǒng)可根據(jù)桿塔使用條件、地形特征進(jìn)行智能排塔定位。

（3）走廊范圍內(nèi)三維場(chǎng)景快速建模：排塔定位模塊的平斷面地物與三維場(chǎng)景相關(guān)聯(lián)，即通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪和終勘定位后，線路走廊范圍內(nèi)的房屋、橋梁等可以作為矢量立方體直接讀取到三維場(chǎng)景，以便進(jìn)行空間測(cè)量。

（4）相關(guān)電氣計(jì)算及校驗(yàn)：電氣計(jì)算及校驗(yàn)包括：“交叉跨越距離驗(yàn)算”、“桿塔中心位移”、“雙聯(lián)懸垂串長(zhǎng)調(diào)整計(jì)算”、“雙回路塔調(diào)整板計(jì)算”、“導(dǎo)線風(fēng)偏對(duì)障礙物距離驗(yàn)算”、“耐張塔跳線計(jì)算”、“直線塔導(dǎo)線風(fēng)偏計(jì)算”等。

（5）三維金具組裝設(shè)計(jì)與制圖：在三維實(shí)體中對(duì)各種金具串進(jìn)行組裝、拆分等逼真模擬，可進(jìn)行絕緣子串材料的耗量統(tǒng)計(jì)及金具零件查看、編輯功能，能完成材料統(tǒng)計(jì)、重量計(jì)算、尺寸計(jì)算、三維標(biāo)注及任意角度顯示及三維打印出圖等項(xiàng)工作，同時(shí)也可以輸出二維金具組裝施工圖；允許對(duì)金具組裝數(shù)據(jù)庫(kù)和圖形文件的內(nèi)容隨時(shí)進(jìn)行修改和補(bǔ)充，對(duì)金具部件的部分信息編輯等項(xiàng)工作。

4 系統(tǒng)運(yùn)行的作業(yè)流程

4.1 施工圖設(shè)計(jì)流程

圖1為施工圖設(shè)計(jì)階段線路設(shè)計(jì)人員的主操作流程，設(shè)計(jì)人員由項(xiàng)目經(jīng)理指任，主作業(yè)流程的所有數(shù)據(jù)均存放于系統(tǒng)服務(wù)器中，同時(shí)系統(tǒng)允許將數(shù)據(jù)由服務(wù)器下載到本地計(jì)算機(jī)，以用于脫機(jī)工作或本地備份。

圖1 施工圖設(shè)計(jì)流程

4.2 竣工圖設(shè)計(jì)流程

圖2為竣工圖設(shè)計(jì)階段線路設(shè)計(jì)人員的主操作流程，主作業(yè)流程的所有數(shù)據(jù)均存放于系統(tǒng)服務(wù)器中。

圖2 竣工圖設(shè)計(jì)流程

5 結(jié)語(yǔ)

輸電線路三維可視化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)的研究方向和適用范圍包括輸電線路項(xiàng)目的設(shè)計(jì)資料檢索、前期路徑初選、可行性研究、初步設(shè)計(jì)，積極探索線路三維施工圖設(shè)計(jì)和數(shù)字化移交的深度應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)真正意義上的線路三維施工圖設(shè)計(jì)無(wú)成功先例和經(jīng)驗(yàn)可循，具體實(shí)施時(shí)難度較大，存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，本方案可分階段實(shí)施，但在系統(tǒng)必須留有擴(kuò)展能力，為后期實(shí)現(xiàn)全部功能創(chuàng)造條件；由于本系統(tǒng)的信息量大，而大部分基礎(chǔ)測(cè)繪成果屬于國(guó)家秘密，高精度的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)會(huì)不同程度地增加失、泄密風(fēng)險(xiǎn)，因此建議盡量避免集成平臺(tái)中涉及涉密的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，并加強(qiáng)基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)的保密管理。

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