基于三維GIS的電網(wǎng)仿真技術(shù)研究

賈雷亮等

摘 要：將GIS引入配電管理系統(tǒng)（DMS），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，該文以基于三維GIS的電網(wǎng)仿真技術(shù)為研究對(duì)象，該文首先分析了當(dāng)前3D-GIS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)及難點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行了體系架構(gòu)并給出了功能實(shí)現(xiàn)效果，相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng) 三維GIS 仿真 體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（c）-0051-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，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。

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)能夠構(gòu)造更接近于現(xiàn)實(shí)的三維地表模型和各類三維對(duì)象模型，使得GIS系統(tǒng)從二維向三維發(fā)展。該文通過(guò)運(yùn)用三維視景仿真技術(shù)，結(jié)合面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法，提出了一種構(gòu)建二維GIS與視景仿真技術(shù)相結(jié)合的方法并研究其在電網(wǎng)GIS中的應(yīng)用前景。

鑒于二維GIS在空間表現(xiàn)和分析能力上的局限性，該文提出基于3D-GIS的實(shí)現(xiàn)思路，針對(duì)3D-GIS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)和難點(diǎn)，該文給出了3D-GIS的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)。

1 3D-GIS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)及難點(diǎn)

從二維地圖、沙盤、動(dòng)畫，到虛擬視景仿真是一個(gè)合乎人們認(rèn)識(shí)深化和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的必然結(jié)果。二維GIS經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，理論和技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用已深入到測(cè)繪、土地、環(huán)境、電力、交通等諸多領(lǐng)域，在對(duì)地理信息的分析功能上有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。一些宏觀的地理信息，一維的地理信息如河流、公路等；二維的地理信息如植被、湖泊等，在對(duì)這些地理信息的分析和處理上，比較適合采用二維GIS系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析。三維GIS系統(tǒng)是近幾年才發(fā)展起來(lái)的地理信息系統(tǒng)技術(shù)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是可以真實(shí)地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的地理信息，如地形、地貌等。利用三維GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有真實(shí)感的三維模型生成功能以及實(shí)時(shí)漫游功能等，還具有特有的三維空間分析功能。

相對(duì)于二維GIS系統(tǒng)，三維技術(shù)在電網(wǎng)GIS中的實(shí)現(xiàn)過(guò)程有著明顯的特點(diǎn)及難點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）三維虛擬地形環(huán)境是構(gòu)成三維地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)和框架，首先需要解決建立場(chǎng)景所需要的海量地形數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)問(wèn)題。如在輸電線路GIS系統(tǒng)中，一條完整的線路往往要延續(xù)幾十甚至幾百公里，這使得相應(yīng)的數(shù)字地面模型規(guī)模巨大，加上眾多的河流、道路、居民區(qū)等地表特征物模型和數(shù)以千萬(wàn)計(jì)的輸電設(shè)備模型，導(dǎo)致整個(gè)三維場(chǎng)景結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不可能將全部數(shù)據(jù)一次性地載入主內(nèi)存甚至是虛擬內(nèi)存，因此如果沒(méi)有較好的數(shù)據(jù)模型和管理策略，系統(tǒng)就難以達(dá)到預(yù)定的顯示效果，更談不上良好的交互式界面。（2）在目前的二維GIS配電網(wǎng)管理系統(tǒng)中，一般用點(diǎn)狀或線狀等抽象符號(hào)表達(dá)電力設(shè)備，無(wú)法直觀地顯示設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)和相互間的關(guān)聯(lián)性；而在三維GIS系統(tǒng)中，模擬真實(shí)的電力設(shè)備（如變壓器、桿塔、絕緣子、輸電線）是虛擬現(xiàn)實(shí)的基本要求，這使得模型變得比較復(fù)雜，甚至要進(jìn)行組合構(gòu)造。因此，選用合理的建模方式和組織方法來(lái)處理電力設(shè)備也是實(shí)現(xiàn)三維GIS系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)。（3）當(dāng)前三維GIS還存在技術(shù)上的限制，如在三維數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)量處理與存儲(chǔ)、三維可視化、三維空間分析方面還不能以較好地性價(jià)比滿足大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的需要。如果完全采用三維GIS，勢(shì)必將花費(fèi)高昂的系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用，在二維GIS能夠滿足需要的情況下，用戶沒(méi)有必要去一味追求高性能。

從前面關(guān)于三維GIS的特點(diǎn)、功能，結(jié)合在電力系統(tǒng)實(shí)施中面臨的機(jī)遇與困難，筆者認(rèn)為當(dāng)前三維GIS研發(fā)應(yīng)以開發(fā)二維為主、三維為輔的混合型GIS為主要目標(biāo)，不宜開發(fā)單純的三維GIS。

2 基于二維GIS與視景仿真技術(shù)的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)

2.1 電網(wǎng)GIS中3D-GIS的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)三維GIS的技術(shù)特點(diǎn)和線路管理的基本需求，在參考了其它一些商業(yè)GIS軟件和電網(wǎng)管理應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了該系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

由于目前還沒(méi)有比較成熟的三維空間數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案，在三維GIS系統(tǒng)中的三維模型數(shù)據(jù)（如數(shù)字地表模型、地表特征物模型及電力設(shè)備模型等）和其在三維場(chǎng)景中的方位信息及相關(guān)屬性信息往往以不同的方式存儲(chǔ)，前者一般是文件格式，無(wú)法共享，而后者可以放在通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中?？紤]到模型在場(chǎng)景中的變化主要是位置變化，為每一類設(shè)備或地物建立相應(yīng)的三維模型原形，形成模型原形庫(kù)；然后在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)為場(chǎng)景中要顯示的每個(gè)設(shè)備或其它要參與交互操作的模型個(gè)體建立一個(gè)實(shí)例，該實(shí)例從關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)中得到相應(yīng)的方位信息（如桿塔底部中心的大地坐標(biāo)）和設(shè)備屬性信息，并同時(shí)記錄著一個(gè)或多個(gè)指向三維模型原形庫(kù)中的模型索引。采用這種體系結(jié)構(gòu)，不但可以很好地保證交互式操作的要求，而且大大節(jié)約了存儲(chǔ)空間（多個(gè)實(shí)例可公用一個(gè)模型原形），使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在一定程度上可以共享。

2.2 二維、三維結(jié)合的GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及其特點(diǎn)

二維、三維結(jié)合的GIS系統(tǒng)使用戶可以在三維的空間中認(rèn)識(shí)和管理線路，它不但包含了二維GIS的AM/FM等基本功能，也使得一些依賴于高程信息的查詢和管理功能成為可能，可實(shí)現(xiàn)如下主要功能：

（1）將目標(biāo)范圍內(nèi)的地表特征和輸電網(wǎng)用三維模型形象化，并提供斷面圖、桿塔定位圖和三維立體模型圖；在三維場(chǎng)景中可進(jìn)行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等操作。（2）結(jié)合對(duì)應(yīng)的二維GIS系統(tǒng)，可在三維和二維系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互動(dòng)，即通過(guò)二維圖上的精確定位來(lái)實(shí)現(xiàn)桿塔、變壓器等設(shè)備的管理和維護(hù)。（3）通過(guò)飛行或漫游，查詢線路經(jīng)過(guò)的跨越物，并對(duì)跨越物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理。（4）通過(guò)模擬淹沒(méi)，可查詢洪水災(zāi)害對(duì)電力設(shè)備的影響。（5）能選出最佳搶修路線，以便盡快恢復(fù)供電。（6）建立三維的污區(qū)分布圖，準(zhǔn)確確定自然污穢對(duì)架空線和變電站電瓷外絕緣強(qiáng)度的影響程度。（7）通過(guò)飛行或漫游，可制定直升機(jī)巡線的飛行路線及重點(diǎn)巡視點(diǎn)。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

對(duì)于三維模型可視化及用戶交互界面開發(fā)，筆者選擇Java語(yǔ)言，該語(yǔ)言具有良好的跨平臺(tái)特性，而且?guī)缀醪挥米龈嗟墓ぷ骶涂梢砸浦驳侥壳爸髁鞯幕赪EB的應(yīng)用。這些特性將使基于Java開發(fā)的三維GIS具備了廣泛使用的基礎(chǔ)；同時(shí)Java自身也提供了支持三維圖形開發(fā)的應(yīng)用編程接口Java3D，在三維可視化引擎方面支持目前流行的OpenGL和Direct3D技術(shù)，便于三維GIS應(yīng)用開發(fā)。存儲(chǔ)二維空間數(shù)據(jù)和三維對(duì)象屬性數(shù)據(jù)采用支持空間數(shù)據(jù)管理功能的Oracle大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)。

三維模型顯示和三維場(chǎng)景中的漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等功能程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

由于二維GIS直接采用CAD的平面數(shù)據(jù)，容易獲得平面上某一點(diǎn)的GIS坐標(biāo)，通過(guò)該點(diǎn)的GIS坐標(biāo)找到三維視景的視點(diǎn)位置，就可以建立相應(yīng)的三維視景。在該實(shí)例中當(dāng)用戶需要查詢某區(qū)域三維虛擬場(chǎng)景時(shí)，可點(diǎn)擊“GIS管理”中的“三維視景仿真”，在界面中就會(huì)出現(xiàn)該區(qū)域的視景仿真界面，在三維場(chǎng)景中可進(jìn)行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等操作。

4 結(jié)語(yǔ)

該文初步討論了二維GIS和三維視景仿真技術(shù)的結(jié)合及其在電網(wǎng)管理中的應(yīng)用，兩者的有機(jī)結(jié)合使系統(tǒng)具有二維電子地圖的宏觀性、整體性、簡(jiǎn)潔性和三維虛擬場(chǎng)景的局部性、真實(shí)性的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)又克服了二維電子地圖的三維信息缺乏和三維虛擬場(chǎng)景漫游的方向迷失感，真正做到了兩者的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的飛速發(fā)展和硬件水平的不斷提高，三維GIS將是整個(gè)電力行業(yè)GIS的發(fā)展方向?，F(xiàn)實(shí)生活是一個(gè)充滿三維物體的世界，只有基于三維的GIS系統(tǒng)才能讓人們更加直觀、形象地認(rèn)識(shí)和理解地理和設(shè)備信息，從而提高管理水平和工作效率。

參考文獻(xiàn)

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