基于GIS的城市地下電力管網(wǎng)信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂衛(wèi)民 白曉龍

【摘要】 隨著城市的不斷擴(kuò)張，城市地下電力管線也變得越來越復(fù)雜，各種管線交叉與并行現(xiàn)象日益嚴(yán)重，管線規(guī)模的迅速增長，加上管理模式的滯后，使電力企業(yè)對地下電力管網(wǎng)信息管理的需求變得越來越迫切，因此建立一套基于GIS的地下電力管網(wǎng)信息系統(tǒng)顯得迫在眉睫。本文通過對地下電力管網(wǎng)現(xiàn)狀和特點(diǎn)進(jìn)行了解，從實(shí)際管理的業(yè)務(wù)需求出發(fā)，綜合運(yùn)用當(dāng)前先進(jìn)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)城市地下電力管網(wǎng)信息系統(tǒng)，對城市地下電力管網(wǎng)信息化管理提供全方位的支持。

【關(guān)鍵詞】 GIS 電力地下管網(wǎng) 信息系統(tǒng)

Design and implementation of information system for Underground Cables based on GIS

With the expanding of the city， urban underground cables are also becoming more and more complex， all kinds of pipeline crossing with parallel phenomenon is increasingly serious， the rapid growth of line scale and the lagging of management mode， make the electric power enterprise demand for underground cables network information management is becoming more and more urgent， therefore to establish a set of underground electric power pipe network information system based on GIS is imminent. This article through to the underground cables present situation and characteristics of understanding， starting from the needs of the business of the actual management， the integrated use of current advanced technology， to realize urban underground cables network information system， the urban underground cables network information management provides a comprehensive range of support. Keywords： GIS；Underground Cables； information system

引言

城市地下電力管網(wǎng)是城市地下管網(wǎng)系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著為城市輸送電力的重要職能，隨著城市化的不斷加劇，地下電力管網(wǎng)也變得越來越重要，可以說它是城市能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵因素，因此加強(qiáng)城市地下電力管網(wǎng)的運(yùn)行管理工作就顯得非常重要。本文提出了城市地下電力管網(wǎng)信息系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)思路，并對系統(tǒng)建設(shè)的總體架構(gòu)，系統(tǒng)功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)描述，真正實(shí)現(xiàn)了城市地下電力管網(wǎng)的信息化管理。

一、系統(tǒng)特點(diǎn)

1.1現(xiàn)狀與問題

1.1.1信息管理混亂

傳統(tǒng)的電力管線管理系統(tǒng)信息更新慢、反應(yīng)遲鈍。一旦線路更改、路徑變化通知不及時(shí)等各種信息更新的情況都不能及時(shí)有效地錄入到管理系統(tǒng)中，甚至?xí)葑兂蓺v史遺留問題--更新信息丟失，因此隨著地下電力管網(wǎng)的不斷擴(kuò)大，管理困難也會越來越大，時(shí)間久了，電力工井、隧道中有無電纜、電纜數(shù)量、管孔數(shù)量、使用率都無法得知，給電力管網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)及電纜施工方案確定帶來許多不確定因素，影響電力信息化建設(shè)。

1.1.2信息使用效率低

當(dāng)電力管線遭到損壞，利用傳統(tǒng)的電力管網(wǎng)信息管理系統(tǒng)處理故障，存在故障造成查找不方便、查找工作量大、重復(fù)工作多等各種困難，影響事故處理。

1.1.3信息化水平低

目前電力地下管線管理雖然有相應(yīng)電力管線管理系統(tǒng)，但管理工作主要以文件管理為主，而且主要以人工管理模式為主，不能準(zhǔn)確快速地反映管線特征、屬性、空間關(guān)系[1]，而且人工管理的是靜態(tài)數(shù)據(jù)，無法達(dá)到實(shí)時(shí)更新、動(dòng)態(tài)顯示管線變動(dòng)、資源利用分析等各種目的和要求。

1.2系統(tǒng)特點(diǎn)

系統(tǒng)從目前電力管線管理現(xiàn)狀出發(fā)，對地下電力管線信息化進(jìn)行探索，建立地下電網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺，實(shí)現(xiàn)地下電網(wǎng)數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理模式，探索先進(jìn)的地下電力管線管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電力管線的數(shù)據(jù)集成、路徑分析、資源利用分析、管線追蹤、故障分析、輔助規(guī)劃等功能。

針對電力管線運(yùn)行的特點(diǎn) ，該系統(tǒng)著重解決以下幾個(gè)方面的問題：

（1）實(shí)現(xiàn)地下電力管線基本資料的更新維護(hù)，并對各類地下電力管線工程的設(shè)計(jì)資料和圖紙同步錄入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理功能；

（2）實(shí)現(xiàn)用戶管理、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)輔助功能，系統(tǒng)采用分級權(quán)限控制，確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全；

（3）實(shí)現(xiàn)城市地下電力管線的分析模塊，包括管網(wǎng)連通性分析，空間定位分析，管網(wǎng)拓?fù)潢P(guān)系分析等功能；

（4）實(shí)現(xiàn)對政府工程、業(yè)擴(kuò)工程和新擴(kuò)建、改造工程等各類工程流程的實(shí)時(shí)更新；

（5）實(shí)現(xiàn)基于B/S結(jié)構(gòu)的城市地下電力管網(wǎng)智能巡檢服務(wù)平臺的開源體系結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)巡檢業(yè)務(wù)流程控制，實(shí)現(xiàn)對巡檢業(yè)務(wù)流程的統(tǒng)一管理。

二、系統(tǒng)構(gòu)建和實(shí)現(xiàn)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

地下電纜精細(xì)化管理系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)分為數(shù)據(jù)存儲層、數(shù)據(jù)訪問層、服務(wù)層、應(yīng)用層。數(shù)據(jù)存儲層是各類數(shù)據(jù)的物理存儲；數(shù)據(jù)訪問層是各類數(shù)據(jù)提供統(tǒng)一的訪問接口；服務(wù)層在數(shù)據(jù)訪問層的基礎(chǔ)之上建立的各類功能組件，實(shí)現(xiàn)圖形管理的各類功能，并將各類功能封裝為服務(wù)供各類應(yīng)用調(diào)用；表現(xiàn)層是展現(xiàn)給用戶的應(yīng)用系統(tǒng)以及提供給其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的組件接口包，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖 1所示。

數(shù)據(jù)層以關(guān)系型數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地下空間數(shù)據(jù)、其他數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)層進(jìn)行統(tǒng)一存儲管理。

數(shù)據(jù)訪問層提供訪問數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)的接口，服務(wù)層組件通過統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口維護(hù)存儲在數(shù)據(jù)庫和文件中的矢量圖形數(shù)據(jù)、柵格影像數(shù)據(jù)、電網(wǎng)拓?fù)鋽?shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。

服務(wù)層構(gòu)建在ArcGIS平臺之上，作為數(shù)據(jù)存儲層和表現(xiàn)層之間連接的橋梁，在平臺中起著至關(guān)重要的作用。它涵蓋了地下管線數(shù)據(jù)管理、地下空間查詢統(tǒng)計(jì)、地下管線空間分析、數(shù)據(jù)發(fā)布、地下空間輔助決策、地下空間圖層管理、數(shù)據(jù)接入服務(wù)、系統(tǒng)管理等各類功能。

應(yīng)用層提供各類電網(wǎng)空間信息展現(xiàn)和查詢分析服務(wù)，主要包含信息瀏覽、輸入輸出、空間分析、智能巡檢、權(quán)限管理等構(gòu)件。

2.2數(shù)據(jù)方案

2.2.1數(shù)據(jù)收集

目前地下電力管網(wǎng)多使用通用的地下電纜采集技術(shù)，即通過數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)標(biāo)識、數(shù)據(jù)加工四個(gè)步驟[2]，得到電纜精細(xì)化數(shù)據(jù)，因?yàn)橄到y(tǒng)所涉及的數(shù)據(jù)種類繁多，數(shù)據(jù)需經(jīng)過多方收集和處理，具體收集數(shù)據(jù)類型包括： CAD圖紙電子數(shù)據(jù)，電力管網(wǎng)普查數(shù)據(jù)和市政部門地下管網(wǎng)數(shù)據(jù)。

2.2.2數(shù)據(jù)庫建設(shè)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)過程中，除了要遵循數(shù)據(jù)庫范式理論、增加系統(tǒng)的一致性和完整性外，還要在總體上根據(jù)具體情況進(jìn)行分布式設(shè)計(jì)，把握集中控制、統(tǒng)一審核的基本原則[3]，保證數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、分布平衡、定位迅速 ，構(gòu)建城市地下電力管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫一體化模型。管網(wǎng)空間與屬性數(shù)據(jù)的一體化管理模型是GIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理中核心的內(nèi)容，具體建設(shè)的內(nèi)容包括：建立系統(tǒng)概念數(shù)據(jù)模型、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)物理數(shù)據(jù)庫、建設(shè)空間數(shù)據(jù)庫、城市地下電力管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫、構(gòu)建屬性數(shù)據(jù)庫。

2.2.3數(shù)據(jù)應(yīng)用

地圖底圖使用柵格數(shù)據(jù)集保存數(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（MXD）保存在服務(wù)器端。地圖業(yè)務(wù)層使用要素?cái)?shù)據(jù)集和 OracleSpatial格式保存數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行修改。

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)，提供一定程度的數(shù)據(jù)冗余，確保系統(tǒng)的可靠性和靈活性。同時(shí)，為了提高GIS地圖的響應(yīng)速度，地圖底圖使用切片方案，實(shí)現(xiàn)逐級縮放顯示的方案。

2.3系統(tǒng)功能

本系統(tǒng)建立一套完整的城市地下電力管網(wǎng)信息系統(tǒng)，與城市電網(wǎng)規(guī)劃和城市整體規(guī)劃緊密結(jié)合，為供電企業(yè)和各級政府部門策劃和投資提供有力支撐。

2.3.1數(shù)據(jù)集成

實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有CAD圖紙電子數(shù)據(jù)以及普查數(shù)據(jù)與GIS數(shù)據(jù)庫的集成，并支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能。其中CAD圖紙電子數(shù)據(jù)主要抽取提供GIS圖形，普查數(shù)據(jù)主要抽取提供圖形屬性以及拓?fù)潢P(guān)系，輔助系統(tǒng)成圖。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)基于CAD圖紙電子數(shù)據(jù)、普查數(shù)據(jù)，以自動(dòng)導(dǎo)入為主、以人工輔助修繕為輔的成圖功能。接入市政部門提供的地下管網(wǎng)底圖數(shù)據(jù)，與CAD圖紙電子數(shù)據(jù)的疊加顯示，并以此作為數(shù)據(jù)源，實(shí)現(xiàn)疊加數(shù)據(jù)的圖件打印輸出功能。

2.3.2數(shù)據(jù)庫管理

實(shí)現(xiàn)構(gòu)建城市地下電力管網(wǎng)空間數(shù)據(jù)庫和屬性數(shù)據(jù)庫一體化模型，實(shí)現(xiàn)管線數(shù)據(jù)的搜索查詢、批量導(dǎo)入導(dǎo)出、質(zhì)量檢查等功能。管理GIS數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出功能，即除了提供標(biāo)準(zhǔn)的GIS空間數(shù)據(jù)庫外，對數(shù)據(jù)導(dǎo)入過程進(jìn)行控制，同時(shí)支持多人同步編輯數(shù)據(jù)入庫功能。提供錄入數(shù)據(jù)的流程審核功能，提供對數(shù)據(jù)庫表各字段信息的完整檢查機(jī)制，保證數(shù)據(jù)質(zhì)量。檢查項(xiàng)目主要包括：對管點(diǎn)表和管線表進(jìn)行點(diǎn)線一致性檢查；對各表進(jìn)行非空字段檢查；檢查管線表中管線是否超過規(guī)定長度；對管點(diǎn)表進(jìn)行點(diǎn)編碼對應(yīng)檢查等的檢查。

綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，根據(jù)電纜業(yè)務(wù)，對在八大類地下管網(wǎng)中，與電網(wǎng)關(guān)系較為密切的供熱、燃?xì)夤芫W(wǎng)，特別是容易造成安全事故的燃?xì)夤芫W(wǎng)，在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)入庫時(shí)，保證這兩類管網(wǎng)數(shù)據(jù)的內(nèi)容詳細(xì)、屬性完整，為管網(wǎng)碰撞分析、垂直凈距分析提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐；綜合管網(wǎng)數(shù)據(jù)庫的設(shè)計(jì)，遵循分層設(shè)計(jì)原則，各類管網(wǎng)數(shù)據(jù)單獨(dú)分層，同時(shí)根據(jù)各自管網(wǎng)的管點(diǎn)、管線等設(shè)施建立幾何網(wǎng)絡(luò)。

2.3.3功能權(quán)限管理

實(shí)現(xiàn)用戶管理、系統(tǒng)管理、數(shù)據(jù)管理等系統(tǒng)輔助功能，系統(tǒng)采用分級權(quán)限控制，確保系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的安全；系統(tǒng)設(shè)計(jì)按照角色、權(quán)限進(jìn)行控制，即為合法用戶設(shè)置允許操作的圖層和允許使用的功能，針對不同用戶所使用的功能不同，用戶按需操作相關(guān)的功能；建立不同類型的用戶遵循滿足其工作需要的原則，用戶權(quán)限的分配以保障數(shù)據(jù)使用的高效、準(zhǔn)確、安全為原則。

2.3.4空間分析

實(shí)現(xiàn)城市地下電力管網(wǎng)的連通性分析模塊，確定地下電力管網(wǎng)拓?fù)溥B通關(guān)系，面向電力系統(tǒng)各種應(yīng)用，準(zhǔn)確表達(dá)電力設(shè)施之間拓?fù)溥B接關(guān)系，完整存儲電網(wǎng)拓?fù)湫畔?，為電網(wǎng)拓?fù)溥B通性分析與計(jì)算提供支撐；實(shí)現(xiàn)空間分析功能，包括電纜工程最佳路徑分析、管網(wǎng)預(yù)警分析、管網(wǎng)事故分析、空間定位分析、緩沖分析、拓?fù)潢P(guān)系中連通性分析、管網(wǎng)可靠性分析和建設(shè)需求輔助決策等功能，及時(shí)、快速、簡便地提供分析和決策所需的關(guān)鍵信息，為電網(wǎng)的科學(xué)管理提供有力的技術(shù)支撐。

2.3.5流程對接

實(shí)現(xiàn)政府工程、業(yè)擴(kuò)工程和新擴(kuò)建/改造工程等各類工程的電纜通道建設(shè)、占用審核， 新建 、改造電力管線的竣工管理、資料歸檔和數(shù)據(jù)更新的同步完成；實(shí)現(xiàn)各個(gè)相關(guān)單位及時(shí)獲取最新的設(shè)備信息，包括規(guī)劃等數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)配電單位及時(shí)準(zhǔn)確的獲取最新的項(xiàng)目信息。

2.3.6智能巡檢

實(shí)現(xiàn)基于B/S結(jié)構(gòu)的開源體系結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)庫及應(yīng)用程序都放置在服務(wù)器端，客戶端不需要日常維護(hù)和更新。實(shí)現(xiàn)對巡檢業(yè)務(wù)流程的統(tǒng)一管理。實(shí)現(xiàn)工單管理、智能巡檢于一體的智能巡檢系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)最短路徑規(guī)劃功能，在智能巡檢中應(yīng)用，為智能巡檢規(guī)劃提供支撐。實(shí)現(xiàn)巡檢業(yè)務(wù)流程控制，即巡檢現(xiàn)場視頻與照片采集回傳，集成GIS展示現(xiàn)場數(shù)據(jù)，巡檢路徑規(guī)劃與導(dǎo)航，充分展示巡檢流程及各流程的成果數(shù)據(jù)。

2.4實(shí)現(xiàn)技術(shù)

2.4.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用瀏覽器/服務(wù)器 （Browser/Server，簡稱B/S）模式。服務(wù)器端采用分布式數(shù)據(jù)庫Oracle Database，提供GIS空間數(shù)據(jù)、設(shè)備屬性數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)的存儲。其中對于GIS數(shù)據(jù)庫通過空間數(shù)據(jù)引擎（SDE）進(jìn)行管理，對于設(shè)備屬性數(shù)據(jù)庫和其他輔助數(shù)據(jù)庫[4]，提供瀏覽器端直接訪問。瀏覽器端則是在ArcGIS Flex Viewer（基于ArcGIS API for Flex設(shè)計(jì)的一個(gè)WebGIS 應(yīng)用程序）平臺上的二次開發(fā)，將地理底圖和業(yè)務(wù)圖層通過Flex Viewer展現(xiàn)，并通過Flex Viewer 提供的Widget組件機(jī)制實(shí)現(xiàn)各種功能的靈活添加，使得功能的開發(fā)簡潔而方便。

2.4.2 開發(fā)工具

本系統(tǒng)選用的開發(fā)工具選用JAVA語言（Java面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)語言）和Flex框架（Adobe Flex，基于其專有的Macromedia Flash平臺，它是涵蓋了支持RIA的開發(fā)和部署的一系列技術(shù)組合）。

其中JAVA良好的數(shù)據(jù)庫操作能力和基于面向?qū)ο蠹夹g(shù)非常適合數(shù)據(jù)庫編程 ，而 FLEX提供了豐富的前端展示效果，結(jié)合ArcGIS Flex Viewer的地圖顯示對象和數(shù)據(jù)訪問對象。選用 Oracle11g 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(shí)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[5]。解決了圖層管理和專題圖層的實(shí)現(xiàn) 、如何建立與 SDE的連接和對空間數(shù)據(jù)的操作等問題。

2.5效益分析

通過本系統(tǒng)集中管理電纜信息，形成信息共享，系統(tǒng)主要經(jīng)濟(jì)和社會效益如下：

2.5.1經(jīng)濟(jì)效益

通過本系統(tǒng)，電網(wǎng)管理人員可以及時(shí)、快速、簡便地獲取分析和決策所需的關(guān)鍵信息，縮短分析和決策所需的時(shí)間，減少人力資源消耗，實(shí)現(xiàn)高效率、低成本的電網(wǎng)管理。該系統(tǒng)的建成，可以為電網(wǎng)的科學(xué)管理提供有力的技術(shù)支撐，有利于培養(yǎng)現(xiàn)代化的電力企業(yè)運(yùn)營管理人才，提高電網(wǎng)管理人員的綜合素質(zhì)，提高企業(yè)運(yùn)營管理水平，提高電力企業(yè)資產(chǎn)利用率，并可以更加科學(xué)的規(guī)劃管道建設(shè)；并可以有效減少已建管道的浪費(fèi)，避免將已建管道遺忘而不能有效利用的情況；可以幫助規(guī)劃人員制定合理的管道建設(shè)方案，建設(shè)滿足應(yīng)用需求的最短路徑管道，減少管道建設(shè)的投資。

通過系統(tǒng)的應(yīng)用提高電力系統(tǒng)的管理效率、提高排出故障的速度、降低甚至消除電力故障隱患，為電力系統(tǒng)間接創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

2.5.2社會效益

本系統(tǒng)不但可以提高電力企業(yè)運(yùn)行管理水平，為自身創(chuàng)造良好經(jīng)濟(jì)效益，而且還可以減少城市電網(wǎng)運(yùn)行對環(huán)境及居民生活產(chǎn)生的不良影響，減少工業(yè)用戶及居民用戶的停電次數(shù)和停電時(shí)間，降低電力輸送故障給社會造成的損失，從而創(chuàng)造良好的社會效益。

平臺還具有明顯的間接效益，包括：

（1）通過項(xiàng)目的實(shí)施帶動(dòng)電力系統(tǒng)信息化水平的提升，改變傳統(tǒng)電力管線管理模式，進(jìn)而電力管線管理和維護(hù)的效率；

（2）通過項(xiàng)目的實(shí)施，可以有效帶動(dòng)山東省乃至全國的城市電網(wǎng)管理水平，提升城市的應(yīng)急響應(yīng)效率，推進(jìn)智能城市、智慧城市的發(fā)展；

（3）通過項(xiàng)目的實(shí)施，提升整個(gè)城市管網(wǎng)的管理水平，充分合理地利用有限的城市地下管網(wǎng)資源。

三、結(jié)語

針對城市地下電力管線運(yùn)行管理現(xiàn)狀和特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)有新技術(shù)，提出基于GIS的城市地下電力管網(wǎng)信息系統(tǒng)，開發(fā)出基于“B/S”模式的城市地下電力管網(wǎng)信息系統(tǒng)，綜合運(yùn)用 WebGIS 技術(shù)與 Oracle 數(shù)據(jù)庫[6]，以數(shù)據(jù)應(yīng)用和輔助決策為目的建設(shè)電力專業(yè)平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲與數(shù)據(jù)管理和高級數(shù)據(jù)使用，具有很好的實(shí)際意義和良好的操作性。

系統(tǒng)建設(shè)采用開放式的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及開發(fā)框架，以適應(yīng)未來功能的升級要求，使系統(tǒng)具有開發(fā)性、兼容性、擴(kuò)展性。

參 考 文 獻(xiàn)

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