基于GIS電力智能選線系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李 欣，劉 震，李建松，盧賓賓

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢430079）

基于GIS電力智能選線系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

李 欣1，劉 震1，李建松1，盧賓賓1

（1.武漢大學 遙感信息工程學院，湖北 武漢430079）

電力選線是輸電線路設計首先需要解決的問題。結合電力選線的研究現(xiàn)狀，探討了系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術，設計和開發(fā)了基于ArcGIS Engine的電力智能選線系統(tǒng)，提高了電力選線的自動化水平。最后使用該系統(tǒng)在實驗區(qū)域內選出一條輸電線路，并對線路進行統(tǒng)計分析。分析結果表明，選出的線路能為電力設計人員提供決策支持，大幅提高工作效率。

GIS；分層模型；A*算法；電力選線；選線系統(tǒng)

1 系統(tǒng)實現(xiàn)關鍵技術

1.1 數(shù)據(jù)模型設計

目前在電力選線中常采用柵格數(shù)據(jù)模型，具體方法是將要進行選線的區(qū)域按一定規(guī)則進行劃分，形成大小相同的單元格，每個單元格的值經過它的成本值，構成了成本表面模型。在成本表面上，應用最短路徑算法，生成輸電線路。文獻[5]設計了分層網格數(shù)據(jù)模型，不同的層次存放不同大小的格網單元，此模型兼顧了選線時間和線路的準確性問題。三層網格數(shù)據(jù)模型如圖1所示。本文在線路選擇時先從單元格最大的第一層格網選出粗略通道，然后在包含該通道范圍的單元格較小的下一層格網選出較細的通道，直到從單元格最小的格網層選出最終路徑。

1.2 格網數(shù)據(jù)結構

參與選線計算的格網分為通道格網和路徑格網。通道格網用于生成通道，路徑格網則用于生成路徑。本文主要考慮坡度、交通便利度、與交通線交叉、居民地、一般規(guī)劃區(qū)等影響因素[7]。2種格網的屬性表的大部分字段均相同。由于通道分析時不考慮與交通線交叉，因此通道格網不包含與交通線交叉字段，路徑格網不包含累積成本字段。通道格網屬性表的主要字段如表1所示。

圖1 三層網格數(shù)據(jù)模型

表1 通道格網屬性表主要字段

1.3 影響因素成本值

影響電力選線的因素大部分是定性描述，不利于計算機進行綜合分析，將這些因素量化為計算機能識別的形式是進行選線的前提。本文將影響因素的成本值量化在1～9之間。坡度越大，施工難度越大，成本也越高。坡度取1～9的值，分為0°～5°（值為1）、5°～15°（值為4）、15°～30°（值為7）、大于30°（值為9），默認值為1。交通便利度表示電力線施工和維護的便利程度，電力線離道路越近，越便于施工和維護，成本也越低。交通便利度取1～9的值，分為：距離道路＜1 km（值為1）、距離道路1～3 km（值為3）、距離道路＞3 km（值為9），默認值為9。輸電線與等級越高的交通線交叉，跨越成本就越高。與交通線交叉取1～9的值，分為鐵路、高速公路（值為9）、國道（值為7）、省道（值為6）、縣道（值為3）、其他（值為1），默認值為1。居民地屬于應盡量避免通過的區(qū)域，可賦予相應網格很高的成本值來避開居民地。居民地取1、9值，1表示不是居民地，9表示是居民地，默認值為1。一般規(guī)劃區(qū)屬于不宜通過的區(qū)域，可賦予相應網格較高的成本值來規(guī)避此類區(qū)域。一般規(guī)劃區(qū)取1、7值，1表示不是規(guī)劃區(qū)，7表示是規(guī)劃區(qū)，默認值為1。

1.4 選線算法

電力選線問題是求解給定起止點的最短路徑問題。在路徑規(guī)劃中，常用的最短路徑算法有Dijkstra算法、Floyd-Warshall算法和A*算法等。Dijkstra在求解單源點最短路徑問題時效率較高；Floyd-Warshall算法適合于求解任意2點間的最短路徑問題。這2種算法求解給定2點間最短路徑問題的效率較低，而采用啟發(fā)式搜索的A*算法克服了Dijkstra算法毫無方向地向四周搜索的缺陷，能保證路徑的搜索始終朝著終點方向進行，提高了運行效率。本文采用A*算法進行路徑規(guī)劃。

2 系統(tǒng)設計

系統(tǒng)基于組件式ArcGIS Engine開發(fā)，采用模塊化結構設計，各子模塊按相應的功能進行設計，具有相對的獨立性，方便對系統(tǒng)進行維護與升級。系統(tǒng)包括項目管理模塊、成本表面生成模塊、成本信息計算模塊和自動選線模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖2所示。

2.1 項目管理模塊

項目管理模塊包括新建項目、影響因素參數(shù)設置等功能。項目涉及到地圖文檔（．mxd 文件）、文件地理數(shù)據(jù)庫（．gdb文件）、影響因素文件（．xml文件）和起止點文件（．xml文件）。數(shù)據(jù)庫存儲選線區(qū)域的遙感影像、DEM和影響因素數(shù)據(jù)。由于一些影響因素要分成多個類別，適合采用分層的數(shù)據(jù)文件進行存儲，因此影響因素存儲在XML文件中。影響因素參數(shù)設置功能可設置各影響因素的權重和成本值。

圖2 電力智能選線系統(tǒng)功能模塊圖

2.2 成本表面生成模塊

格網生成功能可根據(jù)格網的實際范圍和單元格的大小創(chuàng)建格網，即成本表面。以選線區(qū)域作為格網的實際范圍，采用較大的單元格，創(chuàng)建用于生成通道的格網，即通道格網。通道生成后，以通道多邊形的邊界作為格網的實際范圍，采用較小的單元格，創(chuàng)建通道覆蓋范圍下用于生成路徑的格網，即路徑格網。

2.3 成本信息計算模塊

成本信息計算是計算成本表面上各格網單元的各影響因素的成本值，并存儲在相應影響因素字段中。該模塊有坡度信息計算、交通便利度計算、面型信息計算和線型信息計算等功能。坡度信息計算利用選線區(qū)域的DEM生成坡度圖，利用疊加分析和統(tǒng)計分析，提取每個格網單元的平均坡度值。交通便利度計算主要是對交通線路進行緩沖區(qū)分析。面型信息計算是將面狀地物分配到各格網單元。線型信息計算是將線狀地物分配到各格網單元。成本信息計算基本流程如圖3所示。2.4 自動選線模塊

圖3 成本信息計算基本流程圖

自動選線模塊包括通道分析、路徑分析和線路統(tǒng)計功能。通道分析功能使用通道格網，調用最短路徑算法，選出成本值較低的一部分單元格作為通道的范圍，并將通道文件存儲到數(shù)據(jù)庫。路徑分析功能使用路徑格網，調用A*算法，從格網中規(guī)劃出一條最終路徑，并將路徑文件保存到數(shù)據(jù)庫。線路統(tǒng)計功能是在選線結束后，統(tǒng)計線路的長度、曲折系數(shù)、轉角個數(shù)、轉角度數(shù)分布、通過地物的長度以及輸電線坡度分布，驗證系統(tǒng)選出的線路是否符合要求。

3 系統(tǒng)應用

3.1 選線實驗

本文采用的實驗區(qū)長約65 km，寬約22 km。實驗區(qū)包含山地、居民地、規(guī)劃區(qū)、鐵路、高速公路、省道、縣道，地物復雜，地形起伏大，因此考慮坡度、交通便利度、與交通線交叉、居民地、一般規(guī)劃區(qū)等影響因素。首先在軟件中輸入選線的起點和終點坐標，并在參數(shù)設置中設置各影響因素的權重；然后在格網生成功能中以整個選線區(qū)域為格網范圍，采用大小為250 m×250 m的單元格創(chuàng)建通道格網；利用成本信息計算模塊計算各格網單元的坡度、交通便利度、居民地、一般規(guī)劃區(qū)等字段成本值；利用通道分析功能，根據(jù)各影響因素的權重，計算各格網單元的累積成本值，并生成通道；再在格網生成中以通道多邊形邊界為格網實際范圍，采用大小為125 m×125 m的單元格創(chuàng)建路徑格網，并計算格網單元字段的成本值；利用路徑分析功能，調用A*算法，選出一條輸電線路。實驗在一臺i5 2．53 GHz 雙核CPU、6 G 內存的計算機上進行，從單元格數(shù)量為20 641的路徑格網中規(guī)劃出最終線路耗時64 s。選線結果表明，輸電線路沒有穿過居民地和規(guī)劃區(qū)，且線路大部分在交通線附近，如圖4所示。

3.2 線路統(tǒng)計

圖4 選線結果圖

選線結束后，對線路進行了統(tǒng)計，線路長度為72．423 km，曲折系數(shù)為1．11，滿足設計需求。轉角個數(shù)為156，偏多，有待對路線進行進一步優(yōu)化。轉角度數(shù)分布情況如表2所示。

表2 轉角度數(shù)分布表

線路通過居民地的長度為8．5 m，通過規(guī)劃區(qū)的長度為0 m，說明輸電線路基本上避開了居民地和規(guī)劃區(qū)。輸電線路坡度分布情況如表3所示。

表3 輸電線路坡度分布表

以上分析表明，系統(tǒng)選出的線路能滿足電力線路設計基本要求，能為電力設計人員選線提供參考。

4 結 語

為解決輸電線路的路徑規(guī)劃問題，設計并實現(xiàn)了基于GIS的電力智能選線系統(tǒng)。實驗結果表明，給定路徑的起止點和相關約束條件，利用該系統(tǒng)可以快速選出一條合理的輸電線路，為電力設計人員提供決策支持。該系統(tǒng)不僅提高了選線的效率和質量，而且大幅降低了選線成本，具有廣闊的應用前景。

[1] 劉宜灼．SkyLine 支持下的電力選線三維系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]．地理空間信息,2010,8(5):24-26

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[3] 楊泰平,唐川,段永坤,等．RS 和 GIS 在高壓輸電線選線中的應用[J]．地理空間信息,2010,8(2):115-117

[4] 袁敬中,于泓,蔣榮安,等．面向電力選線的多級網格空間數(shù)據(jù)模型研究[J]．電力勘測設計,2011(6): 64-68

[5] 康健民,袁敬中,肖少輝,等．基于分層模型的輸電線路選線算法設計[J]．電力建設,2012,33(4): 6-10

[6] 付仲良,秦菡,劉震． GIS技術支持下的電力智能選線[J]．測繪地理信息，2015,13(3):80-82

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P208

B

1672-4623（2016）02-0066-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.02.023傳統(tǒng)的選線工作是由電力設計人員根據(jù)一定的原則和經驗，選出最佳線路。這種選線方法不僅成本高，而且難以保證電力線路的合理性。為了降低電力選線的成本和難度，電力設計人員和相關學者做了大量研究[1-3]，但沒有涉及到選線算法的實現(xiàn)，線路選擇仍需要設計人員在三維場景中完成。之后，部分專家雖然進行了算法方面的研究，但沒有將算法集成到系統(tǒng)中[4,5]。付仲良等設計了基于GIS的電力智能選線原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了電力線路的智能選擇[6]，但未對選線算法進行探討，而且對影響因素的量化也缺乏考慮。基于以上問題，本文設計和實現(xiàn)了基于GIS的電力智能選線系統(tǒng)。

李欣，碩士，主要研究方向為遙感解譯和GIS應用。

2015-06-19。

項目來源：國家自然科學基金資助項目（41401455）。