程 偉,錢 蔚,龐 宇,楊文彬
(南瑞集團(tuán)公司(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院),南京 211006)
電網(wǎng)發(fā)電、輸電、變電、配電、用電等環(huán)節(jié)的業(yè)務(wù)應(yīng)用均需要與地理空間信息集成融合,以提升電網(wǎng)資源管理水平和可視化分析能力[1-8].電網(wǎng)設(shè)備的圖形展示是電力GIS應(yīng)用的基本功能.據(jù)統(tǒng)計(jì),全國大部分省輸變配低電網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)量已達(dá)到數(shù)千萬甚至上億級,因此,實(shí)現(xiàn)Web端海量電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)的高效顯示已成為相關(guān)應(yīng)用急需解決的問題.
目前,基于海量GIS數(shù)據(jù)的Web圖形展示主要有以下幾種實(shí)現(xiàn)方案:
(1)實(shí)時(shí)動態(tài)柵格渲染.該方案是目前Web端展示大規(guī)模電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)的主流方法.主要思路是客戶端根據(jù)當(dāng)前視口范圍向服務(wù)端發(fā)送圖形渲染請求,服務(wù)端根據(jù)請求范圍從數(shù)據(jù)庫中實(shí)時(shí)查詢數(shù)據(jù)并渲染成圖片返回至客戶端顯示.該方法對客戶端渲染能力要求不高,其主要缺點(diǎn)為:1)服務(wù)端同時(shí)承擔(dān)了數(shù)據(jù)檢索和圖形渲染的任務(wù),負(fù)載較大;2)由于Web端獲取的是靜態(tài)圖片,難以實(shí)現(xiàn)圖形要素的閃爍、鼠標(biāo)點(diǎn)擊動態(tài)高亮等人機(jī)交互功能[9];3)客戶端無法動態(tài)改變圖形要素的顏色、樣式,導(dǎo)致諸如開關(guān)置位、設(shè)備帶電著色、模擬停電分析等很多電力應(yīng)用的重要需求難以滿足.
(2)柵格瓦片渲染.該方法依據(jù)特定的二維空間分層網(wǎng)格切分方案,在服務(wù)端預(yù)先生成一定空間范圍和層數(shù)的柵格瓦片集,即柵格瓦片金字塔.客戶端在地圖瀏覽時(shí)根據(jù)視口范圍從服務(wù)端獲取對應(yīng)的所有瓦片,最終拼接成完整的地圖.由于是預(yù)先成圖,該方法降低了服務(wù)端實(shí)時(shí)繪圖的壓力,但仍存在方案(1)的缺點(diǎn)2)和3).
(3)矢量瓦片渲染[10-12].近幾年,隨著HTML5技術(shù)的迅速發(fā)展,大大提升了瀏覽器矢量繪圖的能力.由此發(fā)展出矢量瓦片技術(shù),該方法將矢量數(shù)據(jù)以建立金字塔的方式分割成一系列描述性文件,以GeoJson或自定義格式組織.客戶端根據(jù)窗口范圍請求對應(yīng)的矢量瓦片數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖.該方法克服了柵格渲染的缺點(diǎn),具有可交互、樣式可控、體積小等優(yōu)勢.但該方法會將空間對象分割存放在多個(gè)瓦片中,損失了對象完整性,極不利于業(yè)務(wù)功能的開發(fā),因此仍然只適用于地理底圖的顯示.
為解決現(xiàn)有電力GIS應(yīng)用在Web端圖形顯示技術(shù)的不足,本文充分利用HTML5的高性能矢量繪圖能力及諸多新特性,實(shí)現(xiàn)了一種面向Web的大規(guī)模電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)矢量化顯示方法,可顯著提升現(xiàn)有電力行業(yè)Web GIS應(yīng)用在圖形顯示方面的流暢性、交互性和靈活性,改善用戶體驗(yàn).
本文方法中,通過數(shù)據(jù)顯示規(guī)則和線路(含架空線和電纜)抽稀,合理控制圖形瀏覽加載的數(shù)據(jù)量,降低網(wǎng)絡(luò)傳輸及前端繪制壓力;在圖形瀏覽時(shí),根據(jù)視口范圍進(jìn)行數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度,通過在前端建立請求緩存以減少請求次數(shù),建立數(shù)據(jù)緩存提升渲染速度;最后使用HTML5技術(shù)進(jìn)行Web端多線程數(shù)據(jù)解析與實(shí)時(shí)符號化渲染.總體思路如圖1所示.
圖1 方法總體設(shè)計(jì)圖
由于電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)量大,須設(shè)計(jì)一定的數(shù)據(jù)顯示規(guī)則控制每屏顯示的設(shè)備數(shù)量.根據(jù)電力GIS應(yīng)用的特點(diǎn),小比例尺地圖上(如1:20 000 000)只需顯示高電壓等級(500KV以上)的電站和線路信息;在大比例尺地圖上(如1:1000),需要顯示電站的站內(nèi)一次設(shè)備、桿塔及柱上設(shè)備.基于以上需求特點(diǎn),本文設(shè)計(jì)了一種電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)分級顯示規(guī)則.該規(guī)則首先確定地圖最小顯示比例尺和最大顯示比例尺,并將比例尺范圍劃分為若干連續(xù)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間稱為一個(gè)顯示級別,如L0,L1,L2,…,Ln.每個(gè)級別包含四個(gè)屬性:級別ID、最小比例尺、最大比例尺、可見設(shè)備.其中級別ID是顯示級別的唯一標(biāo)識;最小比例尺和最大比例尺規(guī)定了該級別對應(yīng)的比例尺范圍;可見設(shè)備指該顯示級別下顯示的設(shè)備類型及其電壓等級.
客戶端進(jìn)行圖形瀏覽時(shí),會根據(jù)當(dāng)前地圖比例尺確定顯示級別,再依據(jù)顯示級別得到需要顯示的設(shè)備類型及電壓等級,最后從服務(wù)端獲取相應(yīng)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行渲染.
輸電線路是電力GIS應(yīng)用展示的重要信息.線路類型包括架空線和電纜線.線路的數(shù)據(jù)量取決于節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù),而在電網(wǎng)數(shù)據(jù)模型中,架空線的節(jié)點(diǎn)與桿塔一一對應(yīng),由于桿塔數(shù)量巨大,導(dǎo)致在顯示大范圍(諸如全國、全省或全市范圍)電網(wǎng)線路時(shí)加載的線路數(shù)據(jù)量非常大,這對數(shù)據(jù)傳輸、前端渲染都造成了嚴(yán)重負(fù)擔(dān).因此,必須進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮以保證圖形瀏覽的流暢性.
本文設(shè)計(jì)了一種線路數(shù)據(jù)分級壓縮方法,主要思路是按照比例尺范圍對線路進(jìn)行分級抽稀,抽稀算法采用道格拉斯-普克算法[13].本方法中,制定若干壓縮級別,每個(gè)壓縮級別包含五個(gè)屬性:級別ID、最小比例尺、最大比例尺、電壓等級、抽稀閾值.其中級別ID是壓縮級別的唯一標(biāo)識;最小比例尺和最大比例尺規(guī)定了該級別對應(yīng)的比例尺范圍;電壓等級限定了抽稀的電壓等級范圍(由于大范圍的線路顯示主要針對高壓主干線路,因此具有較高電壓等級的線路才需要壓縮);抽稀閾值指該級別采用的道格拉斯閾值,閾值越大,抽稀力度越大.抽稀后的線路數(shù)據(jù)可緩存于查詢服務(wù)進(jìn)行的內(nèi)存或存儲在空間數(shù)據(jù)庫中.
本文中,數(shù)據(jù)加載采用按需調(diào)度和本地緩存的策略.
按需調(diào)度的基本原理是:雖然數(shù)據(jù)總量很大,但每屏顯示的數(shù)據(jù)量總是有限,因此可以根據(jù)顯示需要只加載較少的數(shù)據(jù).具體包括兩方面:根據(jù)當(dāng)前視口范圍確定數(shù)據(jù)調(diào)取的空間范圍;根據(jù)當(dāng)前地圖比例尺,結(jié)合數(shù)據(jù)顯示規(guī)則確定需要調(diào)取的設(shè)備類型和電壓等級.通過以上兩層條件的過濾,可以大大降低數(shù)據(jù)加載量.
為提高顯示效率,本文在客戶端建立請求緩存和數(shù)據(jù)緩存.請求緩存存儲了客戶端每次發(fā)送的數(shù)據(jù)查詢請求,內(nèi)容為請求的空間范圍和顯示級別.其作用是快速判斷一個(gè)新數(shù)據(jù)請求是否被已有請求包含,如已被包含,則客戶端無需發(fā)送,將減少重復(fù)請求.數(shù)據(jù)緩存存儲了每次查詢返回的設(shè)備信息,包含空間位置信息和屬性信息,用于緩存所有已獲取的設(shè)備數(shù)據(jù).本文中,數(shù)據(jù)緩存作為客戶端設(shè)備繪制的直接數(shù)據(jù)源,即客戶端會從請求緩存中快速檢索出當(dāng)前視口范圍的設(shè)備對象進(jìn)行圖形繪制.
由于在兩個(gè)緩存的使用過程中都涉及按空間范圍查找已有請求或設(shè)備數(shù)據(jù).因此,在緩存的存儲結(jié)構(gòu)上采用了R樹[14]結(jié)構(gòu).R樹是目前廣泛采用的一種空間索引數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).通過R樹,可快速檢索出指定空間范圍內(nèi)的空間對象.它是一個(gè)高度平衡樹,由中間節(jié)點(diǎn)和葉節(jié)點(diǎn)組成.每個(gè)結(jié)點(diǎn)都對應(yīng)一個(gè)區(qū)域,中間節(jié)點(diǎn)存儲其所有子節(jié)點(diǎn)的區(qū)域范圍,其所有子結(jié)點(diǎn)的區(qū)域都落在它的區(qū)域范圍之內(nèi);葉結(jié)點(diǎn)的存儲其區(qū)域范圍之內(nèi)的所有空間對象的外接矩形.根據(jù)R樹的這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),當(dāng)需要查詢指定空間范圍內(nèi)的對象時(shí),只需要遍歷少數(shù)幾個(gè)葉節(jié)點(diǎn)所包含的空間對象,判斷是否滿足條件即可.這種方式使不必遍歷所有對象,效率顯著提高.
數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度的主要過程如下:
(1)客戶端緩存容器創(chuàng)建.
客戶端建立兩個(gè)R樹結(jié)構(gòu)作為請求緩存和數(shù)據(jù)緩存,分別記為RTreeRequest、RTreeData.每個(gè)數(shù)據(jù)請求作為RTreeRequest中存儲的一個(gè)條目,記為(I,L).I為條目最小外接矩形,是數(shù)據(jù)請求的空間矩形范圍,L為數(shù)據(jù)請求對應(yīng)的顯示級別ID.在RTreeData中每個(gè)設(shè)備作為一個(gè)存儲條目,記為(R,Data).R為條目的外接矩形,是設(shè)備空間圖形的最小外接矩形,Data是設(shè)備的空間信息和屬性信息.
(2)客戶端確定顯示級別及空間范圍.
獲取當(dāng)前地圖比例尺,根據(jù)比例尺在數(shù)據(jù)顯示規(guī)則中匹配對應(yīng)的顯示級別,記為LC.客戶端獲取當(dāng)前屏幕顯示的地理空間范圍(為一個(gè)矩形范圍),對該范圍進(jìn)行適當(dāng)外擴(kuò),如范圍的長、寬分別外擴(kuò)20%,形成數(shù)據(jù)查詢空間范圍,記為IC.進(jìn)行外擴(kuò)的原因是客戶端將緩存本次請求的空間范圍,當(dāng)進(jìn)行地圖平移瀏覽時(shí),新的屏幕空間范圍如過沒有超出上次數(shù)據(jù)請求的實(shí)際空間范圍,則無需再次請求.這樣可降低數(shù)據(jù)請求次數(shù),減輕服務(wù)端壓力.
(3)客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)查詢請求.
首先利用R樹檢索算法從RTreeRequest中快速查找所有與IC有空間重疊的請求條目,形成集合A.遍歷A中所有請求條目,如存在某個(gè)請求條目(In,Ln),其查詢范圍In包含IC且顯示級別Ln等于IC,則無需發(fā)送請求,流程終止;如沒有符合上述條件的請求條目,則向服務(wù)端發(fā)送數(shù)據(jù)查詢請求,請求參數(shù)包括空間矩形范圍IC、顯示級別LC及當(dāng)前比例尺SC.發(fā)送完成后,將本次請求條目(IC,LC)插入至RTreeRequest中以緩存.
(4)服務(wù)端執(zhí)行查詢并返回結(jié)果.
服務(wù)端根據(jù)請求參數(shù)確定查詢條件.其中空間范圍條件為IC.屬性條件為設(shè)備類型和電壓等級過濾條件,具體由顯示級別LC結(jié)合顯示規(guī)則確定.
對非線路設(shè)備,服務(wù)端根據(jù)上述空間條件、屬性條件從空間數(shù)據(jù)庫中查詢數(shù)據(jù)并以GeoJson格式返回給客戶端.對線路設(shè)備,首先根據(jù)本次請求的比例尺SC、電壓等級條件由數(shù)據(jù)壓縮規(guī)則確定查詢數(shù)據(jù)源.如需查詢原始數(shù)據(jù),處理過程與非線路設(shè)備相同;如需查詢壓縮數(shù)據(jù),則計(jì)算壓縮級別,從服務(wù)端內(nèi)存緩存或空間數(shù)據(jù)庫中查詢對應(yīng)級別的壓縮數(shù)據(jù)并返回給客戶端.
(5)客戶端進(jìn)行設(shè)備數(shù)據(jù)解析與緩存.
客戶端從服務(wù)端獲取查詢結(jié)果后,需將GeoJson字符串解析為內(nèi)存對象并保存在本地?cái)?shù)據(jù)緩存RTreeData中.經(jīng)實(shí)測,當(dāng)返回的數(shù)據(jù)量較大時(shí),數(shù)據(jù)解析過程較為耗時(shí),此時(shí)頁面的狀態(tài)是不可響應(yīng)的,導(dǎo)致圖形瀏覽出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象.為了提高圖形瀏覽的流暢性,本文采用HTML5 提供的多線程解決方案進(jìn)行數(shù)據(jù)解析和重復(fù)數(shù)據(jù)剔除.具體方法為:客戶端預(yù)先開辟一個(gè)Web Worker后臺線程,頁面主線程獲得查詢結(jié)果GeoJson字符串后,將字符串和已加載設(shè)備ID集合傳給后臺線程,后臺線程執(zhí)行數(shù)據(jù)解析生成內(nèi)存對象,并根據(jù)已加載設(shè)備ID集合剔除已加載設(shè)備,形成新加載設(shè)備對象的集合傳給主線程.主線程獲取新加載設(shè)備對象集合后,將其全部插入本地設(shè)備數(shù)據(jù)緩存RTreeData中.
數(shù)據(jù)調(diào)度的詳細(xì)流程如圖2所示.
圖2 數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度流程
電力GIS應(yīng)用有很多重要需求,諸如設(shè)備高亮顯示、模擬開關(guān)置位、模擬帶電著色、模擬停電分析等都需要在客戶端實(shí)時(shí)改變設(shè)備的顏色、符號、樣式.目前常規(guī)的服務(wù)端渲染方式難以滿足上述需求,而本文采用客戶端實(shí)時(shí)渲染策略,最大的優(yōu)勢是可以動態(tài)改變設(shè)備圖形的顏色、樣式,可以很方便的實(shí)現(xiàn)上述功能.
當(dāng)用戶進(jìn)行地圖瀏覽使地圖視口發(fā)生變化時(shí),客戶端將開始數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染.其過程主要分為兩步:第一步,基于R樹搜索方法從本地?cái)?shù)據(jù)緩存中快速抽取當(dāng)前視口地理范圍內(nèi)的設(shè)備對象,形成待渲染設(shè)備對象集合.第二步,對集合中的每個(gè)設(shè)備,獲取該設(shè)備的符號信息,并進(jìn)行符號的繪制.
本文采用HTML5提供的Canvas元素作為地圖繪制的畫布,在畫布(Canvas)上通過JavaScript腳本對基礎(chǔ)地理及電網(wǎng)設(shè)備符號進(jìn)行實(shí)時(shí)繪制.
電網(wǎng)設(shè)備圖形符號主要分為兩類:線狀符號和點(diǎn)狀符號.線狀符號指電纜、架空線、站內(nèi)連接線等設(shè)備的符號,用實(shí)線或虛線表示,其繪制比較簡單.點(diǎn)狀符號包括變壓器、電流互感器、斷路器等絕大部分電網(wǎng)設(shè)備(多達(dá)幾百種)符號.每種點(diǎn)狀符號由若干基本圖元(折線、多邊形、圓、橢圓、橢圓弧、貝塞爾曲線、文字等)組合而成.本文針對每個(gè)點(diǎn)符號都新建一個(gè)Canvas元素,利用Canvas提供的圖形繪制接口完成符號所有基本圖元的繪制,然后將其繪制到地圖的Canvas上,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備符號的實(shí)時(shí)繪制.與常規(guī)的使用靜態(tài)圖片(如png、svg)顯示設(shè)備符號的方式相比,這種實(shí)時(shí)繪制的方法可以動態(tài)更改符號的顏色,很好的滿足了電網(wǎng)運(yùn)行分析應(yīng)用所需要的動態(tài)著色需求.
客戶端實(shí)現(xiàn)設(shè)備符號化渲染的實(shí)現(xiàn)流程如圖3所示,主要包括如下步驟.
圖3 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)渲染流程
(1)開始圖形瀏覽,進(jìn)行地圖平移或縮放,改變當(dāng)前視口范圍;
(2)從數(shù)據(jù)緩存中搜索當(dāng)前視窗范圍的設(shè)備對象,形成待渲染設(shè)備集合,遍歷待渲染設(shè)備集合;
(3)判斷遍歷是否結(jié)束,如果是則結(jié)束,如果否則轉(zhuǎn)向步驟(4);
(4)獲取下一個(gè)設(shè)備,獲取設(shè)備對應(yīng)的符號,判斷設(shè)備符號類型,如果為線狀符號,直接在地圖的畫布(Canvas)上繪制實(shí)線或虛線,并轉(zhuǎn)向步驟(3);如果為點(diǎn)狀符號,首先新建一個(gè)畫布(Canvas)元素,在該元素上繪制符號的基本圖元;然后將畫布(Canvas)元素轉(zhuǎn)為圖片(Image)元素;最后使用HTML5提供的drawImage方法將圖片繪制于地圖的畫布上,并轉(zhuǎn)向步驟(3).
基于某省電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行電網(wǎng)資源圖形展示測試.該省電網(wǎng)設(shè)備(含低壓設(shè)備)數(shù)量總計(jì)1.4億以上,其中線路(包含架空線段和電纜線段)數(shù)據(jù)量在1500萬以上.
測試的電網(wǎng)資源空間數(shù)據(jù)庫采用MongoDB 3.2,查詢服務(wù)采用Java實(shí)現(xiàn),Web端采用JavaScript與HTML5實(shí)現(xiàn).
圖4為較大地理范圍下的大型電站和重要線路的顯示效果;圖5為地圖放大后站內(nèi)接線圖的渲染效果.
圖4 電網(wǎng)資源圖渲染效果——電站和線路分布
圖5 電網(wǎng)資源圖渲染效果——站內(nèi)接線圖
在客戶端進(jìn)行5次獨(dú)立的隨機(jī)瀏覽測試,每次瀏覽均包含地圖縮小、放大、平移操作.測試記錄了瀏覽過程中客戶端視口變化次數(shù)、實(shí)際線路查詢請求次數(shù).從測試結(jié)果看,由于利用請求緩存避免了一些重復(fù)請求,使數(shù)據(jù)請求次數(shù)明顯少于視口變化次數(shù),可見請求緩存在降低服務(wù)端數(shù)據(jù)查詢、客戶端數(shù)據(jù)解析壓力方面效果明顯.另外,為驗(yàn)證線路數(shù)據(jù)壓縮效果,線路查詢請求同時(shí)返回原始數(shù)據(jù)及壓縮后的數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)兩種線路數(shù)據(jù)的總量.從結(jié)果對比看,通過線路壓縮,大大降低了數(shù)據(jù)傳輸量,進(jìn)而減輕了客戶端渲染壓力.具體測試結(jié)果見表1.
表1 客戶端隨機(jī)漫游測試結(jié)果
目前,國家電網(wǎng)公司電力GIS應(yīng)用主要集中在生產(chǎn)管理、配網(wǎng)搶修等業(yè)務(wù)系統(tǒng).上述系統(tǒng)中Web端電網(wǎng)圖形展示方法為:每次地圖視口變化時(shí),客戶端向服務(wù)端發(fā)送圖形請求,服務(wù)端即時(shí)從數(shù)據(jù)庫中查詢數(shù)據(jù)并渲染成圖片傳給客戶端顯示,顯示組件采用Flex.與以上方案相比,本文方法主要有以下兩點(diǎn)優(yōu)勢:
(1)本文方法采用客戶端實(shí)時(shí)渲染,比服務(wù)端渲染方式交互性更好,且可以即時(shí)改變設(shè)備顯示的顏色、樣式.因此,本文方法更易于實(shí)現(xiàn)設(shè)備高亮、設(shè)備點(diǎn)擊查詢、模擬開關(guān)置位、帶電著色等常用功能.此外,圖形渲染由客戶端完成,網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)量小、服務(wù)器壓力輕.
(2)上述系統(tǒng)中每次視口變化都進(jìn)行服務(wù)渲染請求,而本文方法由于使用了請求緩存減少了重復(fù)請求,避免了每次視口變化都發(fā)送數(shù)據(jù)請求,降低了服務(wù)端壓力.
本文針對電力GIS數(shù)據(jù)及應(yīng)用特點(diǎn),提出一種面向Web的海量電網(wǎng)資源GIS數(shù)據(jù)動態(tài)調(diào)度及矢量化顯示方法.經(jīng)實(shí)測驗(yàn)證:該方法可支持海量電網(wǎng)GIS數(shù)據(jù)在Web端的高性能顯示;由于采用Web端矢量化渲染,非常適合電網(wǎng)運(yùn)行分析應(yīng)用所需要的模擬開關(guān)置位、設(shè)備動態(tài)帶電著色和動態(tài)標(biāo)注數(shù)據(jù)刷新的需求,同時(shí)便于實(shí)現(xiàn)對象閃爍、鼠標(biāo)移動/點(diǎn)擊動態(tài)高亮等效果,能夠提供更好的用戶體驗(yàn).本文研究成果已應(yīng)用于多個(gè)大型電網(wǎng)GIS應(yīng)用系統(tǒng).
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