基于Spring Boot框架的直升機巡視計劃優(yōu)化系統(tǒng)研究

谷連軍 孟秀軍

摘 要：隨著電力建設的迅速發(fā)展，輸電線路巡檢工作逐步采用直升機開展實施，作業(yè)計劃越來越多，單純依靠巡檢人員主觀安排計劃已無法滿足需求。針對這一現(xiàn)狀，研究目前廣泛應用的Spring Boot框架技術，構(gòu)建了直升機巡視計劃優(yōu)化系統(tǒng)。在系統(tǒng)的設計實現(xiàn)中，首先根據(jù)需求分析，采用Spring Boot框架技術對系統(tǒng)進行分層設計，層與層之間采用接口連接。與傳統(tǒng)的Web開發(fā)技術相比，Spring Boot框架技術在很大程度上提高了系統(tǒng)代碼的可重用性和可移植性。最后，通過原型系統(tǒng)的實現(xiàn)驗證了系統(tǒng)設計既能初步解決巡檢人員主觀安排作業(yè)計劃等問題，又能降低線路巡檢的成本，同時還能夠提高巡視計劃的完成率。

關鍵詞：直升機;巡視計劃;Spring Boot;智能優(yōu)化;分層設計;線路巡檢

中圖分類號：TP391;TM7文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）07-00-04

0 引 言

隨著電力建設的迅速發(fā)展，巡檢需求和人力缺員的矛盾日益突出，傳統(tǒng)依靠人力為主的輸電線路巡維模式在運維質(zhì)量、工作效率和經(jīng)濟效益上已無法滿足當前及未來公司追求的精益管理、降本增效戰(zhàn)略發(fā)展需要。直升機巡視方式的推廣應用提高了巡檢效率，縮短了巡檢周期[1-2]。直升機巡視模式已在各電力部門逐步推廣，越來越多的輸電線路巡檢維護工作采用機巡的方式開展實施，意味著機巡作業(yè)計劃將越來越多，單純依靠巡檢人員主觀安排飛機作業(yè)計劃已無法滿足需求。

針對當前直升機巡視作業(yè)計劃調(diào)度不合理、完成率低的問題[3]，本文開發(fā)了一套作業(yè)計劃智能優(yōu)化系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以分析巡視計劃，進行合理分類和優(yōu)化，給出最優(yōu)的巡視作業(yè)計劃，使得巡視效能最優(yōu)，提升輸電線路運維質(zhì)量和管理效益。

1 相關研究

直升機巡視計劃智能優(yōu)化系統(tǒng)采用Java語言，基于Spring Boot框架進行開發(fā)設計，提供基于Restful規(guī)則的接口對數(shù)據(jù)進行管理。采用Hibernate框架進行數(shù)據(jù)庫操作，采用Nginx服務器管理靜態(tài)資源圖片、js腳本以及CSS樣式等，采用Redis管理用戶信息及訪問頻率計劃。

1.1 Spring Boot

Spring Boot[4]是由Pivotal團隊提供的全新框架，其設計目的在于簡化新Spring應用的初始搭建以及開發(fā)過程。該框架使用特定方式進行配置，從而使開發(fā)人員不再需要定義樣板化的配置。Spring Boot是一些庫的集合，能夠被任意項目的構(gòu)建系統(tǒng)使用。簡便起見，該框架也提供命令行界面，可以用來運行和測試Boot應用?？蚣艿陌l(fā)布版本包括集成的CLI（命令行界面），可以在Spring倉庫中手動下載和安裝。一種更為簡便的方式是使用Groovy環(huán)境管理器（Groovy Environment Manager，GVM）完成Boot版本的安裝和管理工作。

Spring Boot技術的特點[5]：遵循習慣優(yōu)于配置的原則，使用Spring Boot時只需要很少的配置，大多數(shù)使用默認配置即可;在內(nèi)部內(nèi)置有Tomcat服務器和Jetty服務器，可直接把項目打成jar包，為Docker特意設計;使用starterPOMs配置方式使Maven配置大幅度簡化;Spring Boot還為大中型項目提供了經(jīng)常用到的非業(yè)務功能型特點，如健康狀態(tài)檢測，外部配置、指標、安全等，在項目中不再推薦使用xml方式。

1.2 Nginx

Nginx[6]是Igor Sysoev開發(fā)的一個開源、高性能Web服務器軟件，起初是為Rambler. ru（俄羅斯訪問量第二的大型門戶網(wǎng)站和搜索引擎）使用，具有支持高并發(fā)連接、負載均衡、內(nèi)存消耗少、成本低廉、穩(wěn)定性好等特點。

Nginx可以提供HTTP服務，包括處理靜態(tài)文件，支持SSL（提供HTTPS訪問）、GZIP（網(wǎng)頁壓縮）、虛擬主機、URL重寫等功能，可以搭配FastCGI程序（如PHP）處理動態(tài)請求。除此之外，Nginx 還可以用于代理、反向代理、負載均衡、緩存等服務器功能，在集群環(huán)境中均衡網(wǎng)絡負載、提高可用性等[7]。

1.3 Redis

Redis是一個開源、基于內(nèi)存持久化的日志型、Key-Value數(shù)據(jù)庫[8]，可用于緩存、事件發(fā)布或訂閱、高速隊列等場景。該數(shù)據(jù)庫使用ANSI C語言編寫，支持網(wǎng)絡，提供字符串、哈希、列表、隊列、集合結(jié)構(gòu)直接存取，基于內(nèi)存可持久化，支持多種開發(fā)語言。

另外Redis支持集群服務[9]，且具有容錯機制。集群分為主節(jié)點和備份節(jié)點，主節(jié)點由投票選舉產(chǎn)生，當某節(jié)點發(fā)生故障時，可從備份節(jié)點中恢復。2k+1個Redis服務器節(jié)點可容忍k個節(jié)點發(fā)生故障。

2 系統(tǒng)設計

2.1 總體功能

（1）提供待優(yōu)化項目計劃導入功能，讀取系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中已有的項目計劃，進行后續(xù)優(yōu)化生成巡視計劃;

（2）導入數(shù)據(jù)庫中的相關數(shù)據(jù)，建立相關知識庫，如線路臺賬信息知識庫、巡視模式知識庫、地理地形信息知識庫、氣象環(huán)境知識庫以及巡視設備參數(shù)知識庫等，并在地圖上對禁飛區(qū)信息進行疊加顯示，為后期巡視計劃的合理性分析奠定基礎;

（3）原始巡視計劃預判，輔助分析人工設定的巡視計劃的合理性，根據(jù)相關線路臺賬信息（包括桿塔分布、線路類型等）、巡檢模式信息、地理地形信息（包括地形、禁飛區(qū)等信息）、氣象環(huán)境信息、設備參數(shù)以及優(yōu)先級等因素智能分析用戶設定的巡視計劃的可行性，整合用戶提交的重復巡視計劃信息，對不可行或有安全隱患的計劃進行警告;

（4）自動優(yōu)化巡視計劃，系統(tǒng)將根據(jù)用戶設定的優(yōu)化策略、優(yōu)先級、優(yōu)化算法等參數(shù)信息，對巡視計劃進行排序，去除冗余線路，合并關聯(lián)性強的計劃信息，智能優(yōu)化巡視計劃，生成符合條件的計劃;

（5）交互模式，指在巡視計劃優(yōu)化過程中，可人為進行相應操作，臨時修改相關參數(shù)，進而使巡視計劃更加合理;

（6）待巡視線路宏觀顯示，在GIS地圖上對優(yōu)化后的作業(yè)線路按照時間維度進行顯示，為用戶提供下拉列表，可選擇不同月度/季度，在地圖上顯示月度/季度需巡視的線路;

（7）提供臨時起降點的前臺錄入功能，由用戶根據(jù)優(yōu)化后的作業(yè)計劃選擇臨時起降點，計算其在線率，若在線率不滿足要求，則給出警示;

（8）支持優(yōu)化后的巡視計劃導出，提供多種格式導出（如Excel、導入數(shù)據(jù)庫），更新相關知識庫數(shù)據(jù)，并生成巡視計劃優(yōu)化報告。

2.2 體系架構(gòu)

本系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)從上到下分為展示層、應用層、算法層、接口層、模型層以及數(shù)據(jù)存儲層。

展示層：是面向用戶的軟件前臺界面，完成與用戶的交互操作，由用戶端瀏覽器組成，覆蓋的設備包括智能手機、PC電腦和平板電腦等，能自動適配多種終端屏幕。

應用層：該層和軟件具體業(yè)務緊密相關，根據(jù)業(yè)務要求劃分為作業(yè)計劃錄入模塊、作業(yè)計劃智能分析模塊、優(yōu)化參數(shù)配置模塊、作業(yè)計劃優(yōu)化模塊、設備配置優(yōu)化模塊以及作業(yè)計劃導出模塊，實現(xiàn)直升機巡視作業(yè)計劃與設備配置優(yōu)化功能。

算法層：將關鍵技術研究成果轉(zhuǎn)化為算法庫和組件，可入庫并直接為軟件調(diào)用進行處理和計算。

接口層：主要用于對接直升機/無人機電力作業(yè)技術支持系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理與分發(fā)服務[10]、分布式文件存儲服務，通過封裝API和提供I/O，支持利用現(xiàn)有資源進行分布式存儲處理。

模型層：包括輸電線路臺賬信息知識庫、線路禁飛區(qū)知識庫、氣象環(huán)境知識庫、線路缺陷知識庫、巡視設備參數(shù)知識庫、元數(shù)據(jù)庫、算法數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)模型以及配置文件，模型層將數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)進行對象化，供上層系統(tǒng)調(diào)用。

數(shù)據(jù)存儲層：包括用來存儲巡檢數(shù)據(jù)元數(shù)據(jù)信息的元數(shù)據(jù)庫、存儲輸電線路和桿塔GPS信息的輸電線路臺賬數(shù)據(jù)庫、存儲地形分布信息的地理地形數(shù)據(jù)庫、存儲南方電網(wǎng)全范圍氣象信息的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)庫、存儲全網(wǎng)輸電線路巡視設備信息的設備參數(shù)數(shù)據(jù)庫和存儲算法的算法數(shù)據(jù)庫[11]。

2.3 系統(tǒng)組成

從基于Spring Boot框架的直升機巡視計劃優(yōu)化原型系統(tǒng)應當具備的功能出發(fā)，將原型系統(tǒng)劃分為巡視計劃錄入、巡視計劃智能分析、優(yōu)化策略配置、巡視計劃優(yōu)化、巡視計劃過濾以及巡視計劃導出等6個模塊。直升機巡視作業(yè)計劃優(yōu)化原型系統(tǒng)組成方案如圖3所示。

2.3.1 巡視計劃錄入

本軟件模塊擬采用結(jié)構(gòu)化軟件開發(fā)方法進行開發(fā)，首先從用戶需求出發(fā)確定巡視作業(yè)計劃錄入的詳細需求、充分考慮現(xiàn)有資源。該軟件模塊的具體實現(xiàn)思路為：

（1）各分、子公司作業(yè)中心工作人員提交年度項目計劃后，根據(jù)需要選擇待優(yōu)化的項目計劃導入優(yōu)化系統(tǒng);

（2）導入原始巡線采集數(shù)據(jù)、線路相關數(shù)據(jù)，包括線路臺賬信息（桿塔分布、線路類型、歷史作業(yè)數(shù)據(jù)等）、巡視模式、地理地形信息（地形、禁飛區(qū)、邊境信息、行政區(qū)劃等信息）、氣象環(huán)境信息、設備參數(shù)信息等，建立相應的知識庫。

2.3.2 巡視計劃智能分析

本軟件模塊實現(xiàn)的基礎為巡視計劃錄入的數(shù)據(jù)以及各類知識庫的輔助信息，該模塊實現(xiàn)過程中，應充分考慮與線路相關的影響因素，對巡視計劃進行多維度的分析，為后續(xù)的作業(yè)計劃優(yōu)化提供良好的數(shù)據(jù)資源。該軟件模塊的具體實現(xiàn)思路為：

（1）獲取待優(yōu)化的巡視項目計劃數(shù)據(jù)信息;

（2）匯總用戶提交的所有待優(yōu)化輸電線路巡視計劃信息，根據(jù)巡視計劃關聯(lián)的線路及桿塔信息，合并重復的、關聯(lián)性強的計劃數(shù)據(jù);

（3）結(jié)合輸電線路的特點、桿塔分布信息、氣象信息以及地形信息等，對合并后的巡視計劃數(shù)據(jù)進行合理性分析，設定相應的閾值，去除合理性較低的計劃。

2.3.3 優(yōu)化策略配置

本軟件模塊實現(xiàn)的基礎為各類優(yōu)化算法以及輔助信息的支持，該模塊實現(xiàn)過程中，應充分考慮優(yōu)化算法庫中各類算法的特點，結(jié)合巡視作業(yè)計劃的特點選取匹配度最高的算法進行優(yōu)化操作，用戶可根據(jù)下拉選項自行選擇優(yōu)化規(guī)則（如最經(jīng)濟、人機結(jié)合等），以便算法根據(jù)相應優(yōu)化策略進行優(yōu)化。該軟件模塊的具體實現(xiàn)思路為：

（1）由用戶選定優(yōu)化策略，包括經(jīng)濟性優(yōu)化和人/直升機結(jié)合兩種優(yōu)化策略，默認優(yōu)化策略為經(jīng)濟性優(yōu)化;

（2）從大量巡視計劃數(shù)據(jù)中抽取用戶巡視的關注點，針對不同類型的關注點，為用戶提供符合電力巡線的不同的優(yōu)化算法作為推薦優(yōu)化算法，用戶也可自行選擇其他優(yōu)化算法;

（3）根據(jù)每種算法的特點，統(tǒng)計每種算法的參數(shù)信息，從中提煉出算法最優(yōu)的參數(shù)設置，部分參數(shù)提供修改界面，以便用戶進行人工調(diào)整。

2.3.4 巡視計劃優(yōu)化

本軟件模塊實現(xiàn)為直升機巡視計劃優(yōu)化系統(tǒng)的核心，在模塊實現(xiàn)過程中，會使用前階段制定的優(yōu)化策略和各類知識庫數(shù)據(jù)來對巡視計劃數(shù)據(jù)進行優(yōu)化操作。該軟件模塊的具體實現(xiàn)思路如下：

（1）從優(yōu)化算法庫中選取優(yōu)化算法;

（2）加載需要優(yōu)化的巡視計劃數(shù)據(jù);

（3）讀取配置相應的參數(shù)信息，如優(yōu)化次數(shù)、優(yōu)化策略、優(yōu)先級以及優(yōu)化算法最佳運行參數(shù)等;

（4）選擇巡視計劃優(yōu)化模式，如自動優(yōu)化模式和交互式優(yōu)化模式;

（5）根據(jù)選定的優(yōu)化模式來巡視計劃的優(yōu)化工作;

（6）優(yōu)化完成后，產(chǎn)生相應的巡視計劃數(shù)據(jù)集合。

2.3.5 巡視計劃過濾

根據(jù)用戶設定屬性的先后順序，將巡視計劃數(shù)據(jù)集合中的數(shù)據(jù)排序，從中選取最優(yōu)的巡視計劃。

2.3.6 巡視計劃導出

將最優(yōu)的巡視計劃數(shù)據(jù)顯示到界面上，作業(yè)中心的工作人員人工調(diào)整修改確認無誤后，即可自動錄入到技術支持系統(tǒng)的計劃管理中。

3 系統(tǒng)原型設計

基于Spring Boot框架的直升機巡視計劃優(yōu)化原型系統(tǒng)如圖4所示。

上圖主要體現(xiàn)了優(yōu)化參數(shù)的配置情況，通過該界面可動態(tài)的對影響優(yōu)化效果的參數(shù)項進行配置，進而生成最佳的優(yōu)化結(jié)果。巡視計劃優(yōu)化展示如圖5所示。

上圖直觀展示了直升機巡視作業(yè)計劃優(yōu)化的最終效果。優(yōu)化結(jié)束后，作業(yè)計劃優(yōu)化結(jié)果將在結(jié)果顯示界面中顯示，界面將通過線路和臨時起降點顏色的差異對各線路分區(qū)情況進行展示，并通過列表形式展示優(yōu)化后的作業(yè)計劃，包括作業(yè)計劃優(yōu)化和設備配置優(yōu)化結(jié)果，可查看每條作業(yè)計劃所配置設備的詳細信息，同時提供優(yōu)化結(jié)果的保存功能。

表1所列為直升機巡視計劃優(yōu)化報告的部分內(nèi)容。從表中可以看出，直升機巡視計劃能夠根據(jù)相關約束因素，通過優(yōu)化算法進行聚類，將作業(yè)計劃安排到具體月份中。由巡檢人員對優(yōu)化后的結(jié)果進行人工校驗及迭代優(yōu)化，直到結(jié)果接近最優(yōu)為止。

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)基于作業(yè)計劃智能優(yōu)化算法，實現(xiàn)了基于Spring Boot框架的直升機巡視計劃優(yōu)化原型系統(tǒng)。通過應用實踐反饋，該系統(tǒng)優(yōu)化效益顯著，對直升機巡視計劃的快速制定及機巡作業(yè)效率提升具有一定的指導意義。然而，本文提出的設計仍需要進一步改進和探索，對內(nèi)部算法進行細節(jié)優(yōu)化，使這種方式更好地為直升機巡視計劃智能優(yōu)化帶來效率提升。

參 考 文 獻

[1]于德明，沈建，汪駿，等.直升機與人工巡視效果對比分析[J].中國電力，2008，41（11）：25-28.

[2]徐云鵬，毛強，李庭堅.輸電線路機巡與人巡效果對比及協(xié)同巡檢建議[J].南方電網(wǎng)技術，2016，10（2）：44-47.

[3]王潔，張冬，景楠.220 kV電網(wǎng)開展直升機巡檢的探索與研究[J].自動化應用，2014（11）：81-82.

[4] Pivotal團隊.Spring Boot Reference Guide1.5.3.RELEASE[OL].2017.

[5]汪云飛.JavaEE開發(fā)的顛覆者：Spring Boot實戰(zhàn)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2016：122-124.

[6]胡國強，周兆永，信朝霞. 基于SRS的開源直播系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術，2016，39（16）：36-39.

[7]凌質(zhì)億，劉哲星，曹蕾.高并發(fā)環(huán)境下 Apache 與 Nginx 的 I/O 性能比較[J].計算機系統(tǒng)應用，2013，22（6）：204-208.

[8]彭燦華.Redis在高速緩存系統(tǒng)中的序列化算法研究[J]. 現(xiàn)代電子技術，2017，40（22）： 122-124.

[9]李燚，顧乃杰，黃增士，等.Redis 集群可靠性的研究與優(yōu)化[J].計算機工程，2018，44（5）：40-46.

[10]劉東，王金社.基于 Web的互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡在線輔助教學系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2017，40（20）：28-30.

[11]胡鑫，姚宇，徐英杰.基于 ElasticSearch 的 TEE 病例庫檢索系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].計算機應用，2018，38（S1）：91-94.