送電線路設(shè)計(jì)與管理系統(tǒng)的優(yōu)化研究

陳洋

摘要：綜合分析送電線路設(shè)計(jì)中電氣、結(jié)構(gòu)和測量等多個(gè)專業(yè)業(yè)務(wù)邏輯和功能的特點(diǎn)，采用SOA的組件模型建立和層次劃分技術(shù)，通過對(duì)比基于CAD/GIS的電力勘測設(shè)計(jì)軟件，證明了面向服務(wù)的架構(gòu)方案相對(duì)于傳統(tǒng)面向?qū)ο蟮募軜?gòu)方案具備更靈活和獨(dú)立自治的特點(diǎn)，并在項(xiàng)目的開發(fā)過程中驗(yàn)證了所提出架構(gòu)方案的可行性。

關(guān)鍵詞：SOA;送電線路;三維協(xié)同設(shè)計(jì)

1引言

架空送電線路設(shè)計(jì)是由電氣、結(jié)構(gòu)、測量、水文、地質(zhì)和技經(jīng)等多個(gè)專業(yè)的設(shè)計(jì)人員，協(xié)作設(shè)計(jì)出的一條從起點(diǎn)變電站到終點(diǎn)變電站的高壓鐵塔和導(dǎo)線走向、并從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上綜合最優(yōu)的路徑。送電線路設(shè)計(jì)三維協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)，是在三維GIS平臺(tái)上，利用三維影像地圖、三維模型和實(shí)時(shí)動(dòng)畫等模擬真實(shí)場景，為所有設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)共享的可視化環(huán)境，并且為各個(gè)專業(yè)提供定制化服務(wù)，共同設(shè)計(jì)出最佳運(yùn)行線路的軟件系統(tǒng)。

近年來，送電線路的信息化設(shè)計(jì)手段已逐漸豐富。例如，基于CAD或GIS的電力勘測設(shè)計(jì)軟件：為電氣專業(yè)設(shè)計(jì)人員提供二維CAD或三維GIS視圖下的選線或排塔功能;桿塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件：輔助結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出符合荷載條件、安全的桿塔;工程造價(jià)軟件：為技術(shù)經(jīng)濟(jì)專業(yè)人員提供估算、概算和預(yù)算等經(jīng)濟(jì)計(jì)算的軟件;導(dǎo)地線機(jī)械特性計(jì)算程序：為電氣專業(yè)人員進(jìn)行導(dǎo)地線弧垂及張力的計(jì)算程序。這些信息化手段為線路設(shè)計(jì)提供了不少便利，提高了工作效率。但是市面上相似功能的專業(yè)軟件種類繁多，并且大部分電力設(shè)計(jì)院會(huì)根據(jù)自己的需求定制開發(fā)，導(dǎo)致同樣功能的軟件存在標(biāo)準(zhǔn)不一、接口無法對(duì)接等問題，重復(fù)耗費(fèi)了人力、物力。另外各個(gè)專業(yè)軟件比較封閉，需要輸入的內(nèi)容重復(fù)率高，比如工程基本資料等通用信息需要各專業(yè)重新配置載入系統(tǒng);而輸出內(nèi)容格式又通常不符合下一專業(yè)的期望。在線路設(shè)計(jì)中許多工作是多個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)人員協(xié)同設(shè)計(jì)完成，這些獨(dú)立的信息化軟件不能夠進(jìn)行信息交流和成果共享，更缺乏實(shí)時(shí)協(xié)同設(shè)計(jì)的功能。

為了提高架空送電線路工程設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，統(tǒng)一成果轉(zhuǎn)化標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)接口無縫對(duì)接等，國內(nèi)外學(xué)者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究和實(shí)踐。本文針對(duì)其調(diào)研結(jié)果，深入分析架空輸電線路的設(shè)計(jì)流程以及各專業(yè)的設(shè)計(jì)工作，提出了一種基于SOA服務(wù)、WebService接口協(xié)議，面向GIS三維可視化的架空送電線路協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的架構(gòu)方案。

2 SOA與WebService

面向服務(wù)架構(gòu)（Service-OrientedArchitecture，SOA）是一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，包括組件模型建立和層次架構(gòu)搭建兩部分。建立組件模型是指將業(yè)務(wù)功能分解成更小的功能單元，然后通過聚合技術(shù)，將相似的單元組合為大的功能模塊，稱之為組件，組件之間定義了良好的接口和契約進(jìn)行外部交互。其中，組件接口也稱之為服務(wù)，其獨(dú)立于硬件平臺(tái)、編程語言和操作系統(tǒng)。

建立好組件模式之后，SOA會(huì)通過搭建層次架構(gòu)對(duì)組件和服務(wù)進(jìn)行有效管理和調(diào)用。層次架構(gòu)從上到下分為5層，即表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)處理層、服務(wù)層、組件層和數(shù)據(jù)層。表現(xiàn)層是系統(tǒng)與用戶的交互界面，用戶請求通過該層傳入下一層;業(yè)務(wù)處理層建立系統(tǒng)的業(yè)務(wù)模型，使用計(jì)算機(jī)語言對(duì)業(yè)務(wù)邏輯進(jìn)行完整描述;服務(wù)層是SOA的核心層，起承上啟下作用，其屏蔽了組件層的細(xì)節(jié)，向業(yè)務(wù)處理層提供接口服務(wù);組件層是平臺(tái)相關(guān)的，實(shí)現(xiàn)了具體的功能操作;數(shù)據(jù)層是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)及信息集成層。

SOA架構(gòu)強(qiáng)調(diào)的是組件間和層間的松散耦合，以及獨(dú)立的接口服務(wù)。WebService是目前最適合實(shí)現(xiàn)SOA架構(gòu)的技術(shù)。WebService利用標(biāo)準(zhǔn)化的XML消息傳輸機(jī)制，該技術(shù)隱藏了服務(wù)實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，允許通過獨(dú)立與服務(wù)實(shí)現(xiàn)、獨(dú)立于軟硬件平臺(tái)及獨(dú)立于編寫服務(wù)所用的編程語言的方式使用該服務(wù)。

WebService具有獨(dú)立的功能實(shí)體、大數(shù)據(jù)量低頻率訪問和基于文本的消息傳遞3個(gè)特點(diǎn)。1）獨(dú)立的功能實(shí)體。動(dòng)態(tài)改變一個(gè)服務(wù)的提供方時(shí)無須影響客戶端的應(yīng)用程序配置。這是由簡單對(duì)象訪問協(xié)議SOAP、Web服務(wù)描述語言WSDL和通用描述-發(fā)現(xiàn)-集成UDDI實(shí)現(xiàn)的。體現(xiàn)了WebService面向組件、松散耦合的特點(diǎn)。2）大數(shù)據(jù)量低頻率訪問。通過使用WSDL和基于文本的SOAP請求，實(shí)現(xiàn)能一次性接收大量數(shù)據(jù)的接口。使得WebService能向上提供大量接口。3）基于文本的消息傳遞。WebService的核心技術(shù)SOAP、UDDI和WSDL均以XML形式表達(dá)，WebService的一切都是建立在XML技術(shù)之上，這保證了使用WebService體系結(jié)構(gòu)的平臺(tái)無關(guān)性、語言無關(guān)性和人機(jī)交互性能。WebServices的這種松散耦合、面向組件和跨技術(shù)平臺(tái)的特點(diǎn)，使其能很好地滿足SOA的需求[1]。

3基于SOA的送電線路三維協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)SOA的設(shè)計(jì)思路，可以將架空送電線路設(shè)計(jì)過程拆分成功能明確的組件集。例如，電氣、結(jié)構(gòu)和測量等所有專業(yè)都有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)需要管理，只是數(shù)據(jù)類型不同;例如，電氣專業(yè)的導(dǎo)線、金具串等數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)專業(yè)的桿塔、基礎(chǔ)（承重構(gòu)件）等數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)的管理方法是相同的（增加新數(shù)據(jù)、刪除一條或多條數(shù)據(jù)、修改舊數(shù)據(jù)等，經(jīng)分解再組合之后形成數(shù)據(jù)處理組件，對(duì)外部組件提供的就是數(shù)據(jù)處理的接口服務(wù)）。同樣電氣、結(jié)構(gòu)及測量等專業(yè)都會(huì)使用CAD操作方法，組合后便得到CAD操作集組件，對(duì)外提供CAD操作的接口服務(wù)。最終獲得本文的層次架構(gòu)，如圖3.1所示[2]。

從圖3.1中可以看出，SOA將數(shù)據(jù)和操作分開，系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)存放于數(shù)據(jù)層中，操作全部封裝于組件層中。這樣做的好處是便于數(shù)據(jù)的分類管理，也保證軟件代碼的復(fù)用，提高了軟件開發(fā)的效率。傳統(tǒng)的架空送電線路設(shè)計(jì)工作是以設(shè)計(jì)人員面對(duì)面交流為主導(dǎo)的協(xié)同模式，使用各專業(yè)之間信息不互通的軟件完成的。這些軟件之間都是獨(dú)立的信息孤島，不存在架構(gòu)上的設(shè)計(jì)工作。圖3.1與傳統(tǒng)的線路設(shè)計(jì)工作比較而言，很明顯地體現(xiàn)出了協(xié)同設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢，并且便于維護(hù)和擴(kuò)展。

4核心服務(wù)的劃分及技術(shù)實(shí)現(xiàn)

對(duì)架空送電線路設(shè)計(jì)過程中服務(wù)的劃分嚴(yán)格遵循SOA高內(nèi)聚低耦合的特性，即功能都是內(nèi)部相關(guān)，與外部服務(wù)基本無耦合關(guān)聯(lián)。各個(gè)服務(wù)的變化對(duì)其他服務(wù)產(chǎn)生最小的影響。服務(wù)粒度。粒度過大，系統(tǒng)的復(fù)雜性比較低，性能較高但靈活性減弱，服務(wù)的復(fù)用性不高;粒度過小，雖然服務(wù)復(fù)用性好，可以方便地編排裝配新的業(yè)務(wù)流程，但編排更復(fù)雜。綜合高內(nèi)聚低耦合和服務(wù)粒度粗細(xì)原則，本系統(tǒng)根據(jù)業(yè)務(wù)將送電線路劃分為17個(gè)服務(wù)（見圖3.1）。主要介紹4個(gè)核心服務(wù)：GIS操作集服務(wù)、設(shè)計(jì)計(jì)算服務(wù)、同端多模塊同步服務(wù)和自動(dòng)建模服務(wù)。

4.1 GIS操作集服務(wù)

本平臺(tái)三維可視化環(huán)境是基于GIS環(huán)境的，因此向設(shè)計(jì)人員提供GIS二維和三維操作集服務(wù)。對(duì)設(shè)計(jì)人員提供的GIS操作集服務(wù)，任何使用GIS環(huán)境進(jìn)行線路可視化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)人員都會(huì)調(diào)用到該服務(wù)。Common2DTool提供二維GIS地圖展示服務(wù)，包含對(duì)二維GIS環(huán)境下的地圖、模型等進(jìn)行放大、縮小、漫游、點(diǎn)選和距離量算等操作;Common3DTool提供三維GIS地圖多視角展示服務(wù)，包括點(diǎn)位量算、高度量算、面積量算、空間分析、點(diǎn)選和空間漫游等操作;Edit2DTool提供二維GIS地圖編輯服務(wù)，包括接受編輯、停止編輯、添加（刪除/編輯/保存）圖層、添加（刪除/編輯/保存）點(diǎn)線面對(duì)象、管理二維避讓區(qū)和管理二維交跨物等功能;Edit3DTool提供三維GIS地圖編輯服務(wù)，包括添加（刪除/編輯/保存）三維模型、添加（刪除/編輯/保存）圖層、管理三維避讓區(qū)和管理三維交跨物等功能;SystemCoordManager提供坐標(biāo)系統(tǒng)管理服務(wù)，包括新建（刪除）二維/三維坐標(biāo)系統(tǒng)、新建三維橢球體和管理投影類型等功能。

4.2設(shè)計(jì)計(jì)算服務(wù)

設(shè)計(jì)計(jì)算服務(wù)顧名思義是為設(shè)計(jì)人員提供計(jì)算服務(wù)的。CalculationSingleton為上層設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)計(jì)算服務(wù)，使用GetInstance創(chuàng)建設(shè)計(jì)計(jì)算的對(duì)象，然后調(diào)用相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)算函數(shù)，例如電氣設(shè)計(jì)人員調(diào)用計(jì)算服務(wù)中的風(fēng)偏角計(jì)算函數(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員調(diào)用計(jì)算服務(wù)中的桿塔荷載計(jì)算函數(shù)，在這里使用了面向?qū)ο蟮亩鄳B(tài)，即根據(jù)前端設(shè)計(jì)人員輸入的計(jì)算參數(shù)的不同智能判斷后臺(tái)執(zhí)行的計(jì)算函數(shù);CalResult提供輸出設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果服務(wù)，在這里使用WebService標(biāo)準(zhǔn)化的XML傳輸機(jī)制，將計(jì)算結(jié)果均序列化為數(shù)據(jù)流形式，因此消除了不同設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果輸出內(nèi)容及格式的差異，在前端根據(jù)響應(yīng)位置的不同智能反序列化為設(shè)計(jì)人員需要的計(jì)算結(jié)果。

4.3同端多模塊同步服務(wù)

同端多模塊同步服務(wù)主要指二維GIS與三維GIS同步、二維GIS與二維CAD同步及三維GIS與二維CAD同步，設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)在同步窗口中進(jìn)行線路設(shè)計(jì)。SyncModules便是提供同端多模塊同步服務(wù)的接口，包括建立同步連接，同步添加、同步刪除、同步編輯和同步刷新等功能。

4.4自動(dòng)建模服務(wù)

三維GIS操作環(huán)境下，會(huì)有桿塔、金具和地物等模型，自動(dòng)建模服務(wù)為用戶提供參數(shù)化自動(dòng)建模服務(wù)。ModelAnalyze即為設(shè)計(jì)人員提供自動(dòng)建立桿塔、金具等模型的服務(wù)接口。

5架構(gòu)方案分析

取架空送電線路設(shè)計(jì)軟件中典型的子系統(tǒng)，以電氣專業(yè)使用的基于CAD或GIS電力勘測軟件為例，解釋所采用的基于SOA與WebService架構(gòu)方案為送電線路的協(xié)同設(shè)計(jì)和資源共享提供了一種新思路。對(duì)比這些傳統(tǒng)的送電線路子系統(tǒng)，基于SOA構(gòu)建的軟件架構(gòu)還擁有易擴(kuò)展和松散耦合的優(yōu)勢，WebService技術(shù)又為前端設(shè)計(jì)人員封裝了后臺(tái)操作的復(fù)雜性，并為設(shè)計(jì)人員提供了清晰的服務(wù)接口。雖然基于CAD或GIS電力勘測軟件本身是供電氣專業(yè)人員使用的，但是要在其上增加結(jié)構(gòu)專業(yè)或其他專業(yè)的功能則十分困難，傳統(tǒng)的面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法使電力勘測軟件成為一個(gè)信息孤島，各構(gòu)件間緊密耦合。而SOA架構(gòu)將各個(gè)通用模塊劃分成獨(dú)立的服務(wù)，前端需要何種服務(wù)便調(diào)用相應(yīng)的接口。例如，電氣專業(yè)的三維路徑選擇功能會(huì)調(diào)用GIS操作集服務(wù)中的三維操作接口、設(shè)計(jì)計(jì)算服務(wù)的電氣計(jì)算接口以及數(shù)據(jù)處理服務(wù)的數(shù)據(jù)處理接口。如果需要增加新功能，只需要調(diào)用通過WebService技術(shù)封裝的SOA服務(wù)接口便可以擴(kuò)展出新的邏輯單元和功能模塊。同樣，若要維護(hù)舊功能模塊，只需要重新更新服務(wù)的邏輯便可實(shí)現(xiàn)。

6結(jié)語

與傳統(tǒng)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，基于SOA的架空送電線路協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)在電氣、結(jié)構(gòu)、測量、水文、地質(zhì)和技經(jīng)等多個(gè)專業(yè)的基礎(chǔ)上建立協(xié)作，綜合多專業(yè)的業(yè)務(wù)邏輯和功能，將其分解組合成為更小的邏輯和單元模塊，并通過聚合技術(shù)，構(gòu)建具備獨(dú)立功能的業(yè)務(wù)邏輯單元，使得服務(wù)間相互松散耦合?；赟OA和WebService技術(shù)，在現(xiàn)有軟件產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了面向服務(wù)的送電線路協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件體系架構(gòu)，該體系架構(gòu)分為展現(xiàn)層、業(yè)務(wù)處理層、服務(wù)層、組件層和數(shù)據(jù)層，其中業(yè)務(wù)邏輯層分為7個(gè)邏輯單元，組件層包含17個(gè)獨(dú)立的服務(wù)單元，各個(gè)服務(wù)間符合高內(nèi)聚、低耦合的特點(diǎn)?；赟OA的軟件架構(gòu)便于舊功能的維護(hù)和新功能的擴(kuò)展。并且，在隨后的架空送電線路協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)的應(yīng)用過程中，充分證明了本架構(gòu)在技術(shù)上的可行性和應(yīng)用上的高效率。下一步工作將致力于對(duì)各個(gè)專業(yè)功能的完善和補(bǔ)充。

參考文獻(xiàn)：

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