基于核稀疏表示的多業(yè)務(wù)規(guī)劃終端可視化系統(tǒng)設(shè)計

朱銘霞，董 平，杜 漸，王 哲

（1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟技術(shù)研究院，江蘇南京 210000；2.江蘇電力信息技術(shù)有限公司，江蘇南京 210000）

國家電網(wǎng)有限公司三屆四次職代會創(chuàng)造性提出了“三型兩網(wǎng)、世界一流”戰(zhàn)略目標(biāo)，明確了“一個引領(lǐng)、三個變革”戰(zhàn)略路徑。多個地區(qū)的電網(wǎng)公司緊密承接國網(wǎng)戰(zhàn)略，綜合考慮內(nèi)外部形式和發(fā)展條件，打造區(qū)域能源互聯(lián)網(wǎng)，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及信息處理技術(shù)融入到國家電網(wǎng)的整體發(fā)展體系中，并設(shè)計了對應(yīng)的智慧規(guī)劃系統(tǒng)[1]。智慧規(guī)劃系統(tǒng)示范項目移動終端應(yīng)用在電網(wǎng)規(guī)劃信息化系統(tǒng)建設(shè)基礎(chǔ)上，依托廣域互聯(lián)智能配電網(wǎng)項目，對內(nèi)開發(fā)規(guī)劃智能方法，對外開發(fā)新型業(yè)務(wù)拓展，從而提升該地區(qū)乃至全國電網(wǎng)規(guī)劃信息化系統(tǒng)的智能化水平發(fā)展。

在圖像處理方面，稀疏表示的目的是為了能夠更有效地表示所研究圖像的信息，也就是使用非常少的樣本的數(shù)據(jù)信息來充分表示所要研究的全部樣本的數(shù)據(jù)信息[2]。而核函數(shù)可以將數(shù)據(jù)投影到維數(shù)較高的特征空間當(dāng)中，同時也可以很好地避免高維數(shù)據(jù)特征空間中發(fā)生的維數(shù)災(zāi)難問題，從而提高可視化的計算性能[3]。結(jié)合核函數(shù)以及稀疏表示的特點，將兩個部分整合在一起，并應(yīng)用到電網(wǎng)多業(yè)務(wù)規(guī)劃終端的可視化系統(tǒng)設(shè)計中，間接提升電網(wǎng)規(guī)劃的工作效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 無線通信網(wǎng)絡(luò)模塊

無線通信網(wǎng)絡(luò)的搭建是為了實現(xiàn)規(guī)劃數(shù)據(jù)以及可視化圖像從系統(tǒng)服務(wù)器端向移動終端的傳輸。無線通信網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web 應(yīng)用服務(wù)器、三維數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器組成，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器采用Oracle11g+ArcSDE 架構(gòu)來存儲空間數(shù)據(jù)和規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)[4-5]，Oracle11g+ArcSDE 服務(wù)器與數(shù)據(jù)庫服務(wù)器相連接，用來發(fā)布空間數(shù)據(jù)以及空間數(shù)據(jù)與規(guī)劃業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的相關(guān)服務(wù)[6]。Web 應(yīng)用服務(wù)器用來發(fā)布二次開發(fā)的Web 應(yīng)用程序，三維數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)器用來存儲國家電網(wǎng)在實際環(huán)境中的空間數(shù)據(jù)。在各個服務(wù)器上連接一個路由裝置，通過對路由設(shè)備的配置與調(diào)試實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸信道的連通。

1.2 數(shù)據(jù)處理與存儲模塊

數(shù)據(jù)處理與存儲模塊設(shè)計的目的是為核稀疏表示程序提供運行空間，選擇5 TB的存儲器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的2 TB 存儲器，同時將型號80888的微處理器替換成i7 6700k 型號的微處理器。

1.3 電路設(shè)計

硬件系統(tǒng)的電路可以分為數(shù)據(jù)采集電路、供電電路以及液晶顯示驅(qū)動電路等。由于國家電網(wǎng)系統(tǒng)中的電力信號較為復(fù)雜，容易受到50 Hz 工頻信號的干擾，電路中在單片機采集接口位置上連接一個低通濾波電力，用來過濾高頻信號的干擾，濾波電路連接情況如圖1 所示。

圖1 有源低通濾波電路圖

數(shù)據(jù)采集電路還設(shè)計了三路RS485 串行通信接口，可以用來接收外置模塊模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)[7]。而液晶顯示驅(qū)動電路分為背光驅(qū)動電路和液晶驅(qū)動電路兩部分，其中驅(qū)動電路的參數(shù)設(shè)置情況如表1所示。

表1 液晶顯示驅(qū)動參數(shù)表

1.4 液晶顯示模塊

使用比常規(guī)顯示屏更大的8 寸液晶顯示屏，從液晶顯示器的尺寸、顯示效果等多方面考慮，最終選擇AT080TN52 這款8 寸的TFT LCD，分辨率為800*600，內(nèi)部背光液晶顯示屏采用串聯(lián)的方式[8]。根據(jù)液晶顯示屏的連接方式，選擇背光驅(qū)動芯片，并確定對應(yīng)的液晶顯示屏的掃屏方式的引腳配置，如表2所示。

表2 液晶顯示器掃屏方式的引腳配置表

將所有的硬件設(shè)備進(jìn)行參數(shù)配置，并利用供電電路將各個設(shè)備連接在一起，為設(shè)備的運行提供電力支持，保證各個設(shè)備可以同步運行工作。

2 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計

2.1 導(dǎo)入多業(yè)務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)

結(jié)合國家電網(wǎng)的多業(yè)務(wù)規(guī)劃過程，收集相關(guān)的規(guī)劃數(shù)據(jù)并將其作為初始數(shù)據(jù)導(dǎo)入到系統(tǒng)存儲器中[9]。多業(yè)務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)的導(dǎo)入分為本地數(shù)據(jù)導(dǎo)入和外地數(shù)據(jù)導(dǎo)入兩種形式，通過點擊數(shù)據(jù)導(dǎo)入項中的“本地數(shù)據(jù)導(dǎo)入”可以將本地關(guān)系數(shù)據(jù)中的二維表數(shù)據(jù)讀取到系統(tǒng)環(huán)境中。由于本地數(shù)據(jù)庫中已經(jīng)存儲該數(shù)據(jù)，因此不需要再進(jìn)行一次備份操作，可以隨時導(dǎo)入[10]。另外，外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入需修改數(shù)據(jù)的導(dǎo)入路徑，此次設(shè)計的可視化系統(tǒng)支持TXT、Excel 以及CSV 等格式的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)導(dǎo)入后系統(tǒng)自動將數(shù)據(jù)按照相同的格式存儲到對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，實現(xiàn)對導(dǎo)入數(shù)據(jù)的保存與備份，方便日后隨時調(diào)用。由于系統(tǒng)用戶選擇的數(shù)據(jù)導(dǎo)入途徑不同，因此需要配置的數(shù)據(jù)源信息也不同，基本需要配置的信息項包括數(shù)據(jù)源名稱、數(shù)據(jù)源描述、文件路徑、數(shù)據(jù)庫地址等。

2.2 核稀疏表示的規(guī)劃數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化

多業(yè)務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化就是將所有數(shù)據(jù)形式的信息轉(zhuǎn)換成圖像形式的信息，系統(tǒng)的可視化界面結(jié)構(gòu)由圖像拼湊而成。此次選用的轉(zhuǎn)換方法為核稀疏表示的方式，通過核函數(shù)的迭代與計算，將數(shù)據(jù)映射到高維特征空間中。定義一個核函數(shù)表達(dá)式為：

式中，ρ和ω分別表示空間χ中的任意兩個不重合的點。為了保證規(guī)劃數(shù)據(jù)的可操作性，利用映射φ將空間χ中的數(shù)據(jù)映射到特征空間κ中，設(shè)多業(yè)務(wù)規(guī)劃樣本y和訓(xùn)練樣本集A在空間κ中的項分別用φ(y) 和φ(A) 表示[11]。那么輸入空間中的測試樣本可以由訓(xùn)練樣本線性迭代標(biāo)出，在核特征空間中，測試樣本的項可以通過式（2）線性表示得出：

式中，α表示訓(xùn)練樣本的線性參數(shù)，而V為輸入空間集合，vi,j表示集合中的項。由此可以得出核函數(shù)中的系數(shù)求解問題為：

通過對合系數(shù)表示的正則化處理得出：

式（4）中，λ表示的是一個參數(shù)，用來衡量重構(gòu)誤差與重構(gòu)系數(shù)稀疏性。通過上述的核稀疏表示與映射關(guān)系，將多業(yè)務(wù)規(guī)劃導(dǎo)入數(shù)據(jù)通過一系列迭代映射到目標(biāo)空間中，形成對應(yīng)的圖像空間特征[12]。

2.3 配置可視化視圖圖形

結(jié)合核稀疏表示得出的多業(yè)務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)的空間特征，配置對應(yīng)的可視化圖形?？梢暬晥D圖形的匹配可以分為兩種情況，一種是數(shù)據(jù)庫中存在于空間特征相似度較高的圖形，可以直接調(diào)取數(shù)據(jù)庫中的圖像數(shù)據(jù)，并將其放置在對應(yīng)的規(guī)劃數(shù)據(jù)位置上。另一種就是數(shù)據(jù)庫中無相似圖形，需要重新生成對應(yīng)的特征圖形。無論哪種圖像形成方式都需要對可視化視圖圖形進(jìn)行配置，保證其可以在界面中成功顯示，配置操作包括排序和過濾兩個步驟[13]。在圖像配置列表中，每一個Item 分別對應(yīng)數(shù)據(jù)表的屬性名稱，通過選擇Item 可以實現(xiàn)對列屬性的過濾操作。選定過濾屬性后，在文本框中填寫過濾名稱，在DataGridView 界面中顯示出對應(yīng)的過濾字段。同理，可以在界面列表中通過屬性名稱實現(xiàn)對數(shù)值的排序。

2.4 實現(xiàn)多業(yè)務(wù)規(guī)劃終端可視化功能

可視化算法包括平行坐標(biāo)可視化、TreeMap 算法、捆圖算法以及嵌套可視化算法等多種類型。針對不同的業(yè)務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)量大小匹配不同的可視化算法[14]。

設(shè)備信息搜索查詢詳情可視化展示是以可視化地圖的方式展示數(shù)據(jù)及其潛在的規(guī)律，從而幫助用戶快速獲取到用戶所關(guān)注的信息，提高工作效率、該模塊的可視化展示功能結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 設(shè)備信息詳情可視化功能結(jié)構(gòu)圖

從圖中可以看出，設(shè)備信息的查詢詳情可視化展示分為電網(wǎng)信息展示、設(shè)備狀態(tài)信息展示、設(shè)備缺陷信息展示以及設(shè)備屬性信息展示等多個部分[15]。其中以電網(wǎng)的一次接線圖信息為例，對匹配的圖形進(jìn)行基本的配置操作，控制圖層的位置、透明圖以及顯示情況，實現(xiàn)信息的分層展示[16-18]。最后將歷史信息、實時信息等數(shù)據(jù)展示在系統(tǒng)界面上，得出設(shè)備信息的查詢詳情可視化結(jié)果。

3 系統(tǒng)測試實驗分析

以測試該系統(tǒng)的可視化功能以及在實際電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用性能為目的，設(shè)置系統(tǒng)測試實驗。為了形成實驗對比，在實驗中設(shè)置傳統(tǒng)的可視化系統(tǒng)和文獻(xiàn)[15]中提出的基于組件化的數(shù)據(jù)可視化系統(tǒng)作為此次實驗的對比系統(tǒng)。傳統(tǒng)的可視化系統(tǒng)就是利用控圖的方式實現(xiàn)電網(wǎng)多業(yè)務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與圖像顯示，而文獻(xiàn)[15]中提出的可視化系統(tǒng)在傳統(tǒng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對其硬件系統(tǒng)進(jìn)行組件化處理，但軟件系統(tǒng)繼續(xù)沿用傳統(tǒng)系統(tǒng)的可視化程序。分別將3 種可視化系統(tǒng)導(dǎo)入到實驗環(huán)境中，并使用相同的開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)與調(diào)試，盡量保證系統(tǒng)測試實驗變量的唯一性。

3.1 調(diào)配系統(tǒng)開發(fā)平臺

可視化系統(tǒng)架構(gòu)主要采用Asp.Net 技術(shù)，在框架搭建的過程中應(yīng)用B/S 架構(gòu)，開發(fā)環(huán)境采用集成VS2010 進(jìn)行開發(fā)，數(shù)據(jù)庫采用MySQL Server2008 進(jìn)行電網(wǎng)多業(yè)務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)的存儲。

3.2 可視化功能效果測試

此次系統(tǒng)測試實驗從功能和性能兩個方面進(jìn)行具體測試，其中功能測試也就是系統(tǒng)的可視化效果，可視化效果的判定從分辨率和有效信息量占比兩個方面考慮，分辨率越高，證明可視化結(jié)果的清晰度越高，即可視化效果越好。同理，有效信息量占比越大，證明可視化效果越好。為了避免單一實驗對實驗結(jié)果造成的影響，設(shè)置多組實驗，利用平均值統(tǒng)計與計算方法得出最終的功能測試結(jié)果，如表3 所示。

表3 可視化功能效果測試結(jié)果

假設(shè)實驗中每個實驗組別的總信息量為1 560 MB，那么可以計算出傳統(tǒng)系統(tǒng)和文獻(xiàn)[15]提出系統(tǒng)輸出可視化結(jié)果的有效信息量占比分別為61.9%和63.1%，而設(shè)計系統(tǒng)輸出可視化結(jié)果的有效信息占比為64.9%，高于兩個對比可視化系統(tǒng)。且設(shè)計的多業(yè)務(wù)規(guī)劃終端可視化系統(tǒng)的分辨率均高于對比系統(tǒng)，因此基于核稀疏表示的多業(yè)務(wù)規(guī)劃終端可視化系統(tǒng)的可視化功能效果更佳。

3.3 可視化系統(tǒng)兼容性能測試

可視化系統(tǒng)的兼容性測試就是在不同的終端設(shè)備中，觀察可視化系統(tǒng)的運行情況。經(jīng)過32 個終端設(shè)備的運行發(fā)現(xiàn)，設(shè)計的可視化系統(tǒng)可以在30 個移動終端設(shè)備中順利運行，但其中有2 個終端設(shè)備會出現(xiàn)部分功能不支持的情況。相比之下，傳統(tǒng)系統(tǒng)的可運行設(shè)備數(shù)量為28 個，其中5 個出現(xiàn)部分功能不支持的情況。由此可見，基于核稀疏表示的多業(yè)務(wù)規(guī)劃終端可視化系統(tǒng)的兼容性能更優(yōu)。

4 結(jié)束語

終端可視化系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用可以為電網(wǎng)規(guī)劃工作人員提供更加直觀的信息，可以間接地提升電網(wǎng)的安全性和穩(wěn)定性。此多業(yè)務(wù)規(guī)劃終端可視化系統(tǒng)，通過核稀疏表示算法的應(yīng)用，提升了可視化系統(tǒng)的效果和兼容性能，但當(dāng)前的研究成果僅停留在理論階段，還需要后期大量的實踐來驗證系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值。