地下電纜通道空間信息整合和管理平臺(tái)技術(shù)研究

李 迪

1廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司珠海供電局，廣東 珠海 519000

隨著城市化建設(shè)的進(jìn)程加快，由于用地緊張，市容建設(shè)等原因，城市普遍采用地下電纜輸電方式，城市電纜化率超過50%，有的甚至達(dá)到75%以上［1］。電纜敷設(shè)有槽盒直埋、電纜溝、電纜隧道、排管、頂管等方式。由于電纜敷設(shè)的隱蔽性，電纜通道空間信息、敷設(shè)方式和電氣參數(shù)等信息對(duì)運(yùn)維顯得尤為重要。目前電纜運(yùn)行管理單位已具有獲取電纜通道空間信息、敷設(shè)方式和電氣參數(shù)等信息的能力，但各種數(shù)據(jù)離散儲(chǔ)存，缺乏統(tǒng)一可視化管理的解決方案［2］。

針對(duì)以上問題，本文通過建設(shè)地下電纜通道空間信息整合和管理平臺(tái)，提升了現(xiàn)有的電纜通道數(shù)據(jù)管理手段，使離散的電纜通道空間信息、敷設(shè)方式和電氣參數(shù)等信息得以集中管理。同時(shí)通過結(jié)合三維GIS平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于存量數(shù)據(jù)的三維可視化渲染方法，將電纜通道空間信息在三維場景下更直觀的展示，方便運(yùn)維人員快速獲取信息，提高了管理與運(yùn)維效率。

1 地下電纜以及通道數(shù)據(jù)整合與管理

1.1 地下電纜與通道數(shù)據(jù)獲取和格式

針對(duì)不同環(huán)境與不同敷設(shè)方式的電纜數(shù)據(jù)，根據(jù)其探測地物材質(zhì)的差異需要采取不同的數(shù)據(jù)探測手段，如表1所示。不同的探測手段數(shù)據(jù)類型不一樣，其數(shù)據(jù)格式如表2所示。

表1 電纜通道探測方法Tab.1 Cable Channel Detection Method

表2 不同探測方式得到的數(shù)據(jù)格式Tab.2 Data Format Obtained by Different Detection Methods

為了方便進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)維與管理，電纜走廊之間通過工井連接，而工井與工井之間的線路走廊段一般采取同一敷設(shè)方式。其關(guān)系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電纜-走廊-工井關(guān)系Fig.1 Cable-Corridor-Well Relationship

一條電纜線路包含多個(gè)線路走廊，而線路走廊的起始位置與終止位置一般來說都是工井，據(jù)此可以構(gòu)建線路、走廊與工井的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.2 地下電纜線路走廊數(shù)據(jù)自動(dòng)分段

一般來說地下電纜的測量以線路為單位進(jìn)行測量，其數(shù)據(jù)主要包括測量電纜走廊左側(cè)空間位置，以及埋深等，對(duì)于工井則是單獨(dú)測量。地下電纜管理的粒度為線路走廊段，因此需要對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分段，如圖2所示。

圖2 走廊解析流程圖Fig.2 Flow Chart of Corridor Analysis

實(shí)際上在測量過程中對(duì)于線路走廊的測量并沒有進(jìn)行分段，因此需要構(gòu)建線路走廊自動(dòng)分段流程與方法。由于線路走廊的起止位置都是工井，且在測量數(shù)據(jù)中包含了工井?dāng)?shù)據(jù)，據(jù)此能夠?qū)€路走廊數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分段，其流程如圖3所示。

圖3 走廊解析流程圖Fig.3 Flow Chart of Corridor Analysis

首先獲取線路測量坐標(biāo)與工井測量坐標(biāo)，根據(jù)工井測量坐標(biāo)獲取工井位置，找到落在工井內(nèi)的點(diǎn)或距離工井最近的點(diǎn)作為線路走廊分割點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上獲取距離此點(diǎn)最近的對(duì)向點(diǎn)作為線路走廊的分割點(diǎn)，根據(jù)兩相鄰工井獲取線路走廊。而距離工井最近線路點(diǎn)的計(jì)算方法如圖4所示。

圖4中，ABCD為工井面，黃色點(diǎn)為線路走廊在工井外的測量點(diǎn)，綠色點(diǎn)為線路走廊在工井內(nèi)的測量點(diǎn)，紅色點(diǎn)為走廊重心，其計(jì)算方法為：

圖4 最近鄰點(diǎn)獲取方法Fig.4 Nearest Neighbor Acquisition Method

式中，x為點(diǎn)橫坐標(biāo)；y為對(duì)應(yīng)點(diǎn)縱坐標(biāo)。得到重心坐標(biāo)后計(jì)算線路點(diǎn)與重心坐標(biāo)的最近距離。在計(jì)算過程中如果線路點(diǎn)較多，則首先對(duì)線路點(diǎn)構(gòu)建kdtree［3］以提高計(jì)算效率，在得到最近鄰點(diǎn)后，假設(shè)最近鄰點(diǎn)為綠色點(diǎn)1，則在對(duì)向側(cè)找到與點(diǎn)1最近鄰的點(diǎn)2，構(gòu)成走廊段分隔段。

1.3 多元非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理

線路走廊數(shù)據(jù)包括線路、走廊、工井臺(tái)賬、線路圖紙、線路巡視照片等。數(shù)據(jù)包括結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)與非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，針對(duì)不同類的數(shù)據(jù)管理方法存在差異，為了能夠統(tǒng)計(jì)進(jìn)行管理，本平臺(tái)系統(tǒng)通過統(tǒng)計(jì)接口針對(duì)不同結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)空間數(shù)據(jù)與屬性數(shù)據(jù)的處理，其架構(gòu)如圖5所示。

圖5 多元數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理架構(gòu)Fig.5 Unified Management Framework of Multivanate Data

通過此方式構(gòu)建了電纜數(shù)據(jù)管理的通用接口，針對(duì)不同測量設(shè)備，不同數(shù)據(jù)類型都能夠進(jìn)行統(tǒng)一處理，同時(shí)直接通過對(duì)接口進(jìn)行擴(kuò)充，也能夠?qū)?shù)據(jù)接入格式進(jìn)行擴(kuò)充，使得數(shù)據(jù)接入更加靈活。

2 地下電纜三維數(shù)據(jù)可視化技術(shù)

由于存量數(shù)據(jù)無法通過激光點(diǎn)云等手段進(jìn)行直接建模，且根據(jù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)重新建模成本較高，因此目前基于存量數(shù)據(jù)的管理一般只關(guān)注二維平面信息，只能查看線路走廊在平面上的位置關(guān)系，然而針對(duì)地下電纜的應(yīng)用中，電纜埋深作為地下電纜空間信息的重要組成部分，也需要進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，本文從二維數(shù)據(jù)入手，結(jié)合埋深數(shù)據(jù)的三維參數(shù)化建模，并在系統(tǒng)中結(jié)合ArcGIS Js API實(shí)現(xiàn)。

如圖6所示，圖6（b）與圖6（c）中虛線為地面，深度表示線路走廊的埋深，根據(jù)敷設(shè)方式參數(shù)化的走廊模式形成線路走廊三維場景。

圖6 三維參數(shù)化建模方法Fig.6 3D Data Display Screenshot

由于測量的是離散的點(diǎn)數(shù)據(jù)，因此獲取的深度數(shù)據(jù)也是離散點(diǎn)數(shù)據(jù)，為了能夠獲取測量點(diǎn)之間的深度數(shù)據(jù)，采用克里金插值［4］方式獲取測量點(diǎn)之間任意點(diǎn)的深度，其插值方法為：

式中，d D為目標(biāo)點(diǎn)深度；λi為i點(diǎn)的權(quán)重；d i為測量點(diǎn)i的深度。假設(shè)電纜在空間均勻分布，則權(quán)重滿足minλ(d D-d^D)，其中d^為深度真值，根據(jù)深度密度分布模型結(jié)算出任意插值點(diǎn)深度。

最后進(jìn)行三維渲染。圖7為采用不同渲染參數(shù)進(jìn)行三維實(shí)時(shí)渲染的效果示意圖。

圖7 不同參數(shù)渲染結(jié)果Fig.7 Rendering Results with Different Parameters

3 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

地下電纜通道空間信息整合和管理平臺(tái)總體分為3層，分別為前端表現(xiàn)層、后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)支撐層以及數(shù)據(jù)層，如圖8所示。前端表現(xiàn)層通過調(diào)用后臺(tái)服務(wù)實(shí)現(xiàn)與用戶的交互以及數(shù)據(jù)的展示等功能；數(shù)據(jù)服務(wù)支撐層的作用包括數(shù)據(jù)組織（通過數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行組織以便于數(shù)據(jù)檢索）、數(shù)據(jù)存取、以及給前端提供數(shù)據(jù)接口；數(shù)據(jù)層主要體現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)模型的差異，后端采用基于Spring Cloud的微服務(wù)開發(fā)框，采用Restful風(fēng)格API開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)前后端分離開發(fā)［5-15］。

圖8 高壓電纜通道系統(tǒng)總體架構(gòu)圖Fig.8 Overall Architecture of Platform About High Voltage Cable Channel System

4 結(jié)束語

本文針對(duì)地下電纜數(shù)據(jù)的特點(diǎn)以及當(dāng)前面臨的問題，對(duì)地下電纜數(shù)據(jù)管理與應(yīng)用進(jìn)行了研究。根據(jù)地下電纜測量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)與地下電纜管理模式構(gòu)建了數(shù)據(jù)解析的模型，采用參數(shù)化建模方法將二維數(shù)據(jù)結(jié)合測量的埋深數(shù)據(jù)進(jìn)行三維渲染，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)可視化管理的應(yīng)用。通過地下電纜平臺(tái)的開發(fā)，針對(duì)珠海市部分地下電纜數(shù)據(jù)進(jìn)行了空間數(shù)據(jù)整合與管理應(yīng)用，對(duì)當(dāng)前高電壓等級(jí)的地下電纜管理模式與技術(shù)進(jìn)行了有益的探索，提升了電纜管理水平，具有較大的應(yīng)用與推廣價(jià)值。