基于三維GIS的城市配電管理信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

時(shí) 翔，陳志勇

（青島供電公司，山東 青島 266002）

0 引言

傳統(tǒng)的配電網(wǎng)資料多以圖紙、圖表等形式保存和管理，效率低，數(shù)據(jù)安全性不高［1］。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，近年來(lái)建立了一些基于二維GIS的配電網(wǎng)管理信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備信息和圖形信息的傳遞和管理，但還存在不足：無(wú)法準(zhǔn)確、具體地展現(xiàn)城市地下電纜錯(cuò)綜復(fù)雜的分布情況，為故障線路檢修提供輔助決策；一般以二維矢量地圖作為城市配電環(huán)境的展示手段，無(wú)法幫助用戶對(duì)真實(shí)的用電環(huán)境進(jìn)行認(rèn)知。隨著三維仿真技術(shù)的不斷成熟，三維GIS開(kāi)始服務(wù)于電力行業(yè)的可視化平臺(tái)建設(shè)，配電三維GIS系統(tǒng)能夠立體展示架空線、地下電纜等電力設(shè)備及城市配電環(huán)境，帶給用戶強(qiáng)有力的視覺(jué)沖擊，并將電力系統(tǒng)中的現(xiàn)有數(shù)據(jù)與相關(guān)空間位置信息結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行地理信息分析與應(yīng)用操作，使配電信息管理由二維空間步入到與現(xiàn)實(shí)對(duì)應(yīng)的三維地理空間。從城市配電的實(shí)際管理需求出發(fā)，研究基于三維GIS的城市配電管理信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。 通過(guò)該系統(tǒng)，能夠?qū)Τ鞘信潆娋W(wǎng)進(jìn)行全方位的管理，為電力管理部門(mén)提供有效的決策支持手段，提高管理效率。

1 系統(tǒng)總體框架

從總體框架上看，基于三維GIS的城市配電管理信息系統(tǒng)上可分為：數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)訪問(wèn)層、系統(tǒng)服務(wù)層、系統(tǒng)應(yīng)用層和系統(tǒng)用戶層等5個(gè)層次，如圖1所示。

圖1 基于三維GIS的城市配電管理信息系統(tǒng)的總體框架

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層是系統(tǒng)服務(wù)的內(nèi)容，為系統(tǒng)提供一個(gè)共享數(shù)據(jù)環(huán)境，也為配電管理過(guò)程中的運(yùn)行監(jiān)控、設(shè)備查詢(xún)、用戶信息等提供數(shù)據(jù)支撐［2］。主要包括基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)、配電設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)、配電運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)備檢修數(shù)據(jù)庫(kù)?；A(chǔ)地理數(shù)據(jù)庫(kù)存放的是整個(gè)配電管理系統(tǒng)的地理空間數(shù)據(jù)；配電設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)存放配電網(wǎng)中各類(lèi)設(shè)備的臺(tái)帳信息；配電運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)配電網(wǎng)中各臺(tái)配電變壓器、環(huán)網(wǎng)柜的運(yùn)行數(shù)據(jù)、地下電纜的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)；設(shè)備檢修數(shù)據(jù)庫(kù)用于記錄設(shè)備檢修的各種數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)訪問(wèn)層是連接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層和系統(tǒng)服務(wù)層的中間層，主要功能是數(shù)據(jù)的獲取和檢索。

系統(tǒng)服務(wù)層提供系統(tǒng)所有的功能實(shí)現(xiàn)，是系統(tǒng)的核心。主要功能包括三維電力渲染引擎、三維城市場(chǎng)景渲染引擎、空間數(shù)據(jù)管理、系統(tǒng)用戶的管理和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的檢索。

系統(tǒng)應(yīng)用層是利用系統(tǒng)服務(wù)層的功能模塊封裝具體應(yīng)用的業(yè)務(wù)模塊，根據(jù)城市配電管理的特點(diǎn)，提供了包括城市場(chǎng)景三維展示、配電設(shè)施三維展示、設(shè)備臺(tái)賬缺陷管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、基于三維地圖的綜合可視化、三維瀏覽控制、系統(tǒng)維護(hù)與管理等功能模塊。

系統(tǒng)用戶層是系統(tǒng)服務(wù)的對(duì)象集合。從分工職責(zé)的角度，又可分為系統(tǒng)管理員、領(lǐng)導(dǎo)、運(yùn)檢部、運(yùn)行班、調(diào)度部門(mén)和檢修班，根據(jù)不同的登陸用戶賦予不同的操作權(quán)限。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

圖2 基于三維GIS的城市配電管理信息系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

基于三維GIS的城市配電管理信息系統(tǒng)面向配電的日常管理、運(yùn)行監(jiān)控、信息維護(hù)、配電設(shè)施精細(xì)化展示、設(shè)備管理等功能定制，以高分辨率、大覆蓋范圍遙感影像、數(shù)字地形模型、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、海量三維城市場(chǎng)景模型、GPS定位數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)城市配電管理的業(yè)務(wù)需求，開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)包括三維瀏覽控制、城市場(chǎng)景三維展示、配電網(wǎng)三維展示、配電設(shè)備管理和系統(tǒng)管理在內(nèi)的5個(gè)系統(tǒng)模塊。

三維瀏覽控制模塊對(duì)配電設(shè)施和其所在的三維地理空間進(jìn)行瀏覽控制，包括放大、縮小、拖放、旋轉(zhuǎn)、平移、圖層可視化設(shè)置、飛行瀏覽和地下鏡頭控制等。圖層可視控制能夠靈活地打開(kāi)或關(guān)閉任意地理或設(shè)備圖層，可選擇某一類(lèi)、幾類(lèi)或全部配電設(shè)施圖層及地理信息數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合疊加顯示。飛行瀏覽是預(yù)先設(shè)定瀏覽路徑，對(duì)漫游高度、俯仰角度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，視點(diǎn)沿路徑向前運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)速度亦可調(diào)節(jié)。地下鏡頭模式支持地表和地物模型的透明度調(diào)節(jié)，能夠查看地表下存在的電纜等配電設(shè)備設(shè)施。

城市場(chǎng)景三維展示模塊在高精度數(shù)字地形模型和高分辨率遙感影像的基礎(chǔ)上，加載海量建筑物、道路和城市小品精細(xì)模型，通過(guò)視距判斷，自動(dòng)顯示地物名稱(chēng)，并利用三維可視化技術(shù)對(duì)沿海城市的附近海域?qū)崿F(xiàn)海水特效渲染，對(duì)配電設(shè)施所在區(qū)域進(jìn)行高度仿真，形象逼真地再現(xiàn)了城市的用電環(huán)境。通過(guò)建筑物ID與門(mén)牌號(hào)信息建立關(guān)聯(lián)，在系統(tǒng)中雙擊選中某個(gè)建筑物模型便可直觀查看相應(yīng)的用電用戶信息。

配電網(wǎng)三維展示模塊主要對(duì)城市配電網(wǎng)中的地下電纜和架空線進(jìn)行三維建?？梢暬?。地下電纜相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施包含管溝、電纜井等；設(shè)備包含電纜、變電站、環(huán)網(wǎng)柜、開(kāi)閉所、用戶變、分支箱、電纜接頭等［3］。電纜井是電力施工和電纜維護(hù)的重要資源，因此對(duì)電纜井的三維建模要盡量完整，首先根據(jù)井蓋的實(shí)測(cè)GPS數(shù)據(jù)，對(duì)電纜井進(jìn)行定位；而后按照電纜井內(nèi)部繪制的CAD圖紙中記錄的各個(gè)立面所處的位置、深度、溝道的剖面尺寸及排管在電纜井各個(gè)立面所處的位置、深度、排列方式、數(shù)量等實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行電纜井的精細(xì)化建模。根據(jù)每一條電纜的軌跡、各條電纜在電纜溝剖面的分布情況和出入設(shè)備情況，進(jìn)行地下電纜建模，并賦予每條電纜唯一ID，與數(shù)據(jù)庫(kù)掛接后顯示電纜名稱(chēng)、型號(hào)、長(zhǎng)度等臺(tái)賬信息。 對(duì)環(huán)網(wǎng)柜、箱式變和分支箱等電纜設(shè)備，根據(jù)實(shí)際照片和尺寸進(jìn)行三維仿真建模，通過(guò)骨骼動(dòng)畫(huà)技術(shù)，可以打開(kāi)設(shè)備內(nèi)部，查看開(kāi)關(guān)的臺(tái)賬信息和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。 架空線設(shè)備設(shè)施包括桿塔、線路、站所、變壓器、開(kāi)關(guān)等，與地下電纜建模類(lèi)似，可以根據(jù)桿塔的CAD圖紙對(duì)桿塔建立模型庫(kù)，而后根據(jù)實(shí)際情況，實(shí)現(xiàn)桿塔與變壓器、開(kāi)關(guān)等設(shè)備模型的組裝，完成整條架空線的構(gòu)建，最后根據(jù)設(shè)備唯一ID關(guān)聯(lián)設(shè)備臺(tái)賬和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

配電設(shè)備管理模塊包含設(shè)備臺(tái)賬管理、缺陷故障管理、運(yùn)行監(jiān)控、線路巡檢和架空線路編輯等功能項(xiàng)。設(shè)備臺(tái)賬管理是配電管理系統(tǒng)的其他功能模塊的基礎(chǔ)，是對(duì)配網(wǎng)的各種電氣設(shè)備自身各種技術(shù)參數(shù)的管理，它主要完成各種電氣設(shè)備的基礎(chǔ)輸入、刪除、編輯，并提供模型與設(shè)備屬性之間的雙向查詢(xún)［4］；對(duì)于滿足查詢(xún)條件的設(shè)備能夠?qū)⑵湓谌S地圖上進(jìn)行快速定位。缺陷故障管理與臺(tái)賬管理類(lèi)似，也是對(duì)配網(wǎng)的各種電氣設(shè)備的缺陷故障信息，實(shí)現(xiàn)輸入、刪除、編輯和查詢(xún)操作。 運(yùn)行監(jiān)控功能是自動(dòng)連接配電運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)線路的帶電狀態(tài)，開(kāi)關(guān)、刀閘等設(shè)備的遙信狀態(tài)，開(kāi)關(guān)、變壓器、母線等設(shè)備的各類(lèi)遙測(cè)量等進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示；當(dāng)開(kāi)關(guān)運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，自動(dòng)報(bào)警［5］。線路巡檢是自由定制巡視路徑，沿架空線或地下電纜對(duì)配電設(shè)備進(jìn)行巡視和檢查，查看配電設(shè)備的臺(tái)賬信息、缺陷故障信息和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，幫助全面掌握線路的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷和沿線威脅安全的隱患。架空線路編輯功能使得架空線具備可延布性，用戶可以使用該功能提供的工具，根據(jù)桿塔的位置數(shù)據(jù)和實(shí)際拍攝的照片，自行建立包含主線和支線的架空線路，對(duì)桿塔模型進(jìn)行靈活調(diào)換，并可錄入相應(yīng)設(shè)備的臺(tái)賬信息。

系統(tǒng)管理模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶登錄/退出、新用戶注冊(cè)、用戶信息的修改、用戶權(quán)限分配等功能。

3 關(guān)鍵技術(shù)

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境基于Windows操作系統(tǒng)，Oracle10G數(shù)據(jù)庫(kù)，基于客戶端和服務(wù)端（C/S架構(gòu)）模式，同時(shí)采用了國(guó)內(nèi)高效的EV-Globe三維開(kāi)發(fā)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了配電業(yè)務(wù)與三維仿真的完美結(jié)合。

三維仿真層次細(xì)節(jié)技術(shù)。針對(duì)密集的三維模型渲染采用了層次細(xì)節(jié)技術(shù)（LOD），通過(guò)對(duì)物體離鏡頭距離、是否在視野范圍、是否被其他物體遮擋等一系列LOD判斷，減少了三維模型渲染數(shù)量，再通過(guò)模型優(yōu)化、紋理合并等技術(shù)減少渲染批次，大大提高了三維渲染效率，使渲染幀率始終在35幀以上，拖動(dòng)非常流暢，為后面的業(yè)務(wù)操作解除后顧之憂。

高效配電線路組裝引擎技術(shù)。系統(tǒng)采用了EV-Globe平臺(tái)的電力渲染引擎并對(duì)其進(jìn)行了一系列改進(jìn)，使其適用于城市配電線路的應(yīng)用。系統(tǒng)預(yù)先建立了三維桿塔模型庫(kù)，通過(guò)對(duì)桿塔配件大小，距離的精確計(jì)算得出配件在塔桿上的掛點(diǎn)坐標(biāo)，選擇不同配件和塔桿組裝出完整的配電桿塔，再將一系列桿塔通過(guò)線路掛點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行掛線，最終生成出一條完整的城市架空線。該電力引擎通過(guò)了各種測(cè)試，能夠適應(yīng)各種配電桿塔的組裝，使三維配電線路具有靈活性和可拓展性。

飛行瀏覽軌跡插值和模型實(shí)時(shí)渲染的多線程技術(shù)。該系統(tǒng)中線路巡檢模塊通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的插值運(yùn)算、飛行瀏覽過(guò)程中模型的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)渲染采用了多線程技術(shù)，確保相機(jī)鏡頭在三維虛擬地球平滑前行。在車(chē)輛巡檢模塊中也采用了該技術(shù)，通過(guò)對(duì)GPS數(shù)據(jù)做2個(gè)批次延期處理，對(duì)已接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行高密度插值，通過(guò)貝塞爾曲線插值算法，消除瀏覽線路中出現(xiàn)的急轉(zhuǎn)彎狀況，使三維模型可以均勻平滑的前進(jìn)。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)基于三維GIS的城市配電管理信息系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，并將系統(tǒng)應(yīng)用于青島市南區(qū)東部沿海高可靠性示范區(qū)配電網(wǎng)管理，該示范區(qū)為環(huán)境優(yōu)美的旅游景區(qū)。系統(tǒng)在加載示范區(qū)5.7 km2的1 800多個(gè)城市模型、58條地下電纜、22條架空線和幾百個(gè)電力設(shè)備的情況下，瀏覽依然非常流暢。 系統(tǒng)接入數(shù)據(jù)庫(kù)中的設(shè)備臺(tái)賬信息、缺陷故障信息和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)ID匹配電氣設(shè)備三維仿真模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)展示，通過(guò)線路巡檢功能可以非常形象地展示各個(gè)電力部件的運(yùn)轉(zhuǎn)情況；其中架空線可以根據(jù)實(shí)際需要，由用戶自行延布并添加臺(tái)賬信息，通過(guò)試運(yùn)行，系統(tǒng)取得了良好的應(yīng)用示范效果。

5 結(jié)語(yǔ)

基于三維GIS的城市配電管理信息系統(tǒng)是一個(gè)把三維地理信息與三維配電線路及其設(shè)備相結(jié)合的信息管理系統(tǒng)［6］。與同類(lèi)的二維系統(tǒng)相比，最突出的特點(diǎn)就是構(gòu)建了架空線、地下電纜和城市場(chǎng)景的三維模型，在重現(xiàn)城市復(fù)雜用電環(huán)境的基礎(chǔ)上，使配電網(wǎng)在地上地下兩個(gè)空間得到了擴(kuò)展，并建立了配電設(shè)備模型與臺(tái)賬信息、缺陷故障信息和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息的聯(lián)動(dòng)顯示，有助于電力管理部門(mén)全面掌握配電網(wǎng)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，為故障點(diǎn)的快速定位搶修提供保障，為電力管理提供了更加豐富、直觀的信息資料和決策依據(jù)。