特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 剛，崔章順

(北京洛斯達(dá)數(shù)字遙感技術(shù)有限公司，北京 100120)

傳統(tǒng)初步設(shè)計(jì)選線工作多以CAD為基礎(chǔ)平臺(tái)，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和綜合化分析。路徑方案的優(yōu)化通常在1:5萬地形圖上進(jìn)行，由于地圖數(shù)據(jù)相對(duì)陳舊，與現(xiàn)實(shí)差別較大，設(shè)計(jì)人員易對(duì)工程環(huán)境產(chǎn)生錯(cuò)、漏等偏差，工作效率低。設(shè)計(jì)人員工程調(diào)查搜集的走廊信息離散，不便于綜合考慮各種基礎(chǔ)信息對(duì)路徑走向的影響，實(shí)時(shí)平斷面掃描和桿塔的自動(dòng)優(yōu)化排位更加無從談起，難以做出比較經(jīng)濟(jì)、合理的路徑方案。

GIS具有強(qiáng)大的空間信息采集、存儲(chǔ)、管理、表達(dá)、分析和可視輸出功能，易于對(duì)各類型數(shù) 據(jù)進(jìn)行有效管理和空間分析，對(duì)于路徑優(yōu)化工作有著十分重要的意義。因此，本文在GIS平臺(tái)基礎(chǔ)上，集成自動(dòng)優(yōu)化排位和大場景三維立體功能，建立特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)，通過直觀展現(xiàn)影響線路走向的地物空間分布，輔助線路設(shè)計(jì)人員充分利用多源信息進(jìn)行綜合評(píng)判，確定推薦方案，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行桿塔的自動(dòng)優(yōu)化排位，并通過立體環(huán)境下查看桿塔位置以提高路徑成立可信度，改善作業(yè)環(huán)境，提高工作效率，從而提高初步設(shè)計(jì)質(zhì)量，加深初步設(shè)計(jì)深度。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)目標(biāo)

建立基于GIS的特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)的主要目標(biāo)是整合豐富的地理信息、地質(zhì)信息、工程信息等空間信息，輔助勘測設(shè)計(jì)人員充分考慮各種因素，進(jìn)行合理的路徑選擇，借助自動(dòng)優(yōu)化排位技術(shù)，方便進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，輔助桿塔規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的理念，為業(yè)主決策和初步設(shè)計(jì)服務(wù)。

1.2 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用C/S軟件架構(gòu)，在Microsoft Visual Studio2008開發(fā)環(huán)境中利用C#進(jìn)行基于ArcGIS Engine的二次開發(fā)；桿塔排位模塊采用C++單獨(dú)開發(fā)，通過數(shù)據(jù)接口與GIS功能組件間進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞，從而實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)工作。

圖1 系統(tǒng)框架

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

該決策支持系統(tǒng)以大量地理信息為基礎(chǔ)，因此空間數(shù)據(jù)庫的選擇和設(shè)計(jì)是否合理、高效、穩(wěn)定和安全，直接影響到系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用的水平?？紤]到用戶的需求以及工程初步設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用File Geodatabase 存儲(chǔ)矢量數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)采用文件形式存放在硬盤上。對(duì)于相關(guān)的描述性數(shù)據(jù)，直接存在要素屬性表中。系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)來源多種多樣，根據(jù)數(shù)據(jù)管理和線路設(shè)計(jì)的需要，分成基礎(chǔ)地理信息、專題信息、土地利用信息等(圖2)。

圖2 數(shù)據(jù)庫信息結(jié)構(gòu)

1.4 主要功能

特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)是一個(gè)輔助輸電線路工程初步設(shè)計(jì)的專業(yè)性軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的Windows窗口，以菜單、工具欄的形式提供所有功能(圖3)。

根據(jù)初步設(shè)計(jì)工作流程，將系統(tǒng)分成7個(gè)功能模塊，分別是數(shù)據(jù)管理、路徑選擇、平斷面掃描、桿塔排位、統(tǒng)計(jì)分析、大場景立體顯示、輸出打印。

(1)數(shù)據(jù)管理。為用戶提供線路設(shè)計(jì)所需數(shù)據(jù)的加載、顯示、查詢和維護(hù)，方便用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、電網(wǎng)地理信息顯示、數(shù)據(jù)更新和維護(hù)。

(2)線路選擇。用戶根據(jù)各種地理信息，在二維平面上初步繪制線路可能的多種路徑方案，并對(duì)多方案進(jìn)行管理，亦可以對(duì)線路方案的轉(zhuǎn)角位置進(jìn)行編輯。而且用戶經(jīng)過敏感區(qū)域時(shí)，系統(tǒng)會(huì)給出敏感區(qū)警告。

(3)平斷面掃描。用戶在指定某方案首尾桿塔位置后，可實(shí)時(shí)自動(dòng)提取該線路的平斷面圖[7]，并將結(jié)果以不同格式保存。

(4)桿塔排位。包括手工排位和自動(dòng)優(yōu)化排位。手工排位功能在用戶通過電子模板將設(shè)計(jì)參數(shù)輸入后，即可增加、移動(dòng)和刪除桿塔、桿塔屬性修改。自動(dòng)優(yōu)化排位功能在輸入桿塔設(shè)計(jì)參數(shù)后，借助自動(dòng)優(yōu)化排位工具，從桿塔位置可行性、經(jīng)濟(jì)性等方面實(shí)現(xiàn)桿塔排位的自動(dòng)優(yōu)化[8]。

(5)統(tǒng)計(jì)分析。路徑方案確定后，獲得不同方案的交叉跨越、桿塔數(shù)量等信息，方便用戶進(jìn)行多方案的比選，使設(shè)計(jì)更具有可行性、經(jīng)濟(jì)性。主要的統(tǒng)計(jì)分析指標(biāo)有線路長度，桿塔數(shù)量，平均耐張段長度等。

(6)大場景立體顯示。實(shí)現(xiàn)平面視圖和立體視圖的地理坐標(biāo)關(guān)聯(lián)顯示，從而方便用戶進(jìn)行初步設(shè)計(jì)。在二維平面路徑方案確定后，將立體影像與平面正射影像聯(lián)動(dòng)(放大、縮小、移動(dòng)等)，方便用戶借助紅綠眼鏡查看塔位，當(dāng)用戶調(diào)整桿塔進(jìn)行，對(duì)應(yīng)立體影像上位置會(huì)實(shí)時(shí)變更。此處，立體影像采用正射影像與DEM生成[9,10,11]。

圖3 系統(tǒng)界面

(7)輸出打印

輸出打印主要包括兩項(xiàng)功能，其一是專題圖制作和輸出，指對(duì)地圖窗口中當(dāng)前顯示的內(nèi)容進(jìn)行整飾和輸出。其二是文件打印，指將線路設(shè)計(jì)結(jié)果、專題圖等文件進(jìn)行打印預(yù)覽和輸出到打印機(jī)。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程簡介

溪洛渡—浙西±800kV特高壓直流輸電線路工程線路西起溪洛渡換流站，東至浙西換流站，可研路徑長度1679.9km，途徑四川、貴州、湖南、江西和浙江五省的45個(gè)市縣。全線地勢(shì)西高東低，以高山、山地和丘陵為主，跨越湘江、贛江等多條河流，沿線自然保護(hù)區(qū)、風(fēng)景區(qū)、規(guī)劃區(qū)域、礦區(qū)和國防控制用地、水源保護(hù)區(qū)等敏感區(qū)域多，鐵路、高速公路、電力線等交叉跨越多，使得線路走廊規(guī)劃更加復(fù)雜。

2.2 選線工作流程

系統(tǒng)工作流程包括五個(gè)方面內(nèi)容：

(1)工程項(xiàng)目數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備工作。收集可研路徑以及沿線的衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型、專題信息等走廊信息，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加工和處理。

(2)用戶將準(zhǔn)備好的各類數(shù)據(jù)導(dǎo)入工作空間，展現(xiàn)到輔助決策支持系統(tǒng)上，為線路路徑的繪制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(3)線路設(shè)計(jì)人員通過數(shù)據(jù)疊加顯示、平面和立體聯(lián)動(dòng)顯示等，有效地避開礦區(qū)、房屋密集區(qū)、保護(hù)區(qū)等敏感區(qū)域，減少不確定因素的干擾，確定推薦方案。在此基礎(chǔ)上，自動(dòng)繪制推薦方案的平斷面圖，并進(jìn)行桿塔自動(dòng)排位和立體模型中塔位查看。

(4)設(shè)計(jì)完成后，對(duì)線路的長度、桿塔數(shù)、交叉跨越等信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，為用戶提供初步設(shè)計(jì)所需的成果數(shù)據(jù)。此外，用戶可以通過統(tǒng)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行多個(gè)推薦方案的比選，從而確定最佳路徑方案。

(5)用戶對(duì)設(shè)計(jì)成果進(jìn)行專題圖制作、輸出和打印。

2.3 優(yōu)化結(jié)果分析

在可研路徑基礎(chǔ)上，通過初步設(shè)計(jì)選線工作，有效提高了工程安全可靠性，減少了投資，降低了施工建設(shè)難度，減小了對(duì)環(huán)境的影響，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保效益明顯，主要表現(xiàn)在：

(1)合理確定整體路徑方案，優(yōu)化各段接頭點(diǎn)，并對(duì)各段局部路徑方案進(jìn)行了優(yōu)化，減少轉(zhuǎn)角個(gè)數(shù)、縮小轉(zhuǎn)角度數(shù)。路徑方案優(yōu)化后，縮短路徑長度20km，節(jié)省工程投資1.5億。

(2)減少了房屋拆遷，充分體現(xiàn)電力建設(shè)和諧發(fā)展的理念。借助初步設(shè)計(jì)平臺(tái)，盡可能減少房屋拆遷，降低了施工民事難度，減少工程建設(shè)對(duì)人民生活造成的不利影響，充分體現(xiàn)了以人為本的理念。通過平臺(tái)初步統(tǒng)計(jì)，全線優(yōu)化后房屋拆遷量總計(jì)減少1567棟。

(3)縮短跨越林區(qū)長度，減少林木砍伐，保護(hù)環(huán)境。線路經(jīng)過地區(qū)林木較多，通過將衛(wèi)片解譯結(jié)果疊加平臺(tái)中，統(tǒng)計(jì)各方案跨越林木長度，減少林木跨越和砍伐，從而盡可能地保護(hù)林業(yè)資源，避免破壞環(huán)境。路徑優(yōu)化后，全線跨越林區(qū)長度縮短了34.1km。

(4)借助統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)圖形化展示障礙物信息，實(shí)現(xiàn) “按圖說畫”，從而有效避讓風(fēng)景區(qū)、保護(hù)區(qū)、規(guī)劃區(qū)、礦區(qū)等主要障礙物。

(5)有助于梳理路徑方案中存在的問題。通過預(yù)選線方案的直觀展示，有助于設(shè)計(jì)人員掌握線路與周圍地物關(guān)系，提出影響路徑方案的問題，并形成具有可操作性的對(duì)策，為重大問題的解決爭取了時(shí)間，為工程的順利推進(jìn)奠定了基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

基于GIS技術(shù)開發(fā)的特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)，將所有走廊資源信息在地理信息系統(tǒng)的空間框架內(nèi)顯示和管理，直觀再現(xiàn)路徑方案與周圍地物信息的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了影響線路走向的數(shù)據(jù)信息的整合，任意路徑方案的繪制、快速平斷面掃描、自動(dòng)優(yōu)化排位等輔助功能，改變了傳統(tǒng)的路徑優(yōu)化模式，提高了特高壓工程輸電線路初步設(shè)計(jì)的質(zhì)量和工作效率，加深了工作深度。該系統(tǒng)強(qiáng)化了對(duì)影響線路走向信息的有效利用與挖掘，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)路徑選擇的輔助分析決策，符合電力設(shè)計(jì)單位的要求，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。通過具體工程實(shí)例的應(yīng)用，進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和實(shí)用性。該系統(tǒng)的建設(shè)，為特高壓工程路徑優(yōu)化設(shè)計(jì)的信息化、科學(xué)性提供了一個(gè)有效途徑。

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