基于基態(tài)修正模型的電力GIS時(shí)態(tài)模型研究

李申章 牛斌 張雪堅(jiān) 何映軍 段琳 彭曉平

[摘 要] 通過(guò)對(duì)基態(tài)修正模型的研究，建立了一種時(shí)間和空間結(jié)合的基于基態(tài)修正模型的電力GIS模型，有效地組織、管理和完善電網(wǎng)時(shí)態(tài)地理數(shù)據(jù)、屬性數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)和時(shí)間語(yǔ)義，并重建歷史狀態(tài)、跟蹤變化、預(yù)測(cè)未來(lái)；支持電力GIS對(duì)時(shí)空變化過(guò)程的存儲(chǔ)，分析和檢索，同時(shí)支持傳統(tǒng)的GIS的空間分析功能，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)GIS及其電網(wǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)的快照恢復(fù)，變化查詢(xún)，歷史演化分析和數(shù)據(jù)更新等功能。

[關(guān)鍵詞] 基態(tài)修正模型，時(shí)態(tài)GIS，時(shí)空分析，電力GIS

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2018. 07. 068

[中圖分類(lèi)號(hào)] TP311 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2018）07- 0164- 03

1 引 言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益增長(zhǎng)，對(duì)電網(wǎng)發(fā)展變遷過(guò)程正在加速，必須準(zhǔn)確直觀(guān)的展示電網(wǎng)規(guī)模、接線(xiàn)的發(fā)展變遷情況，預(yù)測(cè)未來(lái)電網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)規(guī)律。傳統(tǒng)的GIS系統(tǒng)只能反映電網(wǎng)最近一段時(shí)間的狀態(tài)，對(duì)于刪除的數(shù)據(jù)信息及其記錄都不會(huì)記錄下來(lái)，因此無(wú)法回溯歷史版本信息；在歷史信息追溯和未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展預(yù)測(cè)方面缺少有效的支撐。通過(guò)時(shí)間回放快速的展示電網(wǎng)網(wǎng)架拓?fù)涞臍v史變遷，通過(guò)不同時(shí)間段的電網(wǎng)網(wǎng)架對(duì)比分析出電網(wǎng)兩個(gè)歷史節(jié)點(diǎn)的差異，他的出現(xiàn)將對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行管理和規(guī)劃預(yù)測(cè)發(fā)揮重要作用，將提升電力GIS在電網(wǎng)設(shè)備功能位置、拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)在電網(wǎng)信息化系統(tǒng)中作為“數(shù)據(jù)源頭”的地位和價(jià)值。

空間對(duì)象有3個(gè)基本的屬性：空間屬性，專(zhuān)題屬性和時(shí)間屬性，傳統(tǒng)的GIS在處理空間對(duì)象時(shí)，主要突出空間屬性和專(zhuān)題屬性，對(duì)時(shí)間屬性則予以固定[1]。這種取舍造成傳統(tǒng)GIS只能處理世界的當(dāng)前狀態(tài)，或者某一歷史狀態(tài)的快照，而無(wú)法記錄數(shù)據(jù)隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化，無(wú)法進(jìn)行時(shí)序分析和處理時(shí)態(tài)現(xiàn)象[2]。地理對(duì)象的變化與時(shí)間緊密相關(guān)，為了跟蹤和記錄變化，需要在GIS中引入時(shí)間信息，這就是時(shí)態(tài)GIS需要解決的主要問(wèn)題。

2 基態(tài)修正存儲(chǔ)模型設(shè)計(jì)

2.1 電網(wǎng)資源時(shí)態(tài)存儲(chǔ)模型

2.1.1 技術(shù)原理

時(shí)態(tài)GIS中的電網(wǎng)資源圖模數(shù)據(jù)采用基態(tài)修正模型的時(shí)態(tài)化、多級(jí)版本技術(shù)，支持電網(wǎng)模型的全生命周期管理，滿(mǎn)足記錄電網(wǎng)模型的歷史演變過(guò)程以及規(guī)劃和設(shè)計(jì)應(yīng)用需求。

面向歷史數(shù)據(jù)快速訪(fǎng)問(wèn)的性能需求，以“月基線(xiàn)+工程差量”的方式。即在每月1號(hào)，將電網(wǎng)資源的當(dāng)前狀態(tài)進(jìn)行全量快照存儲(chǔ)、作為該月的基線(xiàn)；之后每個(gè)工程產(chǎn)生的變動(dòng)數(shù)據(jù)增量存儲(chǔ)。這樣可以實(shí)現(xiàn)斷面橫向查詢(xún)和設(shè)備歷史的縱向查詢(xún)，如圖1所示。

（1）斷面橫向查詢(xún)

查詢(xún)?yōu)g覽任何一個(gè)時(shí)刻的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，訪(fǎng)問(wèn)當(dāng)月的基態(tài)快照數(shù)據(jù)以及之后的多個(gè)工程的增量，通過(guò)基態(tài)快照疊加工程增量就可以獲得。

（2）設(shè)備歷史查詢(xún)

按設(shè)備對(duì)工程增量進(jìn)行查詢(xún)，能夠檢索出該設(shè)備所參與的所有工程的增量變化情況。

2.1.2 以工程為單位的增量模型

在基態(tài)快照基礎(chǔ)之上，時(shí)態(tài)電網(wǎng)模型將電網(wǎng)模型沿時(shí)間軸的變動(dòng)劃分為以工程為單位的增量鏈，在每個(gè)增量對(duì)應(yīng)一個(gè)電網(wǎng)工程產(chǎn)生的新建、修改和刪除的電網(wǎng)模型的圖形拓?fù)浜蛯傩宰兓?/p>

采用基態(tài)快照+增量實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)模型的時(shí)態(tài)化的原理如圖2所示。圖（a）是電網(wǎng)模型的增量鏈?zhǔn)疽鈭D所示，電網(wǎng)模型的修改歷史過(guò)程從某個(gè)基態(tài)快照1開(kāi)始，每個(gè)電網(wǎng)工程對(duì)電網(wǎng)模型的修改都被記錄在一個(gè)增量中，依次為增量2、3…i-1、i、j、k至電網(wǎng)模型的最新版本。圖（b）是電網(wǎng)模型的存儲(chǔ)示意圖所示，電網(wǎng)模型的修改是采用增量記錄的形式保存在電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)表中。例如工程n投產(chǎn)產(chǎn)生的修改集合n的各條記錄是記錄在狀態(tài)斷面k中。

2.1.3 數(shù)據(jù)表設(shè)計(jì)

采用Postgis開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)，基于基態(tài)修正模型實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)資源的時(shí)態(tài)化存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)庫(kù)模型在現(xiàn)有電網(wǎng)GIS平臺(tái)的電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)庫(kù)表基礎(chǔ)上增加時(shí)態(tài)相關(guān)的字段和基態(tài)修正版本鏈信息，從根本上保證了與南網(wǎng)GIS平臺(tái)的數(shù)據(jù)模型兼容性和無(wú)縫銜接。使用Postgis的空間索引，支撐即時(shí)、無(wú)緩存的瀏覽和空間查詢(xún)。

隨著現(xiàn)有的電子化移交業(yè)務(wù)開(kāi)展，每日定時(shí)從電網(wǎng)GIS平臺(tái)的Oracle中向Postgis數(shù)據(jù)庫(kù)同步以工程為單位的增量數(shù)據(jù)，在Postgis中構(gòu)建基態(tài)快照和增量數(shù)據(jù)，更新空間索引和設(shè)備索引。

基于Postgis數(shù)據(jù)庫(kù)的基態(tài)修正模型的電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)表如圖3所示。工程信息表記錄每個(gè)基建、業(yè)擴(kuò)、技改項(xiàng)目的信息，以及對(duì)應(yīng)的增量信息表中的state_id增量ID值?；鶓B(tài)快照信息表存儲(chǔ)每個(gè)月的基態(tài)快照元數(shù)據(jù)。增量信息表為基態(tài)快照或者每個(gè)工程增量的元數(shù)據(jù)。每個(gè)月的基態(tài)和增量數(shù)據(jù)都保存在一個(gè)數(shù)據(jù)集中，按設(shè)備類(lèi)型分表存儲(chǔ)，分為電網(wǎng)資源圖形表和電網(wǎng)資源屬性表，建立了空間索引和設(shè)備ID索引。

3 總結(jié)與展望

本文設(shè)計(jì)的基于基態(tài)修正模型的電力時(shí)態(tài)GIS模型可以有效對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和組織，大大節(jié)省了電網(wǎng)資源數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)空間，同時(shí)也完整地保存了數(shù)據(jù)的歷史變化信息，打破了傳統(tǒng)GIS只能存儲(chǔ)和表達(dá)單一時(shí)刻地理對(duì)象信息的限制，并支持對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)歷史變化信息的查詢(xún)和時(shí)序分析，有利于分析和發(fā)現(xiàn)地理對(duì)象隨時(shí)間的變化規(guī)律和變化趨勢(shì)等。

以電力GIS增加時(shí)態(tài)概念為切入點(diǎn)，分別從模型、設(shè)計(jì)、應(yīng)用三個(gè)層面制定研究?jī)?nèi)容。結(jié)合地圖大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，研究存儲(chǔ)大范圍、長(zhǎng)時(shí)期的地圖數(shù)據(jù)、電網(wǎng)拓?fù)鋱D形數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)當(dāng)前GIS系統(tǒng)時(shí)態(tài)服務(wù)和時(shí)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)上面上的應(yīng)用，為今后的電網(wǎng)提供完整的地圖大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)；研究基于時(shí)態(tài)GIS的高級(jí)查詢(xún)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大范圍、大規(guī)模、多時(shí)段的地圖數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的查詢(xún)?yōu)g覽、對(duì)比分析、展示等功能的應(yīng)用；選取應(yīng)用示例場(chǎng)景，研究電力GIS應(yīng)用到電網(wǎng)實(shí)際生產(chǎn)業(yè)務(wù)工作中的思路和方法。

作為支撐社會(huì)發(fā)展的能源部分，電力系統(tǒng)未來(lái)管理的發(fā)展趨勢(shì)，也必須借助時(shí)空GIS，才能更全面的掌握、管理復(fù)雜多變的電網(wǎng)。依靠電力TGIS可以快速掌握電網(wǎng)運(yùn)行的過(guò)去，并能夠預(yù)知未來(lái)?？茖W(xué)、及時(shí)的干預(yù)電網(wǎng)運(yùn)行，使電網(wǎng)的建設(shè)向著科學(xué)、合理、節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)等的方向進(jìn)行發(fā)展。

主要參考文獻(xiàn)

[1]langran G.A Framework for Temporal Geographic Information[J]. Cartographica，1988，25（3）：1-14.

[2]牛方曲，朱德海，程昌秀.改進(jìn)基于事件的時(shí)空數(shù)據(jù)模型[J].地球信息科學(xué)，2006，8（3）：104-108.