基于云GIS的電網(wǎng)三維數(shù)字化平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

甘運(yùn)良 張建廣 王向上 董鉥濤 吉堂書

（1、中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司,廣東 廣州 510663 2、北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京 100120 3、南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州 510555）

1 概述

三維GIS技術(shù)發(fā)展至今，技術(shù)成熟，國內(nèi)外有一批三維GIS平臺(tái)與廠商，其中代表性有ArcGlobe、GeoGlobe、SuperMap等平臺(tái)[1]。這些廠商與平臺(tái)起步較早，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)框架比較完整，在海量數(shù)據(jù)處理能力、三維建模、三維分析、跨平臺(tái)應(yīng)用等方面，具有較大的優(yōu)勢(shì)，對(duì)最新的三維GIS技術(shù)也有較好的支持。其中，國內(nèi)的三維GIS產(chǎn)品，如SuperMap等平臺(tái)，在近幾年陸續(xù)開始了三維引擎內(nèi)核與產(chǎn)品架構(gòu)的升級(jí)，并開始了B/S架構(gòu)的三維引擎的研發(fā)工作[2]。20世紀(jì)中旬電力行業(yè)開始發(fā)展并應(yīng)用信息化技術(shù)更新傳統(tǒng)施工方式，發(fā)展至21世紀(jì)初期，電力行業(yè)信息化開始規(guī)?；?，各種智能化系統(tǒng)平臺(tái)被投入至電力專業(yè)工程生產(chǎn)[3]。在此背景下，研發(fā)B/S架構(gòu)的新一代三維GIS云平臺(tái)，具備訪問互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)上的影像、地形、模型等多源數(shù)據(jù)能力，支持無插件、跨平臺(tái)訪問，提高平臺(tái)在電力數(shù)字化領(lǐng)域的核心競(jìng)爭(zhēng)力，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。為了縮短研發(fā)周期，保持產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性，增加市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，本文在依托當(dāng)前研究成果的基礎(chǔ)上，優(yōu)化產(chǎn)品架構(gòu)設(shè)計(jì)，降低平臺(tái)資源消耗，提高電網(wǎng)數(shù)據(jù)可視化效果，形成了新一代的電網(wǎng)數(shù)字化三維GIS云平臺(tái)。

2 總體目標(biāo)

開發(fā)一套涵蓋三維數(shù)據(jù)處理體系、三維數(shù)據(jù)管理中心以及三維客戶端開發(fā)平臺(tái)的新一代三維GIS云平臺(tái)：

2.1 數(shù)據(jù)處理體系將從三維數(shù)據(jù)處理工作流程的實(shí)際困難入手，提供完整的三維模型（變電/線路）數(shù)據(jù)處理解決方案及數(shù)據(jù)處理工具。

2.2 提供三維數(shù)據(jù)的上傳、下載、在線預(yù)覽、刪除等管理功能，完成基于Cesium體系的地形數(shù)據(jù)服務(wù)和基于ArcGISServer、MapServer等主流地圖服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)的驗(yàn)證與接入，同時(shí)提供圖形化的操作界面及數(shù)據(jù)管理開發(fā)接口。

2.3 依據(jù)實(shí)際需求，完成基于Cesium的前端可視化框架搭建，提供一套穩(wěn)定電網(wǎng)數(shù)字化平臺(tái)的二次開發(fā)接口，封裝包括變電（換流）站可視化、輸電線路可視化、量測(cè)、標(biāo)繪等模塊的SDK。

3 關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

3.1 為了實(shí)現(xiàn)跨終端和跨平臺(tái)的目標(biāo)，三維客戶端開發(fā)平臺(tái)需要兼顧瀏覽器和手機(jī)的性能問題，這給原本就對(duì)性能要求嚴(yán)苛的三維研發(fā)工作帶來了更大的挑戰(zhàn)。如何最大程度的降低資源消耗，提高平臺(tái)的性能，保證輸電線路、變電站場(chǎng)景的流暢運(yùn)行，是關(guān)鍵和難點(diǎn)工作。

3.2 輸變電工程中電力設(shè)施模型具有單體模型數(shù)據(jù)量大、密度高等特點(diǎn)，例如單個(gè)桿塔絕緣子模型的數(shù)據(jù)量可達(dá)到100MB以上，特高壓變電（換流）站的模型面片數(shù)基本都在5000萬以上，龐大的數(shù)據(jù)量對(duì)前端三維平臺(tái)的加載和可視化帶來了巨大的壓力，因此如何對(duì)這種單體電力模型進(jìn)行輕量化處理，提高其加載、渲染效率是本項(xiàng)目有待解決的重點(diǎn)問題。

3.3 輸變電工程在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)檢過程中，根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的不同，會(huì)產(chǎn)生各類異源的三維數(shù)據(jù)形式，如設(shè)計(jì)應(yīng)用中的dwg/dgn/rvt/gim等參數(shù)化模型，施工應(yīng)用中的max/bim/x等建模模型，以及運(yùn)檢過程中的las點(diǎn)云等數(shù)據(jù)，為了解決這些多源數(shù)據(jù)的統(tǒng)一接入，需要通過深入研究這些格式的通用處理流程，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型交換格式，實(shí)現(xiàn)不同類型數(shù)據(jù)的集成應(yīng)用[4]。

圖1 數(shù)據(jù)處理流程

4 建設(shè)內(nèi)容

4.1 B/S端產(chǎn)品總體設(shè)計(jì)

從電網(wǎng)數(shù)字化業(yè)務(wù)對(duì)輕量化WEB平臺(tái)的需求出發(fā)，設(shè)計(jì)一套涵蓋三維數(shù)據(jù)處理體系、三維數(shù)據(jù)管理中心、三維客戶端開發(fā)平臺(tái)的新一代三維GIS云平臺(tái)產(chǎn)品，形成從源數(shù)據(jù)、后臺(tái)服務(wù)、前端展現(xiàn)的體系化產(chǎn)品體系，同時(shí)能夠兼容工程歷史數(shù)據(jù)的接入，形成完備的數(shù)據(jù)處理、服務(wù)發(fā)布管理規(guī)范。

4.2 模型數(shù)據(jù)處理體系

設(shè)計(jì)一套完整的WEB輕量化平臺(tái)數(shù)據(jù)處理體系，形成一系列的處理工具集，同時(shí)支持以下功能需求：

4.2.1 支持多源格式處理

支持對(duì)dwg/dgn/rvt/gim等參數(shù)化模型，max/bim/x/gnm等建模模型，以及l(fā)as點(diǎn)云模型的批量處理。

4.2.2 支持手動(dòng)和自動(dòng)化處理

針對(duì)數(shù)據(jù)量較小、復(fù)雜度不高的模型，支持后臺(tái)一鍵式處理與服務(wù)發(fā)布；針對(duì)數(shù)據(jù)量較大、復(fù)雜度較高的模型，提供可視化工具手動(dòng)處理模式。

4.2.3 完全兼容Cesium技術(shù)體系

數(shù)據(jù)處理體系輸出成果為3dtiles、glb兩種形式，完全兼容Cesium格式要求[5-6]。鑒于目前國內(nèi)外眾多WebGIS平臺(tái)由Cesium改造，從而實(shí)現(xiàn)一套數(shù)據(jù)處理體系，不同前端展現(xiàn)形式的目的，為應(yīng)用層提供了更多的選擇。

4.3 三維客戶端開發(fā)平臺(tái)

開發(fā)一套基于WebGL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的三維客戶端開發(fā)平臺(tái)，可用于構(gòu)建無插件、跨操作系統(tǒng)、跨瀏覽器的三維GIS應(yīng)用程序。深入到CesiumJS源碼層，優(yōu)化三維引擎性能。同時(shí)針對(duì)電網(wǎng)數(shù)字化實(shí)際應(yīng)用情況，設(shè)計(jì)了一套可插拔的Web客戶端SDK，針對(duì)指定版本的CesiumJS API進(jìn)行二次封裝，將電力應(yīng)用場(chǎng)景的常用功能（如線路場(chǎng)景可視化、標(biāo)繪、量測(cè)等）封裝成組件和接口，方便各個(gè)項(xiàng)目組快速實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開發(fā)和復(fù)用。

5 總體設(shè)計(jì)

5.1 總體架構(gòu)

基于云GIS的電網(wǎng)三維數(shù)字化平臺(tái)五層架構(gòu)圖如圖2所示，自下而上包括基礎(chǔ)設(shè)施層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、數(shù)據(jù)服務(wù)層、應(yīng)用層和用戶層。其中基礎(chǔ)設(shè)施層包含了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、服務(wù)器、存儲(chǔ)設(shè)備和安全設(shè)備；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層包含了文件數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫；數(shù)據(jù)服務(wù)層包含了基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)服務(wù)、模型服務(wù)和REST服務(wù)；應(yīng)用層提供了面向移動(dòng)端和PC端系統(tǒng)的各種功能應(yīng)用；用戶層通過移動(dòng)端和PC端實(shí)現(xiàn)應(yīng)用接入，輔助用戶進(jìn)行B/S系統(tǒng)的可視化瀏覽和各種功能模塊的交互操作（圖2）。

圖2 總體架構(gòu)圖

5.2 數(shù)據(jù)架構(gòu)

5.2.1 基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)

地理數(shù)據(jù)包括影像數(shù)據(jù)、地形數(shù)據(jù)，國界、省界等邊界數(shù)據(jù)等。

5.2.2 輸變電工程數(shù)據(jù)

主要包括電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)，竣工設(shè)計(jì)成果數(shù)據(jù)等。電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)包括線路模型、變電（換流）站模型等，竣工成果數(shù)據(jù)包括gim模型數(shù)據(jù)等。

線路工程模型數(shù)據(jù)包括桿塔、絕緣子串、塔基幾大類，以單體模型的形式發(fā)布在數(shù)據(jù)服務(wù)器上，模型包括線路場(chǎng)景對(duì)象的三維幾何信息、顏色信息、屬性關(guān)聯(lián)信息等。線路工程基本信息存在MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。

變電（換流）站模型最終以金字塔切片的方式發(fā)布在數(shù)據(jù)服務(wù)器，以分層分塊的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)組織，模型包含變電（換流）站場(chǎng)景的三維幾何信息、顏色信息、屬性關(guān)聯(lián)信息、真實(shí)地理坐標(biāo)信息等。變電站工程基本信息存在MySQL關(guān)系型數(shù)據(jù)庫中。

5.3 技術(shù)架構(gòu)

基于云GIS的電網(wǎng)三維數(shù)字化平臺(tái)服務(wù)層設(shè)計(jì)主體采用Java開發(fā)，數(shù)據(jù)交互通過調(diào)用RESTful服務(wù)實(shí)現(xiàn)；數(shù)據(jù)處理層采用.net和C++混合開發(fā)，集成各類數(shù)據(jù)處理引擎，包括三維表面建模、實(shí)體布爾運(yùn)算、BIM數(shù)據(jù)解析、模型優(yōu)化處理等技術(shù)；展現(xiàn)層采用React、Vue開發(fā)方式實(shí)現(xiàn)，采用三維可視化輕量引擎；系統(tǒng)采用純B/S架構(gòu)三維可視化輕量引擎實(shí)現(xiàn)輸變線路三維可視化，無需安裝插件，可直接在網(wǎng)頁和手機(jī)上渲染三維場(chǎng)景（圖3）。

圖3 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)圖

6 結(jié)論

本文提出的基于云GIS的電網(wǎng)三維數(shù)字化平臺(tái)研究旨在將電力專業(yè)數(shù)字化工程由C/S端遷移至B/S端，增加系統(tǒng)部署和信息共享的靈活性和便捷性。通過在數(shù)據(jù)處理端對(duì)模型進(jìn)行輕量化處理，減少冗余的三角面片并提高了其余三角面片的復(fù)用性，同時(shí)優(yōu)化渲染引擎加快了模型的在三維場(chǎng)景中的渲染速度，優(yōu)化了可視化效果。同時(shí)利用云GIS平臺(tái)對(duì)在線影像和地形數(shù)據(jù)調(diào)用的便捷性，通過疊加電網(wǎng)工程數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)工程的數(shù)字孿生，全面提升電網(wǎng)建設(shè)的數(shù)字化、可視化、智能化水平。