賈雷亮等

摘 要：將GIS引入配電管理系統(tǒng)（DMS），為各級管理人員提供一套簡單、迅速、方便的配電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)已成為現(xiàn)代電力企業(yè)提高管理水平和工作效率的有效手段，該文以基于三維GIS的電網(wǎng)仿真技術(shù)為研究對象，該文首先分析了當(dāng)前3D-GIS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)及難點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行了體系架構(gòu)并給出了功能實(shí)現(xiàn)效果，相信對從事相關(guān)工作的同行能有所裨益。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng) 三維GIS 仿真 體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TM76 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0051-02

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem，簡稱GIS）在整個(gè)電力行業(yè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。將GIS引入配電管理系統(tǒng)（DMS），并與用電MIS、負(fù)荷管理及SCADA等子系統(tǒng)相結(jié)合，為各級管理人員提供一套簡單、迅速、方便的配電網(wǎng)運(yùn)行管理系統(tǒng)已成為現(xiàn)代電力企業(yè)提高管理水平和工作效率的有效手段。然而，目前在電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的主要還是基于二維坐標(biāo)的GIS系統(tǒng)，其空間表現(xiàn)和分析能力都有很大的局限性。

近年來，計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件性能的成倍提高使得三維表現(xiàn)技術(shù)日益完善，通過這些技術(shù)能夠構(gòu)造更接近于現(xiàn)實(shí)的三維地表模型和各類三維對象模型，使得GIS系統(tǒng)從二維向三維發(fā)展。該文通過運(yùn)用三維視景仿真技術(shù)，結(jié)合面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法，提出了一種構(gòu)建二維GIS與視景仿真技術(shù)相結(jié)合的方法并研究其在電網(wǎng)GIS中的應(yīng)用前景。

鑒于二維GIS在空間表現(xiàn)和分析能力上的局限性，該文提出基于3D-GIS的實(shí)現(xiàn)思路，針對3D-GIS在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)和難點(diǎn)，該文給出了3D-GIS的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn)。

1 3D-GIS技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用特點(diǎn)及難點(diǎn)

從二維地圖、沙盤、動畫，到虛擬視景仿真是一個(gè)合乎人們認(rèn)識深化和技術(shù)發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。二維GIS經(jīng)過30多年的發(fā)展，理論和技術(shù)日趨成熟，應(yīng)用已深入到測繪、土地、環(huán)境、電力、交通等諸多領(lǐng)域，在對地理信息的分析功能上有著無可比擬的優(yōu)勢。一些宏觀的地理信息，一維的地理信息如河流、公路等；二維的地理信息如植被、湖泊等，在對這些地理信息的分析和處理上，比較適合采用二維GIS系統(tǒng)進(jìn)行處理和分析。三維GIS系統(tǒng)是近幾年才發(fā)展起來的地理信息系統(tǒng)技術(shù)，它的最大優(yōu)點(diǎn)是可以真實(shí)地再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的地理信息，如地形、地貌等。利用三維GIS技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有真實(shí)感的三維模型生成功能以及實(shí)時(shí)漫游功能等，還具有特有的三維空間分析功能。

相對于二維GIS系統(tǒng)，三維技術(shù)在電網(wǎng)GIS中的實(shí)現(xiàn)過程有著明顯的特點(diǎn)及難點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）三維虛擬地形環(huán)境是構(gòu)成三維地理信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)和框架，首先需要解決建立場景所需要的海量地形數(shù)據(jù)的存儲問題。如在輸電線路GIS系統(tǒng)中，一條完整的線路往往要延續(xù)幾十甚至幾百公里，這使得相應(yīng)的數(shù)字地面模型規(guī)模巨大，加上眾多的河流、道路、居民區(qū)等地表特征物模型和數(shù)以千萬計(jì)的輸電設(shè)備模型，導(dǎo)致整個(gè)三維場景結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不可能將全部數(shù)據(jù)一次性地載入主內(nèi)存甚至是虛擬內(nèi)存，因此如果沒有較好的數(shù)據(jù)模型和管理策略，系統(tǒng)就難以達(dá)到預(yù)定的顯示效果，更談不上良好的交互式界面。（2）在目前的二維GIS配電網(wǎng)管理系統(tǒng)中，一般用點(diǎn)狀或線狀等抽象符號表達(dá)電力設(shè)備，無法直觀地顯示設(shè)備本身的結(jié)構(gòu)和相互間的關(guān)聯(lián)性；而在三維GIS系統(tǒng)中，模擬真實(shí)的電力設(shè)備（如變壓器、桿塔、絕緣子、輸電線）是虛擬現(xiàn)實(shí)的基本要求，這使得模型變得比較復(fù)雜，甚至要進(jìn)行組合構(gòu)造。因此，選用合理的建模方式和組織方法來處理電力設(shè)備也是實(shí)現(xiàn)三維GIS系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)。（3）當(dāng)前三維GIS還存在技術(shù)上的限制，如在三維數(shù)據(jù)獲取、大數(shù)據(jù)量處理與存儲、三維可視化、三維空間分析方面還不能以較好地性價(jià)比滿足大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的需要。如果完全采用三維GIS，勢必將花費(fèi)高昂的系統(tǒng)建設(shè)費(fèi)用，在二維GIS能夠滿足需要的情況下，用戶沒有必要去一味追求高性能。

從前面關(guān)于三維GIS的特點(diǎn)、功能，結(jié)合在電力系統(tǒng)實(shí)施中面臨的機(jī)遇與困難，筆者認(rèn)為當(dāng)前三維GIS研發(fā)應(yīng)以開發(fā)二維為主、三維為輔的混合型GIS為主要目標(biāo)，不宜開發(fā)單純的三維GIS。

2 基于二維GIS與視景仿真技術(shù)的應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)

2.1 電網(wǎng)GIS中3D-GIS的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對三維GIS的技術(shù)特點(diǎn)和線路管理的基本需求，在參考了其它一些商業(yè)GIS軟件和電網(wǎng)管理應(yīng)用系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，提出了該系統(tǒng)的三層體系結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

由于目前還沒有比較成熟的三維空間數(shù)據(jù)庫解決方案，在三維GIS系統(tǒng)中的三維模型數(shù)據(jù)（如數(shù)字地表模型、地表特征物模型及電力設(shè)備模型等）和其在三維場景中的方位信息及相關(guān)屬性信息往往以不同的方式存儲，前者一般是文件格式，無法共享，而后者可以放在通用的關(guān)系數(shù)據(jù)庫中?？紤]到模型在場景中的變化主要是位置變化，為每一類設(shè)備或地物建立相應(yīng)的三維模型原形，形成模型原形庫；然后在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)為場景中要顯示的每個(gè)設(shè)備或其它要參與交互操作的模型個(gè)體建立一個(gè)實(shí)例，該實(shí)例從關(guān)系數(shù)據(jù)庫中得到相應(yīng)的方位信息（如桿塔底部中心的大地坐標(biāo)）和設(shè)備屬性信息，并同時(shí)記錄著一個(gè)或多個(gè)指向三維模型原形庫中的模型索引。采用這種體系結(jié)構(gòu)，不但可以很好地保證交互式操作的要求，而且大大節(jié)約了存儲空間（多個(gè)實(shí)例可公用一個(gè)模型原形），使系統(tǒng)的數(shù)據(jù)在一定程度上可以共享。

2.2 二維、三維結(jié)合的GIS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能及其特點(diǎn)

二維、三維結(jié)合的GIS系統(tǒng)使用戶可以在三維的空間中認(rèn)識和管理線路，它不但包含了二維GIS的AM/FM等基本功能，也使得一些依賴于高程信息的查詢和管理功能成為可能，可實(shí)現(xiàn)如下主要功能：

（1）將目標(biāo)范圍內(nèi)的地表特征和輸電網(wǎng)用三維模型形象化，并提供斷面圖、桿塔定位圖和三維立體模型圖；在三維場景中可進(jìn)行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等操作。（2）結(jié)合對應(yīng)的二維GIS系統(tǒng)，可在三維和二維系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互動，即通過二維圖上的精確定位來實(shí)現(xiàn)桿塔、變壓器等設(shè)備的管理和維護(hù)。（3）通過飛行或漫游，查詢線路經(jīng)過的跨越物，并對跨越物進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和管理。（4）通過模擬淹沒，可查詢洪水災(zāi)害對電力設(shè)備的影響。（5）能選出最佳搶修路線，以便盡快恢復(fù)供電。（6）建立三維的污區(qū)分布圖，準(zhǔn)確確定自然污穢對架空線和變電站電瓷外絕緣強(qiáng)度的影響程度。（7）通過飛行或漫游，可制定直升機(jī)巡線的飛行路線及重點(diǎn)巡視點(diǎn)。

3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

對于三維模型可視化及用戶交互界面開發(fā)，筆者選擇Java語言，該語言具有良好的跨平臺特性，而且?guī)缀醪挥米龈嗟墓ぷ骶涂梢砸浦驳侥壳爸髁鞯幕赪EB的應(yīng)用。這些特性將使基于Java開發(fā)的三維GIS具備了廣泛使用的基礎(chǔ)；同時(shí)Java自身也提供了支持三維圖形開發(fā)的應(yīng)用編程接口Java3D，在三維可視化引擎方面支持目前流行的OpenGL和Direct3D技術(shù)，便于三維GIS應(yīng)用開發(fā)。存儲二維空間數(shù)據(jù)和三維對象屬性數(shù)據(jù)采用支持空間數(shù)據(jù)管理功能的Oracle大型關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。

三維模型顯示和三維場景中的漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等功能程序設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

由于二維GIS直接采用CAD的平面數(shù)據(jù)，容易獲得平面上某一點(diǎn)的GIS坐標(biāo)，通過該點(diǎn)的GIS坐標(biāo)找到三維視景的視點(diǎn)位置，就可以建立相應(yīng)的三維視景。在該實(shí)例中當(dāng)用戶需要查詢某區(qū)域三維虛擬場景時(shí)，可點(diǎn)擊“GIS管理”中的“三維視景仿真”，在界面中就會出現(xiàn)該區(qū)域的視景仿真界面，在三維場景中可進(jìn)行漫游、縮放、旋轉(zhuǎn)及飛行等操作。

4 結(jié)語

該文初步討論了二維GIS和三維視景仿真技術(shù)的結(jié)合及其在電網(wǎng)管理中的應(yīng)用，兩者的有機(jī)結(jié)合使系統(tǒng)具有二維電子地圖的宏觀性、整體性、簡潔性和三維虛擬場景的局部性、真實(shí)性的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)又克服了二維電子地圖的三維信息缺乏和三維虛擬場景漫游的方向迷失感，真正做到了兩者的優(yōu)勢互補(bǔ)。隨著計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)的飛速發(fā)展和硬件水平的不斷提高，三維GIS將是整個(gè)電力行業(yè)GIS的發(fā)展方向?，F(xiàn)實(shí)生活是一個(gè)充滿三維物體的世界，只有基于三維的GIS系統(tǒng)才能讓人們更加直觀、形象地認(rèn)識和理解地理和設(shè)備信息，從而提高管理水平和工作效率。

參考文獻(xiàn)

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