高壓輸電線路三維數(shù)字管理系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

摘要:隨著電網(wǎng)電壓等級的提高和規(guī)模的擴大，以及電網(wǎng)商業(yè)化運營的逐步實施，對高壓輸電線路的建設(shè)和維護都提出了新的要求。如何有效地降低高壓輸電線路的建設(shè)和維護費用，提高管理的信息化水平，已日益受到重視。在新形勢下，傳統(tǒng)主要依賴于手工的管理方式已經(jīng)不能適應(yīng)這一新的要求，而現(xiàn)有的基于二維地理信息系統(tǒng)(GIS)的高壓輸電線路管理系統(tǒng)又因不能提供足夠真實的實時場景、完善的人機交互機制和缺乏一些重要的分析功能而難以應(yīng)用和推廣，同樣顯得不夠適用，因此，電力系統(tǒng)新一代交互式高壓輸電線路三維數(shù)字管理系統(tǒng)的研究就顯得比較迫切。

關(guān)鍵詞:高壓輸電線路 三維數(shù)字管理系統(tǒng)

1 高壓輸電線路管理的特點及需求

高壓輸電線路通常具有十分明顯的地理特征，例如高壓輸電線路的走向、跨度和變電所的位置，以及線路經(jīng)過地區(qū)的氣候條件。這種與地理要素密切相關(guān)的特點，使得線路定期巡檢的工作十分繁重，也使得管理信息來源分散、種類繁多、處理的精度要求較高。

鑒于此，高壓輸電線路管理的必然需求是:能有效地管理各種空間信息，以便了解輸電線路和線路上各種設(shè)備的環(huán)境特征;能快捷地查詢輸電線路和線路設(shè)備的數(shù)據(jù)資料;能以地形地貌數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合氣象等其他數(shù)據(jù)提高輸電線路建設(shè)和維護的自動化信息化水平;能根據(jù)地理環(huán)境數(shù)據(jù)為輸電線路維護、故障診斷和定位等提供決策信息。

2 三維數(shù)字管理系統(tǒng)的設(shè)計

2.1 系統(tǒng)設(shè)計方案 建立綜合的多媒體數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建能夠?qū)①Y料文檔、二維矢量和三維場景相結(jié)合的三維地理信息系統(tǒng)平臺。通過該平臺既可以用三維的方式直觀查看監(jiān)控數(shù)據(jù)，也可以通過該平臺查詢調(diào)用大量的資源信息，并整合三維與二維的信息進行分析，服務(wù)于高壓輸電線路的監(jiān)測、維護與應(yīng)急救援決策的制定，同時系統(tǒng)還擁有強大的拓展功能。

2.2 系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu) 根據(jù)上述的系統(tǒng)設(shè)計方案，系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計如下圖所示:

系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)規(guī)劃為三層:底層數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)發(fā)布層、系統(tǒng)應(yīng)用層。

底層數(shù)據(jù)庫:采用Oracle數(shù)據(jù)庫，包括TerraBuilder合成之后的三維數(shù)據(jù)、以及二維的影像和屬性數(shù)據(jù)還有其他的許多數(shù)據(jù)信息(如救援單位名單、電話表等)，其中還有其他原有系統(tǒng)的鏈接。

數(shù)據(jù)發(fā)布層:用于發(fā)布二維、三維空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)，其中采用Skyline TerraGate發(fā)布三維數(shù)據(jù)，用ArcIMS去發(fā)布二維數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)應(yīng)用層:實現(xiàn)與應(yīng)急措施等緊密結(jié)合的三維應(yīng)用系統(tǒng)，它是通過COM接口與底層數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)發(fā)布層進行數(shù)據(jù)交互。

2.3 系統(tǒng)研制路線

2.3.1 以關(guān)系數(shù)據(jù)庫為中心進行多媒體數(shù)據(jù)管理:為了實現(xiàn)關(guān)系數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理，同時考慮海量的數(shù)據(jù)管理及管理性能問題，系統(tǒng)選用大型數(shù)據(jù)庫Oracle作為數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，來解決空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)的管理問題。同時實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成存儲、網(wǎng)絡(luò)共享、分布式處理。

2.3.2 影像處理合成:將數(shù)字正射影像圖(DOM)在系統(tǒng)中與數(shù)字高程模型(DEM)進行三維融合，生成系統(tǒng)skyline獨有的三維地形文件，完成包括遙感影像，高程數(shù)據(jù)和適量數(shù)據(jù)的影像處理合成。

2.3.3 系統(tǒng)開發(fā):Skyline平臺的TerraExplorer Pro是強大的三維建模工具，也是一個強大的分析工具，它支持WFS/WMS和ArcSDE，這樣，可以很好的與電力系統(tǒng)現(xiàn)存的二維系統(tǒng)聯(lián)動。同時，Skyline平臺的Developer提供了COM接口，利用該接口，可以實現(xiàn)用戶自定義開發(fā)，從而和數(shù)據(jù)庫做到完美的結(jié)合，充分利用各種外部資源，滿足用戶的需求。

2.3.4 數(shù)據(jù)發(fā)布:地理信息數(shù)據(jù)的一大特點就是海量數(shù)據(jù)，以前制約三維GIS發(fā)展的一大瓶頸就是海量數(shù)據(jù)的發(fā)布，尤其是三維地理信息系統(tǒng)平臺，而Skyline平臺的TerraGate很好的解決了這一問題，TerraGate利用全新的技術(shù)使用戶可以沒有限制、沒有阻礙、流暢的瀏覽海量數(shù)據(jù)。

2.4 實現(xiàn)的基本功能 作為一個基于三維GIS的交互式可視化管理系統(tǒng)，希望能夠在三維可視化場景下借助三維GIS的強大空間檢索和分析功能為輸電線路的設(shè)計、施工、運行和維護提供一體化的支持，另外，由于二維操作具有無極放大、選擇唯一和定位準(zhǔn)確等特點，所以最終選擇在系統(tǒng)中采用二維和三維聯(lián)合操作的方式，使得顯示、查詢、分析可以在兩種視圖之間來回切換，在不影響用戶操作方便性的基礎(chǔ)上體現(xiàn)了三維可視化效果。

其顯示功能包括整個三維場景(由地形、河流、湖泊、公路、地區(qū)界、居民區(qū)、輸電線路及其設(shè)備、線路跨越、標(biāo)注等組成)的瀏覽、定位、縮放、飛行(繞點飛行和沿指定線路飛行)，以及二維地圖上的無極縮放、定位、分層瀏覽等。查詢功能包括高壓輸電線路上桿塔、線路及其相關(guān)設(shè)備和輸電線路本身的屬性信息(包括線路的電壓等級、輸送容量、連接方式、起訖點、回路數(shù)、路徑長度、導(dǎo)地線型號、跨越情況)、桿塔和連接絕緣子屬性信息、實物圖像、基礎(chǔ)形式、檢修線路的上山路徑信息等。同時實現(xiàn)了標(biāo)注功能，使用戶能夠動態(tài)的在感興趣區(qū)域進行自定義的標(biāo)注，實現(xiàn)在三維仿真地圖上創(chuàng)建標(biāo)簽、圖片、模型等信息。并且，平臺還可以提供變電站平面布置圖、變電站照片和變電站周邊環(huán)境的標(biāo)注式顯示功能。

3 采用的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 圖形圖像處理技術(shù) 系統(tǒng)圖形圖像數(shù)據(jù)采用多級存儲(LOD方式)，使多比例尺、多尺度空間地形數(shù)據(jù)可以無縫融合在一起，實現(xiàn)高圖像壓縮比和快速還原，請求圖像數(shù)據(jù)響應(yīng)時間不超過0.5秒，從而在根本上解決了大型影像數(shù)據(jù)(>200GB)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽問題。系統(tǒng)支持OpenGL和DirectX 標(biāo)準(zhǔn)，適用于多種操作平臺。并且，系統(tǒng)采用基于小波理論的圖像壓縮算法，保證了圖像壓縮后的質(zhì)量達(dá)到無失真，生成的地貌紋理和形狀最大限度接近真實目標(biāo)。圖像壓縮比較高，經(jīng)過測試，以1米地面的高分辨率影像數(shù)據(jù)和25米的高程數(shù)據(jù)三維融合為例，壓縮比一般可達(dá)到4:1，最高甚至可以達(dá)到10:1。

3.2 組件式開發(fā)方法的應(yīng)用 系統(tǒng)開發(fā)主要采用了組件式的開發(fā)方法，具體過程包括:通過領(lǐng)域分析，產(chǎn)生領(lǐng)域構(gòu)架和對該領(lǐng)域可復(fù)用組件的需求認(rèn)識，開發(fā)每一個可復(fù)用組件。其中的活動包括對各個組件的需求分析、設(shè)計、編程和測試。按照一定的檢驗標(biāo)準(zhǔn)和管理制度，把可復(fù)用組件提交到組件庫。對領(lǐng)域組件作進一步的開發(fā)，產(chǎn)生可用于設(shè)計模型組裝、源程序組裝，甚至用于可執(zhí)行程序組裝的領(lǐng)域構(gòu)架。根據(jù)具體應(yīng)用系統(tǒng)的問題域和用戶需求，開發(fā)專用組件，最終將領(lǐng)域構(gòu)架、領(lǐng)域組件和系統(tǒng)專用組件組裝成一個應(yīng)用系統(tǒng)。組件式的開發(fā)方法，主要是一個組件組裝和集成的過程，可以提高開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。正是由于組件式開發(fā)方法的應(yīng)用，使本系統(tǒng)的研制進度大大提高，也取得了較好的收益。

4 結(jié)論

本文研究的高壓輸電線路三維數(shù)字管理系統(tǒng)，以高壓輸電系統(tǒng)建設(shè)、運行和管理的特征為基礎(chǔ)，實現(xiàn)在三維實時場景下，借助三維GIS的強大空間檢索和分析功能，為高壓輸電線路的設(shè)計、施工、運行和維護提供一體化的支持，該系統(tǒng)具有實時程度高、交互性好和開放性強等特點，能夠節(jié)省高壓輸電線路的建設(shè)和運營成本，并保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在電力系統(tǒng)高電壓輸電領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。

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