基于三維GIS的城市配電管理信息系統設計與實現

時 翔，陳志勇

（青島供電公司，山東 青島 266002）

0 引言

傳統的配電網資料多以圖紙、圖表等形式保存和管理，效率低，數據安全性不高［1］。針對這個問題，近年來建立了一些基于二維GIS的配電網管理信息系統，實現了對設備信息和圖形信息的傳遞和管理，但還存在不足：無法準確、具體地展現城市地下電纜錯綜復雜的分布情況，為故障線路檢修提供輔助決策；一般以二維矢量地圖作為城市配電環境的展示手段，無法幫助用戶對真實的用電環境進行認知。隨著三維仿真技術的不斷成熟，三維GIS開始服務于電力行業的可視化平臺建設，配電三維GIS系統能夠立體展示架空線、地下電纜等電力設備及城市配電環境，帶給用戶強有力的視覺沖擊，并將電力系統中的現有數據與相關空間位置信息結合起來，進行地理信息分析與應用操作，使配電信息管理由二維空間步入到與現實對應的三維地理空間。從城市配電的實際管理需求出發，研究基于三維GIS的城市配電管理信息系統的設計與實現。 通過該系統，能夠對城市配電網進行全方位的管理，為電力管理部門提供有效的決策支持手段，提高管理效率。

1 系統總體框架

從總體框架上看，基于三維GIS的城市配電管理信息系統上可分為：數據存儲層、數據訪問層、系統服務層、系統應用層和系統用戶層等5個層次，如圖1所示。

圖1 基于三維GIS的城市配電管理信息系統的總體框架

數據存儲層是系統服務的內容，為系統提供一個共享數據環境，也為配電管理過程中的運行監控、設備查詢、用戶信息等提供數據支撐［2］。主要包括基礎地理數據庫、配電設備數據庫、配電運行數據庫和設備檢修數據庫?；A地理數據庫存放的是整個配電管理系統的地理空間數據；配電設備數據庫存放配電網中各類設備的臺帳信息；配電運行數據庫存儲配電網中各臺配電變壓器、環網柜的運行數據、地下電纜的實時監測數據；設備檢修數據庫用于記錄設備檢修的各種數據。

數據訪問層是連接數據存儲層和系統服務層的中間層，主要功能是數據的獲取和檢索。

系統服務層提供系統所有的功能實現，是系統的核心。主要功能包括三維電力渲染引擎、三維城市場景渲染引擎、空間數據管理、系統用戶的管理和業務數據的檢索。

系統應用層是利用系統服務層的功能模塊封裝具體應用的業務模塊，根據城市配電管理的特點，提供了包括城市場景三維展示、配電設施三維展示、設備臺賬缺陷管理、實時監測、基于三維地圖的綜合可視化、三維瀏覽控制、系統維護與管理等功能模塊。

系統用戶層是系統服務的對象集合。從分工職責的角度，又可分為系統管理員、領導、運檢部、運行班、調度部門和檢修班，根據不同的登陸用戶賦予不同的操作權限。

2 系統功能設計

圖2 基于三維GIS的城市配電管理信息系統的功能設計

基于三維GIS的城市配電管理信息系統面向配電的日常管理、運行監控、信息維護、配電設施精細化展示、設備管理等功能定制，以高分辨率、大覆蓋范圍遙感影像、數字地形模型、基礎地理數據、海量三維城市場景模型、GPS定位數據、實時監控數據為依據，根據城市配電管理的業務需求，開發實現包括三維瀏覽控制、城市場景三維展示、配電網三維展示、配電設備管理和系統管理在內的5個系統模塊。

三維瀏覽控制模塊對配電設施和其所在的三維地理空間進行瀏覽控制，包括放大、縮小、拖放、旋轉、平移、圖層可視化設置、飛行瀏覽和地下鏡頭控制等。圖層可視控制能夠靈活地打開或關閉任意地理或設備圖層，可選擇某一類、幾類或全部配電設施圖層及地理信息數據進行綜合疊加顯示。飛行瀏覽是預先設定瀏覽路徑，對漫游高度、俯仰角度等參數進行設置，視點沿路徑向前運動，運動速度亦可調節。地下鏡頭模式支持地表和地物模型的透明度調節，能夠查看地表下存在的電纜等配電設備設施。

城市場景三維展示模塊在高精度數字地形模型和高分辨率遙感影像的基礎上，加載海量建筑物、道路和城市小品精細模型，通過視距判斷，自動顯示地物名稱，并利用三維可視化技術對沿海城市的附近海域實現海水特效渲染，對配電設施所在區域進行高度仿真，形象逼真地再現了城市的用電環境。通過建筑物ID與門牌號信息建立關聯，在系統中雙擊選中某個建筑物模型便可直觀查看相應的用電用戶信息。

配電網三維展示模塊主要對城市配電網中的地下電纜和架空線進行三維建?？梢暬５叵码娎|相關的基礎設施包含管溝、電纜井等；設備包含電纜、變電站、環網柜、開閉所、用戶變、分支箱、電纜接頭等［3］。電纜井是電力施工和電纜維護的重要資源，因此對電纜井的三維建模要盡量完整，首先根據井蓋的實測GPS數據，對電纜井進行定位；而后按照電纜井內部繪制的CAD圖紙中記錄的各個立面所處的位置、深度、溝道的剖面尺寸及排管在電纜井各個立面所處的位置、深度、排列方式、數量等實測數據，進行電纜井的精細化建模。根據每一條電纜的軌跡、各條電纜在電纜溝剖面的分布情況和出入設備情況，進行地下電纜建模，并賦予每條電纜唯一ID，與數據庫掛接后顯示電纜名稱、型號、長度等臺賬信息。 對環網柜、箱式變和分支箱等電纜設備，根據實際照片和尺寸進行三維仿真建模，通過骨骼動畫技術，可以打開設備內部，查看開關的臺賬信息和實時監測數據。 架空線設備設施包括桿塔、線路、站所、變壓器、開關等，與地下電纜建模類似，可以根據桿塔的CAD圖紙對桿塔建立模型庫，而后根據實際情況，實現桿塔與變壓器、開關等設備模型的組裝，完成整條架空線的構建，最后根據設備唯一ID關聯設備臺賬和實時監測數據。

配電設備管理模塊包含設備臺賬管理、缺陷故障管理、運行監控、線路巡檢和架空線路編輯等功能項。設備臺賬管理是配電管理系統的其他功能模塊的基礎，是對配網的各種電氣設備自身各種技術參數的管理，它主要完成各種電氣設備的基礎輸入、刪除、編輯，并提供模型與設備屬性之間的雙向查詢［4］；對于滿足查詢條件的設備能夠將其在三維地圖上進行快速定位。缺陷故障管理與臺賬管理類似，也是對配網的各種電氣設備的缺陷故障信息，實現輸入、刪除、編輯和查詢操作。 運行監控功能是自動連接配電運行數據庫，對線路的帶電狀態，開關、刀閘等設備的遙信狀態，開關、變壓器、母線等設備的各類遙測量等進行實時顯示；當開關運行狀態發生改變時，自動報警［5］。線路巡檢是自由定制巡視路徑，沿架空線或地下電纜對配電設備進行巡視和檢查，查看配電設備的臺賬信息、缺陷故障信息和實時監測數據，幫助全面掌握線路的運行狀況，及時發現缺陷和沿線威脅安全的隱患。架空線路編輯功能使得架空線具備可延布性，用戶可以使用該功能提供的工具，根據桿塔的位置數據和實際拍攝的照片，自行建立包含主線和支線的架空線路，對桿塔模型進行靈活調換，并可錄入相應設備的臺賬信息。

系統管理模塊主要實現用戶登錄/退出、新用戶注冊、用戶信息的修改、用戶權限分配等功能。

3 關鍵技術

系統開發環境基于Windows操作系統，Oracle10G數據庫，基于客戶端和服務端（C/S架構）模式，同時采用了國內高效的EV-Globe三維開發平臺，實現了配電業務與三維仿真的完美結合。

三維仿真層次細節技術。針對密集的三維模型渲染采用了層次細節技術（LOD），通過對物體離鏡頭距離、是否在視野范圍、是否被其他物體遮擋等一系列LOD判斷，減少了三維模型渲染數量，再通過模型優化、紋理合并等技術減少渲染批次，大大提高了三維渲染效率，使渲染幀率始終在35幀以上，拖動非常流暢，為后面的業務操作解除后顧之憂。

高效配電線路組裝引擎技術。系統采用了EV-Globe平臺的電力渲染引擎并對其進行了一系列改進，使其適用于城市配電線路的應用。系統預先建立了三維桿塔模型庫，通過對桿塔配件大小，距離的精確計算得出配件在塔桿上的掛點坐標，選擇不同配件和塔桿組裝出完整的配電桿塔，再將一系列桿塔通過線路掛點坐標進行掛線，最終生成出一條完整的城市架空線。該電力引擎通過了各種測試，能夠適應各種配電桿塔的組裝，使三維配電線路具有靈活性和可拓展性。

飛行瀏覽軌跡插值和模型實時渲染的多線程技術。該系統中線路巡檢模塊通過對數據的插值運算、飛行瀏覽過程中模型的動態實時渲染采用了多線程技術，確保相機鏡頭在三維虛擬地球平滑前行。在車輛巡檢模塊中也采用了該技術，通過對GPS數據做2個批次延期處理，對已接收到的數據進行高密度插值，通過貝塞爾曲線插值算法，消除瀏覽線路中出現的急轉彎狀況，使三維模型可以均勻平滑的前進。

4 系統實現

根據上述設計方案和關鍵技術，對基于三維GIS的城市配電管理信息系統進行實現，并將系統應用于青島市南區東部沿海高可靠性示范區配電網管理，該示范區為環境優美的旅游景區。系統在加載示范區5.7 km2的1 800多個城市模型、58條地下電纜、22條架空線和幾百個電力設備的情況下，瀏覽依然非常流暢。 系統接入數據庫中的設備臺賬信息、缺陷故障信息和實時監測數據，通過ID匹配電氣設備三維仿真模型進行關聯展示，通過線路巡檢功能可以非常形象地展示各個電力部件的運轉情況；其中架空線可以根據實際需要，由用戶自行延布并添加臺賬信息，通過試運行，系統取得了良好的應用示范效果。

5 結語

基于三維GIS的城市配電管理信息系統是一個把三維地理信息與三維配電線路及其設備相結合的信息管理系統［6］。與同類的二維系統相比，最突出的特點就是構建了架空線、地下電纜和城市場景的三維模型，在重現城市復雜用電環境的基礎上，使配電網在地上地下兩個空間得到了擴展，并建立了配電設備模型與臺賬信息、缺陷故障信息和實時監測信息的聯動顯示，有助于電力管理部門全面掌握配電網的運轉情況，為故障點的快速定位搶修提供保障，為電力管理提供了更加豐富、直觀的信息資料和決策依據。