基于GIS 的電力通信線路管理系統開發與應用

陳海宏，張 靜，萬書亭

（1.蒼南電力有限責任公司，溫州325802；2.華北電力大學機械系，保定071003）

電力特種光纜以其容量大、抗干擾能力強、保密性好等優點，在電力系統通信中的應用越來越廣泛，據統計，電力系統目前鋪設了近幾十萬千米的光纖線路。隨著電力通信網絡的發展，依靠人工處理通信線路資源和實行動態管理，己經越來越不能適應線路設備量大、種類多、變化快、管理復雜的要求，而且電力光纖一旦出現故障，就會引起通信中斷，特別是繼電保護業務中斷，可能引起電網事故，造成重大損失。建立電力通信線路管理系統對電力企業通信設備與線路的管理、規劃和光纖故障的及時搶修具有深遠影響。

科學有效地建立電力通信線路管理系統成為電力行業自動化深入發展的重要課題。基于地理信息系統GIS（geographical information system）的電力通信線路管理系統將使我國電力行業自動化上升到一個更高的臺階。地理信息系統是專門管理具有地理坐標的空間數據的計算機系統，它在數據綜合、地理模擬和空間分析能力等方面有很大的優勢，可以使得電力通信線路信息表現的更加直觀形象，提高光纖線路的維護效率。GIS 在配電網規劃與調度、輸電線路的巡檢和電網設計與規劃等方面有廣泛應用，但基于GIS 的電力通信線路管理系統的研究很少。

在電力系統GIS 管理系統的研究中，文獻[1-4]具有代表性。文獻[1]以地理信息系統為基礎，采用模塊化思想，設計了電網規劃輔助決策系統，有效地提高了規劃工作的科學性、實用性和高效性，但系統沒有最優路徑規劃的模塊；文獻[2]探討了GIS 在通信領域應用的發展，重點介紹了GIS 在通信光纖維護和光纖選線輔助決策方面的應用，但沒有突出電力通信光纖的特點；文獻[3]建立了基于網絡GIS 的新型電能質量監測評估系統，實現了電能質量的動態管理，對應用GIS 平臺開發電力通信線路管理系統有一定的參考價值；文獻[4]重點闡述了光纜監測系統和光纜資源管理系統在唐山電力通信網中的應用，但文中沒有涉及到電力光纖的規劃。雖然現在市場上有比較成熟的通信資源管理系統軟件，但這些軟件都是適用于電信網絡的通信資源管理，由于在資源管理對象、系統接口和業務流程的差異，使得開發一套基于GIS的電力通信線路管理系統，對進一步提高電力通信光纖的管理、規劃和故障及時搶修的能力有很大的意義。

1 電力通信線路GIS 管理系統開發與實現

利用Internet 在Web 上發布和應用空間數據，為網絡用戶提供空間數據的瀏覽、查詢與分析等功能，已經成為GIS 發展的一種趨勢。WebGIS 就是將Internet 技術應用于GIS 開發的產物，它具有空間數據共享和互操作、分布式服務體系和數據更新維護方便等優點。系統采用先進的瀏覽器/服務器技術，運用WebGIS 技術實現對電力通信設備和光纖的空間管理和可視化分析，以及為線路故障搶修提供最優路徑的決策支持。

1.1 系統結構

系統以B/S 方式運行，這種計算模式能靈活高效地尋求計算負荷和網絡流量負載在服務器端和客戶端的合理分配。系統核心層采用三層結構，大大減少了服務器的負擔，并且通過服務器負載均衡的技術解決了多用戶同時運行的瓶頸問題。三層結構包括客戶端、Web 服務器和GIS 服務器、空間數據庫服務器。客戶端是用戶與整個系統的接口，用于數據結果的顯示和用戶請求的提交；Web服務器和GIS 服務器啟動相應的代碼來響應和處理用戶的請求；空間數據庫服務器用于空間數據的操作管理。系統結構框架如圖1 所示。

圖1 系統結構框架Fig.1 Structure of system

1.2 開發工具

本系統基于模型視圖控制器MVC（model view controller） 架構，使用以互聯網信息服務IIS（internet information services）為基礎的動態服務器頁面ASP（active server page）進行開發，中間件采用MapInfo MapXtreme 3.0 和ASPGrid 3.0，服務器端使用VBScript 腳本語言， 客戶端使用JAVAScript 腳本語言。選用Oracle 9i 作為后臺數據庫存儲空間數據和屬性數據，它的Spatial 模塊可以實現空間幾何數據的相關存儲、地理信息數據與屬性數據的集中式管理以及海量GIS 數據的存儲與檢索[6]。

1.3 數據應用

地圖底圖使用mapinfo TAB 表格保存數據，但底圖數據是不可修改的，根據底圖生成的地圖集文件（Geoset）保存在服務器端。地圖業務層使用mapinfo TAB 表格和Oracle spatial 格式保存數據，可以進行修改。系統通過自動控制可以實現多用戶并行操作。為了確保業務地圖數據的安全，在Oracle 數據中建立矢量數據表備份和維護所有業務的矢量數據，并充當GIS 和管理信息系統MIS（management information system）的關系對應表，提供一定程度的數據冗余，確保系統和MIS 系統的松耦合。同時，為了提高GIS 地圖的響應速度，地圖底圖使用逐級縮放顯示的方案。

2 電力通信線路GIS 管理系統功能

將此系統應用于蒼南電力有限責任公司，取到很好的效果，并且由于該系統具有功能完善、安全可靠、界面友好、使用方便等特點，可在其他供電企業中得到較好的推廣應用。按功能的不同，電力通信線路GIS 管理系統可分為圖層管理、圖形顯示、設備查詢和管理等，如圖2 所示。電力通信線路管理系統的地圖顯示界面如圖3 所示。

2.1 圖層管理

圖2 電力通信線路管理系統主要功能Fig.2 Main functions of electric power communication line management system

圖3 電力通信線路管理系統的地圖顯示界面Fig.3 Map display interface of electric power communication line management system

系統對不同類別的圖形元素實行圖層管理，便于對不同圖元的屏蔽。線路和設備分別在獨立圖層顯示，這樣可為用戶提供靈活的地圖顯示內容搭配。線路圖層是其他設備圖層的基礎，它采用單線表示，主干線路和分支線路使用不同的顏色和樣式顯示。系統提供完善的業務圖形信息的編輯工具，包括線路和其他設備的添加、刪除和移動操作都是在圖層管理的基礎上建立起來的。圖層控制窗口如圖4 所示。

2.2 圖形顯示

系統具備“鷹眼”功能，可同時顯示全景窗口和局部窗口。在局部區域圖和全景圖上可以方便實現縮放和移動功能，便于直觀了解全局和局部的關系。系統能夠實現電力通信線路、設備及其標注的關聯，可查閱隱性關聯關系。在相應圖元的右鍵菜單中，可方便地了解通信線路、設備的基本情況，通過簡單操作可以在圖形上完成線路和設備的追加、插入、刪除和移動的操作。用鼠標沿著地圖上某條線路畫一條直線，系統將沿著與該直線垂直的方向繪出對應范圍內的線路斷面圖，更加直觀地展示通信線路的實際情況。

2.3 設備查詢和管理

系統可以實現不同通信線路和設備的統計查詢、定位查詢和測距查詢功能，同時可以將查詢結果直接在界面上顯示。光纖通信網、節點、線路、接頭、桿塔、交跨點都可以在設備查詢中找到。為了方便光纖通信網的維修和管理，系統具有光配表示表維護和檢修記錄功能。同時，系統還能實現架空線路、管道、復合地線、接續盒、預留線、芯數、占用率、中繼等通信線路及線路上設備的檔案管理。

統計分析是系統的一個重要功能。通過及時地掌握光纖通信網的整體動態和歷史信息，更加有效地對電力通信線路進行管理。系統可以實現光纖線路數據、類型、運行率、檢修次數和運營期限的統計分析。圖5 為光纖線路數據統計表。

圖5 光纖線路數據統計表Fig.5 Data statistical table of cable line

3 電力通信線路最優路徑規劃算法

從網絡模型的角度看，最佳路徑求解就是在網絡中兩個結點間找到一條阻礙強度最小的路徑[5]。最優路徑規劃的基礎是網絡分析，系統通過對MapInfo 的TAB 格式的數據文件進行拓撲信息提取和網絡分析，為最優路徑規劃提供必要的基礎。電力搶修模塊綜合利用全球定位系統GPS（global positioning system）、GIS 和無線通信技術，巡檢人員通過移動GIS 設備將光纖故障的具體位置在系統界面上標示出來，同時系統對裝有GPS 的電力通信線路搶修調度車輛進行定位，通過車載無線通信系統，將信息傳送到服務中心，信息中心把搶修車輛的位置顯示在服務中的系統界面上。服務中心系統軟件根據故障地點和搶修車輛位置，計算出各條道路的權值，使用A*算法，智能生成搶修調度車輛的最優路徑，并將最優路徑通過無線通信系統傳送到搶修車輛上，從而實現對電力通信線路故障的及時搶修。本文重點介紹A*算法及其實現過程。搶修車調度流程如圖6 所示。

圖6 搶修車調度流程Fig.6 Flow chart of rescue vehicle dispatch

3.1 A*算法在電力通信線路管理系統中的應用

A*算法是一種以Dijkstra 算法為基礎的啟發式搜索算法，啟發式搜索優先搜索具有特定信息節點，選擇可能性最大的節點作為下一個搜索節點，提高了搜索效率。A*算法搜索過程中，在選擇下一個搜索節點時，引入地理信息系統中的空間數據，對于待搜索節點距目標點的距離進行評估，作為評價該節點屬于最優路徑節點可能性的評價指標[6]。

A*算法為待搜索節點引入估計函數

式中：樣f（n）為節點n 從起始節點到目標節點的估價值；g（n）（深度因子）為從初始節點到n 節點最優路徑的實際代價；h（n）（啟發因子）為從n 到目標節點最佳路徑的估計代價。

Nilsson 等[7]通過研究發現，當搜索圖中每個節點的后續節點是有限的，節點的h（n）是可接納的，節點和節點之間的代價都大于某個確定的正數，就可以保證通過A*算法總能找到搜索圖中的最優路徑。

h（n）的選取對A*算法至關重要，只有它滿足不能大于節點到終點的實際最短距離這一相容性條件時，故障搶修最優路徑問題才能找到最優解。本系統選擇電力通信線路搶修調度車位置和故障點的直線距離作為h（n）的估計參數，滿足相容性條件。

3.2 A*算法在電力通信線路管理系統中的實現

本系統采用的是矢量地圖，它具有數據量小、可隨意縮放和便于更新等特點。矢量地圖可以看成是以點、線、面以及它們的屬性數據構成的集合。系統設計了地圖矢量庫和地圖數據庫，地圖矢量庫用來存儲地圖拓撲結構關系，分為節點數據和弧數據，地圖數據庫用來保存幾何對象的屬性數據，兩個數據庫可以通過幾何對象的索引號建立關聯。地圖矢量庫中的節點數據和弧數據正好與A*算法相關聯，因此，A*算法主要涉及地圖矢量庫。可將矢量地圖中的節點和弧的數據結構定義如下。

節點的數據結構：

所有節點和弧都有唯一的ID 號。節點和弧的數據結構分別包含對方的信息，生成節點和弧相互連通的拓撲關系。通過對道路網絡中所有節點和弧進行定義，構建矢量地圖數據的網絡拓撲模型。這種數據結構的定義方法不僅使得矢量地圖的存儲量較小，同時為基于A*算法的最優路徑規劃提供必要的基礎。A*算法的主要搜索過程。

創建兩個表，OPEN 表保存所有已生成但未搜索的節點，CLOSED 表中記錄已訪問過的節點。遍歷當前節點n 的各個鄰接節點，將n 節點放入CLOSED 表中，取n 節點的子節點Y，計算Y 的估價值。

通過A*算法的搜索，將搜索到的最優節點在地圖上顯示并連接起來，直觀的展示從線路故障點和離故障點最近的搶修車之間的最優路徑，同時通過無線傳輸將最優路徑發送到搶修車輛上，提高了電力通信線路的故障搶修效率。

3.3 最優路徑規劃算法的實際應用

將上述最優路徑規劃算法應用于蒼南電力公司的電力通信線路管理系統中，通過實踐證明，該系統對電力通信線路故障的及時搶修，提高搶修效率具有重要的意義。圖7 為蒼南縣龍港鎮的光纖發生故障時，通過定位光纖故障的具體位置、搶修車位置和最優路徑算法，得到的光纖故障點和搶修車位置之間的最優路徑。

圖7 最優路徑應用Fig.7 Application of optimal route

4 結論

（1）綜合運用WebGIS 技術與Oracle 數據庫，實現海量數據存儲與高級數據管理。

（2）通過圖層管理和模塊設計，將系統功能劃分為較小的單元并獨立實現，便于系統功能的維護和擴展。

（3）將A*算法應用于電力通信線路管理系統中，可以得到光纖故障搶修的最優路徑，對提高故障搶修效率有重大的意義。

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