輸電線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

古曉蓓 田永雨 楊艷軍 吳向斌

摘 要：利用空間數(shù)據(jù)訪問技術，基于Flex框架、ArcGIS Server技術、組件式GIS開發(fā)技術等，開發(fā)了數(shù)據(jù)線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)，預測大面積山火可能對電力設備產(chǎn)生的影響，為電力部門提供科學決策，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

關鍵詞：空間數(shù)據(jù)庫；ArcGIS Server；Flex；山火監(jiān)測預警；組件式GIS開發(fā)技術

近年來，此起彼伏的山火令人觸目驚心，輸電線路因山火引起的跳閘停電事故越來越多，嚴重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。山火引起輸電線路跳閘停電的嚴重性引起了國內(nèi)各省市電力部門的高度重視。及時發(fā)現(xiàn)火情、及時采取應對措施，是防范山火引起線路跳閘的最有效措施。

輸電線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)以實現(xiàn)山火監(jiān)測預警為目標，建立山火火點、氣象信息數(shù)據(jù)庫，開發(fā)山火監(jiān)測預警平臺，利用 GIS技術預測大面積山火可能對電力設備產(chǎn)生的影響，分析地形地貌、氣象、人文等因素對火災發(fā)生可能性的作用，為電力部門提供科學決策，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

1 系統(tǒng)設計

輸電線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)建設采用實用、成熟的技術方法進行開發(fā)設計，考慮多源數(shù)據(jù)間的邏輯聯(lián)系，顧及系統(tǒng)的功能需求、持續(xù)發(fā)展、維護管理與數(shù)據(jù)更新等方面的要求，結合當今計算機網(wǎng)絡技術、GIS技術、軟件工程技術、空間數(shù)據(jù)庫技術的最新發(fā)展，通過基于GIS的功能定制開發(fā)，滿足系統(tǒng)性能穩(wěn)定、功能實用的用戶要求。

1.1 體系結構

目前應用較成熟的軟件應用體系結構有C/S（Client/Server）網(wǎng)絡模式與B/S（Browser/Server）網(wǎng)絡模式，在網(wǎng)絡應用中各有所長。

C/S （Client/Server）結構，一般運行于局域網(wǎng)，面向相對固定的用戶群，對信息安全的控制能力很強。B/S（Browser/Server）結構，數(shù)據(jù)層的數(shù)據(jù)服務器專門存放數(shù)據(jù)，應用服務器提供各類服務部件來訪問數(shù)據(jù)服務器和響應客戶端的請求，界面表現(xiàn)層即瀏覽器端只顯示結果和發(fā)出請求。

輸電線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)建設采用C/S和 B/S結構相結合的模式。數(shù)據(jù)管理維護子模塊采用C/S模式構建，面向特定的數(shù)據(jù)庫管理用戶，完成數(shù)據(jù)入庫、維護等功能，該模塊的用戶必須具備一定的數(shù)據(jù)庫管理技能和基礎的地理信息知識；山火監(jiān)測預警子模塊采用B/S模式構建，完成地圖瀏覽、發(fā)布、查詢、分析等功能，該子模塊面向更多的使用者。系統(tǒng)總體技術框架如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)庫設計

輸電線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括基礎地理信息數(shù)據(jù)庫、專題數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)涉及的數(shù)據(jù)類型、專題較多，數(shù)據(jù)更新速度快。要滿足系統(tǒng)平臺應用的需求，空間數(shù)據(jù)庫的建立采用SQL Server2008 + ArcSDE的方式進行管理，存儲和管理平臺發(fā)布的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫結構設計圖如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)功能模塊設計

輸電線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)主要包括山火監(jiān)測預警子模塊（B/S）和數(shù)據(jù)管理維護子子模塊（C/S）兩大功能模塊。

山火監(jiān)測預警系統(tǒng)是整個系統(tǒng)開發(fā)的核心，該子系統(tǒng)主要包括地圖瀏覽、信息查詢、山火預警等功能模塊。

地圖瀏覽：為用戶提供直觀、形象的基礎地理空間信息數(shù)據(jù)、火點數(shù)據(jù)、電力設施數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡快速發(fā)布以及瀏覽顯示。實現(xiàn)包括地圖的瀏覽、定位、距離面積量算等功能。

信息查詢：為用戶提供查詢業(yè)務功能。主要是針對火點信息、氣象信息和各類專題圖的多種方式查詢。查詢方式包括：通過在地圖上點選火點，顯示火點的相關信息；通過統(tǒng)計表格的形式顯示某天全部火點的詳細信息；提供時間、區(qū)域、線路三個查詢條件，在客戶端通過輸入查詢條件，生成火點統(tǒng)計表格和火點分布專題圖；通過設定輸電線路（空間要素）的安全距離（緩沖區(qū)半徑），進行緩沖區(qū)分析，查找緩沖區(qū)以內(nèi)的火點（即可能對輸電線路造成影響的火點）；在客戶端輸入某一時間段，通過數(shù)據(jù)庫分組統(tǒng)計查詢功能，以統(tǒng)計表格形式顯示所有線路山火告警次數(shù)；通過“顯示實況氣象”功能，在地圖上每個站點位置顯示該站點的溫度、濕度、風向、風速、降水等實時氣象信息；通過“查詢實況氣象”功能，按照氣象要素條件查詢指定某一天或某一時間的氣象實況，生成氣象站點的實時氣象信息統(tǒng)計表格；通過“氣象實況專題圖功能”在查詢結果的基礎上生成任意指定要素專題圖，并實現(xiàn)專題圖的疊加；通過區(qū)域條件、時間條件和氣象要素條件，查詢、統(tǒng)計指定時段的氣象要素（溫度、雨量、濕度、風速）分布情況，生成氣象統(tǒng)計圖、表格和氣象分布專題圖。

山火預警：山火預警是系統(tǒng)最重要的功能。山火預警的方式有：提供山火火點附近的線路可能受山火跳閘等危險的告警，為線路安全提供保障，通過對當天火點的最近桿塔距離的檢索，若在規(guī)定的安全距離以內(nèi)，存在跳閘的可能，則對該線路及相應的桿塔號提出山火告警信息，并通過網(wǎng)頁形式及時通知發(fā)布；根據(jù)不同的安全距離，以三種不同顏色，在地圖上對每一個火點的三種告警等級影響范圍進行渲染；根據(jù)最近桿塔距離與最近線路距離，在地圖上高亮顯示告警的桿塔和線路，并生成告警統(tǒng)計信息表；依據(jù)山火預警等級指數(shù)計算公式，計算氣象站點的山火火險天氣總指數(shù)，并經(jīng)過空間插值、重分類等操作，按照不同的顏色表示不同的山火預警等級，繪制山火火險等級短期預報分布圖。

數(shù)據(jù)管理維護子系統(tǒng)包括：地圖數(shù)據(jù)管理和用戶安全管理，通過后臺管理功能可以對網(wǎng)站的各種信息進行維護和管理。

基礎數(shù)據(jù)管理：包括基礎地圖數(shù)據(jù)的整理、符號化、分級緩存、入庫、發(fā)布；政區(qū)圖層數(shù)據(jù)的整理、入庫；三維地形圖數(shù)據(jù)的整理、入庫、發(fā)布。

電力設置數(shù)據(jù)管理：包括桿塔數(shù)據(jù)的整理、入庫、更新、空間信息和屬性信息的修改、符號化、發(fā)布；輸電線路數(shù)據(jù)的整理、入庫、更新、空間信息和屬性信息的修改、符號化、發(fā)布。

火點數(shù)據(jù)管理：主要提供火點數(shù)據(jù)批量入庫發(fā)布、火點數(shù)據(jù)單點入庫發(fā)布、火點數(shù)據(jù)刪除、火點衛(wèi)星監(jiān)測照片入庫發(fā)布。

氣象信息數(shù)據(jù)管理：實現(xiàn)氣象站點（城市信息）矢量數(shù)據(jù)的整理、入庫、符號化、發(fā)布；實現(xiàn)長中短期氣象預測文本信息的入庫，以及指定時間的信息刪除和修改；實現(xiàn)省/中央氣象臺氣象實況數(shù)據(jù)的入庫。

平均值計算：計算每天所有氣象要素的日平均值，并將結果存入實況氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計表中，以便提供前臺歷史氣象信息的查詢；計算每月所有氣象要素的月平均值，并將結果存入實況氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計表中，以便提供前臺歷史氣象信息的查詢；計算每年所有氣象要素的年平均值，并將結果存入實況氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計表中，以便提供前臺歷史氣象信息的查詢。

安全距離設置：通過山火引起跳閘的機理研究結論設置，根據(jù)不同的安全距離，設定不同的告警級別。該功能提供三級預警與無預警的安全距離的用戶自定義設置。山火告警中的實時告警依據(jù)安全距離的設定進行分析統(tǒng)計。

重點時段設置：實現(xiàn)分別對清明、春節(jié)、秋收、春耕、七月半、其他六個時段的時間設置，并將設置存入數(shù)據(jù)庫中。

山火火險等級短期預報分布圖管理：實現(xiàn)根據(jù)山火預警等級指數(shù)公式和96個氣象站點的預報信息，計算96個站點的火險氣象指數(shù)。并通過火險氣象指數(shù)進行空間插值，然后依據(jù)森林火險天氣等級標準的設置，將數(shù)據(jù)進行火險氣象等級進行劃分，生成山火火險等級短期預報分布專題圖，并將專題圖入庫。

安全管理：實現(xiàn)管理員管理、IP限制管理、日志管理、數(shù)據(jù)庫備份等功能。

2 關鍵技術實現(xiàn)

2.1空間數(shù)據(jù)庫技術

采用關系數(shù)據(jù)庫或對象關系數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)，可以充分利用RDBMS數(shù)據(jù)管理的功能，利用SQL語言對空間與非空間數(shù)據(jù)進行各項數(shù)據(jù)庫操作，同時可以利用關系數(shù)據(jù)庫的海量數(shù)據(jù)管理、事務處理（Transaction）、記錄鎖定、并發(fā)控制、數(shù)據(jù)倉庫等功能，使空間數(shù)據(jù)與非空間數(shù)據(jù)一體化集成。采用關系數(shù)據(jù)庫管理空間數(shù)據(jù)庫是GIS發(fā)展的潮流，增加了空間數(shù)據(jù)的互操作性。

輸電線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)地理空間數(shù)據(jù)庫沿用成熟的ArcSDE結合SQL Server的空間數(shù)據(jù)管理模式，將空間數(shù)據(jù)存儲在關系型數(shù)據(jù)庫中，通過空間數(shù)據(jù)引擎以及應用服務器對空間數(shù)據(jù)進行有效管理，并通過專用開發(fā)包進行數(shù)據(jù)庫功能開發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的集成管理。

2.2 WebGIS技術

WebGIS技術是Internet技術應用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物，是一個交互式的、分布式的、動態(tài)的地理信息系統(tǒng)。GIS通過WWW功能得以擴展，真正成為一種大眾使用的工具。從WWW的任意一個節(jié)點，用戶可以瀏覽WebGIS站點的空間數(shù)據(jù)并進行各種空間檢索和空間分析。

2.3 ArcGIS Server技術

ArcGIS Server是ESRI公司的服務器端產(chǎn)品，是一套用于開發(fā)Web企業(yè)級GIS應用的服務器端Arcobject組件集，是一個用于構建集中管理、支持多用戶的企業(yè)級GIS應用的平臺。ArcGIS Server提供了豐富的GIS功能，例如地圖、定位器和用在中央服務器應用的軟件對象。開發(fā)者使用ArcGIS Server可以構建Web應用、Web服務，以及其他運行在標準的.NET和J2EE Web服務器上的企業(yè)應用。它可以讓開發(fā)者和系統(tǒng)設計人員實現(xiàn)一個集中的GIS，支持多用戶訪問。集中的GIS服務器可以通過Web瀏覽器向用戶提供GIS功能，簡化了系統(tǒng)和應用程序的管理。

2.4 Flex技術

Flex是一個高效、免費的開源框架，可用于構建具有表現(xiàn)力的Web應用程序。這些應用程序利用Adobe Flash Player和Adobe AIR，運行時跨瀏覽器、桌面和操作系統(tǒng)實現(xiàn)一致的部署。使用 Flex 創(chuàng)建的 RIA 可運行于使用 Adobe Flash Player 軟件的瀏覽器中。目前，F(xiàn)lex技術已經(jīng)被越來越多的用戶和程序員所采用。

山火監(jiān)測預警子模塊基于Flex框架搭建，利用ArcGIS Flex API和Flex framework來完成地圖渲染、繪制及客戶端數(shù)據(jù)處理，系統(tǒng)用戶界面豐富、體驗性強、功能完善、操作靈活。

2.5組件式GIS開發(fā)技術

組件式軟件是新一代GIS的重要基礎，ComGIS的出現(xiàn)為傳統(tǒng)GIS面臨的多種問題提供了全新的解決思路。ComGIS的基本思想是把GIS的各大功能模塊劃分為幾個控件，每個控件完成不同的功能。各個GIS控件之間，以及GIS控件與其他非GIS控件之間，可以方便地通過可視化的軟件開發(fā)工具集成起來，形成最終的GIS應用。組件式GIS擺脫了傳統(tǒng)GIS自帶的二次開發(fā)語言的束縛，可以利用通用的計算機語言進行應用開發(fā)，便于與其他系統(tǒng)集成，易于開發(fā)新系統(tǒng)和新應用。

數(shù)據(jù)管理維護子模塊采用ArcEngine9.3.1技術開發(fā)，完全脫離ArcGis的桌面環(huán)境。

3 系統(tǒng)展示

輸電線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)基于Flex框架構建，實現(xiàn)了基礎地圖、輸電線路分布圖、火點分布圖、氣象要素專題圖的疊加顯示，山火告警與預報，火點信息與氣象信息的查詢、統(tǒng)計等功能，系統(tǒng)界面絢麗，操作簡單，交互性強。圖3為系統(tǒng)主界面，顯示當天火點分布狀況以及線路告警信息。

4 結束語

基于ArcGIS Server技術、Flex框架、C/S和 B/S結構相結合的輸電線路山火預警監(jiān)測系統(tǒng)，針對山火火點地理信息數(shù)據(jù)、輸電線路數(shù)據(jù)、氣象專題數(shù)據(jù)的管理、更新、發(fā)布、空間分析等業(yè)務要求，設計并制定了符合多類型數(shù)據(jù)集成管理和數(shù)據(jù)服務的技術架構，規(guī)范數(shù)據(jù)庫的組織方式和管理模式，合理地進行數(shù)據(jù)庫布局，形成涉及山火火點、氣象信息的性能優(yōu)良、布局合理、滿足山火監(jiān)測預警系統(tǒng)需求的地理信息數(shù)據(jù)庫。搭建了頁面美觀、操作方便、交互性強、功能完善的山火監(jiān)測預警平臺，實現(xiàn)電子地圖、輸電線路分布圖、火點分布圖、氣象要素專題圖的疊加顯示，實現(xiàn)火點信息的查詢、統(tǒng)計、空間分析等功能。預測大面積山火可能對電力設備產(chǎn)生的影響，為電力部門提供科學決策，保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。

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