基于三維GIS技術的電網規劃設計可視化系統開發實現

摘 要：輸電線路三維可視化輔助設計系統的研究方向和適用范圍包括輸電線路項目的設計資料檢索、前期路徑初選、可行性研究、初步設計，積極探索線路三維施工圖設計和數字化移交的深度應用。該文基于筆者多年從事GIS技術應用的相關工作經驗，以三維GIS技術在電網規劃設計中的應用為研究對象，設計實現了面向電網規劃設計的三維GIS可視化系統，結合案例對系統功能進行了分解，詳細分析了系統運行的作業流程，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：三維GIS 電網規劃設計 可視化系統 作業流程

中圖分類號：TP315 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（b）-0013-04

隨著計算機技術的飛速發展， 地理信息系統（Geographic Information System，簡稱GIS）在整個電力行業中得到了越來越廣泛的應用。將GIS引入配電管理系統（DMS），并與用電MIS，負荷管理及SCADA等子系統相結合，為各級管理人員提供一套簡單、迅速、方便的配電網運行管理系統已成為現代電力企業提高管理水平和工作效率的有效手段。然而，目前在電力系統中廣泛應用的主要還是基于二維坐標的GIS系統，其空間表現和分析能力都有很大的局限性。

輸電線路是位于地理空間中的人工構建物，其線路距離長，通過地區的地理條件比較復雜，與眾多電力線路和通訊線路交叉跨越，并且通常會通過居民區、公園和其它特殊區域。輸電線路及其桿塔位置與地理空間位置密切相關，特別是在垂直方向上的層次信息尤為重要，這使得二維地理信息系統無法達到其管理的需求。近年來，計算機圖形學的發展和計算機硬件性能的成倍提高使得三維表現技術日益完善，通過這些技術， 我們能夠構造更接近于現實的三維地表模型和各類設備模型，使得GIS系統從二維向三維發展。

國際上GIS的發展始于20世紀60年代，起源于北美。世界上第一個GIS是1963年加拿大土地調查局為了處理大量的土地調查資料，由測量學家R.F.Tominson提出并建立的。20世紀70年代以后，由于計算機軟硬件迅速發展，特別是大容量存儲功能磁盤的使用，為地理空間數據的錄入、存儲、檢索、輸出提供了強有力的技術手段，使GIS 朝著實用方向迅速發展。20世紀80年代是 GIS普及和推廣應用的大發展階段，由于新一代高性能計算機的普及和迅速發展，GIS 也逐步走向成熟。GIS的軟硬件投資大大降低而能力明顯提高，已進入多學科領域，由功能單一、比較簡單的分散系統發展成為多功能的用戶共享的綜合性信息系統，并開始向電力行業發展。電網GIS的應用經歷了CAD+數據庫、傳統GIS應用階段，20世紀90年代初期，進入AM/FM/GIS應用階段。建立以數字化電網及協同工作環境為特征的電網GIS，已成為發達國家電力企業，為增強自身競爭能力（降低生產成本、提高服務水平）而進行生產經營業務流程重組工作、提高電網運行科學管理水平的必不可少的工具。

我國的電網GIS的建設是在20世紀末、21世紀初逐步開始的，在2000年前后曾經在國內掀起建設熱潮，各大企業紛紛上馬，但是失敗者居多，以至于很多企業信息化主管“談GIS色變”。究其原因，主要有以下三點。

（1）軟件行業的大環境不具備。當時中國軟件行業還處于初級階段，對軟件項目的管理水平商處于起步階段，對其中存在的各種問題尚沒有清醒的認識，導致大量項目的失敗。

（2）技術和管理有問題。當時電力GIS 建設以配電網為主，這和當時正在進行的城鄉電網改造熱潮有很大的聯動關系，但是和輸電網絡相比，配電網絡結構復雜，不規范型式較多，而且變化頻繁，在技術和工程上都具有挑戰性，且當時很多關鍵技術問題沒有解決。

（3）定位有問題。當時大量的GIS建設者只是從建設一個信息化系統的角度來考慮問題，而沒有意識到這種系統中的電網資源實際上是整個電力系統各個業務的基礎支撐性信息。這樣在整個系統的規劃和設計上眼光局限于局部，只考慮到單個項目的需求，形成了信息孤島，最終導致整個系統走向萎縮和衰亡。電網GIS在經過 2000～2005年低谷期后，目前又逐漸發展起來，這個趨勢正好符合技術經濟學的技術發展曲線。新一輪的GIS建設和上一輪相比，有較大的不同，主要體現在以下三個方面。

（1）大部分電力GIS廠家對于電網企業的需求有了更深刻的理解。很多廠家已經意識到對電網企業來說電網資源才是核心，GIS只是一個平臺和工具，這種名稱的變化暗示了建設重心的偏移。

（2）對于各種關鍵難題，在技術上和管理上都有了新的解決方案和思路。在對于配電網絡頻繁變化的問題上，采取了將網路資源修改、合并到電網工程設計流程中去的方法，在業務流程中解決對變化的控制。這和傳統GIS簡單地采用編輯建模的方式在效果上產生了本質差異，達到了很好的效果。這也反映了在系統建設水平上的提升，也意識到了企業信息化的建設，很大程度上是一個管理問題，而不是一個技術問題。近年來信息技術日新月異的發展，給系統的建設提供了更完美的思路和豐富的建設實踐，如Internet的普及、SOA技術架構的提出和實施，都為各種技術難題的解決提供了方案。

（3）中國軟件行業的項目管理和實施水平有了很大的提高。大部分信息化企業已經從傳統的“手工作坊”式的開發方式開始向系統化、體系化、規范化的方向發展，項目實施成功率有了很大的提高，對于復雜信息化項目的駕馭水平有了明顯提升。正是在這樣的變化背景下，電網GIS的建設構想從傳統的GIS的思路中脫胎而出，無論是在技術和管理上，還是在行業大氣候下，都更加具備了相應的實施條件。

從相關的研究來看，國內的部分系統僅初步具備輸電線路可研選線、初步設計的功能，還無法真正實現線路三維施工圖設計的功能，實現真正意義上的線路三維施工圖設計也是各大設計院和相關軟件公司的努力方向。從目前的計算機硬件配置、三維地理信息發展水平的角度來看，已基本具備開展此項工作的條件。為進一步拓展輸電線路三維設計的開發與應用，加快線路設計的自動化、一體化進程，提高線路勘測設計的進度、質量和服務水平，本文以輸電線路設計為主要出發點，提出了構建輸電線路三維可視化輔助設計系統的技術方案。

1 系統的構建

1.1 開發模式

輸電線路三維可視化輔助設計系統的軟件開發模式采用三級構架模式：支撐采用開放數據結構、采用工業標準的基礎GIS軟件；在此基礎上，采用組件式二次開發專業作業平臺；在專業作業平臺之上，再開發各種高級應用。

采用這種可很好的隔離了高級和底層基礎平臺，減少了開發的難度，提高系統對公用數據庫和基礎地理數據的利用率。但對于專業作業平臺來說，卻提出了很高的要求，它不僅和GIS專業知識有關，還需要輸電線路勘測設計的相關專業知識和技術，對輸電線路有個整體全面的了解。

1.2 軟件體系結構

輸電線路三維可視化輔助設計系統推薦采用自下而上的4層次型軟件體系結構。這種體系結構綜合考慮了現有的軟硬件技術水平和系統需求的因素，充分體現了軟件體系結構設計的系統性和可擴充性，是一套面向可視化輸電線路設計的、具有高重用度的軟件體系結構。

系統各層功能和設計考慮如下：

（1）專業應用層。專業應用層構成了輔助設計系統與用戶交互的界面，包括各種可視化的輸電線路顯示、查詢、設計、數據管理、圖表輸出等功能。

（2）模型對象層。主要功能是把多數據源的地理數據轉化為單一的、綜合的、基于數據模型的對象，從而有效地解決了GIS中多數據源多數據類型的問題。在模型對象層中，設置了代表三維場景中的地形、覆蓋在地形上的矢量對象（如公路、地區邊界、河流等）、立體建模的地物對象（如主要的居民地、重要的河流、輸電線路上主要的跨越和標注等）和輸電線路上的電力器件對象（如輸電線、避雷線、桿塔和絕緣子等）。

（3）數據層。在數據層中，采用文件系統加關系數據庫來構成系統的基礎數據庫，由關系數據庫來管理系統的屬性數據，由文件系統來管理系統的空間數據。考慮到三維GIS中對空間數據查詢、顯示以及分析的特殊要求，需要對管理空間數據的文件系統采用多種形式的優化。

（4）轉換通信層。轉換通信層包含數據轉換和連接通信兩個子層，通信子層的設立屏蔽了各種物理通信介質和網絡通信協議的差別，為數據轉換子層提供統一格式的數據；數據轉換子層負責將不同分系統間的數據分類、轉換、融合后上傳到數據層；通信層實現了與電力行業其它數據庫的數據共享。

1.3 系統構建原則

構架輸電線路三維可視化輔助設計系統所應遵循的原則如下。

（1）系統架構設計。

C/S（Client/Server）和B/S（Browser/Server）是開發模式架構的兩大主流技術。C/S結構可以充分利用兩端硬件環境的優勢，將任務合理分配到Client端和Server端來實現，降低了系統的通訊開銷；B/S結構用戶工作界面通過WWW瀏覽器實現，極少部分事務邏輯在瀏覽器實現，但是主要事務邏輯在服務器端實現。本系統的架構設計應遵循 B/S和 C/S相結合原則，以便充分發揮兩類架構的優勢。

（2）穩定可靠。

穩定性、可靠性是對系統運行的最基本的要求。作為大型的信息系統，輸電線路三維可視化輔助設計系統數據協調通信復雜，一旦發生丟失或者系統崩潰將會造成嚴重的損失、浪費大量的人力物力，甚至會影響正常的生產活動，所以要充分考慮系統的各個方面，保證系統的穩定性。

（3）可擴展性原則。

輸電線路三維可視化輔助設計系統投資巨大、系統結構復雜，較短的開發周期內難以達到預想的功能要求，如何保證這些人力物力的可持續性利用，保證系統能夠適應組織機構調整、適應新增的功能需求、適應因流程重組而帶來的需求變化也是系統設計和開發中的一個指導思想。

（4）運行高效。

如果運行效率低下，即使系統功能建設非常完善，最終也無法實現實用化。由于輸電線路可視化輔助設計系統數據量大，要確保所選擇的三維GIS平臺有良好的性能和數據加載手段；除上述手段外，還需要進行良好的需求控制，避免系統功能的冗余。

（5）開放性。

輸電線路三維可視化輔助設計系統要實現與其它專業軟件的平穩“對接”，設計時就必需確保其有足夠的開放性，具有良好的應用編程接口和對業界標準的遵循，保證各模塊間相互協調處理、數據共享。

（6）開發期的系統投資重點。

本系統總體投資較大，但GIS軟件平臺和二次開發所占的費用相對較少，但作為影響系統性能較為關鍵因素，決定著系統的可用性和實用性，系統一旦建成后便難以更換平臺或重新進行整體開發。因此在構建系統前應進行大量的調研工作，并加大對軟件平臺和二次開發的預期投入。

各種專題信息及地理數據所占的投資較高，但在系統開發或調試期間利用率較低，其有效性又極容易失時，因此建議分步展開地理數據的采購和各種專題信息制作。

（7）GIS系統的選用。

建設輸電線路三維可視化輔助設計系統是一個投入大、時間長的過程，這要求平臺供應商對用戶的應用系統提供長期的支持和維護。

另外，由于系統所包含的內容非常龐雜，技術涉及面廣，應該采用具有廣大用戶群的GIS產品，從而在技術支持、產品的穩定性和產品的升級換代等方面得到保證。

2 GIS數據

2.1 基礎地理數據

地球表面的自然地物和人文地物形狀各異、錯綜復雜、關系密切，經過抽象簡化，地球表面的地物可以用下面四大類數據來表達。

（1）數字線劃數據（DLG）：DLG作為大多數的GIS最為常見的核心數據形式，用抽象的圖形表達地理空間的實體，非常適合于計算機的表達。

（2）影像數據：影像數據包括遙感影像和航空影像。由于影像數據數據源豐富，生產效率高，并且直觀而詳細地記錄了地表的自然現象，因此影像數據在現代GIS中起越來越重要的作用。

（3）數字高程模型（DEM）：DEM在GIS中已經作為專門空間數據來采集，DEM的精度已經逐步成為衡量一個地理信息系統的標準。

（4）屬性數據：GIS的空間查詢、空間分析都離不開屬性數據的支持。正是因為GIS存儲了圖形和屬性數據，才使GIS內容豐富、應用廣泛。

GIS數據可以由野外數據采集、地圖數字化、攝影測量、遙感圖像處理等多種方式獲取，在構建本系統時應綜合利用以上獲取手段，依據所要解決問題的選擇數據獲取手段。對于輸電線路核心區域可利航空影像經處理生成DEM及DOM等基礎地理數據，對于規劃走廊可購買相關區域高分辨遙感衛星影像經遙感軟件處理獲取三維GIS系統所需的基礎地理數據。

2.2 基礎地理數據

輸電線路三維可視化輔助設計系統不僅要有輸變電設備的坐標、高程信息，還應具有各設備的空間形狀和各種屬性信息。輸變電數據包括電廠升壓站、變電、輸電設備的數據等。電廠升壓站：電廠的名稱、類型、用途、所在地，升壓站構架的三維模型、經緯度坐標和高程。

變電數據：變電站和開關站的名稱、電壓等級、性質、所在地及全景三維模型，構架經緯度坐標、高程、間隔名稱和相序；

輸電設備：輸電線路名稱、編號、回路數、設計氣象條件、污區等線路屬性，所有輸電桿塔的三維實體模型、具體塔位定位坐標、高程，絕緣子金具串三維實體和各種屬性信息，導、地線類型、結構、安全系數和控制導、地線架線的各種屬性信息。

對于已有竣工圖資料的線路，可結合桿塔明細表中的桿塔、呼高、轉角度數、檔距、絕緣串型等信息，并通設定線路起止端的塔位坐標將線路一次性導入系統。

對于竣工圖資料不全的線路，可通過外業數據采集，用手持GPS采集構架、桿塔等坐標，由于此方法耗時耗力，又無法直接獲取桿塔高度和導線等屬性信息，故不建議在設計院大面積推廣。

3 系統功能用例

3.1 基本功能模塊

輸電線路三維可視化輔助設計系統的總體功能模塊包括三維基本功能、歸檔信息查詢、輔助設計功能、數據更新維護和權限安全管理等。

3.2 三維高級功能

（1）智能規劃、選線通過建立矢量地理信息、設置障礙物緩沖半徑，系統可自動優選出若干條線路路徑，分析輸電線路對耕地、村鎮和廠礦影響，且在交互設計過程中對控制線路走向的不良地質、特殊地質等災害性地質或重點設施等必須繞避的控制點發出警告信息等。

（2）二、三維聯動智能排塔定位。系統開發獨立的排塔定位模塊，要求系統可以在三維場景、二維平面和排塔定位模塊等3個窗口上聯動操作；在給定導、地線型號及安全系數、電壓等級后，通過一定的人工干預（如設定經濟檔距范圍、增加跨越點、特殊地形強制立塔等），系統可根據桿塔使用條件、地形特征進行智能排塔定位。

（3）走廊范圍內三維場景快速建模。排塔定位模塊的平斷面地物與三維場景相關聯，即通過現場調繪和終勘定位后，線路走廊范圍內的房屋、橋梁等可以作為矢量立方體直接讀取到三維場景，以便進行空間測量。

（4）相關電氣計算及校驗。電氣計算及校驗包括：“交叉跨越距離驗算”、“桿塔中心位移”、“雙聯懸垂串長調整計算”、“雙回路塔調整板計算”、“導線風偏對障礙物距離驗算”、“耐張塔跳線計算”、“直線塔導線風偏計算”等。

（5）三維金具組裝設計與制圖。在三維實體中對各種金具串進行組裝、拆分等逼真模擬，可進行絕緣子串材料的耗量統計及金具零件查看、編輯功能，能完成材料統計、重量計算、尺寸計算、三維標注及任意角度顯示及三維打印出圖等項工作，同時也可以輸出二維金具組裝施工圖；允許對金具組裝數據庫和圖形文件的內容隨時進行修改和補充，對金具部件的部分信息編輯等項工作。

4 系統運行的作業流程

4.1 可研、初步設計流程

圖1為可研、初步設計階段線路設計人員的主作業流程，新建工程由項目經理創建，未按流程建立的工程數據存放于本地計算機，補充手續后方可上傳。

4.2 施工圖設計流程

圖2為施工圖設計階段線路設計人員的主操作流程，設計人員由項目經理指任，主作業流程的所有數據均存放于系統服務器中，同時系統允許將數據由服務器下載到本地計算機，以用于脫機工作或本地備份。

4.3 竣工圖設計流程

圖3為竣工圖設計階段線路設計人員的主操作流程，主作業流程的所有數據均存放于系統服務器中。

5 結語

輸電線路三維可視化輔助設計系統的研究方向和適用范圍包括輸電線路項目的設計資料檢索、前期路徑初選、可行性研究、初步設計，積極探索線路三維施工圖設計和數字化移交的深度應用。

實現真正意義上的線路三維施工圖設計無成功先例和經驗可循，具體實施時難度較大，存在一定的風險，本方案可分階段實施，但在系統必須留有擴展能力，為后期實現全部功能創造條件；由于本系統的信息量大，而大部分基礎測繪成果屬于國家秘密，高精度的基礎地理數據會不同程度地增加失、泄密風險，因此建議盡量避免集成平臺中涉及涉密的基礎地理數據，并加強基礎地理數據的保密管理。

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