基于三維GIS的電網仿真技術研究

賈雷亮等

摘 要：將GIS引入配電管理系統（DMS），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，該文以基于三維GIS的電網仿真技術為研究對象，該文首先分析了當前3D-GIS技術在電力系統中的應用特點及難點，進而進行了體系架構并給出了功能實現效果，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：電網 三維GIS 仿真 體系結構

中圖分類號：TM76 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（c）-0051-02

隨著計算機技術的飛速發展，地理信息系統（GeographicInformationSystem，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。

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，通過這些技術能夠構造更接近于現實的三維地表模型和各類三維對象模型，使得GIS系統從二維向三維發展。該文通過運用三維視景仿真技術，結合面向對象設計方法，提出了一種構建二維GIS與視景仿真技術相結合的方法并研究其在電網GIS中的應用前景。

鑒于二維GIS在空間表現和分析能力上的局限性，該文提出基于3D-GIS的實現思路，針對3D-GIS在電力系統中的應用特點和難點，該文給出了3D-GIS的體系結構設計和功能實現。

1 3D-GIS技術在電力系統中的應用特點及難點

從二維地圖、沙盤、動畫，到虛擬視景仿真是一個合乎人們認識深化和技術發展趨勢的必然結果。二維GIS經過30多年的發展，理論和技術日趨成熟，應用已深入到測繪、土地、環境、電力、交通等諸多領域，在對地理信息的分析功能上有著無可比擬的優勢。一些宏觀的地理信息，一維的地理信息如河流、公路等；二維的地理信息如植被、湖泊等，在對這些地理信息的分析和處理上，比較適合采用二維GIS系統進行處理和分析。三維GIS系統是近幾年才發展起來的地理信息系統技術，它的最大優點是可以真實地再現現實環境中的地理信息，如地形、地貌等。利用三維GIS技術可以實現具有真實感的三維模型生成功能以及實時漫游功能等，還具有特有的三維空間分析功能。

相對于二維GIS系統，三維技術在電網GIS中的實現過程有著明顯的特點及難點，主要表現在以下幾個方面：

（1）三維虛擬地形環境是構成三維地理信息系統的基礎和框架，首先需要解決建立場景所需要的海量地形數據的存儲問題。如在輸電線路GIS系統中，一條完整的線路往往要延續幾十甚至幾百公里，這使得相應的數字地面模型規模巨大，加上眾多的河流、道路、居民區等地表特征物模型和數以千萬計的輸電設備模型，導致整個三維場景結構復雜，不可能將全部數據一次性地載入主內存甚至是虛擬內存，因此如果沒有較好的數據模型和管理策略，系統就難以達到預定的顯示效果，更談不上良好的交互式界面。（2）在目前的二維GIS配電網管理系統中，一般用點狀或線狀等抽象符號表達電力設備，無法直觀地顯示設備本身的結構和相互間的關聯性；而在三維GIS系統中，模擬真實的電力設備（如變壓器、桿塔、絕緣子、輸電線）是虛擬現實的基本要求，這使得模型變得比較復雜，甚至要進行組合構造。因此，選用合理的建模方式和組織方法來處理電力設備也是實現三維GIS系統的一個重點。（3）當前三維GIS還存在技術上的限制，如在三維數據獲取、大數據量處理與存儲、三維可視化、三維空間分析方面還不能以較好地性價比滿足大規模商業應用的需要。如果完全采用三維GIS，勢必將花費高昂的系統建設費用，在二維GIS能夠滿足需要的情況下，用戶沒有必要去一味追求高性能。

從前面關于三維GIS的特點、功能，結合在電力系統實施中面臨的機遇與困難，筆者認為當前三維GIS研發應以開發二維為主、三維為輔的混合型GIS為主要目標，不宜開發單純的三維GIS。

2 基于二維GIS與視景仿真技術的應用體系結構

2.1 電網GIS中3D-GIS的體系結構設計

針對三維GIS的技術特點和線路管理的基本需求，在參考了其它一些商業GIS軟件和電網管理應用系統的基礎上，提出了該系統的三層體系結構，如圖1所示。

由于目前還沒有比較成熟的三維空間數據庫解決方案，在三維GIS系統中的三維模型數據（如數字地表模型、地表特征物模型及電力設備模型等）和其在三維場景中的方位信息及相關屬性信息往往以不同的方式存儲，前者一般是文件格式，無法共享，而后者可以放在通用的關系數據庫中。考慮到模型在場景中的變化主要是位置變化，為每一類設備或地物建立相應的三維模型原形，形成模型原形庫；然后在系統運行時為場景中要顯示的每個設備或其它要參與交互操作的模型個體建立一個實例，該實例從關系數據庫中得到相應的方位信息（如桿塔底部中心的大地坐標）和設備屬性信息，并同時記錄著一個或多個指向三維模型原形庫中的模型索引。采用這種體系結構，不但可以很好地保證交互式操作的要求，而且大大節約了存儲空間（多個實例可公用一個模型原形），使系統的數據在一定程度上可以共享。

2.2 二維、三維結合的GIS系統實現的功能及其特點

二維、三維結合的GIS系統使用戶可以在三維的空間中認識和管理線路，它不但包含了二維GIS的AM/FM等基本功能，也使得一些依賴于高程信息的查詢和管理功能成為可能，可實現如下主要功能：

（1）將目標范圍內的地表特征和輸電網用三維模型形象化，并提供斷面圖、桿塔定位圖和三維立體模型圖；在三維場景中可進行漫游、縮放、旋轉及飛行等操作。（2）結合對應的二維GIS系統，可在三維和二維系統中實現數據互動，即通過二維圖上的精確定位來實現桿塔、變壓器等設備的管理和維護。（3）通過飛行或漫游，查詢線路經過的跨越物，并對跨越物進行統計和管理。（4）通過模擬淹沒，可查詢洪水災害對電力設備的影響。（5）能選出最佳搶修路線，以便盡快恢復供電。（6）建立三維的污區分布圖，準確確定自然污穢對架空線和變電站電瓷外絕緣強度的影響程度。（7）通過飛行或漫游，可制定直升機巡線的飛行路線及重點巡視點。

3 系統功能實現

對于三維模型可視化及用戶交互界面開發，筆者選擇Java語言，該語言具有良好的跨平臺特性，而且幾乎不用做更多的工作就可以移植到目前主流的基于WEB的應用。這些特性將使基于Java開發的三維GIS具備了廣泛使用的基礎；同時Java自身也提供了支持三維圖形開發的應用編程接口Java3D，在三維可視化引擎方面支持目前流行的OpenGL和Direct3D技術，便于三維GIS應用開發。存儲二維空間數據和三維對象屬性數據采用支持空間數據管理功能的Oracle大型關系型數據庫。

三維模型顯示和三維場景中的漫游、縮放、旋轉及飛行等功能程序設計流程如圖2所示。

由于二維GIS直接采用CAD的平面數據，容易獲得平面上某一點的GIS坐標，通過該點的GIS坐標找到三維視景的視點位置，就可以建立相應的三維視景。在該實例中當用戶需要查詢某區域三維虛擬場景時，可點擊“GIS管理”中的“三維視景仿真”，在界面中就會出現該區域的視景仿真界面，在三維場景中可進行漫游、縮放、旋轉及飛行等操作。

4 結語

該文初步討論了二維GIS和三維視景仿真技術的結合及其在電網管理中的應用，兩者的有機結合使系統具有二維電子地圖的宏觀性、整體性、簡潔性和三維虛擬場景的局部性、真實性的優點；同時又克服了二維電子地圖的三維信息缺乏和三維虛擬場景漫游的方向迷失感，真正做到了兩者的優勢互補。隨著計算機圖形技術的飛速發展和硬件水平的不斷提高，三維GIS將是整個電力行業GIS的發展方向。現實生活是一個充滿三維物體的世界，只有基于三維的GIS系統才能讓人們更加直觀、形象地認識和理解地理和設備信息，從而提高管理水平和工作效率。

參考文獻

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