送電線路設計與管理系統的優化研究

陳洋

摘要：綜合分析送電線路設計中電氣、結構和測量等多個專業業務邏輯和功能的特點，采用SOA的組件模型建立和層次劃分技術，通過對比基于CAD/GIS的電力勘測設計軟件，證明了面向服務的架構方案相對于傳統面向對象的架構方案具備更靈活和獨立自治的特點，并在項目的開發過程中驗證了所提出架構方案的可行性。

關鍵詞：SOA；送電線路；三維協同設計

1引言

架空送電線路設計是由電氣、結構、測量、水文、地質和技經等多個專業的設計人員，協作設計出的一條從起點變電站到終點變電站的高壓鐵塔和導線走向、并從技術和經濟上綜合最優的路徑。送電線路設計三維協同設計系統，是在三維GIS平臺上，利用三維影像地圖、三維模型和實時動畫等模擬真實場景，為所有設計人員提供一個共享的可視化環境，并且為各個專業提供定制化服務，共同設計出最佳運行線路的軟件系統。

近年來，送電線路的信息化設計手段已逐漸豐富。例如，基于CAD或GIS的電力勘測設計軟件：為電氣專業設計人員提供二維CAD或三維GIS視圖下的選線或排塔功能；桿塔結構設計軟件：輔助結構專業設計人員設計出符合荷載條件、安全的桿塔；工程造價軟件：為技術經濟專業人員提供估算、概算和預算等經濟計算的軟件；導地線機械特性計算程序：為電氣專業人員進行導地線弧垂及張力的計算程序。這些信息化手段為線路設計提供了不少便利，提高了工作效率。但是市面上相似功能的專業軟件種類繁多，并且大部分電力設計院會根據自己的需求定制開發，導致同樣功能的軟件存在標準不一、接口無法對接等問題，重復耗費了人力、物力。另外各個專業軟件比較封閉，需要輸入的內容重復率高，比如工程基本資料等通用信息需要各專業重新配置載入系統；而輸出內容格式又通常不符合下一專業的期望。在線路設計中許多工作是多個專業設計人員協同設計完成，這些獨立的信息化軟件不能夠進行信息交流和成果共享，更缺乏實時協同設計的功能。

為了提高架空送電線路工程設計的效率和質量，統一成果轉化標準，實現接口無縫對接等，國內外學者和機構進行了大量的研究和實踐。本文針對其調研結果，深入分析架空輸電線路的設計流程以及各專業的設計工作，提出了一種基于SOA服務、WebService接口協議，面向GIS三維可視化的架空送電線路協同設計平臺的架構方案。

2 SOA與WebService

面向服務架構（Service-OrientedArchitecture，SOA）是一種系統設計方法，包括組件模型建立和層次架構搭建兩部分。建立組件模型是指將業務功能分解成更小的功能單元，然后通過聚合技術，將相似的單元組合為大的功能模塊，稱之為組件，組件之間定義了良好的接口和契約進行外部交互。其中，組件接口也稱之為服務，其獨立于硬件平臺、編程語言和操作系統。

建立好組件模式之后，SOA會通過搭建層次架構對組件和服務進行有效管理和調用。層次架構從上到下分為5層，即表現層、業務處理層、服務層、組件層和數據層。表現層是系統與用戶的交互界面，用戶請求通過該層傳入下一層；業務處理層建立系統的業務模型，使用計算機語言對業務邏輯進行完整描述；服務層是SOA的核心層，起承上啟下作用，其屏蔽了組件層的細節，向業務處理層提供接口服務；組件層是平臺相關的，實現了具體的功能操作；數據層是基礎數據及信息集成層。

SOA架構強調的是組件間和層間的松散耦合，以及獨立的接口服務。WebService是目前最適合實現SOA架構的技術。WebService利用標準化的XML消息傳輸機制，該技術隱藏了服務實現的細節，允許通過獨立與服務實現、獨立于軟硬件平臺及獨立于編寫服務所用的編程語言的方式使用該服務。

WebService具有獨立的功能實體、大數據量低頻率訪問和基于文本的消息傳遞3個特點。1）獨立的功能實體。動態改變一個服務的提供方時無須影響客戶端的應用程序配置。這是由簡單對象訪問協議SOAP、Web服務描述語言WSDL和通用描述-發現-集成UDDI實現的。體現了WebService面向組件、松散耦合的特點。2）大數據量低頻率訪問。通過使用WSDL和基于文本的SOAP請求，實現能一次性接收大量數據的接口。使得WebService能向上提供大量接口。3）基于文本的消息傳遞。WebService的核心技術SOAP、UDDI和WSDL均以XML形式表達，WebService的一切都是建立在XML技術之上，這保證了使用WebService體系結構的平臺無關性、語言無關性和人機交互性能。WebServices的這種松散耦合、面向組件和跨技術平臺的特點，使其能很好地滿足SOA的需求[1]。

3基于SOA的送電線路三維協同設計系統架構設計

根據SOA的設計思路，可以將架空送電線路設計過程拆分成功能明確的組件集。例如，電氣、結構和測量等所有專業都有基礎數據需要管理，只是數據類型不同；例如，電氣專業的導線、金具串等數據，結構專業的桿塔、基礎（承重構件）等數據，其數據的管理方法是相同的（增加新數據、刪除一條或多條數據、修改舊數據等，經分解再組合之后形成數據處理組件，對外部組件提供的就是數據處理的接口服務）。同樣電氣、結構及測量等專業都會使用CAD操作方法，組合后便得到CAD操作集組件，對外提供CAD操作的接口服務。最終獲得本文的層次架構，如圖3.1所示[2]。

從圖3.1中可以看出，SOA將數據和操作分開，系統中所有數據存放于數據層中，操作全部封裝于組件層中。這樣做的好處是便于數據的分類管理，也保證軟件代碼的復用，提高了軟件開發的效率。傳統的架空送電線路設計工作是以設計人員面對面交流為主導的協同模式，使用各專業之間信息不互通的軟件完成的。這些軟件之間都是獨立的信息孤島，不存在架構上的設計工作。圖3.1與傳統的線路設計工作比較而言，很明顯地體現出了協同設計上的優勢，并且便于維護和擴展。

4核心服務的劃分及技術實現

對架空送電線路設計過程中服務的劃分嚴格遵循SOA高內聚低耦合的特性，即功能都是內部相關，與外部服務基本無耦合關聯。各個服務的變化對其他服務產生最小的影響。服務粒度。粒度過大，系統的復雜性比較低，性能較高但靈活性減弱，服務的復用性不高；粒度過小，雖然服務復用性好，可以方便地編排裝配新的業務流程，但編排更復雜。綜合高內聚低耦合和服務粒度粗細原則，本系統根據業務將送電線路劃分為17個服務（見圖3.1）。主要介紹4個核心服務：GIS操作集服務、設計計算服務、同端多模塊同步服務和自動建模服務。

4.1 GIS操作集服務

本平臺三維可視化環境是基于GIS環境的，因此向設計人員提供GIS二維和三維操作集服務。對設計人員提供的GIS操作集服務，任何使用GIS環境進行線路可視化設計的設計人員都會調用到該服務。Common2DTool提供二維GIS地圖展示服務，包含對二維GIS環境下的地圖、模型等進行放大、縮小、漫游、點選和距離量算等操作；Common3DTool提供三維GIS地圖多視角展示服務，包括點位量算、高度量算、面積量算、空間分析、點選和空間漫游等操作；Edit2DTool提供二維GIS地圖編輯服務，包括接受編輯、停止編輯、添加（刪除/編輯/保存）圖層、添加（刪除/編輯/保存）點線面對象、管理二維避讓區和管理二維交跨物等功能；Edit3DTool提供三維GIS地圖編輯服務，包括添加（刪除/編輯/保存）三維模型、添加（刪除/編輯/保存）圖層、管理三維避讓區和管理三維交跨物等功能；SystemCoordManager提供坐標系統管理服務，包括新建（刪除）二維/三維坐標系統、新建三維橢球體和管理投影類型等功能。

4.2設計計算服務

設計計算服務顧名思義是為設計人員提供計算服務的。CalculationSingleton為上層設計人員提供設計計算服務，使用GetInstance創建設計計算的對象，然后調用相應的設計計算函數，例如電氣設計人員調用計算服務中的風偏角計算函數，結構設計人員調用計算服務中的桿塔荷載計算函數，在這里使用了面向對象的多態，即根據前端設計人員輸入的計算參數的不同智能判斷后臺執行的計算函數；CalResult提供輸出設計計算結果服務，在這里使用WebService標準化的XML傳輸機制，將計算結果均序列化為數據流形式，因此消除了不同設計計算結果輸出內容及格式的差異，在前端根據響應位置的不同智能反序列化為設計人員需要的計算結果。

4.3同端多模塊同步服務

同端多模塊同步服務主要指二維GIS與三維GIS同步、二維GIS與二維CAD同步及三維GIS與二維CAD同步，設計人員可以同時在同步窗口中進行線路設計。SyncModules便是提供同端多模塊同步服務的接口，包括建立同步連接，同步添加、同步刪除、同步編輯和同步刷新等功能。

4.4自動建模服務

三維GIS操作環境下，會有桿塔、金具和地物等模型，自動建模服務為用戶提供參數化自動建模服務。ModelAnalyze即為設計人員提供自動建立桿塔、金具等模型的服務接口。

5架構方案分析

取架空送電線路設計軟件中典型的子系統，以電氣專業使用的基于CAD或GIS電力勘測軟件為例，解釋所采用的基于SOA與WebService架構方案為送電線路的協同設計和資源共享提供了一種新思路。對比這些傳統的送電線路子系統，基于SOA構建的軟件架構還擁有易擴展和松散耦合的優勢，WebService技術又為前端設計人員封裝了后臺操作的復雜性，并為設計人員提供了清晰的服務接口。雖然基于CAD或GIS電力勘測軟件本身是供電氣專業人員使用的，但是要在其上增加結構專業或其他專業的功能則十分困難，傳統的面向對象設計方法使電力勘測軟件成為一個信息孤島，各構件間緊密耦合。而SOA架構將各個通用模塊劃分成獨立的服務，前端需要何種服務便調用相應的接口。例如，電氣專業的三維路徑選擇功能會調用GIS操作集服務中的三維操作接口、設計計算服務的電氣計算接口以及數據處理服務的數據處理接口。如果需要增加新功能，只需要調用通過WebService技術封裝的SOA服務接口便可以擴展出新的邏輯單元和功能模塊。同樣，若要維護舊功能模塊，只需要重新更新服務的邏輯便可實現。

6結語

與傳統的軟件系統結構相比，基于SOA的架空送電線路協同設計平臺在電氣、結構、測量、水文、地質和技經等多個專業的基礎上建立協作，綜合多專業的業務邏輯和功能，將其分解組合成為更小的邏輯和單元模塊，并通過聚合技術，構建具備獨立功能的業務邏輯單元，使得服務間相互松散耦合。基于SOA和WebService技術，在現有軟件產品的基礎上，設計出了面向服務的送電線路協同設計平臺軟件體系架構，該體系架構分為展現層、業務處理層、服務層、組件層和數據層，其中業務邏輯層分為7個邏輯單元，組件層包含17個獨立的服務單元，各個服務間符合高內聚、低耦合的特點。基于SOA的軟件架構便于舊功能的維護和新功能的擴展。并且，在隨后的架空送電線路協同設計平臺的應用過程中，充分證明了本架構在技術上的可行性和應用上的高效率。下一步工作將致力于對各個專業功能的完善和補充。

參考文獻

[1] 熊曉光. 輸電線路三維數字化設計平臺建設與應用研究[J]. 電力勘測設計，2013（3）：66-70.

[2] 高妙仙，胡天碩. 輸電線路設計智能一體化系統設計[J]. 科技經濟導刊，2017（12）：26-27.

（作者單位：中國能源建設集團甘肅省電力設計院有限公司）