基于核稀疏表示的多業務規劃終端可視化系統設計

朱銘霞，董 平，杜 漸，王 哲

（1.國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院，江蘇南京 210000；2.江蘇電力信息技術有限公司，江蘇南京 210000）

國家電網有限公司三屆四次職代會創造性提出了“三型兩網、世界一流”戰略目標，明確了“一個引領、三個變革”戰略路徑。多個地區的電網公司緊密承接國網戰略，綜合考慮內外部形式和發展條件，打造區域能源互聯網，將物聯網技術以及信息處理技術融入到國家電網的整體發展體系中，并設計了對應的智慧規劃系統[1]。智慧規劃系統示范項目移動終端應用在電網規劃信息化系統建設基礎上，依托廣域互聯智能配電網項目，對內開發規劃智能方法，對外開發新型業務拓展，從而提升該地區乃至全國電網規劃信息化系統的智能化水平發展。

在圖像處理方面，稀疏表示的目的是為了能夠更有效地表示所研究圖像的信息，也就是使用非常少的樣本的數據信息來充分表示所要研究的全部樣本的數據信息[2]。而核函數可以將數據投影到維數較高的特征空間當中，同時也可以很好地避免高維數據特征空間中發生的維數災難問題，從而提高可視化的計算性能[3]。結合核函數以及稀疏表示的特點，將兩個部分整合在一起，并應用到電網多業務規劃終端的可視化系統設計中，間接提升電網規劃的工作效率。

1 系統硬件設計

1.1 無線通信網絡模塊

無線通信網絡的搭建是為了實現規劃數據以及可視化圖像從系統服務器端向移動終端的傳輸。無線通信網絡由數據庫服務器、Web 應用服務器、三維數據發布服務器組成，數據庫服務器采用Oracle11g+ArcSDE 架構來存儲空間數據和規劃業務數據[4-5]，Oracle11g+ArcSDE 服務器與數據庫服務器相連接，用來發布空間數據以及空間數據與規劃業務數據的相關服務[6]。Web 應用服務器用來發布二次開發的Web 應用程序，三維數據發布服務器用來存儲國家電網在實際環境中的空間數據。在各個服務器上連接一個路由裝置，通過對路由設備的配置與調試實現網絡傳輸信道的連通。

1.2 數據處理與存儲模塊

數據處理與存儲模塊設計的目的是為核稀疏表示程序提供運行空間，選擇5 TB的存儲器來代替傳統的2 TB 存儲器，同時將型號80888的微處理器替換成i7 6700k 型號的微處理器。

1.3 電路設計

硬件系統的電路可以分為數據采集電路、供電電路以及液晶顯示驅動電路等。由于國家電網系統中的電力信號較為復雜，容易受到50 Hz 工頻信號的干擾，電路中在單片機采集接口位置上連接一個低通濾波電力，用來過濾高頻信號的干擾，濾波電路連接情況如圖1 所示。

圖1 有源低通濾波電路圖

數據采集電路還設計了三路RS485 串行通信接口，可以用來接收外置模塊模數轉換后的數據[7]。而液晶顯示驅動電路分為背光驅動電路和液晶驅動電路兩部分，其中驅動電路的參數設置情況如表1所示。

表1 液晶顯示驅動參數表

1.4 液晶顯示模塊

使用比常規顯示屏更大的8 寸液晶顯示屏，從液晶顯示器的尺寸、顯示效果等多方面考慮，最終選擇AT080TN52 這款8 寸的TFT LCD，分辨率為800*600，內部背光液晶顯示屏采用串聯的方式[8]。根據液晶顯示屏的連接方式，選擇背光驅動芯片，并確定對應的液晶顯示屏的掃屏方式的引腳配置，如表2所示。

表2 液晶顯示器掃屏方式的引腳配置表

將所有的硬件設備進行參數配置，并利用供電電路將各個設備連接在一起，為設備的運行提供電力支持，保證各個設備可以同步運行工作。

2 系統軟件功能設計

2.1 導入多業務規劃數據

結合國家電網的多業務規劃過程，收集相關的規劃數據并將其作為初始數據導入到系統存儲器中[9]。多業務規劃數據的導入分為本地數據導入和外地數據導入兩種形式，通過點擊數據導入項中的“本地數據導入”可以將本地關系數據中的二維表數據讀取到系統環境中。由于本地數據庫中已經存儲該數據，因此不需要再進行一次備份操作，可以隨時導入[10]。另外，外部數據的導入需修改數據的導入路徑，此次設計的可視化系統支持TXT、Excel 以及CSV 等格式的數據，在數據導入后系統自動將數據按照相同的格式存儲到對應的數據庫中，實現對導入數據的保存與備份，方便日后隨時調用。由于系統用戶選擇的數據導入途徑不同，因此需要配置的數據源信息也不同，基本需要配置的信息項包括數據源名稱、數據源描述、文件路徑、數據庫地址等。

2.2 核稀疏表示的規劃數據轉化

多業務規劃數據的轉化就是將所有數據形式的信息轉換成圖像形式的信息，系統的可視化界面結構由圖像拼湊而成。此次選用的轉換方法為核稀疏表示的方式，通過核函數的迭代與計算，將數據映射到高維特征空間中。定義一個核函數表達式為：

式中，ρ和ω分別表示空間χ中的任意兩個不重合的點。為了保證規劃數據的可操作性，利用映射φ將空間χ中的數據映射到特征空間κ中，設多業務規劃樣本y和訓練樣本集A在空間κ中的項分別用φ(y) 和φ(A) 表示[11]。那么輸入空間中的測試樣本可以由訓練樣本線性迭代標出，在核特征空間中，測試樣本的項可以通過式（2）線性表示得出：

式中，α表示訓練樣本的線性參數，而V為輸入空間集合，vi,j表示集合中的項。由此可以得出核函數中的系數求解問題為：

通過對合系數表示的正則化處理得出：

式（4）中，λ表示的是一個參數，用來衡量重構誤差與重構系數稀疏性。通過上述的核稀疏表示與映射關系，將多業務規劃導入數據通過一系列迭代映射到目標空間中，形成對應的圖像空間特征[12]。

2.3 配置可視化視圖圖形

結合核稀疏表示得出的多業務規劃數據的空間特征，配置對應的可視化圖形。可視化視圖圖形的匹配可以分為兩種情況，一種是數據庫中存在于空間特征相似度較高的圖形，可以直接調取數據庫中的圖像數據，并將其放置在對應的規劃數據位置上。另一種就是數據庫中無相似圖形，需要重新生成對應的特征圖形。無論哪種圖像形成方式都需要對可視化視圖圖形進行配置，保證其可以在界面中成功顯示，配置操作包括排序和過濾兩個步驟[13]。在圖像配置列表中，每一個Item 分別對應數據表的屬性名稱，通過選擇Item 可以實現對列屬性的過濾操作。選定過濾屬性后，在文本框中填寫過濾名稱，在DataGridView 界面中顯示出對應的過濾字段。同理，可以在界面列表中通過屬性名稱實現對數值的排序。

2.4 實現多業務規劃終端可視化功能

可視化算法包括平行坐標可視化、TreeMap 算法、捆圖算法以及嵌套可視化算法等多種類型。針對不同的業務規劃數據類型與數據量大小匹配不同的可視化算法[14]。

設備信息搜索查詢詳情可視化展示是以可視化地圖的方式展示數據及其潛在的規律，從而幫助用戶快速獲取到用戶所關注的信息，提高工作效率、該模塊的可視化展示功能結構如圖2 所示。

圖2 設備信息詳情可視化功能結構圖

從圖中可以看出，設備信息的查詢詳情可視化展示分為電網信息展示、設備狀態信息展示、設備缺陷信息展示以及設備屬性信息展示等多個部分[15]。其中以電網的一次接線圖信息為例，對匹配的圖形進行基本的配置操作，控制圖層的位置、透明圖以及顯示情況，實現信息的分層展示[16-18]。最后將歷史信息、實時信息等數據展示在系統界面上，得出設備信息的查詢詳情可視化結果。

3 系統測試實驗分析

以測試該系統的可視化功能以及在實際電網規劃中的應用性能為目的，設置系統測試實驗。為了形成實驗對比，在實驗中設置傳統的可視化系統和文獻[15]中提出的基于組件化的數據可視化系統作為此次實驗的對比系統。傳統的可視化系統就是利用控圖的方式實現電網多業務規劃數據的轉換與圖像顯示，而文獻[15]中提出的可視化系統在傳統系統的基礎上，對其硬件系統進行組件化處理，但軟件系統繼續沿用傳統系統的可視化程序。分別將3 種可視化系統導入到實驗環境中，并使用相同的開發工具進行開發與調試，盡量保證系統測試實驗變量的唯一性。

3.1 調配系統開發平臺

可視化系統架構主要采用Asp.Net 技術，在框架搭建的過程中應用B/S 架構，開發環境采用集成VS2010 進行開發，數據庫采用MySQL Server2008 進行電網多業務規劃數據的存儲。

3.2 可視化功能效果測試

此次系統測試實驗從功能和性能兩個方面進行具體測試，其中功能測試也就是系統的可視化效果，可視化效果的判定從分辨率和有效信息量占比兩個方面考慮，分辨率越高，證明可視化結果的清晰度越高，即可視化效果越好。同理，有效信息量占比越大，證明可視化效果越好。為了避免單一實驗對實驗結果造成的影響，設置多組實驗，利用平均值統計與計算方法得出最終的功能測試結果，如表3 所示。

表3 可視化功能效果測試結果

假設實驗中每個實驗組別的總信息量為1 560 MB，那么可以計算出傳統系統和文獻[15]提出系統輸出可視化結果的有效信息量占比分別為61.9%和63.1%，而設計系統輸出可視化結果的有效信息占比為64.9%，高于兩個對比可視化系統。且設計的多業務規劃終端可視化系統的分辨率均高于對比系統，因此基于核稀疏表示的多業務規劃終端可視化系統的可視化功能效果更佳。

3.3 可視化系統兼容性能測試

可視化系統的兼容性測試就是在不同的終端設備中，觀察可視化系統的運行情況。經過32 個終端設備的運行發現，設計的可視化系統可以在30 個移動終端設備中順利運行，但其中有2 個終端設備會出現部分功能不支持的情況。相比之下，傳統系統的可運行設備數量為28 個，其中5 個出現部分功能不支持的情況。由此可見，基于核稀疏表示的多業務規劃終端可視化系統的兼容性能更優。

4 結束語

終端可視化系統的開發與應用可以為電網規劃工作人員提供更加直觀的信息，可以間接地提升電網的安全性和穩定性。此多業務規劃終端可視化系統，通過核稀疏表示算法的應用，提升了可視化系統的效果和兼容性能，但當前的研究成果僅停留在理論階段，還需要后期大量的實踐來驗證系統的實際應用價值。