基于三維GIS 的輸電線路智能化全景感知系統研發

王興勛 趙勇 倪康婷 朱瑾

（1、北京國網富達科技發展有限責任公司,北京 100070 2、國網黑龍江省電力有限公司,黑龍江 哈爾濱 150090）

為了實現輸電線路全景感知和智能化管理[1],提升輸電線路運檢能力,本文從輸電線路智能化、數字化、精益化的需求出發,重點研究了微服務、Docker 容器、消息中間件、三維可視化等關鍵技術,提出了輸電線路智能化全景感知系統建設方案和建設內容[2],實現以設備為核心的全景感知、快速分析、主動預警、智能決策、自主推送等功能,提升設備主人對輸電線路運行狀態的全面管控能力,為數字化班組賦能,助力輸電專業數字化轉型和智能化提升。

1 智能化全景感知原理與方法

1.1 三維可視化

三維GIS 不僅可以表達空間要素間的水平拓撲關系,而且可以描述它們之間的垂向關系[3],因此,利用三維GIS 技術,結合基礎影像（DOM）、三維矢量模型和數字高程數據（DEM）可以快速重構輸電線路三維走廊場景,實現輸電線路三維可視化[4]。激光點云是構建輸電線路三維場景的基礎數據,利用點云密度、回波次數、立體形態和高度差等特征可以分離出植被、地面、建筑物、桿塔、導線等地物。將自動分類好的地面點構建TIN 模型,生成高精度的輸電通道地形數據（DEM）。桿塔、導線、絕緣子等輸電本體點云采用懸鏈線模型生成矢量化模型,以提高輸電導線可視化效果。航空攝影采集的影像數據通過影像糾正、增強等處理,生成高清正射影像（DOM）。輸電線路三維重建如圖1 所示。

圖1 輸電線路三維重建流程

三維場景重建除了保證三維模型的準確性以外,還應保證數據流暢顯示。系統采用八叉樹模型發布三維模型,算法步驟如下：（1）設置最大遞歸深度；（2）計算研究區域的空間范圍,建立第一個立方體；（3）依次將單位元素放入被包含且沒有子節點的立方體；（4）若沒達到最大遞歸深度,繼續細分八等份,將關聯的元素全部分配給八個立方體；（5）若發現立方體所分配的單位元素不為零且跟父立方體一樣,停止細分；（6）重復步驟3,直到到達最大遍歷深度。數據加載時候,根據可視域分辨率層級動態加載關聯的立方體節點元素,距離視點越近細節表示越精細。采用八叉樹模型可以提高三維模型繪制率,有效簡化、控制場景的數據復雜度[5]。

1.2 微服務架構

微服務架構是一項在云中部署應用和服務的開源框架,通過將業務功能和需求分解到各個不同的服務中進行管理,最大限度減少服務間的耦合度,實現業務和代碼的整體解耦[6],微服務架構的出現是互聯網飛速發展的必然結果。

當前市場上微服務開源的框架主要有Spring Cloud、Dropwizard、Dubbo、Akka 等[7]。Spring Cloud 是一系列框架的有序集合,如Spring Cloud Stream、Spring Cloud Security、Spring Cloud Eureka 等,提供了搭建分布式系統及微服務常用的工具,如控制總線,服務發現,斷路器,微代理,配置管理,智能路由等,滿足了構建微服務應用所需的所有解決方案。與其他微服務開源框架相比,Spring Cloud 具備社區支持強大、更新快、開發效率高等優點,獲得了大多數互聯網用戶的青睞。

1.3 Docker 容器負載均衡

Docker 采用負載均衡算法將計算資源、存儲資源合理分攤到各個節點,提高后臺Docker 容器服務器的抗并發性[8]。常用的負載均衡算法有WRR (Weighted Round Robin)、HM(Hashing Methods)、UHM(URL Hash Method)、RA(Random Algorithm) 等,其中WRR 算法在服務器負載方面的效果較好,它可以根據不同的權重值自動實現負載分配,服務器調用較為平滑,資源配置更加均衡,具體算法步驟如下。

1.3.1 輪詢所有服務節點,計算當前狀態下所有服務節點的有效權重值

按照四臺服務器調用,有效權重值為{S1=4,S2=1,S3=1,S4=1},采用WRR 算法調用結果為（S1,S2,S1,S3,S1,S4,S1）,符合調用預期,如表1 所示。

表1 WRR 算法節點調用表

1.4 消息中間件

消息中間件（Message Queue,MQ)是分布式系統的重要組成部分,具有高并發、高可靠、高可用以及準實時優勢,可以實現系統間的解耦、錯峰流控、異步消息等問題,近年來已被廣泛應用于氣象預報[9]、智能交通[10]、輸電保電[11]等大數據分析應用場景。當前比較流行的開源消息中間件有Rocket MQ、Rabbit MQ、Kafka 等。Rabbit MQ 是實現高級消息隊列協議的開源消息代理軟件,Rabbit MQ 中間件是采用Erlang語言開發的開源消息隊列,支持XMPP、AMQP、STOMP、SMTP 等協議,具有數據一致性、穩定性、可靠性等特征,適合于企業級的應用開發。

2 系統設計

2.1 技術架構設計

輸電線路智能化全景感知系統作為省級應用平臺,旨在實現輸電線路三維展示、全景感知、智能決策、主動預警,支撐省級、地市級、現場巡檢班組等多級業務。為了保障系統的穩定性、可擴展性和易維護,實現多級用戶并發訪問,系統基于云平臺,采用微服務技術架構（如圖2 所示）,共享服務中心遵循RESTful 協議,對外服務均注冊到API 網關,配置服務路由,對外公開服務路由地址。

圖2 系統技術架構

2.2 功能設計

系統遵循微服務架構理念,按照模塊化設計,主要包括輸電資源管理、輸電集中監控、環境監測預警、缺陷分析、輔助決策管理、現場檢修等六大功能模塊,如圖3 所示。

圖3 系統功能模塊

2.2.1 輸電資源管理。包括設備臺賬、交跨、隱患及故障跳閘等信息統計輸出,支持在二、三維地圖定位展示,快速展示運維區域輸電全貌。

2.2.2 輸電集中監控。物聯網端采集的數據采用消息中間件實時推送到系統,通過圖標方式展示,包括無人機、移動App、視頻監測、分布式故障、微拍、微氣象等采集的信息。

2.2.3 環境監測預警。基于數據中臺,實現外破、山火、雷電、覆冰、洪澇、地災等自然災害監測預警和三維可視化展示。

2.2.4 缺陷分析。基于數據中臺,實現缺陷、故障的登記、統計、審核、處理等流程化管理。

2.2.5 輔助決策。應用大數據、人工智能、數字孿生等技術,實現模擬工況分析、植被生長分析、線路選址、帶電作業、應急搶修、虛擬巡視等智能分析功能。

2.2.6 現場檢修管理。通過檢修作業全要素全局管控,實現計劃、隊伍、人員、現場、裝備的五個全覆蓋,實現作業、現場、裝備物物相聯,開展輔助檢修及作業安全動態防護。

3 工程實例

3.1 試驗區域

選取某省電力檢修公司作為系統部署試點,輸電線路監測設備信息及運行狀態如表2 所示。

表2 監測設備列表

系統采用分布式方式部署（如圖4 所示）,由五臺服務器搭建本地集群,一臺服務器部署消息中間件,通過映射端口方式接收物聯網端推送的數據,兩臺服務器部署應用系統,剩余兩臺作為數據服務器。微服務采用Docker 方式發布,實現負載均衡。目前系統已經完成上線,運行良好。

圖4 服務器集群部署

3.2 系統實現

系統采用B/S 架構,基于激光點云、三維模型、正射影像等數據,構建了全息輸電三維通道,實現了線路、桿塔、監測設備臺賬的互聯互通,實現了監測設備與三維場景的融合；通過消息中間件接收物聯網端的照片、視頻等信息,實現監測數據同步展示。

4 總結與展望

為了實現輸電線路全景感知和智能化管理,提升輸電線路運檢效率,本文深入研究了微服務框架、消息中間件、三維可視化等技術,通過研發輸電線路智能化全景感知系統,實現了不同系統資源共享、數據互聯互通和輸電線路全景監控。經過測試,該系統運行穩定,用戶體驗良好,滿足輸電行業運維需求,有助于輸電專業數字化轉型和智能化提升。