基于MapX的電力系統GIS人機交互設計

朱作欣，朱全勝，馬超，李衛東

（1.大連理工大學電氣工程學院，遼寧大連116024;2.河南電力試驗研究院，河南鄭州450052；3.重慶市電力公司，重慶 400014）

基于MapX的電力系統GIS人機交互設計

朱作欣1，朱全勝2，馬超3，李衛東1

（1.大連理工大學電氣工程學院，遼寧大連116024;2.河南電力試驗研究院，河南鄭州450052；3.重慶市電力公司，重慶 400014）

Liaoning BaiQianWan Talents Program（2008921023）。

隨著電網規模擴大、能源結構調整等，電力系統的數據愈加繁多，對電力系統進行監控、分析的難度越來越大[1-2]。為克服對海量數據進行分析的難度，可視化技術在電力系統中得到了廣泛的應用，特別是將可視化技術與地理信息系統（GIS）相結合后，更能有效地提高電力系統數據分析的效率[3]。

GIS是一種空間信息系統，它是在計算機硬、軟件系統及地理學、計算機科學以及信息管理學等多種學科支持下，對基于地理分布的數據進行采集、儲存、管理、運算、分析、顯示和描述的技術系統。電力系統結構復雜、地域分布廣泛、節點繁多且設備分散，同時電網運行管理工作又常與地理位置有關，因而GIS能夠在電力系統的監控及分析工作中起到非常重要的作用[4]。

通常，GIS的開發有3種實現方式：獨立開發、單純二次開發和集成二次開發。其中，獨立開發成本較高、難度較大，適用于大型的、較復雜的系統；集成二次開發難度最小，開發成本較低，更適用于中小型監控系統以及各類計算、分析工程項目；單純二次開發的開發難度及成本介于二者之間。

本文選用MapInfo及MapX軟件，應用VB編程工具，介紹并實現電力系統GIS的集成二次開發。首先使用MapInfo繪制圖層，在此基礎上，利用二次開發工具實現了GIS人機交互的基本功能，并進行了更深入的開發，進一步實現了若干高級的應用功能。

1 電力GIS開發方式及開發工具

電力系統GIS以先進的GIS為主要技術手段，將基于地理分布相互聯系的發電廠、變電站、輸電線等所包含的電氣信息進行提取、存儲，輔以電力系統專業軟件進行整理加工，使之成為電力系統決策及控制所關心和需要的空間屬性、物理屬性、加工數據、圖形表格等[5]。GIS強大的地理數據管理和分析能力可為復雜的電網數據管理、分析和維護以及用戶電力應用輔助決策、電網發展規劃設計等提供支持。

1.1 GIS開發方式

常見GIS的開發有3種實現方式：獨立開發、單純二次開發和集成二次開發。獨立開發要求開發者獨立設計實現所有算法，對開發能力、專業水平、編程能力要求高；單純二次開發應用GIS編程語言進行應用系統開發，相對專業編程語言功能較差；集成二次開發通過專業GIS工具軟件實現GIS功能效果、通過編程語言實現可視化開發環境。

對于一些中小型系統，集成二次開發可以大大縮減開發時間，并節約成本。在集成二次開發過程中，可將GIS工具對空間數據庫的管理、分析功能與可視化開發語言所具有的高效、方便等編程優點相結合，此舉可有成效地提高應用系統的開發效率，同時具有更良好的外觀效果、更強大的數據庫功能，可靠性好，易于移植，且便于維護。

1.2 本文選取的GIS開發工具

在眾多GIS專業軟件中，MapInfo公司開發的MapInfo軟件較為成熟、應用功能強大且操作簡便，因而應用較為廣泛。而MapX是該公司提供的基于ActiveX（OCX）技術的可編程控件，使用與MapInfo一致的地圖數據格式。

MapInfo軟件作為企業級大型數據庫前端工具，開創了一種智能GIS模式，可以方便、直觀地展現數據和地理信息的關系，其周密而詳細的數據分析能力，可以幫助用戶從地理的角度更好地理解信息，輔助用戶做出更具洞察力的分析和決策。MapInfo軟件本身不支持編程語言，需要通過MapX控件將設計好的地圖及GIS功能嵌入到開發環境中，進行電力系統GIS的開發。

MapX是具有強大地圖分析能力的ActiveX控件產品，可以實現與多種高級語言的無縫連接。在眾多可視化開發環境中，將MapX控件直接嵌入窗體中進行編程，即可實現MapInfo的GIS功能。

本文應用MapInfo創建GIS圖層、建立相關的數據庫，在VB編程環境中通過MapX控件實現GIS在電力系統中的應用。

2 GIS圖的設計與繪制

MapInfo制作地理信息圖的一個要點是數據組織采用層次結構，對地圖分層繪制和管理。電力系統的對象數量很多，對這樣的龐大系統實現矢量化，需要依據一定的原則進行分層，這樣有利于信息數據的輸入維護，以及后續階段的開發。

本文以某電網為對象，設計和繪制簡化的GIS圖?？紤]功能及作用的不同，將該電網分為以下幾層：基礎地圖層、發電廠層、變電所層、220kV輸電線層、500kV輸電線路層等。各圖層的空間數據信息及屬性數據信息通過MapInfo的表進行維護。

在設計過程中已做簡化，設計人員可依據實際需要，制作更加詳盡、細致的GIS圖層。

所有圖層相互疊加之后，即為最終所繪制的GIS圖，如圖1所示。

圖1 某電網的原始GIS圖Fig.1 The original GIS map of a grid

所繪制圖層不能在V B可視化開發環境中直接使用，需要制作成V B可用的文件格式。使用M a p X自帶的G e o S e t M a n a g e r軟件，將M a p I n f o的工作區間統一保存，生成G e o S e t文件，該文件即可在二次開發中直接進行功能性開發，為實現基于M a p X的電力系統GIS人機交互功能提供圖形基礎。

3 GIS人機交互基本功能的實現

生成GIS圖GeoSet文件后，便可在此基礎上進行更多功能的實現。應用MapInfo所提供的數據分析功能，編寫程序對基于MapX的電力系統GIS人機交互基本功能進行開發，實現空間功能、查詢功能、詳細數據展示功能、專題圖功能等簡單的基本功能，以及鷹眼圖功能、等高線圖功能、3D可視化功能等復雜的基本功能[6]。

3.1 GIS人機交互簡單的基本功能

3.1.1 空間功能

空間功能主要包含地圖放大、縮小、拖動、選擇圖層、還原、退出等，均為GIS圖形操作的基本功能。以放大功能為例，其程序代碼如下：

3.1.2 查詢功能

針對空間數據及屬性數據，按數據所屬范圍或關注對象名稱進行查詢，符合要求的對象被亮顯。方便用戶快速準確找到關注對象，有利于進一步的調度或查詢工作。程序代碼如下：

3.1.3 詳細數據展示功能

將GIS數據以表格形式顯示。可以完成表格統計、分析等多項工作；生成精美直觀的分析圖表，對數據進行記錄、計算與分析；進行專業的科學統計運算等。為用戶決策和判斷提供準確的數據資料，使信息顯示更全面有條理，方便計算統計。

3.1.4 專題圖功能

電網節點及線路繁多，若單純采用表格或文本方式顯示數據，不利于快速分析電網全局的狀態。利用可視化圖形顯示數據，則有利于快速地了解系統的運行狀態。MapX提供了多種可視化的專題圖功能，可方便地實現GIS各類顯示對象的可視化。

常見的有餅圖、柱形圖、范圍圖、等級符號圖、獨立值圖等5種專題圖，這些專題圖所提供的可視化方式也是電力系統中較為常用的方式。以餅圖為例，截取某區域發電廠數據的餅圖類專題圖，如圖2所示。

在圖2中，圓餅面積大小表示該電廠總的機組容量，餅圖中紅色部分為實際發電量，綠色部分為剩余發電量，通過該圖可以直觀地看出機組利用程度、發電情況及發電冗余，為發電計劃調整提供依據。程序代碼如下：

柱形圖功能與餅圖功能類似；范圍圖、等級符號圖將數據按所屬范圍、等級分類標識，顯示對全局的貢獻或所占份額；獨立值圖中標識符與圖例中具體數據對應，避免直接在圖上顯示數據造成圖形的混亂。

圖2 發電廠餅圖Fig.2 Power station pie map

3.2 GIS人機交互復雜的基本功能

3.2.1 鷹眼圖功能

鷹眼圖具有同步顯示和導航功能：通過鷹眼圖對主視圖的位置進行指示；在鷹眼圖上尋找關注位置并在主視圖上對應顯示。實現全局和細節信息的同時顯示，從而揭示數據的內部規律，如圖3所示。

1）鷹眼圖同步顯示功能。鷹眼圖層有一個紅色的矩形框，該矩形框始終顯示著主視圖的位置，當主視圖尺寸改變或拖動時，矩形框大小和位置隨之改變。當用戶對主視圖進行放大、縮小、拖動等操作的同時，可以清楚地感知畫面在整個系統中的位置，以避免位置上的不明確和混亂。該功能實現方式為：提取主視圖的邊界信息，將其與鷹眼圖圖層內紅色矩形框的位置信息保持相同。

2）鷹眼圖導航功能。通過鼠標在鷹眼圖中進行位置的選取，在主視圖上對相應位置進行顯示。在所選定的矩形區域內單擊鼠標，矩形框會移動到以鼠標點擊點為中心的位置。方便用戶尋找關注區域，提高工作效率。該功能實現方式為：通過鼠標的點擊、移動和松開，在鷹眼圖上選定矩形范圍，并將此范圍設置為對應主視圖的邊界。

圖3 鷹眼圖與主視圖Fig.3 Eagle eye map and main view map

3.2.2 等高線圖功能

等高線在電力系統可視化中的使用已經越來越多。在等高線圖中，數據不再是通過單獨的點顯示，而是融入到圖形顏色中的一部分，按暖色到冷色顯示從大到小的數據。將離散的數據連續顯示，比普通幾何圖形顯示數據更加自然、直觀，有利于用戶觀測變化趨勢和全局狀態，從而對電網全局和局部細節狀態進行快速的判斷[7]。

在獨立開發過程中，等高線有多種實現方式，但大都專業性較強，且需要耗費較多的開發時間。MapInfo中提供了等高線圖的生成功能，顯示效果好，且實現方式非常簡單。圖4為本文所實現的發電廠發電量等高線圖。

圖4 發電廠發電量等高線圖Fig.4 Power generation contour map

3.2.33 D可視化功能

與2D可視化相比，3D可視化增加了一個縱向維度，增加了可顯示的信息種類[8]。例如用戶對電壓進行安全分析時,需要同時顯示節點電壓、發電機無功等數據信息,此時一個3D圖便可以顯示出所要求的信息。

MapInfo提供2種3D顯示功能：3D棱柱圖、3D地形圖。對3D圖進行拖拽、旋轉、縮放等操作，可以觀測到細節信息和被遮蓋的部分。

本文實現了發電廠發電量的3D棱柱圖、3D地形圖，如圖5所示。其中，左圖為3D棱柱圖，將3D技術與柱形圖相結合，是目前比較常用的3D可視化技術，按照參數大小在平面圖上立起棱柱，顯示的數據更加準確、直觀，用棱柱高低進行參數對比和分析更加有效率；右圖為3D地形圖，將3D技術與等高線圖相結合，整個地圖會產生凹凸變化，信息就蘊含在地形的高低中，同時將色彩與高度相結合，顯色的變化也反映了數據的大小。圖5中2種顯示方法顯示數據相同，設計人員可依據不同的工作需要進行選取。

圖5 發電廠發電量3D棱柱圖及3D地形圖Fig.5 Power generation 3D prism map and 3D topographic map

4 GIS人機交互高級功能的實現

為滿足用戶更多的應用需求，不能局限于MapX控件所能提供的功能，電力系統GIS還需要添加更多的高級功能。依據電力系統GIS的特點，本節對GIS人機交互高級功能[9]進行開發和研究，包括關聯多屏顯示功能、自適應調節功能。

4.1 關聯多屏顯示功能

單一屏幕中顯示的數據種類和總量有限。采用多屏顯示的方法可以實現多類型、多數量的數據同時顯示，實現單一屏幕難以完成的顯示任務。多屏顯示的使用減少了用戶大量的調畫面等屏幕管理操作，從而降低用戶短期記憶負荷。多屏顯示的硬件實現方法是在一臺主機上通過多屏顯卡驅動多臺顯示器。屏幕數量及排列方式可任意設定。

為使多屏顯示發揮更大的作用，需要在不同的屏幕上顯示合適的監控數據和圖形，例如不同窗口顯示不同種類的信息、縮略等級地圖、顯示方式等；不同窗口顯示互補信息；將復雜的信息分解在多個窗口中顯示等。

普通多屏顯示畫面間沒有聯系或者聯系不很緊密。如果將各屏幕工作窗口相互關聯，就可以更大地發揮多屏顯示的優勢。關聯多屏顯示符合用戶的操作習慣，幫助用戶快速完成任務；實現并聯多任務顯示，保持用戶工作上的協調性，以及完成任務的高效性和連貫性。

屏幕之間相互影響的關系本質上就是屏幕的關聯關系，可以劃分為對象相關、信息相關、繼承相關、完全相關等。

以對象相關為例，對象相關即為各屏幕始終顯示相同的對象，但信息類別有所不同，從而可以避免在一個屏幕上顯示過多信息類別造成的混亂和不清晰。本文實現的例子如圖6所示，其顯示的是發電廠發電量等高線圖與變電站電壓等高線圖，2張圖分別以全屏形式顯示在不同的屏幕中。左圖為發電廠發電量等高線圖，右圖為變電站電壓等高線圖，二者顯示對象始終保持一致，顯示信息分別為發電廠發電量及變電站電壓，對其中一個屏幕中的對象進行圖形操作時，另一個屏幕自行隨之變動。

其余關聯顯示類別的實現方式與對象相關類似。

圖6 對象相關關聯多屏顯示Fig.6 Object-related multi-screen display

4.2 自適應調節功能

用戶的監控任務呈多樣性變化，常隨系統運行狀態的更改而改變[10-11]。自適應功能要求系統能夠判斷不同的監控任務，自動調整人機界面，實現在合適的時間用合適的方式顯示合適的數據[12-13]。

自適應調節的規則是關鍵，系統應該依據所檢測出的任務類別進行不同程度和不同類別的調整，其中，系統進行怎樣的自動調整需要在大量的實踐中進行總結，從而制定出最合理的智能化規則。例如當檢測到頻率降低到某種程度時，自行調出各調頻電廠的信息；當某線路瀕臨越限時，自行調出可替代線路等。

本文以某區域電壓突然下降簡單示例，設計屏幕隨監測變電站電壓下降情況自行反映的自適應過程（見圖7），設變電站額定電壓標幺值為1pu；

圖7 某區域電壓下降自適應流程圖Fig.7 Flow chart of adaptive voltage drop in a regional

當監測電壓下降到0.95pu時，屏幕自動展現出問題所在區域的地理圖和電壓等高線圖，并標識出現問題的變電站；

當監測電壓下降到0.93pu時，系統報警，顯示出現問題變電站的電壓數據詳細信息；

當監測電壓下降到0.9pu時，自動切換出即時通信界面，與出現問題的變電站進行通信，做出決策和操作，恢復電壓到標準范圍。

顯示界面可根據具體情況、操作規程及用戶習慣進行靈活設計和更改完善。

5 結語

本文以某電網為對象進行GIS的集成二次開發，實現了基于MapX的電力系統GIS人機交互基本功能及高級功能。所有功能通過人機界面的菜單欄進行調用。在整個系統中，基本功能可以較為簡單地進行實現；高級功能突破了簡單的二次開發限制，針對性更強，且具備了更專業的人機交互功能。依據電力系統中不同的使用特點和需求，還可以在此基礎上開發出更多的其他高級功能。

本文所做工作，在對電網數據進行管理、分析和維護時具有顯著的效果。其各類功能的設計及實現簡單，且具備很好的靈活性，適用于科研、分析以及培訓等范疇。本文旨在介紹電力系統GIS集成二次開發，且在此基礎上對更多人機交互功能進行探索，為進一步的研究奠定實踐基礎。

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Design of GISHuman-Computer Interaction Based on MapX for Electric Power System

ZHU Zuo-xin1,ZHU Quan-sheng2，MA Chao3,LI Wei-dong1
（1.School of Electrical Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,Liaoning Province,China；2.Henan Electric Power Research Institute,Zhengzhou 450052,Henan Province,China；3.Chongqing Electric Power Corporation,Chongqing,400014,China）

In this paper,based on the method geographic information system(GIS)visual development interface,a GIS map is designed and drawn by MapInfo,which includes basic geographic layer,power station layer,substation layer,220kV transmission line layer,and 500kV transmission line layer.Moreover,some basic functions and advanced functions of human-computer interaction of electric power system GIS based on MapX are achieved.The basic functions include space function,search function,display data function,thematic map function,eagle eye map function,contour map function,and 3D Visualization function.The advanced functions include multiscreen display function and associated adaptive regulatory function.According to different usage features and demands,more advanced functions can be developed on this basis.The design as presented in this paper will have significant effects in the management,analysis and maintenance of the power grid data.

geographic information system;visual technology;GIS;MapX;human-computer interaction

應用基于地理信息系統（GIS）的電力系統可視化界面開發方法，使用MapInfo軟件，設計繪制包括基礎地理層、發電廠層、變電站層、220kV輸電線路層、500kV輸電線路層的GIS圖。在此基礎上，實現基于MapX的電力系統GIS人機交互基本功能及高級功能，基本功能包括空間功能、查詢功能、詳細數據展示功能、專題圖功能、鷹眼圖功能、等高線圖功能、3D可視化功能，高級功能包括關聯多屏顯示功能、自適應調節功能。在整個系統中，基本功能可以較為簡單地進行實現；高級功能突破了簡單的二次開發限制，針對性更強，且具備了更專業的人機交互功能。依據電力系統中不同的使用特點和需求，還可以在此基礎上開發出更多的其他高級功能。在對電網數據進行管理、分析和維護時具有顯著的效果。

地理信息系統；可視化技術；GIS；MapX；人機交互

遼寧“百千萬人才工程”培養經費資助（2008921023）。

book=12,ebook=422

1674-3814（2011）12-0028-06

TM711

A

2008-02-23。

朱作欣（1988—），男，碩士，主要研究方向為電力系統運行狀態可視化；

朱全勝（1982—），男，博士，主要研究方向為電力系統人機交互及運行狀態顯示平臺；

李衛東（1964—），男，教授，博士生導師，主要研究方向：互聯電網運行控制性能評價、電力系統運行狀態顯示和電力市場理論與應用。

（編輯 董小兵）