特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

王 剛，崔章順

(北京洛斯達數(shù)字遙感技術有限公司，北京 100120)

傳統(tǒng)初步設計選線工作多以CAD為基礎平臺，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和綜合化分析。路徑方案的優(yōu)化通常在1:5萬地形圖上進行，由于地圖數(shù)據(jù)相對陳舊，與現(xiàn)實差別較大，設計人員易對工程環(huán)境產(chǎn)生錯、漏等偏差，工作效率低。設計人員工程調查搜集的走廊信息離散，不便于綜合考慮各種基礎信息對路徑走向的影響，實時平斷面掃描和桿塔的自動優(yōu)化排位更加無從談起，難以做出比較經(jīng)濟、合理的路徑方案。

GIS具有強大的空間信息采集、存儲、管理、表達、分析和可視輸出功能，易于對各類型數(shù) 據(jù)進行有效管理和空間分析，對于路徑優(yōu)化工作有著十分重要的意義。因此，本文在GIS平臺基礎上，集成自動優(yōu)化排位和大場景三維立體功能，建立特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)，通過直觀展現(xiàn)影響線路走向的地物空間分布，輔助線路設計人員充分利用多源信息進行綜合評判，確定推薦方案，并在此基礎上進行桿塔的自動優(yōu)化排位，并通過立體環(huán)境下查看桿塔位置以提高路徑成立可信度，改善作業(yè)環(huán)境，提高工作效率，從而提高初步設計質量，加深初步設計深度。

1 系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)目標

建立基于GIS的特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)的主要目標是整合豐富的地理信息、地質信息、工程信息等空間信息，輔助勘測設計人員充分考慮各種因素，進行合理的路徑選擇，借助自動優(yōu)化排位技術，方便進行技術經(jīng)濟比較，輔助桿塔規(guī)劃，實現(xiàn)優(yōu)化設計的理念，為業(yè)主決策和初步設計服務。

1.2 系統(tǒng)框架結構

系統(tǒng)采用C/S軟件架構，在Microsoft Visual Studio2008開發(fā)環(huán)境中利用C#進行基于ArcGIS Engine的二次開發(fā)；桿塔排位模塊采用C++單獨開發(fā)，通過數(shù)據(jù)接口與GIS功能組件間進行數(shù)據(jù)信息傳遞，從而實現(xiàn)協(xié)調工作。

圖1 系統(tǒng)框架

1.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

該決策支持系統(tǒng)以大量地理信息為基礎，因此空間數(shù)據(jù)庫的選擇和設計是否合理、高效、穩(wěn)定和安全，直接影響到系統(tǒng)開發(fā)與應用的水平?？紤]到用戶的需求以及工程初步設計的特點，本系統(tǒng)采用File Geodatabase 存儲矢量數(shù)據(jù)，柵格數(shù)據(jù)采用文件形式存放在硬盤上。對于相關的描述性數(shù)據(jù)，直接存在要素屬性表中。系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)來源多種多樣，根據(jù)數(shù)據(jù)管理和線路設計的需要，分成基礎地理信息、專題信息、土地利用信息等(圖2)。

圖2 數(shù)據(jù)庫信息結構

1.4 主要功能

特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)是一個輔助輸電線路工程初步設計的專業(yè)性軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用標準的Windows窗口，以菜單、工具欄的形式提供所有功能(圖3)。

根據(jù)初步設計工作流程，將系統(tǒng)分成7個功能模塊，分別是數(shù)據(jù)管理、路徑選擇、平斷面掃描、桿塔排位、統(tǒng)計分析、大場景立體顯示、輸出打印。

(1)數(shù)據(jù)管理。為用戶提供線路設計所需數(shù)據(jù)的加載、顯示、查詢和維護，方便用戶進行數(shù)據(jù)準備、電網(wǎng)地理信息顯示、數(shù)據(jù)更新和維護。

(2)線路選擇。用戶根據(jù)各種地理信息，在二維平面上初步繪制線路可能的多種路徑方案，并對多方案進行管理，亦可以對線路方案的轉角位置進行編輯。而且用戶經(jīng)過敏感區(qū)域時，系統(tǒng)會給出敏感區(qū)警告。

(3)平斷面掃描。用戶在指定某方案首尾桿塔位置后，可實時自動提取該線路的平斷面圖[7]，并將結果以不同格式保存。

(4)桿塔排位。包括手工排位和自動優(yōu)化排位。手工排位功能在用戶通過電子模板將設計參數(shù)輸入后，即可增加、移動和刪除桿塔、桿塔屬性修改。自動優(yōu)化排位功能在輸入桿塔設計參數(shù)后，借助自動優(yōu)化排位工具，從桿塔位置可行性、經(jīng)濟性等方面實現(xiàn)桿塔排位的自動優(yōu)化[8]。

(5)統(tǒng)計分析。路徑方案確定后，獲得不同方案的交叉跨越、桿塔數(shù)量等信息，方便用戶進行多方案的比選，使設計更具有可行性、經(jīng)濟性。主要的統(tǒng)計分析指標有線路長度，桿塔數(shù)量，平均耐張段長度等。

(6)大場景立體顯示。實現(xiàn)平面視圖和立體視圖的地理坐標關聯(lián)顯示，從而方便用戶進行初步設計。在二維平面路徑方案確定后，將立體影像與平面正射影像聯(lián)動(放大、縮小、移動等)，方便用戶借助紅綠眼鏡查看塔位，當用戶調整桿塔進行，對應立體影像上位置會實時變更。此處，立體影像采用正射影像與DEM生成[9,10,11]。

圖3 系統(tǒng)界面

(7)輸出打印

輸出打印主要包括兩項功能，其一是專題圖制作和輸出，指對地圖窗口中當前顯示的內容進行整飾和輸出。其二是文件打印，指將線路設計結果、專題圖等文件進行打印預覽和輸出到打印機。

2 工程應用

2.1 工程簡介

溪洛渡—浙西±800kV特高壓直流輸電線路工程線路西起溪洛渡換流站，東至浙西換流站，可研路徑長度1679.9km，途徑四川、貴州、湖南、江西和浙江五省的45個市縣。全線地勢西高東低，以高山、山地和丘陵為主，跨越湘江、贛江等多條河流，沿線自然保護區(qū)、風景區(qū)、規(guī)劃區(qū)域、礦區(qū)和國防控制用地、水源保護區(qū)等敏感區(qū)域多，鐵路、高速公路、電力線等交叉跨越多，使得線路走廊規(guī)劃更加復雜。

2.2 選線工作流程

系統(tǒng)工作流程包括五個方面內容：

(1)工程項目數(shù)據(jù)的準備工作。收集可研路徑以及沿線的衛(wèi)星影像、數(shù)字高程模型、專題信息等走廊信息，并對數(shù)據(jù)進行加工和處理。

(2)用戶將準備好的各類數(shù)據(jù)導入工作空間，展現(xiàn)到輔助決策支持系統(tǒng)上，為線路路徑的繪制提供數(shù)據(jù)基礎。

(3)線路設計人員通過數(shù)據(jù)疊加顯示、平面和立體聯(lián)動顯示等，有效地避開礦區(qū)、房屋密集區(qū)、保護區(qū)等敏感區(qū)域，減少不確定因素的干擾，確定推薦方案。在此基礎上，自動繪制推薦方案的平斷面圖，并進行桿塔自動排位和立體模型中塔位查看。

(4)設計完成后，對線路的長度、桿塔數(shù)、交叉跨越等信息進行統(tǒng)計，為用戶提供初步設計所需的成果數(shù)據(jù)。此外，用戶可以通過統(tǒng)計指標進行多個推薦方案的比選，從而確定最佳路徑方案。

(5)用戶對設計成果進行專題圖制作、輸出和打印。

2.3 優(yōu)化結果分析

在可研路徑基礎上，通過初步設計選線工作，有效提高了工程安全可靠性，減少了投資，降低了施工建設難度，減小了對環(huán)境的影響，經(jīng)濟、社會和環(huán)保效益明顯，主要表現(xiàn)在：

(1)合理確定整體路徑方案，優(yōu)化各段接頭點，并對各段局部路徑方案進行了優(yōu)化，減少轉角個數(shù)、縮小轉角度數(shù)。路徑方案優(yōu)化后，縮短路徑長度20km，節(jié)省工程投資1.5億。

(2)減少了房屋拆遷，充分體現(xiàn)電力建設和諧發(fā)展的理念。借助初步設計平臺，盡可能減少房屋拆遷，降低了施工民事難度，減少工程建設對人民生活造成的不利影響，充分體現(xiàn)了以人為本的理念。通過平臺初步統(tǒng)計，全線優(yōu)化后房屋拆遷量總計減少1567棟。

(3)縮短跨越林區(qū)長度，減少林木砍伐，保護環(huán)境。線路經(jīng)過地區(qū)林木較多，通過將衛(wèi)片解譯結果疊加平臺中，統(tǒng)計各方案跨越林木長度，減少林木跨越和砍伐，從而盡可能地保護林業(yè)資源，避免破壞環(huán)境。路徑優(yōu)化后，全線跨越林區(qū)長度縮短了34.1km。

(4)借助統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺圖形化展示障礙物信息，實現(xiàn) “按圖說畫”，從而有效避讓風景區(qū)、保護區(qū)、規(guī)劃區(qū)、礦區(qū)等主要障礙物。

(5)有助于梳理路徑方案中存在的問題。通過預選線方案的直觀展示，有助于設計人員掌握線路與周圍地物關系，提出影響路徑方案的問題，并形成具有可操作性的對策，為重大問題的解決爭取了時間，為工程的順利推進奠定了基礎。

3 結論

基于GIS技術開發(fā)的特高壓工程路徑優(yōu)化輔助決策支持系統(tǒng)，將所有走廊資源信息在地理信息系統(tǒng)的空間框架內顯示和管理，直觀再現(xiàn)路徑方案與周圍地物信息的關系，實現(xiàn)了影響線路走向的數(shù)據(jù)信息的整合，任意路徑方案的繪制、快速平斷面掃描、自動優(yōu)化排位等輔助功能，改變了傳統(tǒng)的路徑優(yōu)化模式，提高了特高壓工程輸電線路初步設計的質量和工作效率，加深了工作深度。該系統(tǒng)強化了對影響線路走向信息的有效利用與挖掘，進而實現(xiàn)路徑選擇的輔助分析決策，符合電力設計單位的要求，具有較強的實用性。通過具體工程實例的應用，進一步驗證了該系統(tǒng)的可行性和實用性。該系統(tǒng)的建設，為特高壓工程路徑優(yōu)化設計的信息化、科學性提供了一個有效途徑。

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