地理接線圖自動編繪系統(tǒng)研制

劉志松，孫 皓，馬 亮

（1.國網(wǎng)武漢供電公司經(jīng)濟技術(shù)研究所，湖北 武漢 430015）

地理接線圖自動編繪系統(tǒng)研制

劉志松1，孫 皓1，馬 亮1

（1.國網(wǎng)武漢供電公司經(jīng)濟技術(shù)研究所，湖北 武漢 430015）

分析了傳統(tǒng)地理接線圖存在的不足，并從實施方案、功能實現(xiàn)等方面設(shè)計開發(fā)了地理接線圖自動編繪系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)地理接線圖在數(shù)據(jù)管理、圖面表達等方面的問題。其關(guān)鍵技術(shù)對國土、環(huán)境、城建、衛(wèi)生醫(yī)療等領(lǐng)域信息系統(tǒng)的研發(fā)具有一定的參考價值。

地理接線圖；數(shù)據(jù)管理；自動編繪；可視化

隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)空間信息管理進入服務(wù)式共享與應(yīng)用的新階段[1]。電網(wǎng)規(guī)劃工作是電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，具有計算量大、不確定因素多等特點[2]；而地理接線圖是電網(wǎng)管理和電網(wǎng)規(guī)劃的基礎(chǔ)資料，常用制圖方法是以普通地圖為背景，使用AutoCAD 軟件繪制。對35 kV及以上電網(wǎng)設(shè)備現(xiàn)狀地理接線圖進行更新繪制時，工作量大，重復(fù)性高，研發(fā)地理接線圖制圖工具能大幅度減少工作量，提升自動化制圖水平。李祉燚[3]等提出了基于邏輯推理的配電網(wǎng)地理接線圖生成算法；章堅民[4]等提出了基于公共信息模型數(shù)據(jù)的省級電網(wǎng)均勻接線圖的自動生成算法；萬芳茹[5]等開發(fā)的地理接線圖編輯工具，建立了模型數(shù)據(jù)與電網(wǎng)設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系；李文帆[6]等提出了一種以Qt庫為基礎(chǔ)的電力系統(tǒng)地理接線圖繪制軟件設(shè)計方法；為了使電網(wǎng)規(guī)劃地理接線圖更具地理空間信息，王韋[7]等基于SOA架構(gòu)研發(fā)了一個可視化電網(wǎng)規(guī)劃決策支持系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)地理接線圖編繪方法

采用傳統(tǒng)方法繪制地理接線圖，主要存在的問題：

1）缺少數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理。目前各級比例尺、各區(qū)域和各電壓等級的武漢市電網(wǎng)地理接線圖被繪制和存儲在分散的CAD文件中，同一區(qū)域數(shù)據(jù)被多次重復(fù)繪制，造成數(shù)據(jù)冗余。對數(shù)據(jù)進行更新時，存在大量重復(fù)工作。

2）圖面表達效果不佳。輸電設(shè)備在城市不同區(qū)域的空間分布特征存在明顯差異，采用同一種制圖表達方案，易造成圖面中心城區(qū)部分表達的內(nèi)容過于擁擠，遠城區(qū)部分表達的內(nèi)容過于稀疏的情況，圖面表達效果失衡，難以滿足電網(wǎng)規(guī)劃和管理的用圖要求。

3）制圖工作量大。在制作分區(qū)地理接線圖時，根據(jù)制圖要求，要刪除制圖范圍外的數(shù)據(jù)，只表示跨區(qū)域電力線路走向示意線和注記，因此產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)處理工作。由于每年要生產(chǎn)批量的各級比例尺、各區(qū)域和各電壓等級的電網(wǎng)地理接線圖，而傳統(tǒng)制圖方式中圖幅整飾完全依靠制圖人員手動添加圖名、比例尺等圖外要素，會產(chǎn)生很大的重復(fù)工作量。

4）缺乏專業(yè)制圖工具支撐。現(xiàn)有電網(wǎng)GIS平臺中只能提供單線圖和GIS沿布圖兩種專題圖類型。電力單線圖過于抽象，缺乏地理信息的體現(xiàn)；而GIS沿布圖表達的信息內(nèi)容過于具象，無法滿足電網(wǎng)規(guī)劃和管理的宏觀需求，不能替代地理接線圖應(yīng)用于電網(wǎng)管理和規(guī)劃中。同時，平臺也不支持接線圖數(shù)據(jù)，不能實現(xiàn)按區(qū)域、電壓等級批量導(dǎo)出地理接線圖。

2 地理接線圖自動編繪方法

針對上述情況，筆者采用桌面軟件開發(fā)模式對地理接線圖自動編繪系統(tǒng)進行研發(fā)，以解決地理接線圖在制圖、管理、更新和編輯上遇到的問題，提高出圖效率。

2.1 實施方案

2.1.1 開發(fā)模式

本系統(tǒng)采用桌面軟件開發(fā)模式，充分利用兩端硬件環(huán)境的優(yōu)勢，將任務(wù)合理分配到前端和后臺來執(zhí)行，降低了系統(tǒng)的通信開銷。桌面軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則是將計算機應(yīng)用任務(wù)分解成多個子任務(wù)，即“功能分布”原則，在客戶端完成數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)表示和用戶接口功能；在后臺完成數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的核心功能。

2.1.2 總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。從系統(tǒng)模塊的角度，電網(wǎng)地理接線圖制圖工具可分為數(shù)據(jù)層、系統(tǒng)層和表現(xiàn)層3層體系結(jié)構(gòu)。

1）數(shù)據(jù)層是整個體系的基礎(chǔ)層，主要對導(dǎo)入的數(shù)據(jù)進行讀取、識別和存儲；主要分為文件讀取、圖元識別和數(shù)據(jù)存儲3部分。文件讀取：導(dǎo)入、讀取電網(wǎng)公司原有的CAD接線圖；圖元識別：對已導(dǎo)入CAD文件中的節(jié)點、線路圖元進行智能識別；數(shù)據(jù)存儲：數(shù)據(jù)讀取結(jié)束后，將數(shù)據(jù)以只讀格式進行存儲。

2）系統(tǒng)層是核心層，是對接線圖數(shù)據(jù)進行制圖、管理、更新、編輯的核心邏輯；主要分為數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、功能處理邏輯和系統(tǒng)操作邏輯3部分。數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理：對全市各行政區(qū)和各比例尺的接線圖進行統(tǒng)一管理，以滿足一處更新，全圖更新的要求；功能處理邏輯：對接線圖進行制圖、管理的核心處理模塊；系統(tǒng)操作邏輯：制圖工具界面操作的交互邏輯層，是銜接表現(xiàn)層和功能處理邏輯模塊的中間層。

3）表現(xiàn)層是界面層，是制圖工具與用戶的交互層，主要分為界面展現(xiàn)和接線圖展現(xiàn)兩部分。界面展現(xiàn)：制圖工具操作界面的展現(xiàn)；接線圖展現(xiàn)：接線圖在制圖工具中的展現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2.1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

1）數(shù)據(jù)庫對象。系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮膸缀螖?shù)據(jù)對象管理模型，將現(xiàn)實世界中的各種物體（本系統(tǒng)中為電網(wǎng)接線圖中的變電站、線路等元素）抽象為地理要素進行存儲，其中按照幾何類型的不同劃分為點、線及多邊形3種類型。該模型主要由空間和屬性兩部分組成，空間信息主要描述物體的空間位置，由單個點或連續(xù)點序列構(gòu)成；屬性信息為元數(shù)據(jù)，記錄了物體的特征信息。

系統(tǒng)以HDF文件為存儲介質(zhì)，運用類關(guān)系數(shù)據(jù)庫的管理方式進行數(shù)據(jù)管理，按照要素特征將數(shù)據(jù)劃分為簡單要素類、注記類、對象類等對象。本系統(tǒng)使用的主要數(shù)據(jù)對象為簡單要素類和注記類，其中簡單要素類按照幾何特征又分為點、線和多邊形，主要存儲變電站及線路的矢量數(shù)據(jù)；注記類主要存儲文字注釋信息。

2）屬性信息。要素及注記的屬性信息以表格的形式進行存儲，按照要素和注記的實際情況，系統(tǒng)可進行表格的結(jié)構(gòu)定制，如變電站各屬性含義如表1所示，系統(tǒng)中要素屬性信息如圖2所示。

表1 變電站屬性含義表

圖2 變電站屬性信息

3）數(shù)據(jù)組織。本系統(tǒng)在數(shù)據(jù)表現(xiàn)層按照年度、區(qū)域及電壓等級3層結(jié)構(gòu)進行數(shù)據(jù)組織，在實際使用時，可任意切換3層結(jié)構(gòu)的優(yōu)先級，以滿足不同場景下數(shù)據(jù)組織的需要。

2.1.4 功能模塊

按照需求分析，本系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)管理模塊、數(shù)據(jù)編輯模塊、多用戶數(shù)據(jù)集成模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊，功能架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能架構(gòu)

2.2 功能實現(xiàn)

2.2.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)管理模塊主要實現(xiàn)對電網(wǎng)接線圖數(shù)據(jù)的管理和維護，提供了新建、導(dǎo)入、導(dǎo)出、數(shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)提取及底圖管理等功能。新建數(shù)據(jù)即創(chuàng)建新的電網(wǎng)接線圖對象，系統(tǒng)提供了輸入該接線圖所屬區(qū)域、電壓等級及年度等信息的功能界面；數(shù)據(jù)導(dǎo)入是對已有的電網(wǎng)接線圖（要求為AutoCAD dxf格式）進行數(shù)據(jù)上載的過程，用戶可指定所屬區(qū)域、電壓等級及年度等信息；數(shù)據(jù)導(dǎo)出是將系統(tǒng)管理的電網(wǎng)接線圖數(shù)據(jù)導(dǎo)出為其他格式數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)合并是各二級行政區(qū)將本區(qū)域的電網(wǎng)接線圖匯交到全市進行集成管理的過程，匯交單位需提供本區(qū)域的數(shù)據(jù)文件（hdf格式）及數(shù)據(jù)列表文件（xml格式）；數(shù)據(jù)提取是按照指定多邊形或行政區(qū)范圍對集成數(shù)據(jù)庫中的電網(wǎng)接線圖進行提取；底圖數(shù)據(jù)管理是指按照不同的應(yīng)用需要，對系統(tǒng)所采用的底圖數(shù)據(jù)進行管理的過程，系統(tǒng)內(nèi)置有武漢市地理底圖和影像底圖兩種底圖數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)編輯模塊

數(shù)據(jù)編輯實現(xiàn)了對變電站和線路的編輯功能，如變電站輸入、刪除、修改及屬性錄入，線路的剪斷、連接、融合等。結(jié)合現(xiàn)有地理接線圖的制作特點，系統(tǒng)定制了變電站和線路符號庫，并按照相關(guān)行業(yè)標準預(yù)置了形狀、顏色、寬度及部分缺省屬性等內(nèi)容。在進行數(shù)據(jù)編輯時，可選擇符號庫中的某種變電站或線路符號直接輸入到地理接線圖上，既保證了所有地理接線圖圖面元素規(guī)格統(tǒng)一，又減少了圖面編輯時間，符號庫如圖4所示。

2.2.3 多用戶數(shù)據(jù)集成模塊

多用戶數(shù)據(jù)集成是指各二級行政區(qū)在進行區(qū)域數(shù)據(jù)編輯后，將數(shù)據(jù)提交給市級管理用戶，由市級管理用戶實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合處理，并針對邊界區(qū)域進行線路的接邊處理的過程。智能截斷是指按照片區(qū)邊界將片區(qū)內(nèi)的線路或變電站進行自動過濾的過程。在實際數(shù)據(jù)處理過程中，由于編圖人員或其他原因，存在越界編圖的情況，而在進行數(shù)據(jù)融合處理時，會存在重復(fù)數(shù)據(jù)，因此通過智能截斷功能可保證接線圖元素的邏輯正確性，從而為數(shù)據(jù)集成做好準備。智能截斷前后對比如圖5所示。

圖4 符號庫示意圖

圖5 地理接線圖智能截斷功能

根據(jù)線路實際情況，系統(tǒng)主要提供了單線接邊處理和邊界自動接邊處理兩種方式。其中，單線接邊處理是針對單條較明確的線路在邊界處需進行對接的處理操作，指定對接目標點即可完成線路接邊；邊界自動接邊處理是指系統(tǒng)根據(jù)屬性內(nèi)容（如線路名稱、電壓等級等）或空間位置關(guān)系進行智能判斷后進行的接邊操作，可實現(xiàn)兩個片區(qū)邊界處的所有線路均依據(jù)設(shè)定的屬性或空間規(guī)則進行自動接邊，有效減少了人工處理時間。在實際應(yīng)用中，優(yōu)先使用邊界自動接邊處理，再針對部分較密集的線路進行單線接邊處理能達到很好的效果。圖6a所屬兩個區(qū)域的同一條線路在邊界處（紅色箭頭）有細微偏差，接邊處理后的效果如圖6b所示。

圖6 接邊處理前后效果圖

2.2.4 數(shù)據(jù)輸出模塊

數(shù)據(jù)輸出是對已完成編輯的電網(wǎng)接線圖進行版面的編輯；再進行幅面打印或直接輸出為柵格圖片等。系統(tǒng)提供了各種幾何類型、注記、指北針、比例尺、統(tǒng)計圖、表格、背景圖及圖例等元素的輸入，如圖7所示。

P208

B

1672-4623（2017）01-0016-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.005

2015-10-29。