電網規劃設計系統架構設計及用例分析

羅方方

摘 要：該文基于筆者多年從事GIS技術應用的相關工作經驗，以三維GIS技術在電網規劃設計中的應用為研究對象，設計實現了面向電網規劃設計的三維GIS可視化系統，結合案例對系統功能進行了分解，詳細分析了系統運行的作業流程，相信對從事相關工作的同行能有所裨益。

關鍵詞：三維GIS 電網規劃設計 可視化系統 作業流程

中圖分類號：TP301 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（b）-0000-00

輸電線路是位于地理空間中的人工構建物，其線路距離長，通過地區的地理條件比較復雜，與眾多電力線路和通訊線路交叉跨越，并且通常會通過居民區、公園和其它特殊區域。輸電線路及其桿塔位置與地理空間位置密切相關，特別是在垂直方向上的層次信息尤為重要，這使得二維地理信息系統無法達到其管理的需求。近年來，計算機圖形學的發展和計算機硬件性能的成倍提高，使得三維表現技術日益完善，通過這些技術，能夠構造更接近于現實的三維地表模型和各類設備模型，使得GIS 系統從二維向三維發展。

1 系統架構

1.1 開發模式

輸電線路三維可視化輔助設計系統的軟件開發模式采用三級構架模式：支撐采用開放數據結構、采用工業標準的基礎GIS軟件；在此基礎上，采用組件式二次開發專業作業平臺；在專業作業平臺之上，再開發各種高級應用。采用這種可很好地隔離高級和底層基礎平臺，減少開發的難度，提高系統對公用數據庫和基礎地理數據的利用率。但對于專業作業平臺來說，卻提出了很高的要求，它不僅和GIS專業知識有關，還需要輸電線路勘測設計的相關專業知識和技術，對輸電線路有個全面整體的了解。

1.2 軟件體系結構

輸電線路三維可視化輔助設計系統推薦采用自下而上的4層次型軟件體系結構。這種體系結構綜合考慮了現有的軟硬件技術水平和系統需求的因素，充分體現了軟件體系結構設計的系統性和可擴充性，是一套面向可視化輸電線路設計的、具有高重用度的軟件體系結構。

系統各層功能和設計考慮如下方面。

圖1軟件體系架構

（1）專業應用層。專業應用層構成了輔助設計系統與用戶交互的界面，包括各種可視化的輸電線路顯示、查詢、設計、數據管理、圖表輸出等功能。（2）模型對象層。主要功能是把多數據源的地理數據轉化為單一的、綜合的、基于數據模型的對象，從而有效地解決了GIS中多數據源多數據類型的問題。在模型對象層中，設置了代表三維場景中的地形、覆蓋在地形上的矢量對象、立體建模的地物對象和輸電線路上的電力器件對象。（3）數據層。在數據層中，采用文件系統加關系數據庫來構成系統的基礎數據庫，由關系數據庫來管理系統的屬性數據，由文件系統來管理系統的空間數據。考慮到三維GIS中對空間數據查詢、顯示以及分析的特殊要求，需要對管理空間數據的文件系統采用多種形式的優化。（4）轉換通信層。轉換通信層包含數據轉換和連接通信兩個子層，通信子層的設立屏蔽了各種物理通信介質和網絡通信協議的差別，為數據轉換子層提供統一格式的數據；數據轉換子層負責將不同分系統間的數據分類、轉換、融合后上傳到數據層；通信層實現與電力行業其它數據庫的數據共享。

2 系統數據分析

2.1 基礎地理數據

地球表面的自然地物和人文地物形狀各異、錯綜復雜、關系密切，經過抽象簡化，地球表面的地物可以用下面四大類數據來表達。（1）數字線劃數據（DLG），（2）影像數據，（3）數字高程模型（DEM），（4）屬性數據。

GIS數據可以由野外數據采集、地圖數字化、攝影測量、遙感圖像處理等多種方式獲取，在構建本系統時應綜合利用以上獲取手段，依據所要解決問題的選擇數據獲取手段。對于輸電線路核心區域可利航空影像經處理生成DEM及DOM等基礎地理數據，對于規劃走廊可購買相關區域高分辨遙感衛星影像經遙感軟件處理獲取三維GIS系統所需的基礎地理數據。

2.2 專題數據

輸電線路三維可視化輔助設計系統不僅要有輸變電設備的坐標、高程信息，還應具有各設備的空間形狀和各種屬性信息。輸變電數據包括電廠升壓站、變電、輸電設備的數據等。電廠升壓站：電廠的名稱、類型、用途、所在地，升壓站構架的三維模型、經緯度坐標和高程；變電數據：變電站和開關站的名稱、電壓等級、性質、所在地及全景三維模型，構架經緯度坐標、高程、間隔名稱和相序；輸電設備：輸電線路名稱、編號、回路數、設計氣象條件、污區等線路屬性，所有輸電桿塔的三維實體模型、具體塔位定位坐標、高程，絕緣子金具串三維實體和各種屬性信息，導、地線類型、結構、安全系數和控制導、地線架線的各種屬性信息。

3 系統功能用例設計

3.1 基本功能模塊

輸電線路三維可視化輔助設計系統的總體功能模塊包括三維基本功能、歸檔信息查詢、輔助設計功能、數據更新維護和權限安全管理等。

3.2 三維高級功能

（1）智能規劃、選線通過建立矢量地理信息、設置障礙物緩沖半徑，系統可自動優選出若干條線路路徑，分析輸電線路對耕地、村鎮和廠礦影響，且在交互設計過程中對控制線路走向的不良地質、特殊地質等災害性地質或重點設施等必須繞避的控制點發出警告信息等。（2）二、三維聯動智能排塔定位。系統開發獨立的排塔定位模塊，要求系統可以在三維場景、二維平面和排塔定位模塊等3個窗口上聯動操作。（3）走廊范圍內三維場景快速建模。排塔定位模塊的平斷面地物與三維場景相關聯，即通過現場調繪和終勘定位后，線路走廊范圍內的房屋、橋梁等可以作為矢量立方體直接讀取到三維場景，以便進行空間測量。（4）相關電氣計算及校驗。電氣計算及校驗包括：“交叉跨越距離驗算”、“桿塔中心位移”、“雙聯懸垂串長調整計算”、“雙回路塔調整板計算”、“導線風偏對障礙物距離驗算”、“耐張塔跳線計算”、“直線塔導線風偏計算”等。（5）三維金具組裝設計與制圖。在三維實體中對各種金具串進行組裝、拆分等逼真模擬，可進行絕緣子串材料的耗量統計及金具零件查看、編輯功能，能完成材料統計、重量計算、尺寸計算、三維標注及任意角度顯示及三維打印出圖等項工作，同時也可以輸出二維金具組裝施工圖；允許對金具組裝數據庫和圖形文件的內容隨時進行修改和補充，對金具部件的部分信息編輯等項工作。

5 結語

輸電線路三維可視化輔助設計系統的研究方向和適用范圍包括輸電線路項目的設計資料檢索、前期路徑初選、可行性研究、初步設計，積極探索線路三維施工圖設計和數字化移交的深度應用。實現真正意義上的線路三維施工圖設計無成功先例和經驗可循，具體實施時難度較大，存在一定的風險，該方案可分階段實施，但在系統必須留有擴展能力，為后期實現全部功能創造條件；由于該系統的信息量大，而大部分基礎測繪成果屬于國家秘密，高精度的基礎地理數據會不同程度地增加失、泄密風險，因此建議盡量避免集成平臺中涉及涉密的基礎地理數據，并加強基礎地理數據的保密管理。

參考文獻

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[2] 毛克，劉江龍，劉永強.Google Earth三維選線技術在高壓送電線路中的應用[J].電力勘測設計，2010（4）.