基于三维GIS技术的电网规划设计可视化系统开发实现

作者：铭

来源：《科技创新导报》 2015年第2期

铭

（河南省电力勘测设计院 河南郑州 450007）

摘 要：输电线路三维可视化辅助设计系统的研究方向和适用范围包括输电线路项目的设计资料检索、前期路径初选、可行性研究、初步设计，积极探索线路三维施工图设计和数字化移交的深度应用。该文基于笔者多年从事GIS技术应用的相关工作经验，以三维GIS技术在电网规划设计中的应用为研究对象，设计实现了面向电网规划设计的三维GIS可视化系统，结合案例对系统功能进行了分解，详细分析了系统运行的作业流程，相信对从事相关工作的同行能有所裨益。

关键词：三维GIS 电网规划设计 可视化系统 作业流程

中图分类号：TP315

文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01（b）-0013-04

随着计算机技术的飞速发展， 地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）在整个电力行业中得到了越来越广泛的应用。将GIS引入配电管理系统（DMS），并与用电MIS，负荷管理及SCADA等子系统相结合，为各级管理人员提供一套简单、迅速、方便的配电网运行管理系统已成为现代电力企业提高管理水平和工作效率的有效手段。然而，目前在电力系统中广泛应用的主要还是基于二维坐标的GIS系统，其空间表现和分析能力都有很大的局限性。

输电线路是位于地理空间中的人工构建物，其线路距离长，通过地区的地理条件比较复杂，与众多电力线路和通讯线路交叉跨越，并且通常会通过居民区、公园和其它特殊区域。输电线路及其杆塔位置与地理空间位置密切相关，特别是在垂直方向上的层次信息尤为重要，这使得二维地理信息系统无法达到其管理的需求。近年来，计算机图形学的发展和计算机硬件性能的成倍提高使得三维表现技术日益完善，通过这些技术， 我们能够构造更接近于现实的三维地表模型和各类设备模型，使得GIS系统从二维向三维发展。

国际上GIS的发展始于20世纪60年代，起源于北美。世界上第一个GIS是1963年加拿大土地调查局为了处理大量的土地调查资料，由测量学家R.F.Tominson提出并建立的。20世纪70年代以后，由于计算机软硬件迅速发展，特别是大容量存储功能磁盘的使用，为地理空间数据的录入、存储、检索、输出提供了强有力的技术手段，使GIS 朝着实用方向迅速发展。20世纪80年代是 GIS普及和推广应用的大发展阶段，由于新一代高性能计算机的普及和迅速发展，GIS 也逐步走向成熟。GIS的软硬件投资大大降低而能力明显提高，已进入多学科领域，由功能单一、比较简单的分散系统发展成为多功能的用户共享的综合性信息系统，并开始向电力行业发展。电网GIS的应用经历了CAD+数据库、传统GIS应用阶段，20世纪90年代初期，进入AM/FM/GIS应用阶段。建立以数字化电网及协同工作环境为特征的电网GIS，已成为发达国家电力企业，为增强自身竞争能力（降低生产成本、提高服务水平）而进行生产经营业务流程重组工作、提高电网运行科学管理水平的必不可少的工具。

我国的电网GIS的建设是在20世纪末、21世纪初逐步开始的，在2000年前后曾经在国内掀起建设热潮，各大企业纷纷上马，但是失败者居多，以至于很多企业信息化主管“谈GIS色变”。究其原因，主要有以下三点。

（1）软件行业的大环境不具备。当时中国软件行业还处于初级阶段，对软件项目的管理水平商处于起步阶段，对其中存在的各种问题尚没有清醒的认识，导致大量项目的失败。

（2）技术和管理有问题。当时电力GIS 建设以配电网为主，这和当时正在进行的城乡电网改造热潮有很大的联动关系，但是和输电网络相比，配电网络结构复杂，不规范型式较多，而且变化频繁，在技术和工程上都具有挑战性，且当时很多关键技术问题没有解决。

（3）定位有问题。当时大量的GIS建设者只是从建设一个信息化系统的角度来考虑问题，而没有意识到这种系统中的电网资源实际上是整个电力系统各个业务的基础支撑性信息。这样在整个系统的规划和设计上眼光局限于局部，只考虑到单个项目的需求，形成了信息孤岛，最终导致整个系统走向萎缩和衰亡。电网GIS在经过 2000～2005年低谷期后，目前又逐渐发展起来，这个趋势正好符合技术经济学的技术发展曲线。新一轮的GIS建设和上一轮相比，有较大的不同，主要体现在以下三个方面。

（1）大部分电力GIS厂家对于电网企业的需求有了更深刻的理解。很多厂家已经意识到对电网企业来说电网资源才是核心，GIS只是一个平台和工具，这种名称的变化暗示了建设重心的偏移。

（2）对于各种关键难题，在技术上和管理上都有了新的解决方案和思路。在对于配电网络频繁变化的问题上，采取了将网路资源修改、合并到电网工程设计流程中去的方法，在业务流程中解决对变化的控制。这和传统GIS简单地采用编辑建模的方式在效果上产生了本质差异，达到了很好的效果。这也反映了在系统建设水平上的提升，也意识到了企业信息化的建设，很大程度上是一个管理问题，而不是一个技术问题。近年来信息技术日新月异的发展，给系统的建设提供了更完美的思路和丰富的建设实践，如Internet的普及、SOA技术架构的提出和实施，都为各种技术难题的解决提供了方案。

（3）中国软件行业的项目管理和实施水平有了很大的提高。大部分信息化企业已经从传统的“手工作坊”式的开发方式开始向系统化、体系化、规范化的方向发展，项目实施成功率有了很大的提高，对于复杂信息化项目的驾驭水平有了明显提升。正是在这样的变化背景下，电网GIS的建设构想从传统的GIS的思路中脱胎而出，无论是在技术和管理上，还是在行业大气候下，都更加具备了相应的实施条件。

从相关的研究来看，国内的部分系统仅初步具备输电线路可研选线、初步设计的功能，还无法真正实现线路三维施工图设计的功能，实现真正意义上的线路三维施工图设计也是各大设计院和相关软件公司的努力方向。从目前的计算机硬件配置、三维地理信息发展水平的角度来看，已基本具备开展此项工作的条件。为进一步拓展输电线路三维设计的开发与应用，加快线路设计的自动化、一体化进程，提高线路勘测设计的进度、质量和服务水平，本文以输电线路设计为主要出发点，提出了构建输电线路三维可视化辅助设计系统的技术方案。

1 系统的构建

1.1 开发模式

输电线路三维可视化辅助设计系统的软件开发模式采用三级构架模式：支撑采用开放数据结构、采用工业标准的基础GIS软件；在此基础上，采用组件式二次开发专业作业平台；在专业作业平台之上，再开发各种高级应用。

采用这种可很好的隔离了高级和底层基础平台，减少了开发的难度，提高系统对公用数据库和基础地理数据的利用率。但对于专业作业平台来说，却提出了很高的要求，它不仅和GIS专业知识有关，还需要输电线路勘测设计的相关专业知识和技术，对输电线路有个整体全面的了解。

1.2 软件体系结构

输电线路三维可视化辅助设计系统推荐采用自下而上的4层次型软件体系结构。这种体系结构综合考虑了现有的软硬件技术水平和系统需求的因素，充分体现了软件体系结构设计的系统性和可扩充性，是一套面向可视化输电线路设计的、具有高重用度的软件体系结构。

系统各层功能和设计考虑如下：

（1）专业应用层。专业应用层构成了辅助设计系统与用户交互的界面，包括各种可视化的输电线路显示、查询、设计、数据管理、图表输出等功能。

（2）模型对象层。主要功能是把多数据源的地理数据转化为单一的、综合的、基于数据模型的对象，从而有效地解决了GIS中多数据源多数据类型的问题。在模型对象层中，设置了代表三维场景中的地形、覆盖在地形上的矢量对象（如公路、地区边界、河流等）、立体建模的地物对象（如主要的居民地、重要的河流、输电线路上主要的跨越和标注等）和输电线路上的电力器件对象（如输电线、避雷线、杆塔和绝缘子等）。

（3）数据层。在数据层中，采用文件系统加关系数据库来构成系统的基础数据库，由关系数据库来管理系统的属性数据，由文件系统来管理系统的空间数据。考虑到三维GIS中对空间数据查询、显示以及分析的特殊要求，需要对管理空间数据的文件系统采用多种形式的优化。

（4）转换通信层。转换通信层包含数据转换和连接通信两个子层，通信子层的设立屏蔽了各种物理通信介质和网络通信协议的差别，为数据转换子层提供统一格式的数据；数据转换子层负责将不同分系统间的数据分类、转换、融合后上传到数据层；通信层实现了与电力行业其它数据库的数据共享。

1.3 系统构建原则

构架输电线路三维可视化辅助设计系统所应遵循的原则如下。

（1）系统架构设计。

C/S（Client/Server）和B/S（Browser/Server）是开发模式架构的两大主流技术。C/S结构可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务合理分配到Client端和Server端来实现，降低了系统的通讯开销；B/S结构用户工作界面通过WWW浏览器实现，极少部分事务逻辑在浏览器实现，但是主要事务逻辑在服务器端实现。本系统的架构设计应遵循 B/S和 C/S相结合原则，以便充分发挥两类架构的优势。

（2）稳定可靠。

稳定性、可靠性是对系统运行的最基本的要求。作为大型的信息系统，输电线路三维可视化辅助设计系统数据协调通信复杂，一旦发生丢失或者系统崩溃将会造成严重的损失、浪费大量的人力物力，甚至会影响正常的生产活动，所以要充分考虑系统的各个方面，保证系统的稳定性。

（3）可扩展性原则。

输电线路三维可视化辅助设计系统投资巨大、系统结构复杂，较短的开发周期内难以达到预想的功能要求，如何保证这些人力物力的可持续性利用，保证系统能够适应组织机构调整、适应新增的功能需求、适应因流程重组而带来的需求变化也是系统设计和开发中的一个指导思想。

（4）运行高效。

如果运行效率低下，即使系统功能建设非常完善，最终也无法实现实用化。由于输电线路可视化辅助设计系统数据量大，要确保所选择的三维GIS平台有良好的性能和数据加载手段；除上述手段外，还需要进行良好的需求控制，避免系统功能的冗余。

（5）开放性。

输电线路三维可视化辅助设计系统要实现与其它专业软件的平稳“对接”，设计时就必需确保其有足够的开放性，具有良好的应用编程接口和对业界标准的遵循，保证各模块间相互协调处理、数据共享。

（6）开发期的系统投资重点。

本系统总体投资较大，但GIS软件平台和二次开发所占的费用相对较少，但作为影响系统性能较为关键因素，决定着系统的可用性和实用性，系统一旦建成后便难以更换平台或重新进行整体开发。因此在构建系统前应进行大量的调研工作，并加大对软件平台和二次开发的预期投入。

各种专题信息及地理数据所占的投资较高，但在系统开发或调试期间利用率较低，其有效性又极容易失时，因此建议分步展开地理数据的采购和各种专题信息制作。

（7）GIS系统的选用。

建设输电线路三维可视化辅助设计系统是一个投入大、时间长的过程，这要求平台供应商对用户的应用系统提供长期的支持和维护。

另外，由于系统所包含的内容非常庞杂，技术涉及面广，应该采用具有广大用户群的GIS产品，从而在技术支持、产品的稳定性和产品的升级换代等方面得到保证。

2 GIS数据

2.1 基础地理数据

地球表面的自然地物和人文地物形状各异、错综复杂、关系密切，经过抽象简化，地球表面的地物可以用下面四大类数据来表达。

（1）数字线划数据（DLG）：DLG作为大多数的GIS最为常见的核心数据形式，用抽象的图形表达地理空间的实体，非常适合于计算机的表达。

（2）影像数据：影像数据包括遥感影像和航空影像。由于影像数据数据源丰富，生产效率高，并且直观而详细地记录了地表的自然现象，因此影像数据在现代GIS中起越来越重要的作用。

（3）数字高程模型（DEM）：DEM在GIS中已经作为专门空间数据来采集，DEM的精度已经逐步成为衡量一个地理信息系统的标准。

（4）属性数据：GIS的空间查询、空间分析都离不开属性数据的支持。正是因为GIS存储了图形和属性数据，才使GIS内容丰富、应用广泛。

GIS数据可以由野外数据采集、地图数字化、摄影测量、遥感图像处理等多种方式获取，在构建本系统时应综合利用以上获取手段，依据所要解决问题的选择数据获取手段。对于输电线路核心区域可利航空影像经处理生成DEM及DOM等基础地理数据，对于规划走廊可购买相关区域高分辨遥感卫星影像经遥感软件处理获取三维GIS系统所需的基础地理数据。

2.2 基础地理数据

输电线路三维可视化辅助设计系统不仅要有输变电设备的坐标、高程信息，还应具有各设备的空间形状和各种属性信息。输变电数据包括电厂升压站、变电、输电设备的数据等。电厂升压站：电厂的名称、类型、用途、所在地，升压站构架的三维模型、经纬度坐标和高程。

变电数据：变电站和开关站的名称、电压等级、性质、所在地及全景三维模型，构架经纬度坐标、高程、间隔名称和相序；

输电设备：输电线路名称、编号、回路数、设计气象条件、污区等线路属性，所有输电杆塔的三维实体模型、具体塔位定位坐标、高程，绝缘子金具串三维实体和各种属性信息，导、地线类型、结构、安全系数和控制导、地线架线的各种属性信息。

对于已有竣工图资料的线路，可结合杆塔明细表中的杆塔、呼高、转角度数、档距、绝缘串型等信息，并通设定线路起止端的塔位坐标将线路一次性导入系统。

对于竣工图资料不全的线路，可通过外业数据采集，用手持GPS采集构架、杆塔等坐标，由于此方法耗时耗力，又无法直接获取杆塔高度和导线等属性信息，故不建议在设计院大面积推广。

3 系统功能用例

3.1 基本功能模块

输电线路三维可视化辅助设计系统的总体功能模块包括三维基本功能、归档信息查询、辅助设计功能、数据更新维护和权限安全管理等。

3.2 三维高级功能

（1）智能规划、选线通过建立矢量地理信息、设置障碍物缓冲半径，系统可自动优选出若干条线路路径，分析输电线路对耕地、村镇和厂矿影响，且在交互设计过程中对控制线路走向的不良地质、特殊地质等灾害性地质或重点设施等必须绕避的控制点发出警告信息等。

（2）二、三维联动智能排塔定位。系统开发的排塔定位模块，要求系统可以在三维场景、二维平面和排塔定位模块等3个窗口上联动操作；在给定导、地线型号及安全系数、电压等级后，通过一定的人工干预（如设定经济档距范围、增加跨越点、特殊地形强制立塔等），系统可根据杆塔使用条件、地形特征进行智能排塔定位。

（3）走廊范围内三维场景快速建模。排塔定位模块的平断面地物与三维场景相关联，即通过现场调绘和终勘定位后，线路走廊范围内的房屋、桥梁等可以作为矢量立方体直接读取到三维场景，以便进行空间测量。

（4）相关电气计算及校验。电气计算及校验包括：“交叉跨越距离验算”、“杆塔中心位移”、“双联悬垂串长调整计算”、“双回路塔调整板计算”、“导线风偏对障碍物距离验算”、“耐张塔跳线计算”、“直线塔导线风偏计算”等。

（5）三维金具组装设计与制图。在三维实体中对各种金具串进行组装、拆分等逼真模拟，可进行绝缘子串材料的耗量统计及金具零件查看、编辑功能，能完成材料统计、重量计算、尺寸计算、三维标注及任意角度显示及三维打印出图等项工作，同时也可以输出二维金具组装施工图；允许对金具组装数据库和图形文件的内容随时进行修改和补充，对金具部件的部分信息编辑等项工作。

4 系统运行的作业流程

4.1 可研、初步设计流程

图1为可研、初步设计阶段线路设计人员的主作业流程，新建工程由项目经理创建，未按流程建立的工程数据存放于本地计算机，补充手续后方可上传。

4.2 施工图设计流程

图2为施工图设计阶段线路设计人员的主操作流程，设计人员由项目经理指任，主作业流程的所有数据均存放于系统服务器中，同时系统允许将数据由服务器下载到本地计算机，以用于脱机工作或本地备份。

4.3 竣工图设计流程

图3为竣工图设计阶段线路设计人员的主操作流程，主作业流程的所有数据均存放于系统服务器中。

5 结语

输电线路三维可视化辅助设计系统的研究方向和适用范围包括输电线路项目的设计资料检索、前期路径初选、可行性研究、初步设计，积极探索线路三维施工图设计和数字化移交的深度应用。

实现真正意义上的线路三维施工图设计无成功先例和经验可循，具体实施时难度较大，存在一定的风险，本方案可分阶段实施，但在系统必须留有扩展能力，为后期实现全部功能创造条件；由于本系统的信息量大，而大部分基础测绘成果属于国家秘密，高精度的基础地理数据会不同程度地增加失、泄密风险，因此建议尽量避免集成平台中涉及涉密的基础地理数据，并加强基础地理数据的保密管理。

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