陳俁, 張子謙, 張艷燕 南瑞集團(tuán)有限公司（國網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司）,江蘇 南京 211000

0 引言

變電站信息化系統(tǒng)建設(shè)是智能電網(wǎng)建設(shè)中的重要組成部分,也是實現(xiàn)智能電網(wǎng)自動化特征的主要體現(xiàn)。GIS作為基礎(chǔ)電網(wǎng)資源管理平臺,為變電站信息化的建設(shè)提供了重要的技術(shù)支撐^[1]。目前,GIS已廣泛應(yīng)用在電網(wǎng)資源的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)化管理和可視化展現(xiàn)方面^[2],隨著大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)的迅速發(fā)展,電網(wǎng)GIS應(yīng)用也在高并發(fā)訪問、可彈性擴(kuò)展等性能上有了進(jìn)一步提升^[3-4]。近年來,國家電網(wǎng)公司也對信息化、數(shù)字化、自動化和互動化為特征的智能電網(wǎng)建設(shè)提出了更高的要求,現(xiàn)有二維GIS系統(tǒng)已逐漸難以適應(yīng)和滿足日益增長的動態(tài)、可視化的管理需求^[5]。而三維GIS技術(shù)以其直觀可交互性及空間分析的可行性逐漸成為運營監(jiān)控、運行檢修等業(yè)務(wù)部門關(guān)注的新熱點。

三維GIS作為電網(wǎng)資源基礎(chǔ)平臺,可提供電網(wǎng)三維空間信息的管理與應(yīng)用服務(wù)。利用三維GIS實現(xiàn)電網(wǎng)三維地形數(shù)據(jù)、電網(wǎng)資源三維模型等基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)采集、存儲和分析,達(dá)到對電網(wǎng)設(shè)備空間和屬性數(shù)據(jù)的管理同步進(jìn)行。三維GIS不僅能夠描述空間對象間的平面關(guān)系,同時能夠表達(dá)空間對象之間的垂直關(guān)系、空間關(guān)系、面積范圍和可視范圍,為用戶提供電網(wǎng)的三維環(huán)境特征及三維空間信息。近年來,通過基于GIS的電網(wǎng)多系統(tǒng)集成^[6],各省公司及直屬單位已經(jīng)逐步開展了輸變電三維數(shù)字化設(shè)計^[7]及三維場景視頻監(jiān)控^[8]等多項三維GIS專題研究,取得了一定的成果。對于變電站信息化系統(tǒng)建設(shè)而言,本文通過設(shè)計一種基于三維GIS技術(shù)的變電站資源管理和輔助決策管理平臺,以達(dá)到提高管理可視化水平、降低人工現(xiàn)場作業(yè)成本的目的。

本文在研究過程中引入了三維激光建模技術(shù),通過對變電站全場景的掃描,獲得變電站點云圖數(shù)據(jù)。經(jīng)過點云圖的切割、拼接和噪聲點消除,可獲得與真實世界近乎一致的完整變電站實景復(fù)制點云圖^[9],在此基礎(chǔ)上可自動生成精準(zhǔn)的變電站三維數(shù)據(jù)模型。該方法突破了傳統(tǒng)的單點測量方法,具有高效率、高精度的獨特優(yōu)勢^[10],可以用于獲取高精度、高分辨率的數(shù)字模型^[11-12]。通過將三維激光建模技術(shù)與三維GIS技術(shù)相結(jié)合,有效保證信息化系統(tǒng)中三維場景的精度,縮短建模時間,提升模型的參考價值,同時構(gòu)建了三維變電站輔助決策平臺,為變電站智能化管理及輔助決策提供有效支持。

 1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 變電站數(shù)據(jù)采集與三維建模

目前,變電站三維場景建模方法主要是虛擬現(xiàn)實建模語言（Virtual Reality Modeling Language, VRML）建模、幾何造型建模以及地面激光掃描建模^[13]。為了確保變電站模型精準(zhǔn)度,系統(tǒng)采用了三維激光掃描儀對變電站進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。三維激光掃描優(yōu)勢在于不僅測繪效率高,且精準(zhǔn)也遠(yuǎn)超過單電測量技術(shù)。通過對目標(biāo)物體進(jìn)行掃描,對采集到的變電站點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,包括點云拼接、影像匹配、點云裁剪和點云輸出等。其中,點云拼接是把不同的掃描站點進(jìn)行拼接,使得這些掃描站點的數(shù)據(jù)能夠統(tǒng)一到一個數(shù)據(jù)集中。最后運用軟件的建模功能對點云進(jìn)行模型建立, 就可以構(gòu)建目標(biāo)物體的高精度、高分辨率三維模型。三維激光掃描技術(shù)和單點測量技術(shù)的區(qū)別在于,單點測量技術(shù)是對單點進(jìn)行測量,而三維激光掃描技術(shù)是對大量的點進(jìn)行測量,大量密集的點就相當(dāng)于是面,所以三維激光掃描技術(shù)是從點到面的技術(shù)突破。因此,基于激光掃描建立的變電站模型在精度及直觀性等方面有很大的優(yōu)勢,與實際場景吻合度極高,可用于更好地支撐設(shè)備距離監(jiān)測分析、作業(yè)方案仿真預(yù)演及虛擬仿真培訓(xùn)等高級可視化應(yīng)用。

1.2 三維可視化渲染

由于通過三維激光掃描建立的模型具有精度高、數(shù)據(jù)量大等特點,為了實現(xiàn)高精度變電站設(shè)備模型在三維GIS平臺中的高效渲染和場景交互,對模型渲染速度和渲染效率有了較高的要求^[14]。系統(tǒng)依據(jù)三維電力設(shè)備模型的特點,在瀏覽變電站場景不同區(qū)域或設(shè)備關(guān)注點時,將三維模型數(shù)據(jù)通過細(xì)節(jié)層次（Levels of Detail,LOD）模型技術(shù)重新進(jìn)行分層組織,以應(yīng)對不同分辨率的數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)和影像紋理數(shù)據(jù)訪問需求。LOD技術(shù)基本原理是,在不影響整體視覺感官和畫面效果的條件下,通過逐次簡化景物的表面細(xì)節(jié)來盡可能的減少場景的幾何復(fù)雜性,從而提高繪制算法的效率^[15]。在繪制時,由于相較于具有全部細(xì)節(jié)元素的原模型,LOD每個模型均保留了一定層次的細(xì)節(jié)。因此可以根據(jù)不同的使用需求,在不影響模型視覺效果的前提條件下,通過逐次簡化模型的表面細(xì)節(jié)來減少當(dāng)前場景下的幾何復(fù)雜性,以適應(yīng)模型所在的不同視域范圍和距離視點的高度下的最佳瀏覽效果,從而提高模型的渲染速度和渲染效率,盡可能地減少內(nèi)存消耗,提升系統(tǒng)的整體性能。

1.3 海量數(shù)據(jù)傳輸

由于三維模型數(shù)據(jù)的特性,對于同樣描述一個變電站場景而言,其對數(shù)據(jù)傳輸和存儲的要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于二維圖元數(shù)據(jù)。為了保證海量的變電站三維數(shù)據(jù)瀏覽和交互的流暢性,在數(shù)據(jù)傳輸效率和系統(tǒng)訪問效率上較二維GIS系統(tǒng)有了更高的要求。傳統(tǒng)的場景加載方式是全要素加載,即在啟動系統(tǒng)時把變電站所有數(shù)據(jù)加載之后才能顯示場景。其優(yōu)點是在使用系統(tǒng)進(jìn)行三維場景瀏覽時,所有模型已全部加載完畢,無需等待模型加載顯示過程,可以隨時正常瀏覽和交互。缺點是啟動系統(tǒng)時下載和等待加載模型時間長,并且浪費存儲資源。因此該方式通常適用于變電站數(shù)據(jù)量較小的情況。

為了盡可能地降低三維GIS平臺加載模型時的內(nèi)存占用率,同時減少啟動系統(tǒng)時模型加載的等待時間,通常會采用流加載模式進(jìn)行訪問。該方法原理是根據(jù)請求發(fā)送數(shù)據(jù)塊,按瀏覽時視野范圍所見區(qū)域?qū)δＰ瓦M(jìn)行實時加載,當(dāng)離開視野范圍時,不進(jìn)行加載^[16]。在傳輸前,先將模型數(shù)據(jù)處理為結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)和幾何數(shù)據(jù),在客戶端訪問初始時顯示模型的基本輪廓;當(dāng)近距離瀏覽模型時,利用相應(yīng)的模型恢復(fù)算法將接收到的數(shù)據(jù)添加到已顯示的模型中,達(dá)到精細(xì)模型漸進(jìn)化顯示的效果。利用流式傳輸技術(shù)能在滿足用戶對視覺和精度的前提下,大幅減少三維模型下載延時現(xiàn)象,保證系統(tǒng)流暢運行。

 2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體架構(gòu)

變電站輔助決策平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,從邏輯上分為3個層次：數(shù)據(jù)層、服務(wù)層、應(yīng)用層。

圖1 變電站輔助決策平臺總體架構(gòu)Fig.1 Overall architecture of substation auxiliary decision platform based on 3D GIS

應(yīng)用層主要是指平臺用戶側(cè)的交互部分,用戶通過C/S或B/S方式訪問系統(tǒng),調(diào)用相關(guān)操作進(jìn)行變電站三維可視化管理。主要包含數(shù)字模型管理、多源數(shù)據(jù)融合、電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、變電站數(shù)字化展示分析、變電站預(yù)案仿真、變電站虛擬現(xiàn)實全景動態(tài)仿真、一體化管理指揮應(yīng)用決策分析、智能電網(wǎng)日常應(yīng)用業(yè)務(wù)管理等8個功能模塊,是平臺與用戶交互的窗口。

服務(wù)層包括接口服務(wù)及應(yīng)用服務(wù)2個部分。應(yīng)用服務(wù)主要是為平臺的三維GIS應(yīng)用功能提供支撐,地形數(shù)據(jù)包括正射影像、數(shù)據(jù)高程模型和矢量數(shù)據(jù)等,通常該部分?jǐn)?shù)據(jù)容量較大。為了提高數(shù)據(jù)傳輸效率,在系統(tǒng)設(shè)計時需要優(yōu)先考慮在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸優(yōu)化后,再進(jìn)行三維地形數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)實時在線發(fā)布。該應(yīng)用服務(wù)采用LOD模型技術(shù),確保客戶端接收到低分辨率的影像數(shù)據(jù)即可,不必等待所有數(shù)據(jù)傳送完畢就能正常在三維GIS環(huán)境中調(diào)用相應(yīng)的數(shù)據(jù)服務(wù),不受網(wǎng)絡(luò)連接的反應(yīng)時間或中斷影響。接口服務(wù)指變電站輔助決策平臺與外部系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成接口部分,主要用于平臺與外部系統(tǒng)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)獲取及共享。

數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理及外部數(shù)據(jù)接入等4個部分。通過采集和預(yù)處理后的數(shù)據(jù),按格式分,包括矢量、柵格、模型、文檔、圖件等,按數(shù)據(jù)類型分,包括基礎(chǔ)地理信息、遙感影像數(shù)據(jù)、DEM、設(shè)備模型數(shù)據(jù)等。針對海量數(shù)據(jù)管理應(yīng)用,系統(tǒng)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理和發(fā)布,以提高數(shù)據(jù)的利用效率。外部數(shù)據(jù)獲取主要通過PMS2.0等業(yè)務(wù)系統(tǒng)設(shè)計相關(guān)接口,向平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)推送。通過信息系統(tǒng)集成及數(shù)據(jù)共享優(yōu)化技術(shù),高效整合數(shù)據(jù)資源,并完成按文件類型的分類存儲和數(shù)據(jù)備份。

2.2 技術(shù)架構(gòu)

變電站輔助決策平臺技術(shù)架構(gòu)如圖2所示,主要分為結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中心、數(shù)據(jù)源、業(yè)務(wù)應(yīng)用和三維精準(zhǔn)數(shù)字模型應(yīng)用4部分。

圖2 變電站輔助決策平臺技術(shù)架構(gòu)Fig.2 Technical architecture of substation auxiliary decision platform based on 3D GIS

2.2.1 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中心

1）結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中心是變電站輔助決策平臺外部電力業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲與管理中心。

2）以接口的方式與變電站輔助決策平臺實現(xiàn)集成關(guān)系。

3）與平臺間的集成關(guān)系是單向的,即：僅支持結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)中心向平臺共享數(shù)據(jù)。

2.2.2 數(shù)據(jù)源

數(shù)據(jù)源是變電站輔助決策平臺的數(shù)據(jù)存放區(qū)域,主要包含4類數(shù)據(jù)：電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（PMS2.0）、設(shè)備檢修狀態(tài)策略數(shù)據(jù)、應(yīng)急預(yù)案數(shù)據(jù)以及三維精準(zhǔn)數(shù)字模型數(shù)據(jù)。

1）電力業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（PMS2.0）是外部數(shù)據(jù)庫,屬于電力業(yè)務(wù)系