基于三维GIS的城市配电管理信息系统设计与实现

时 翔，陈志勇

（青岛供电公司，山东 青岛 266002）

0 引言

传统的配电网资料多以图纸、图表等形式保存和管理，效率低，数据安全性不高［1］。针对这个问题，近年来建立了一些基于二维GIS的配电网管理信息系统，实现了对设备信息和图形信息的传递和管理，但还存在不足：无法准确、具体地展现城市地下电缆错综复杂的分布情况，为故障线路检修提供辅助决策；一般以二维矢量地图作为城市配电环境的展示手段，无法帮助用户对真实的用电环境进行认知。随着三维仿真技术的不断成熟，三维GIS开始服务于电力行业的可视化平台建设，配电三维GIS系统能够立体展示架空线、地下电缆等电力设备及城市配电环境，带给用户强有力的视觉冲击，并将电力系统中的现有数据与相关空间位置信息结合起来，进行地理信息分析与应用操作，使配电信息管理由二维空间步入到与现实对应的三维地理空间。从城市配电的实际管理需求出发，研究基于三维GIS的城市配电管理信息系统的设计与实现。 通过该系统，能够对城市配电网进行全方位的管理，为电力管理部门提供有效的决策支持手段，提高管理效率。

1 系统总体框架

从总体框架上看，基于三维GIS的城市配电管理信息系统上可分为：数据存储层、数据访问层、系统服务层、系统应用层和系统用户层等5个层次，如图1所示。

图1 基于三维GIS的城市配电管理信息系统的总体框架

数据存储层是系统服务的内容，为系统提供一个共享数据环境，也为配电管理过程中的运行监控、设备查询、用户信息等提供数据支撑［2］。主要包括基础地理数据库、配电设备数据库、配电运行数据库和设备检修数据库。基础地理数据库存放的是整个配电管理系统的地理空间数据；配电设备数据库存放配电网中各类设备的台帐信息；配电运行数据库存储配电网中各台配电变压器、环网柜的运行数据、地下电缆的实时监测数据；设备检修数据库用于记录设备检修的各种数据。

数据访问层是连接数据存储层和系统服务层的中间层，主要功能是数据的获取和检索。

系统服务层提供系统所有的功能实现，是系统的核心。主要功能包括三维电力渲染引擎、三维城市场景渲染引擎、空间数据管理、系统用户的管理和业务数据的检索。

系统应用层是利用系统服务层的功能模块封装具体应用的业务模块，根据城市配电管理的特点，提供了包括城市场景三维展示、配电设施三维展示、设备台账缺陷管理、实时监测、基于三维地图的综合可视化、三维浏览控制、系统维护与管理等功能模块。

系统用户层是系统服务的对象集合。从分工职责的角度，又可分为系统管理员、领导、运检部、运行班、调度部门和检修班，根据不同的登陆用户赋予不同的操作权限。

2 系统功能设计

图2 基于三维GIS的城市配电管理信息系统的功能设计

基于三维GIS的城市配电管理信息系统面向配电的日常管理、运行监控、信息维护、配电设施精细化展示、设备管理等功能定制，以高分辨率、大覆盖范围遥感影像、数字地形模型、基础地理数据、海量三维城市场景模型、GPS定位数据、实时监控数据为依据，根据城市配电管理的业务需求，开发实现包括三维浏览控制、城市场景三维展示、配电网三维展示、配电设备管理和系统管理在内的5个系统模块。

三维浏览控制模块对配电设施和其所在的三维地理空间进行浏览控制，包括放大、缩小、拖放、旋转、平移、图层可视化设置、飞行浏览和地下镜头控制等。图层可视控制能够灵活地打开或关闭任意地理或设备图层，可选择某一类、几类或全部配电设施图层及地理信息数据进行综合叠加显示。飞行浏览是预先设定浏览路径，对漫游高度、俯仰角度等参数进行设置，视点沿路径向前运动，运动速度亦可调节。地下镜头模式支持地表和地物模型的透明度调节，能够查看地表下存在的电缆等配电设备设施。

城市场景三维展示模块在高精度数字地形模型和高分辨率遥感影像的基础上，加载海量建筑物、道路和城市小品精细模型，通过视距判断，自动显示地物名称，并利用三维可视化技术对沿海城市的附近海域实现海水特效渲染，对配电设施所在区域进行高度仿真，形象逼真地再现了城市的用电环境。通过建筑物ID与门牌号信息建立关联，在系统中双击选中某个建筑物模型便可直观查看相应的用电用户信息。

配电网三维展示模块主要对城市配电网中的地下电缆和架空线进行三维建模可视化。地下电缆相关的基础设施包含管沟、电缆井等；设备包含电缆、变电站、环网柜、开闭所、用户变、分支箱、电缆接头等［3］。电缆井是电力施工和电缆维护的重要资源，因此对电缆井的三维建模要尽量完整，首先根据井盖的实测GPS数据，对电缆井进行定位；而后按照电缆井内部绘制的CAD图纸中记录的各个立面所处的位置、深度、沟道的剖面尺寸及排管在电缆井各个立面所处的位置、深度、排列方式、数量等实测数据，进行电缆井的精细化建模。根据每一条电缆的轨迹、各条电缆在电缆沟剖面的分布情况和出入设备情况，进行地下电缆建模，并赋予每条电缆唯一ID，与数据库挂接后显示电缆名称、型号、长度等台账信息。 对环网柜、箱式变和分支箱等电缆设备，根据实际照片和尺寸进行三维仿真建模，通过骨骼动画技术，可以打开设备内部，查看开关的台账信息和实时监测数据。 架空线设备设施包括杆塔、线路、站所、变压器、开关等，与地下电缆建模类似，可以根据杆塔的CAD图纸对杆塔建立模型库，而后根据实际情况，实现杆塔与变压器、开关等设备模型的组装，完成整条架空线的构建，最后根据设备唯一ID关联设备台账和实时监测数据。

配电设备管理模块包含设备台账管理、缺陷故障管理、运行监控、线路巡检和架空线路编辑等功能项。设备台账管理是配电管理系统的其他功能模块的基础，是对配网的各种电气设备自身各种技术参数的管理，它主要完成各种电气设备的基础输入、删除、编辑，并提供模型与设备属性之间的双向查询［4］；对于满足查询条件的设备能够将其在三维地图上进行快速定位。缺陷故障管理与台账管理类似，也是对配网的各种电气设备的缺陷故障信息，实现输入、删除、编辑和查询操作。 运行监控功能是自动连接配电运行数据库，对线路的带电状态，开关、刀闸等设备的遥信状态，开关、变压器、母线等设备的各类遥测量等进行实时显示；当开关运行状态发生改变时，自动报警［5］。线路巡检是自由定制巡视路径，沿架空线或地下电缆对配电设备进行巡视和检查，查看配电设备的台账信息、缺陷故障信息和实时监测数据，帮助全面掌握线路的运行状况，及时发现缺陷和沿线威胁安全的隐患。架空线路编辑功能使得架空线具备可延布性，用户可以使用该功能提供的工具，根据杆塔的位置数据和实际拍摄的照片，自行建立包含主线和支线的架空线路，对杆塔模型进行灵活调换，并可录入相应设备的台账信息。

系统管理模块主要实现用户登录/退出、新用户注册、用户信息的修改、用户权限分配等功能。

3 关键技术

系统开发环境基于Windows操作系统，Oracle10G数据库，基于客户端和服务端（C/S架构）模式，同时采用了国内高效的EV-Globe三维开发平台，实现了配电业务与三维仿真的完美结合。

三维仿真层次细节技术。针对密集的三维模型渲染采用了层次细节技术（LOD），通过对物体离镜头距离、是否在视野范围、是否被其他物体遮挡等一系列LOD判断，减少了三维模型渲染数量，再通过模型优化、纹理合并等技术减少渲染批次，大大提高了三维渲染效率，使渲染帧率始终在35帧以上，拖动非常流畅，为后面的业务操作解除后顾之忧。

高效配电线路组装引擎技术。系统采用了EV-Globe平台的电力渲染引擎并对其进行了一系列改进，使其适用于城市配电线路的应用。系统预先建立了三维杆塔模型库，通过对杆塔配件大小，距离的精确计算得出配件在塔杆上的挂点坐标，选择不同配件和塔杆组装出完整的配电杆塔，再将一系列杆塔通过线路挂点坐标进行挂线，最终生成出一条完整的城市架空线。该电力引擎通过了各种测试，能够适应各种配电杆塔的组装，使三维配电线路具有灵活性和可拓展性。

飞行浏览轨迹插值和模型实时渲染的多线程技术。该系统中线路巡检模块通过对数据的插值运算、飞行浏览过程中模型的动态实时渲染采用了多线程技术，确保相机镜头在三维虚拟地球平滑前行。在车辆巡检模块中也采用了该技术，通过对GPS数据做2个批次延期处理，对已接收到的数据进行高密度插值，通过贝塞尔曲线插值算法，消除浏览线路中出现的急转弯状况，使三维模型可以均匀平滑的前进。

4 系统实现

根据上述设计方案和关键技术，对基于三维GIS的城市配电管理信息系统进行实现，并将系统应用于青岛市南区东部沿海高可靠性示范区配电网管理，该示范区为环境优美的旅游景区。系统在加载示范区5.7 km2的1 800多个城市模型、58条地下电缆、22条架空线和几百个电力设备的情况下，浏览依然非常流畅。 系统接入数据库中的设备台账信息、缺陷故障信息和实时监测数据，通过ID匹配电气设备三维仿真模型进行关联展示，通过线路巡检功能可以非常形象地展示各个电力部件的运转情况；其中架空线可以根据实际需要，由用户自行延布并添加台账信息，通过试运行，系统取得了良好的应用示范效果。

5 结语

基于三维GIS的城市配电管理信息系统是一个把三维地理信息与三维配电线路及其设备相结合的信息管理系统［6］。与同类的二维系统相比，最突出的特点就是构建了架空线、地下电缆和城市场景的三维模型，在重现城市复杂用电环境的基础上，使配电网在地上地下两个空间得到了扩展，并建立了配电设备模型与台账信息、缺陷故障信息和实时监测信息的联动显示，有助于电力管理部门全面掌握配电网的运转情况，为故障点的快速定位抢修提供保障，为电力管理提供了更加丰富、直观的信息资料和决策依据。