基于GIS 的电力通信线路管理系统开发与应用

陈海宏，张 静，万书亭

（1.苍南电力有限责任公司，温州325802；2.华北电力大学机械系，保定071003）

电力特种光缆以其容量大、抗干扰能力强、保密性好等优点，在电力系统通信中的应用越来越广泛，据统计，电力系统目前铺设了近几十万千米的光纤线路。随着电力通信网络的发展，依靠人工处理通信线路资源和实行动态管理，己经越来越不能适应线路设备量大、种类多、变化快、管理复杂的要求，而且电力光纤一旦出现故障，就会引起通信中断，特别是继电保护业务中断，可能引起电网事故，造成重大损失。建立电力通信线路管理系统对电力企业通信设备与线路的管理、规划和光纤故障的及时抢修具有深远影响。

科学有效地建立电力通信线路管理系统成为电力行业自动化深入发展的重要课题。基于地理信息系统GIS（geographical information system）的电力通信线路管理系统将使我国电力行业自动化上升到一个更高的台阶。地理信息系统是专门管理具有地理坐标的空间数据的计算机系统，它在数据综合、地理模拟和空间分析能力等方面有很大的优势，可以使得电力通信线路信息表现的更加直观形象，提高光纤线路的维护效率。GIS 在配电网规划与调度、输电线路的巡检和电网设计与规划等方面有广泛应用，但基于GIS 的电力通信线路管理系统的研究很少。

在电力系统GIS 管理系统的研究中，文献[1-4]具有代表性。文献[1]以地理信息系统为基础，采用模块化思想，设计了电网规划辅助决策系统，有效地提高了规划工作的科学性、实用性和高效性，但系统没有最优路径规划的模块；文献[2]探讨了GIS 在通信领域应用的发展，重点介绍了GIS 在通信光纤维护和光纤选线辅助决策方面的应用，但没有突出电力通信光纤的特点；文献[3]建立了基于网络GIS 的新型电能质量监测评估系统，实现了电能质量的动态管理，对应用GIS 平台开发电力通信线路管理系统有一定的参考价值；文献[4]重点阐述了光缆监测系统和光缆资源管理系统在唐山电力通信网中的应用，但文中没有涉及到电力光纤的规划。虽然现在市场上有比较成熟的通信资源管理系统软件，但这些软件都是适用于电信网络的通信资源管理，由于在资源管理对象、系统接口和业务流程的差异，使得开发一套基于GIS的电力通信线路管理系统，对进一步提高电力通信光纤的管理、规划和故障及时抢修的能力有很大的意义。

1 电力通信线路GIS 管理系统开发与实现

利用Internet 在Web 上发布和应用空间数据，为网络用户提供空间数据的浏览、查询与分析等功能，已经成为GIS 发展的一种趋势。WebGIS 就是将Internet 技术应用于GIS 开发的产物，它具有空间数据共享和互操作、分布式服务体系和数据更新维护方便等优点。系统采用先进的浏览器/服务器技术，运用WebGIS 技术实现对电力通信设备和光纤的空间管理和可视化分析，以及为线路故障抢修提供最优路径的决策支持。

1.1 系统结构

系统以B/S 方式运行，这种计算模式能灵活高效地寻求计算负荷和网络流量负载在服务器端和客户端的合理分配。系统核心层采用三层结构，大大减少了服务器的负担，并且通过服务器负载均衡的技术解决了多用户同时运行的瓶颈问题。三层结构包括客户端、Web 服务器和GIS 服务器、空间数据库服务器。客户端是用户与整个系统的接口，用于数据结果的显示和用户请求的提交；Web服务器和GIS 服务器启动相应的代码来响应和处理用户的请求；空间数据库服务器用于空间数据的操作管理。系统结构框架如图1 所示。

图1 系统结构框架Fig.1 Structure of system

1.2 开发工具

本系统基于模型视图控制器MVC（model view controller） 架构，使用以互联网信息服务IIS（internet information services）为基础的动态服务器页面ASP（active server page）进行开发，中间件采用MapInfo MapXtreme 3.0 和ASPGrid 3.0，服务器端使用VBScript 脚本语言， 客户端使用JAVAScript 脚本语言。选用Oracle 9i 作为后台数据库存储空间数据和属性数据，它的Spatial 模块可以实现空间几何数据的相关存储、地理信息数据与属性数据的集中式管理以及海量GIS 数据的存储与检索[6]。

1.3 数据应用

地图底图使用mapinfo TAB 表格保存数据，但底图数据是不可修改的，根据底图生成的地图集文件（Geoset）保存在服务器端。地图业务层使用mapinfo TAB 表格和Oracle spatial 格式保存数据，可以进行修改。系统通过自动控制可以实现多用户并行操作。为了确保业务地图数据的安全，在Oracle 数据中建立矢量数据表备份和维护所有业务的矢量数据，并充当GIS 和管理信息系统MIS（management information system）的关系对应表，提供一定程度的数据冗余，确保系统和MIS 系统的松耦合。同时，为了提高GIS 地图的响应速度，地图底图使用逐级缩放显示的方案。

2 电力通信线路GIS 管理系统功能

将此系统应用于苍南电力有限责任公司，取到很好的效果，并且由于该系统具有功能完善、安全可靠、界面友好、使用方便等特点，可在其他供电企业中得到较好的推广应用。按功能的不同，电力通信线路GIS 管理系统可分为图层管理、图形显示、设备查询和管理等，如图2 所示。电力通信线路管理系统的地图显示界面如图3 所示。

2.1 图层管理

图2 电力通信线路管理系统主要功能Fig.2 Main functions of electric power communication line management system

图3 电力通信线路管理系统的地图显示界面Fig.3 Map display interface of electric power communication line management system

系统对不同类别的图形元素实行图层管理，便于对不同图元的屏蔽。线路和设备分别在独立图层显示，这样可为用户提供灵活的地图显示内容搭配。线路图层是其他设备图层的基础，它采用单线表示，主干线路和分支线路使用不同的颜色和样式显示。系统提供完善的业务图形信息的编辑工具，包括线路和其他设备的添加、删除和移动操作都是在图层管理的基础上建立起来的。图层控制窗口如图4 所示。

2.2 图形显示

系统具备“鹰眼”功能，可同时显示全景窗口和局部窗口。在局部区域图和全景图上可以方便实现缩放和移动功能，便于直观了解全局和局部的关系。系统能够实现电力通信线路、设备及其标注的关联，可查阅隐性关联关系。在相应图元的右键菜单中，可方便地了解通信线路、设备的基本情况，通过简单操作可以在图形上完成线路和设备的追加、插入、删除和移动的操作。用鼠标沿着地图上某条线路画一条直线，系统将沿着与该直线垂直的方向绘出对应范围内的线路断面图，更加直观地展示通信线路的实际情况。

2.3 设备查询和管理

系统可以实现不同通信线路和设备的统计查询、定位查询和测距查询功能，同时可以将查询结果直接在界面上显示。光纤通信网、节点、线路、接头、杆塔、交跨点都可以在设备查询中找到。为了方便光纤通信网的维修和管理，系统具有光配表示表维护和检修记录功能。同时，系统还能实现架空线路、管道、复合地线、接续盒、预留线、芯数、占用率、中继等通信线路及线路上设备的档案管理。

统计分析是系统的一个重要功能。通过及时地掌握光纤通信网的整体动态和历史信息，更加有效地对电力通信线路进行管理。系统可以实现光纤线路数据、类型、运行率、检修次数和运营期限的统计分析。图5 为光纤线路数据统计表。

图5 光纤线路数据统计表Fig.5 Data statistical table of cable line

3 电力通信线路最优路径规划算法

从网络模型的角度看，最佳路径求解就是在网络中两个结点间找到一条阻碍强度最小的路径[5]。最优路径规划的基础是网络分析，系统通过对MapInfo 的TAB 格式的数据文件进行拓扑信息提取和网络分析，为最优路径规划提供必要的基础。电力抢修模块综合利用全球定位系统GPS（global positioning system）、GIS 和无线通信技术，巡检人员通过移动GIS 设备将光纤故障的具体位置在系统界面上标示出来，同时系统对装有GPS 的电力通信线路抢修调度车辆进行定位，通过车载无线通信系统，将信息传送到服务中心，信息中心把抢修车辆的位置显示在服务中的系统界面上。服务中心系统软件根据故障地点和抢修车辆位置，计算出各条道路的权值，使用A*算法，智能生成抢修调度车辆的最优路径，并将最优路径通过无线通信系统传送到抢修车辆上，从而实现对电力通信线路故障的及时抢修。本文重点介绍A*算法及其实现过程。抢修车调度流程如图6 所示。

图6 抢修车调度流程Fig.6 Flow chart of rescue vehicle dispatch

3.1 A*算法在电力通信线路管理系统中的应用

A*算法是一种以Dijkstra 算法为基础的启发式搜索算法，启发式搜索优先搜索具有特定信息节点，选择可能性最大的节点作为下一个搜索节点，提高了搜索效率。A*算法搜索过程中，在选择下一个搜索节点时，引入地理信息系统中的空间数据，对于待搜索节点距目标点的距离进行评估，作为评价该节点属于最优路径节点可能性的评价指标[6]。

A*算法为待搜索节点引入估计函数

式中：样f（n）为节点n 从起始节点到目标节点的估价值；g（n）（深度因子）为从初始节点到n 节点最优路径的实际代价；h（n）（启发因子）为从n 到目标节点最佳路径的估计代价。

Nilsson 等[7]通过研究发现，当搜索图中每个节点的后续节点是有限的，节点的h（n）是可接纳的，节点和节点之间的代价都大于某个确定的正数，就可以保证通过A*算法总能找到搜索图中的最优路径。

h（n）的选取对A*算法至关重要，只有它满足不能大于节点到终点的实际最短距离这一相容性条件时，故障抢修最优路径问题才能找到最优解。本系统选择电力通信线路抢修调度车位置和故障点的直线距离作为h（n）的估计参数，满足相容性条件。

3.2 A*算法在电力通信线路管理系统中的实现

本系统采用的是矢量地图，它具有数据量小、可随意缩放和便于更新等特点。矢量地图可以看成是以点、线、面以及它们的属性数据构成的集合。系统设计了地图矢量库和地图数据库，地图矢量库用来存储地图拓扑结构关系，分为节点数据和弧数据，地图数据库用来保存几何对象的属性数据，两个数据库可以通过几何对象的索引号建立关联。地图矢量库中的节点数据和弧数据正好与A*算法相关联，因此，A*算法主要涉及地图矢量库。可将矢量地图中的节点和弧的数据结构定义如下。

节点的数据结构：

所有节点和弧都有唯一的ID 号。节点和弧的数据结构分别包含对方的信息，生成节点和弧相互连通的拓扑关系。通过对道路网络中所有节点和弧进行定义，构建矢量地图数据的网络拓扑模型。这种数据结构的定义方法不仅使得矢量地图的存储量较小，同时为基于A*算法的最优路径规划提供必要的基础。A*算法的主要搜索过程。

创建两个表，OPEN 表保存所有已生成但未搜索的节点，CLOSED 表中记录已访问过的节点。遍历当前节点n 的各个邻接节点，将n 节点放入CLOSED 表中，取n 节点的子节点Y，计算Y 的估价值。

通过A*算法的搜索，将搜索到的最优节点在地图上显示并连接起来，直观的展示从线路故障点和离故障点最近的抢修车之间的最优路径，同时通过无线传输将最优路径发送到抢修车辆上，提高了电力通信线路的故障抢修效率。

3.3 最优路径规划算法的实际应用

将上述最优路径规划算法应用于苍南电力公司的电力通信线路管理系统中，通过实践证明，该系统对电力通信线路故障的及时抢修，提高抢修效率具有重要的意义。图7 为苍南县龙港镇的光纤发生故障时，通过定位光纤故障的具体位置、抢修车位置和最优路径算法，得到的光纤故障点和抢修车位置之间的最优路径。

图7 最优路径应用Fig.7 Application of optimal route

4 结论

（1）综合运用WebGIS 技术与Oracle 数据库，实现海量数据存储与高级数据管理。

（2）通过图层管理和模块设计，将系统功能划分为较小的单元并独立实现，便于系统功能的维护和扩展。

（3）将A*算法应用于电力通信线路管理系统中，可以得到光纤故障抢修的最优路径，对提高故障抢修效率有重大的意义。

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