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

0 引言

變電站信息化系統建設是智能電網建設中的重要組成部分,也是實現智能電網自動化特征的主要體現。GIS作為基礎電網資源管理平臺,為變電站信息化的建設提供了重要的技術支撐^[1]。目前,GIS已廣泛應用在電網資源的統一結構化管理和可視化展現方面^[2],隨著大數據、云計算等技術的迅速發展,電網GIS應用也在高并發訪問、可彈性擴展等性能上有了進一步提升^[3-4]。近年來,國家電網公司也對信息化、數字化、自動化和互動化為特征的智能電網建設提出了更高的要求,現有二維GIS系統已逐漸難以適應和滿足日益增長的動態、可視化的管理需求^[5]。而三維GIS技術以其直觀可交互性及空間分析的可行性逐漸成為運營監控、運行檢修等業務部門關注的新熱點。

三維GIS作為電網資源基礎平臺,可提供電網三維空間信息的管理與應用服務。利用三維GIS實現電網三維地形數據、電網資源三維模型等基礎信息數據采集、存儲和分析,達到對電網設備空間和屬性數據的管理同步進行。三維GIS不僅能夠描述空間對象間的平面關系,同時能夠表達空間對象之間的垂直關系、空間關系、面積范圍和可視范圍,為用戶提供電網的三維環境特征及三維空間信息。近年來,通過基于GIS的電網多系統集成^[6],各省公司及直屬單位已經逐步開展了輸變電三維數字化設計^[7]及三維場景視頻監控^[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建設而言,本文通過設計一種基于三維GIS技術的變電站資源管理和輔助決策管理平臺,以達到提高管理可視化水平、降低人工現場作業成本的目的。

本文在研究過程中引入了三維激光建模技術,通過對變電站全場景的掃描,獲得變電站點云圖數據。經過點云圖的切割、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制點云圖^[9],在此基礎上可自動生成精準的變電站三維數據模型。該方法突破了傳統的單點測量方法,具有高效率、高精度的獨特優勢^[10],可以用于獲取高精度、高分辨率的數字模型^[11-12]。通過將三維激光建模技術與三維GIS技術相結合,有效保證信息化系統中三維場景的精度,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 關鍵技術

1.1 變電站數據采集與三維建模

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度,系統采用了三維激光掃描儀對變電站進行數據采集。三維激光掃描優勢在于不僅測繪效率高,且精準也遠超過單電測量技術。通過對目標物體進行掃描,對采集到的變電站點云數據進行預處理,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行拼接,使得這些掃描站點的數據能夠統一到一個數據集中。最后運用軟件的建模功能對點云進行模型建立, 就可以構建目標物體的高精度、高分辨率三維模型。三維激光掃描技術和單點測量技術的區別在于,單點測量技術是對單點進行測量,而三維激光掃描技術是對大量的點進行測量,大量密集的點就相當于是面,所以三維激光掃描技術是從點到面的技術突破。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勢,與實際場景吻合度極高,可用于更好地支撐設備距離監測分析、作業方案仿真預演及虛擬仿真培訓等高級可視化應用。

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、數據量大等特點,為了實現高精度變電站設備模型在三維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]。系統依據三維電力設備模型的特點,在瀏覽變電站場景不同區域或設備關注點時,將三維模型數據通過細節層次（Levels of Detail,LOD）模型技術重新進行分層組織,以應對不同分辨率的數字高程模型數據和影像紋理數據訪問需求。LOD技術基本原理是,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節來盡可能的減少場景的幾何復雜性,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節元素的原模型,LOD每個模型均保留了一定層次的細節。因此可以根據不同的使用需求,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節來減少當前場景下的幾何復雜性,以適應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,盡可能地減少內存消耗,提升系統的整體性能。

1.3 海量數據傳輸

由于三維模型數據的特性,對于同樣描述一個變電站場景而言,其對數據傳輸和存儲的要求要遠遠大于二維圖元數據。為了保證海量的變電站三維數據瀏覽和交互的流暢性,在數據傳輸效率和系統訪問效率上較二維GIS系統有了更高的要求。傳統的場景加載方式是全要素加載,即在啟動系統時把變電站所有數據加載之后才能顯示場景。其優點是在使用系統進行三維場景瀏覽時,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據量較小的情況。

為了盡可能地降低三維GIS平臺加載模型時的內存占用率,同時減少啟動系統時模型加載的等待時間,通常會采用流加載模式進行訪問。該方法原理是根據請求發送數據塊,按瀏覽時視野范圍所見區域對模型進行實時加載,當離開視野范圍時,不進行加載^[16]。在傳輸前,先將模型數據處理為結構數據和幾何數據,在客戶端訪問初始時顯示模型的基本輪廓;當近距離瀏覽模型時,利用相應的模型恢復算法將接收到的數據添加到已顯示的模型中,達到精細模型漸進化顯示的效果。利用流式傳輸技術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象,保證系統流暢運行。

 2 系統結構設計

2.1 總體架構

變電站輔助決策平臺的總體結構如圖1所示,從邏輯上分為3個層次：數據層、服務層、應用層。

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

應用層主要是指平臺用戶側的交互部分,用戶通過C/S或B/S方式訪問系統,調用相關操作進行變電站三維可視化管理。主要包含數字模型管理、多源數據融合、電力業務數據、變電站數字化展示分析、變電站預案仿真、變電站虛擬現實全景動態仿真、一體化管理指揮應用決策分析、智能電網日常應用業務管理等8個功能模塊,是平臺與用戶交互的窗口。

服務層包括接口服務及應用服務2個部分。應用服務主要是為平臺的三維GIS應用功能提供支撐,地形數據包括正射影像、數據高程模型和矢量數據等,通常該部分數據容量較大。為了提高數據傳輸效率,在系統設計時需要優先考慮在網絡數據傳輸優化后,再進行三維地形數據的網絡實時在線發布。該應用服務采用LOD模型技術,確保客戶端接收到低分辨率的影像數據即可,不必等待所有數據傳送完畢就能正常在三維GIS環境中調用相應的數據服務,不受網絡連接的反應時間或中斷影響。接口服務指變電站輔助決策平臺與外部系統的數據集成接口部分,主要用于平臺與外部系統的業務數據獲取及共享。

數據層包括數據獲取、數據處理、數據管理及外部數據接入等4個部分。通過采集和預處理后的數據,按格式分,包括矢量、柵格、模型、文檔、圖件等,按數據類型分,包括基礎地理信息、遙感影像數據、DEM、設備模型數據等。針對海量數據管理應用,系統對各種數據進行集成管理和發布,以提高數據的利用效率。外部數據獲取主要通過PMS2.0等業務系統設計相關接口,向平臺進行數據推送。通過信息系統集成及數據共享優化技術,高效整合數據資源,并完成按文件類型的分類存儲和數據備份。

2.2 技術架構

變電站輔助決策平臺技術架構如圖2所示,主要分為結構化數據中心、數據源、業務應用和三維精準數字模型應用4部分。

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

2.2.1 結構化數據中心

1）結構化數據中心是變電站輔助決策平臺外部電力業務系統的數據存儲與管理中心。

2）以接口的方式與變電站輔助決策平臺實現集成關系。

3）與平臺間的集成關系是單向的,即：僅支持結構化數據中心向平臺共享數據。

2.2.2 數據源

數據源是變電站輔助決策平臺的數據存放區域,主要包含4類數據：電力業務數據（PMS2.0）、設備檢修狀態策略數據、應急預案數據以及三維精準數字模型數據。

1）電力業務數據（PMS2.0）是外部數據庫,屬于電力業務系