建立供电企业GIS基础公共应用平台的探讨
2006-01-18 15:31:49 来源:
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电力18讯: 作者:张水凌 钱亚东 陈钟明 来源:ESRI中国(北京)有限公司
一、AM/FM/GIS技术的发展简介
1.GIS技术发展
地理信息系统(GIS)是60年代中期开始发展起来的一门技术,它是介于信息科学、空间科学和管理科学之间的交叉学科,是计算机科学迅速发展的产物。它可根据事物的地理坐标对其进行管理、检索、评价、分析、结果输出等处理,提供决策支持、动态模拟、统计分析、预测预报等服务,其应用覆盖工业、农业、交通运输、环保、国防、公安等诸多领域,特别是GIS与MIS相结合,其应用将更加广泛。GIS给信息系统带来的不仅仅是地图显示,而且将各种数据进行直观的、可视化的分析和查询,发掘隐藏在数据之中的各种潜在的联系,为用户提供一种崭新的决策支持。
在西方发达国家,GIS技术经过二十多年的发展,已经进入产业化阶段,涌现出一大批以GIS为核心的信息技术产业公司,并且形成了上百亿美元的市场,GIS的应用渗透到了社会经济生活的各个方面。中国GIS的发展起步于八十年代初期,早期是引进国外的GIS软件为主,随着国内GIS基础研究的发展以及应用领域的不断扩大,一批科研机构、高等院校和公司也积极投身于GIS软件产品的开发,于是在九十年代相继有一些国内的GIS软件产品问世。就目前来说,国内GIS应用领域的市场大部分还处于待开发阶段,国外GIS软件在国内占据了主要市场。
为了提高供电质量,满足国民经济发展和社会用电需求,国家投入巨资实施城乡电网改造,使城乡电网装备水平明显提高,电网运行性能指标向国际水平靠拢。城乡电网建设与改造工程主要有两部分内容,一部分是电网设备的建设与改造,另一部分工作则是应用先进科学技术,提高电网生产经营的科学管理水平。根据国内外的应用经验来看,电力GIS系统是我国城乡电网建设与改造工程需要使用的关键信息技术之一。电力GIS最初应用于配网管理,随着信息技术的发展,应用水平的提高和技术的相互渗透,电力GIS的应用正向深度和广度不断扩展。近年来,GIS技术在供电企业的应用经历了技术研究阶段、小区域试验阶段、大规模投入三个阶段,现在已经进入了实用化阶段。
2.GIS技术与AM/FM/GIS技术
不同应用领域对GIS的理解不尽相同。美国联邦数字地图协调委员会(FICCDS)对GIS的定义是:“GIS是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统;该系统具有支持空间数据的获取、管理、处理、分析、建模和显示的功能,并可解决复杂的规划管理问题。”基于上述定义,可以看到,GIS具有以下特点:
(1)GIS是计算机化的技术系统,它由良好的硬件环境、多功能的软件模块、描述地理实体的空间数据和良好的用户界面所组成,GIS具有结构、功能和应用效益高度统一的特征。
(2)GIS的操作对象主要是具有地理坐标的空间数据。所谓空间数据即指点、线、面或三维要素等地理实体的地理坐标及相关的属性数据和拓扑数据,这是GIS区别于其它信息系统根本标志,也是它的最大技术难点。
(3)GIS的优势在于它的数据综合、地理模拟和空间分析能力,在于它集空间数据的获取、管理、处理、分析、建模和显示于一体的数据流程。这既是GIS的核心,也是GIS的优势所在。
GIS技术是从地学领域开始起步,但早己超出了地学领域的应用范畴。从GIS软件的发展来说,大致可以分为三种:第一种是基于地理分析基础的综合性GIS软件,如ESRI公司的ArcInfo和Intergraph公司的MGE产品。第二种是基于计算机辅助设计(CAD)软件上开发的具有GIS功能的软件,如:AutoDesk公司的AutoMap Map 2000;Bently公司的GeoGraphics等。第三种是基于桌面制图系统发展起来的桌面GIS,如Maplnfo公司的系列产品。但不管是哪一种GIS产品,现在都在走向标准化和开放。
AM/FM/GIS是指在GIS技术的基础上,采用先进的计算机图形技术、数据库技术、计算机网络技术,建立满足公共设施管理企业行业技术规范、生产流程和管理制度的自动制图与设备设施管理系统。
AM是指自动制图(Automated Mapping);FM是指设备设施管理(Facility Management)。AM/FM发展到今天,大致经过了三个阶段。第一个阶段,AM和FM是相互独立的,AM以CAD为基础,绘制设施工程图,管理设施的图形数据;FM以数据库为基础,管理设施的属性数据,AM与FM之间没有联系,各自完成相应的工作。第二阶段,随着计算机图形技术、数据库技术的发展,AM和FM融为一体,即成为AM/FM系统,它能够统一管理设备设施的图形和属性数据。但这些技术都不能准确地描述设备设施的实际地理位置以及设备之间的具体位置关系。于是AM/FM的发展就进入了第三个阶段,即AM/FM/GIS阶段,在这个阶段中,采用GIS技术描述设备设施,从全局把握设备设施的空间分布情况、使用情况和供求现状,做到科学规划、规范设计、及时维护、合理使用。
AM/FM/GIS的应用领域涵盖了从电力、电信、管网、交通、市政、军事等领域,这些领域的公共特征就是具有网络特征的公共设备设施。AM/FM/GIS区别于CAD系统的一个重要特征就是具有数据综合、地理模拟和空间分析能力。
二、供电系统应用GIS技术的领域
1.设备设施管理
配电网结构复杂,设备设施种类繁多,地域分布较为广泛,并且变换频繁,采用普通的数据库软件难以进行有效的管理。利用GIS开发的应用系统,由于有不同比例尺的电子地图,特别是大比例尺的电子地图(1∶500、1∶1000)为参考,使得被管理的设备设施对象既有空间位置属性,又有设备固有属性;既有设备设施对象之间的空间关系,又有设备设施与最终用电户的联接和位置关系。因此,利用GIS技术不但能对电网进行有效的设备设施管理,并且能利用设备图形之间的拓扑关系,进行电网的在线和离线计算。
2.集成和开发各种专业应用系统
计算机技术应用于供电系统的领域很多。就GIS技术来说,不能只局限于它的地理特性、图形表示特征上,GIS技术可以深入到许多电力专业应用的领域。比如在SCADA系统中,传统的电网系统一次图通常是在矢量图或光栅图上叠加潮流和电压等实时信息,当电网的规模较大时,只能用简化系统一次图的方法来表现出电网拓扑关系;而采用GIS技术后,除能保留SCADA系统的原有功能外,还可以利用GIS在数据表现上的优势,将电网系统用GIS层的概念、过滤技术、GIS的面向对象数据模型,从宏观到微观逐步或交叉地表现电网中设备设施的逻辑关系、台帐信息、实时状态、运行信息等。
3.为各种供电行业的负载计算提供基本参数
配网潮流的计算是个复杂的问题,关键在于基础拓扑结构和基本数据的采集,利用GIS技术可以很好地解决这个问题。配电网络中设备和线路变化频繁,拓扑结构更是经常发生变化,而GIS支持下的配网信息系统可以动态实时获取到配网的拓朴结构、技术参数,为研究配网潮流提供了良好的基础数据。GIS还有很好的数据表达能力,可以成为表示计算结果的平台。在GIS系统中,不仅能够很好地显示文本数据,还可以用图形形式来直观地表达信息,如潮流的方向和大小。这样,配网潮流计算的专题研究就可不必为原始数据输入和输出花费精力。
4.提高供电企业的用户服务质量
GIS技术还可以帮助提高供电企业的用户服务质量,比如,在GIS支持的配电网系统中,可以提高用户报修和用户用电报装的效率。由于在城市配电网中一般采用1∶500和1∶1000的电子地图,利用地图中的建筑物对象可以很方便地表达到每一个电力用户;在这种地图数据上再关联各种设备设施对象后,就可以在用户和各种设备设施之间进行交互访问。不仅可以方便快捷地在系统中对用户的位置进行定位,还可以查询到某个用户是出哪个变压器进行供电,并追溯到是由哪个变电站供电,这样就为用户报修提供了重要的信息。结合用电MIS中的用户用电容量信息,以及图形库中的用户与邻近的变压器、线路之间的位置信息,就可以为用户报修提供辅助决策信息。
综上所述,GIS技术在电力行业中不只用于地理的表现上,而可以跨出地理的概念,用GIS技术和表现手法来为电力行业有关专业服务。在建设一个供电企业的GIS系统时,不能只把着眼点放在地理背景图上,要了解GIS专业技术,将GIS专业技术与具体的应用结合起来,解决实际工作中的问题,提高信息化应用的水平。
三、电力行业GIS基础公用平台
1.平台描述
GIS是建立在空间数据库、属性数据库和其他应用系统数据库之上的公共基础平台。在这平台上能建立各类需要图形、空间分析等功能的应用系统,它具有公共和基础的特性。从应用角度出发,平台结构如下图所示。
2.平台特征
作为一个电力企业应用平台,应具有基础性、共用性、开放性、可维护性和标准化等特征。
供电企业GIS平台必须围绕开放性和标准化来建设。建立供电企业GIS是一个浩大的工程,它不仅涉及到各种各样的数据的集成和更新,同时还与各个部门和专业的应用功能的开发有关。在这个过程中,不仅需要GIS专业技术,还需要电力系统的专业知识和技术。供电企业GIS平台更多地与GIS技术相关,但平台基础上的专业应用中电力专业知识就显得尤为重要。在供电企业中,已经有了许多的专业应用,供电企业GIS平台不仅要求能够将以前的应用融合到GIS系统中来;同时要能够让用户在此基础上开发自己的应用。
这就要求供电企业GIS平台从功能接口上和数据接口上具有很好的开放性,使得系统具有很好的可扩充性。
从功能接口上来说,要求GIS平台能够提供很好的支持。从数据接口上来说,GIS平台中的图形数据必须采用事实上的工业标准,数据结构必须是公开的。GIS平台不仅要考虑网络应用层,而且还必须考虑元数据(如数据来源、投影方式、坐标系统、作业方式等)标准的建设。近年来,国外OpenGIS、WebGIS的出现正是顺应了这种趋势,极大地扩展了GIS系统的规模和应用范围。
电力行业的各个部门有许多GIS应用的需求,如果围绕着各个专业的应用系统,分别建立GIS子系统,这将导致各个专业应用的数据和功能无法在整个供电企业内部进行共享,同时无法很好的解决数据的更新维护的工作。因此,在一个供电企业,只应建设一个基础GIS共用平台,并在此基础上支持各种专业应用,为专业应用系统提供GIS数据支持和GIS分析功能。
四、平台数据研究
在GIS平台系统中,按数据的来源进行分类,可以分为地理背景数据和电网数据;从数据的基本特性来分类,可以分为图形数据和属性数据;从数据的变化频率来分类,可以分为动态数据和静态数据。
1.地理数据与电网数据
供电企业GIS平台必须以数据为基础来建设。网络技术的发展使数据共享成为可能,分布式计算技术的发展改变了软件的工作方式;客户/服务器结构和Internet的出现,改变了软件的使用方式。同样,GIS软件也必须适应这些新技术的发展。电力行业有许多数据库,作为跨专业的GIS平台,首先要建立扎实的平台基础。充分考虑数据和系统功能在平台中的作用,例如:电子地图的作用,不仅作为背景图应用,更需利用电子地图进行有关分析、统计,电子地图质量的差异将决定系统的功能强弱;再如,如果GIS定位在某一专题应用中,GIS只是某一专题应用中的一部分,那么这样建设的GIS就很难建成基础平台,就很难考虑和其它专业的互通、共享。
(1)地理背景数据
GIS是建立在数据的基础之上,其中的数据包括地理背景数据和电网数据。要建立一个功能强大的供电企业GIS平台系统,必须正确理解地理背景数据在系统中所起的作用。地理背景数据是GIS平台的重要基础数据之一。一般说来,它包含以下内容:建筑物、道路、水系、植被、地形地貌、注记等。
建立GIS平台不仅需要完备的数据,同时要求这些地理数据按GIS系统的要求存放,而不是按CAD数据格式或无拓扑关系的矢量数据存放。这二者最大的差别在于GIS格式的地理数据中一个地理实体表达为电子地图中的一个对象,而CAD格式的地理数据往往有多个对象来表达。比如,一栋建筑物,在GIS格式的数据中,它是一个唯一的地物对象,而在CAD数据中表示为多条组成这个建筑物的线。
值得注意的是,测绘部门为出纸图的需要,往往用CAD工具来制作电子地图,虽然这样做出来的电子地图也一样有地理坐标,但这些地图数据并不是GIS数据,不能满足供电企业GIS平台建设的需要。从对GIS平台的影响来说,没有GIS格式的地图数据的支撑,往往使得许多专业应用无法深入,也使得系统的数据更新和数据维护难以进行。随着GIS产业的蓬勃发展,地图数据提供商们也充分认识到了GIS格式地图数据的重要性,许多城市的测绘部门、国土部门和房产部门都开始或已经生产了具有较高质量的GIS格式的地图数据,为供电GIS平台建设提供了良好的数据基础。
建立供电企业的GIS平台系统必须从长远考虑,以健全的地理GIS数据为基础。我们认为,对电子地图数据应该做如下要求:
1)地理数据必须包含足够多的内容来满足系统平台建设的需求。
2)地理数据必须是GIS格式。
3)地理数据必须符合一定的数据标准。
4)地理数据必须有完整的短期和长期的数据更新策略。
如果只要求建设供电GIS短期内的便捷,只要有图就匆匆上马而不重视电子地图的质量,系统对各种专业应用的支持就存在许多问题。这些问题可能在建设初期反映不出,但随着系统的逐步扩展和深入,这些问题将会严重制约各种专业应用的开发,甚至使得某些应用不可实现。
(2)电网图形数据
电网图形数据是供电GIS平台中的另外一个重要组成部分,它是GIS系统平台建设的关键所在。
从图形内容来看,电网图形数据包括供电企业所管理的所有设备设施,包括杆塔、线路、站所、变压器、开关等设备,电网图形数据中应该准确地描述上述各种对象,同一种对象应该有统一的定义和表达,这种定义和表达不仅要准确地、符号化地再现设备设施的外在形象,同时要体现他们之间的内在关系。在系统中,同杆多回线路的表达和操作,多头开关和环网柜等复杂设备对象的表达和操作,电缆表达和操作等的好坏是设备设施表达的技术难点,将对后面的分析应用产生重大影响。
从图形的空间表达来看,电网图形数据包括与GIS格式的地理图形数据相匹配的具有准确空间坐标的设备设施图形数据,以及表达电网设备设施之间逻辑关系而没有空间坐标的设备设施图形数据两部分。电网GIS图形数据,这是与地理GIS数据相匹配的设备设施图形数据,这些图形数据描述了设备设施的空间位置和空间关系,以及设备设施与各种电力用户之间的空间关系。电网逻辑图形数据,与电网GIS图形数据一样,不仅要表达复杂的电力设备设施对象,而且要表达它们之间的关系,只是这些图形数据不要求有地理坐标。在系统中,不仅要表达树状电网之间的拓扑关系,还要表达环状电网和更复杂电网之间的复杂关系。
电网GIS图形数据和电网逻辑图形数据要求具有统一的定义、统一的描述和统一的展现,这样才能保证在整个供电企业内部的数据都是无缝集成的,使得数据能在各个部门平滑流动。
2.图形数据与属性数据
图形数据包括地理GIS数据、电网图形数据和其它图形数据,如工程设计图、施工图、各种杆型图等。属性数据包括各种设备设施的台帐、影象、声音等数据。在GIS平台系统中,不仅要定义好图形数据和属性数据之间的关系,同时要定义好这些数据的入口,保证系统中图形和属性的完整性和一致性。供电企业GIS平台系统应该提供多种方式来录入图形数据和属性数据,使得具有相关关系的不同部门的数据能够分开维护,又能统一调用。
现有的GIS支撑软件提供了将图形数据存放到通用的商用关系数据库的功能,这样就可以用关系数据库的高效查询检索和并发控制功能来操作图形数据,为定义图形和属性之间关系的一致性提供了很好的基础。
3.静态数据与动态数据
在供电企业GIS平台系统中,根据数据变化的频率,又可以将数据分为静态数据和动态数据。在一段较长时间内保持不变的数据为静态数据,如地理图形数据、设备设施图形数据、设备设施台帐数据等;而象SCADA数据、配变综合测试仪数据、集抄数据、运行记录、勘查信息、关口计量、电费电量等则是动态数据。
事实上,系统中的静态数据并不是一成不变的,只是变化相对缓慢一些。比如地理数据中,城市道路拓宽、建筑物拆迁或新建每天都在发生,但这部分数据的更新是比较缓慢的,有时需要几个星期、几个月甚至更长的时间。另外,这部分数据一般不是来自供电企业内部,而是来自其他数据提供商,因此,如何有效地保证数据的正确性和现势性,也就是制定出地理数据的更新策略,来保证系统运行的正确性和可靠性,就显得尤为重要。
在很多供电企业中,SCADA数据、配变综合测试仪数据、集抄数据往往来自其它已经运行的实时系统,如何以尽可能少的投入将这部分数据高效地集成到GIS平台系统中来也是一个在数据定义时必须考虑的重要问题,这往往要求供电企业做好整个企业的数据规划,或者在实施专业子系统时做好接口工作。
五、平台系统支撑软件结构研究
1.平台系统支撑软件的要求
要成为平台支撑软件,必须满足以下要求:
(1)支持面向对象的数据模型和组件化的GIS软件技术
数据模型是现实世界的某一部分的逻辑描述。GIS数据模型以数字的形式表达现实世界地理对象及其相互关系。数据建模的目的就是在计算机上抽象和表达现实世界。
过去的30多年中有各种不同的数据模型被采用并取得不同程度的成功。象CAD、TIN、GRID等许多数据模型是针对特定应用的。面向数据库的地理相关模型被成功地广泛采用了十几年,特别是在早期的ARC/INFO中。在这个模型中,地理数据的几何和拓扑关系放在文件中,而其属性则存储在数据库管理系统(DBMS)中。这个模型强调几何特性,它把世界描述成一系列点,线,面。比如,杆塔一般描述为点或圆,电力线路表达为线,建筑物则用多边形来表达。这个模型很多年来以其灵活性、可扩展性和高效性满足了很多GIS用户的需求。但这一模型有其缺点,描述丰富的地理对象有一定的局限性,扩展为针对用户或领域的要素模型较为困难。
现在,一些大的软件公司引入了面向对象的GIS数据模型,允许用户建立自己的面向对象的在基本模型基础上扩展的数据模型。面向对象的数据模型与用户通常看待、所研究事物的观点及分类很接近,因此直观且使用简单,软件处理的将是面向用户的概念,例如:杆塔和线路、变压器与开关;而不是面向系统的概念,例如:点、线、面。
(2)全关系型GIS技术
GIS软件管理两类数据:空间数据和属性数据。其中,属性数据刻划了对象除空间位置外的性质,这类数据一般是可以结构化的,因此,可以用传统的关系型DBMS来管理它们,并实现快速、可靠的检索;而空间数据则刻划对象的空间位置以及对象之间的相互关系,结构化的难度较大,因此一般采用文件系统来管理空间数据。这种数据管理的不一致性,一方面增加了GIS软件开发的复杂性,另一方面也不易保证数据管理的可靠性,给使用带来不便。
近年来,国外GIS与数据库开发商(如ESRI公司和IBM公司)加紧了联合的步伐,共同开发全关系的GIS软件,使GIS软件能充分利用商用数据库中已经成熟的众多特性,如内存缓冲、快速索引、数据完整性和一致性保证、并发控制、安全和恢复机制及分布式处理机制,明显地提高了GIS软件管理空间数据的能力。全关系型GIS提供长事务处理和版本管理,允许很多用户对同一套数据同时进行编辑。
现在,新一代全关系型GIS支撑软件基础上开发的企业级GIS软件已经投入运行,取得了很好的效果。
(3)GIS支撑软件本身是开放的和可扩展的
GIS支撑软件是否开放主要体现在以下三个方面:首先是数据结构特别是图形数据结构的开放性,要求有开放的内部数据格式,有标准的外部数据交换格式,同时这种数据格式又是可以扩展的,如ESRI公司的Shape数据格式和AutoDesk公司的DXF格式等。其次是产品二次开发技术的开放性,能够支持通用的开发集成环境,如Delphi,Visual C++,Visual Basic等;支持通用的商业关系数据库,如DB2,Oracle和SQL Server等;支持各种必须的工业接口标准等。第三是产品结构的开放性,它们可以按不同的应用需求,搭配构成一种客户/服务器(C1ient/Server)体系结构。系统规模应该是可以缩放的,可以小到一个独立的桌面应用,也可以大到为面向企业级的应用系统,提供基于空间信息的处理与分析,以满足供电部门不同应用的需求。
(4)能够提供全方位的企业级解决方案
供电企业的GIS系统是整个企业的应用平台。因此,在选择基础支撑GIS系列软件产品时,这些GIS软件产品应该支持企业级的GIS应用,也就是说,应该能够根据用户的特点,在客户端和服务端为用户提供多种适合用户的组合。
根据用户应用需要和投资计划的不同,GIS产品系列应该支持从偶尔用GIS功能的用户到复杂的多用户的企业级系统应用。这意味着,随着用户的应用对GIS功能需求的增长,软件解决方案也随之升级。因此,用户可以根据自己的应用在系统建立时的实际需求,从某个GIS软件家族中选取一款或多款适合的产品。日后,随系统的扩展而进一步选取较高端的产品,以满足新的GIS应用需求。
(5)采用工业标准或事实上的工业标准
建设GIS系统是一个大投入、长时间的过程,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。由于不同的GIS支撑软件之间数据结构、开发方式、技术支持上的巨大差异,所以当用户从一种GIS支撑软件转换到另一个GIS支撑软件,往往意味着巨大的投资被浪费;甚至即使采用同一种GIS支撑软件,从一个开发商转换到另一个开发商,都有可能造成数据的丢失,因为开发过程中,不同的开发商对相同的电力设备设施有着不同的数据描述。因此,采用工业标准和事实上的工业标准有利于保护用户的投资。
另外,由于GIS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.建设供电企业GIS平台的几种思路
(1)完全采用国外产品
完全采用国外产品包括以下两层含义:1)用户购买的国外GIS软件产品跨越了从基本的图形支持到应用支持;2)用户所需要的绝大部分功能都可以基于GIS支撑软件进行简单的开发和定制而先成。
无论从技术的先进性还是从应用的成熟度来讲,国外的GIS软件都有优势。完全采用国外的GIS软件,从功能上说,能够满足国内供电企业GIS平台建设的大部分需要。
国外的GIS支撑软件对中国用户来说,价格比较昂贵,一般都按每个节点一个许可证来卖。根据对多种在我国比较流行的GIS支撑软件的报价统计,一般在企业级的GIS解决方案中,平均每个节点支撑软件的价格就达10多万元,这里面不包括任何二次开发的费用。实际上,无论是国产GIS产品还是国外GIS软件产品,即使是最成功的GIS软件,也不可能完全满足用户的需求,还是需要供电部门的软件开发人员或二次开发商针对各个用户的需求做大量的本地化工作,才能真正达到实用化。另外,完全采用国外产品还带来后续维护升级费用的加大。
(2)基于国外产品自主开发应用平台
基于国外产品自主开发应用平台含义如下:1)供电企业购买的国外GIS软件产品能够支持基本的图形操作和数据库管理;2)供电企业所需要的绝大部分应用功能模块都可以出二次开发商和供电部门进行开发;3)用于支持开发的国外GIS产品必须是工业标准,而且符合上述GIS平台支撑软件的要求。
在这种模式下进行开发,可以利用国外产品的技术先进性、系统稳定性、与数据库系统的兼容性等优点;同时,二次开发商和供电企业以应用为导向,开发供电企业的GIS应用平台。在开发应用平台的同时,要求尽可能自主开发专项分析功能和部门专业应用,尽可能地模块化,减少支撑软件的依赖。
这种模式还可以给用户节省较大的投资。由于许多专项分析软件和专业应用软件是由二次开发商和用户自己开发的,所以从版权和许可证上就灵活了许多,有利于在整个供电企业内部内推广应用GIS系统。使用这种模式进行开发的投资将大大减少。
(3)基于国内GIS产品开发
国产基础软件产品已经初具规模,近两年与国外软件产品的差距正在缩短,在不少方面与国外软件的水平相当,并有许多成功的应用。但同时在多个方面面临着国外GIS产品的挑战,主要体现在以下几个方面。
A.以面向对象技术为基础的商品化软件工具在90年代大量出现,为人们提供了方便的构造面向对象软件的手段。
B.在软件结构方面,国外的GIS产品一般都已经实现组件化,使软件的可配置性、可扩展性和开放性更强,使用更灵活,二次开发更方便。而国内产品在这方面还有待进一步提高。
C.由于国外的GIS生产厂家能够与流行的通用商业关系数据库生产厂商建立密切关系,能够获得商用数据库厂商较为底层的的技术支持。所以一些国外的GIS软件已经能够用商用数据库来管理空间数据,而国内这方面的产品还不成熟。
为发展民族GIS基础软件产业,国家或有实力的大型企业应该进行大规模的投入,扎扎实实地开发国产的基础GIS平台软件,而不能以独立的工程应用项目来驱动民族GIS基础产业的发展。一个个独立开发的应用项目,往往受到用户需求、开发周期、资金投入的制约,这种背景下开发出来的GIS基础软件很难成为一个健全的GIS基础软件,将无法赶上当今GIS技术和GIS产业的发展步伐。
3.建立面向供电企业的国产化GIS平台应用软件
我们认为,供电企业建设GIS系统,应该采用三级架构:支撑软件应该采用开放数据结构的基础GIS软件,这些软件最好是事实上的工业标准;在此基础之上,应该开发供电企业的GIS平台系统;在供电企业的GIS平台之上,再开发各种高级应用,如配电工程设计,用户报修,潮流分析,线损计算等等。
在建设供电企业的GIS平台系统时,要求作到尽量与底层的基础软件隔离,也就是说,抽象出一整套的GIS平台建设模型,该模型支持在任何具有开放数据结构的GIS支撑软件上开发。
首先建立面向应用的GIS平台系统,然后逐渐开发基础支撑软件,使得系统国产化程度逐步提高,这条路非常类似于汽车行业的思路。这是实现供电企业GIS系统国产化的有效途径。
六、GIS基础公共应用平台实现的要点
要实现一个具有上述特征的平台须要涉及到许多技术。从供电企业的建设GIS平台的要求,应该更多的关心以下几个问题:
1.功能可扩充性
GIS基础平台不是建设的目的,只是实现多种应用的第一步。功能的扩充必须要方便,方法要通行。如果不能让用户自己扩展平台的功能,那就毫无基础平台可言。
2.定义描述要唯一
电网一次图、地理图、单线图、沿布图、站所图、设计图、施工图、竣工图等等都是围绕电网生产运行的多种表现形式,一台变压器在各图中均应有统一的定义和描述,这种描述不但是在属性上,而且需应用在拓扑关系上。
3.信息的集成
电力行业有各类信息,如:
实时信息:SCADA、DMS、集抄信息、负控信息、综合测试仪……
理论计算信息:在线潮流计算、理论线损计算……
规划、预报信息:电网规划、负荷预计……
管理信息:用户信息、设备信息、线路信息、检修信息、巡视信息、运行信息、勘察信息、报修信息、图纸信息、模拟操作、通讯信息……
运行参数信息:技术参数……
这些信息都可在GIS中综合展现,可以将它们有机的集成为一体,并可以深入加工,以解决许多问题。例如:区域的负荷密度很难在其它系统中计算出来,但在GIS中就可以将用电、综合测试仪、集抄系统、负控系统根据需要综合的展现,并且进一步计算出负荷密度来。
4.状态的统一表示
电力行业的GIS中有运行态、运算结果态、操作态等,这些状态在信息系统中应该是统一的表现。某一线路运行状态,地理图要表现,系统图更要表现;变电站的开关操作要在地理图和系统图中反映出结果等等,这些都是基础平台中重要的功能。
5.数据是基础平台的基础
GIS数据十分庞大,工程量浩大,GIS功能的强弱全决定于数据建设的水平。这个问题大家都明白,可做起来要不虎头蛇尾或者是畏惧不前。国内许多GIS应用系统失败的原因很大程度上和数据工程有关。数据工程是需要资金投入的,需要强有力的领导去组织协调,需要常年累月的坚持下去。数据工程的成功,GIS平台建设也就成功了一半以上了。数据工程是GIS基础平台的基础。
七、结束语
本文对电力企业的GIS应用从应用系统平台的角度进行了多方面的探讨,提出了建立电力企业GIS基础平台的要求、思路以及该平台的基本技术特点。今后我们将对文中有关内容做进一步的深入研究和探讨。
(编者:江苏省电力公司“供电企业GIS应用基础平台系统”,以其应用性强、简捷而方便等特点,在ESRI公司2001年用户大会中,被评为“GIS特殊成就奖”。此系统是江苏省电力公司信息中心与南京子午公司协作开发的。目前在江苏省电力公司及其下属七个地区市局电力部门(包括南京、扬州、常州、苏州、无锡、泰州、徐州等)得到了广泛的应用。)
一、AM/FM/GIS技术的发展简介
1.GIS技术发展
地理信息系统(GIS)是60年代中期开始发展起来的一门技术,它是介于信息科学、空间科学和管理科学之间的交叉学科,是计算机科学迅速发展的产物。它可根据事物的地理坐标对其进行管理、检索、评价、分析、结果输出等处理,提供决策支持、动态模拟、统计分析、预测预报等服务,其应用覆盖工业、农业、交通运输、环保、国防、公安等诸多领域,特别是GIS与MIS相结合,其应用将更加广泛。GIS给信息系统带来的不仅仅是地图显示,而且将各种数据进行直观的、可视化的分析和查询,发掘隐藏在数据之中的各种潜在的联系,为用户提供一种崭新的决策支持。
在西方发达国家,GIS技术经过二十多年的发展,已经进入产业化阶段,涌现出一大批以GIS为核心的信息技术产业公司,并且形成了上百亿美元的市场,GIS的应用渗透到了社会经济生活的各个方面。中国GIS的发展起步于八十年代初期,早期是引进国外的GIS软件为主,随着国内GIS基础研究的发展以及应用领域的不断扩大,一批科研机构、高等院校和公司也积极投身于GIS软件产品的开发,于是在九十年代相继有一些国内的GIS软件产品问世。就目前来说,国内GIS应用领域的市场大部分还处于待开发阶段,国外GIS软件在国内占据了主要市场。
为了提高供电质量,满足国民经济发展和社会用电需求,国家投入巨资实施城乡电网改造,使城乡电网装备水平明显提高,电网运行性能指标向国际水平靠拢。城乡电网建设与改造工程主要有两部分内容,一部分是电网设备的建设与改造,另一部分工作则是应用先进科学技术,提高电网生产经营的科学管理水平。根据国内外的应用经验来看,电力GIS系统是我国城乡电网建设与改造工程需要使用的关键信息技术之一。电力GIS最初应用于配网管理,随着信息技术的发展,应用水平的提高和技术的相互渗透,电力GIS的应用正向深度和广度不断扩展。近年来,GIS技术在供电企业的应用经历了技术研究阶段、小区域试验阶段、大规模投入三个阶段,现在已经进入了实用化阶段。
2.GIS技术与AM/FM/GIS技术
不同应用领域对GIS的理解不尽相同。美国联邦数字地图协调委员会(FICCDS)对GIS的定义是:“GIS是由计算机硬件、软件和不同方法组成的系统;该系统具有支持空间数据的获取、管理、处理、分析、建模和显示的功能,并可解决复杂的规划管理问题。”基于上述定义,可以看到,GIS具有以下特点:
(1)GIS是计算机化的技术系统,它由良好的硬件环境、多功能的软件模块、描述地理实体的空间数据和良好的用户界面所组成,GIS具有结构、功能和应用效益高度统一的特征。
(2)GIS的操作对象主要是具有地理坐标的空间数据。所谓空间数据即指点、线、面或三维要素等地理实体的地理坐标及相关的属性数据和拓扑数据,这是GIS区别于其它信息系统根本标志,也是它的最大技术难点。
(3)GIS的优势在于它的数据综合、地理模拟和空间分析能力,在于它集空间数据的获取、管理、处理、分析、建模和显示于一体的数据流程。这既是GIS的核心,也是GIS的优势所在。
GIS技术是从地学领域开始起步,但早己超出了地学领域的应用范畴。从GIS软件的发展来说,大致可以分为三种:第一种是基于地理分析基础的综合性GIS软件,如ESRI公司的ArcInfo和Intergraph公司的MGE产品。第二种是基于计算机辅助设计(CAD)软件上开发的具有GIS功能的软件,如:AutoDesk公司的AutoMap Map 2000;Bently公司的GeoGraphics等。第三种是基于桌面制图系统发展起来的桌面GIS,如Maplnfo公司的系列产品。但不管是哪一种GIS产品,现在都在走向标准化和开放。
AM/FM/GIS是指在GIS技术的基础上,采用先进的计算机图形技术、数据库技术、计算机网络技术,建立满足公共设施管理企业行业技术规范、生产流程和管理制度的自动制图与设备设施管理系统。
AM是指自动制图(Automated Mapping);FM是指设备设施管理(Facility Management)。AM/FM发展到今天,大致经过了三个阶段。第一个阶段,AM和FM是相互独立的,AM以CAD为基础,绘制设施工程图,管理设施的图形数据;FM以数据库为基础,管理设施的属性数据,AM与FM之间没有联系,各自完成相应的工作。第二阶段,随着计算机图形技术、数据库技术的发展,AM和FM融为一体,即成为AM/FM系统,它能够统一管理设备设施的图形和属性数据。但这些技术都不能准确地描述设备设施的实际地理位置以及设备之间的具体位置关系。于是AM/FM的发展就进入了第三个阶段,即AM/FM/GIS阶段,在这个阶段中,采用GIS技术描述设备设施,从全局把握设备设施的空间分布情况、使用情况和供求现状,做到科学规划、规范设计、及时维护、合理使用。
AM/FM/GIS的应用领域涵盖了从电力、电信、管网、交通、市政、军事等领域,这些领域的公共特征就是具有网络特征的公共设备设施。AM/FM/GIS区别于CAD系统的一个重要特征就是具有数据综合、地理模拟和空间分析能力。
二、供电系统应用GIS技术的领域
1.设备设施管理
配电网结构复杂,设备设施种类繁多,地域分布较为广泛,并且变换频繁,采用普通的数据库软件难以进行有效的管理。利用GIS开发的应用系统,由于有不同比例尺的电子地图,特别是大比例尺的电子地图(1∶500、1∶1000)为参考,使得被管理的设备设施对象既有空间位置属性,又有设备固有属性;既有设备设施对象之间的空间关系,又有设备设施与最终用电户的联接和位置关系。因此,利用GIS技术不但能对电网进行有效的设备设施管理,并且能利用设备图形之间的拓扑关系,进行电网的在线和离线计算。
2.集成和开发各种专业应用系统
计算机技术应用于供电系统的领域很多。就GIS技术来说,不能只局限于它的地理特性、图形表示特征上,GIS技术可以深入到许多电力专业应用的领域。比如在SCADA系统中,传统的电网系统一次图通常是在矢量图或光栅图上叠加潮流和电压等实时信息,当电网的规模较大时,只能用简化系统一次图的方法来表现出电网拓扑关系;而采用GIS技术后,除能保留SCADA系统的原有功能外,还可以利用GIS在数据表现上的优势,将电网系统用GIS层的概念、过滤技术、GIS的面向对象数据模型,从宏观到微观逐步或交叉地表现电网中设备设施的逻辑关系、台帐信息、实时状态、运行信息等。
3.为各种供电行业的负载计算提供基本参数
配网潮流的计算是个复杂的问题,关键在于基础拓扑结构和基本数据的采集,利用GIS技术可以很好地解决这个问题。配电网络中设备和线路变化频繁,拓扑结构更是经常发生变化,而GIS支持下的配网信息系统可以动态实时获取到配网的拓朴结构、技术参数,为研究配网潮流提供了良好的基础数据。GIS还有很好的数据表达能力,可以成为表示计算结果的平台。在GIS系统中,不仅能够很好地显示文本数据,还可以用图形形式来直观地表达信息,如潮流的方向和大小。这样,配网潮流计算的专题研究就可不必为原始数据输入和输出花费精力。
4.提高供电企业的用户服务质量
GIS技术还可以帮助提高供电企业的用户服务质量,比如,在GIS支持的配电网系统中,可以提高用户报修和用户用电报装的效率。由于在城市配电网中一般采用1∶500和1∶1000的电子地图,利用地图中的建筑物对象可以很方便地表达到每一个电力用户;在这种地图数据上再关联各种设备设施对象后,就可以在用户和各种设备设施之间进行交互访问。不仅可以方便快捷地在系统中对用户的位置进行定位,还可以查询到某个用户是出哪个变压器进行供电,并追溯到是由哪个变电站供电,这样就为用户报修提供了重要的信息。结合用电MIS中的用户用电容量信息,以及图形库中的用户与邻近的变压器、线路之间的位置信息,就可以为用户报修提供辅助决策信息。
综上所述,GIS技术在电力行业中不只用于地理的表现上,而可以跨出地理的概念,用GIS技术和表现手法来为电力行业有关专业服务。在建设一个供电企业的GIS系统时,不能只把着眼点放在地理背景图上,要了解GIS专业技术,将GIS专业技术与具体的应用结合起来,解决实际工作中的问题,提高信息化应用的水平。
三、电力行业GIS基础公用平台
1.平台描述
GIS是建立在空间数据库、属性数据库和其他应用系统数据库之上的公共基础平台。在这平台上能建立各类需要图形、空间分析等功能的应用系统,它具有公共和基础的特性。从应用角度出发,平台结构如下图所示。
2.平台特征
作为一个电力企业应用平台,应具有基础性、共用性、开放性、可维护性和标准化等特征。
供电企业GIS平台必须围绕开放性和标准化来建设。建立供电企业GIS是一个浩大的工程,它不仅涉及到各种各样的数据的集成和更新,同时还与各个部门和专业的应用功能的开发有关。在这个过程中,不仅需要GIS专业技术,还需要电力系统的专业知识和技术。供电企业GIS平台更多地与GIS技术相关,但平台基础上的专业应用中电力专业知识就显得尤为重要。在供电企业中,已经有了许多的专业应用,供电企业GIS平台不仅要求能够将以前的应用融合到GIS系统中来;同时要能够让用户在此基础上开发自己的应用。
这就要求供电企业GIS平台从功能接口上和数据接口上具有很好的开放性,使得系统具有很好的可扩充性。
从功能接口上来说,要求GIS平台能够提供很好的支持。从数据接口上来说,GIS平台中的图形数据必须采用事实上的工业标准,数据结构必须是公开的。GIS平台不仅要考虑网络应用层,而且还必须考虑元数据(如数据来源、投影方式、坐标系统、作业方式等)标准的建设。近年来,国外OpenGIS、WebGIS的出现正是顺应了这种趋势,极大地扩展了GIS系统的规模和应用范围。
电力行业的各个部门有许多GIS应用的需求,如果围绕着各个专业的应用系统,分别建立GIS子系统,这将导致各个专业应用的数据和功能无法在整个供电企业内部进行共享,同时无法很好的解决数据的更新维护的工作。因此,在一个供电企业,只应建设一个基础GIS共用平台,并在此基础上支持各种专业应用,为专业应用系统提供GIS数据支持和GIS分析功能。
四、平台数据研究
在GIS平台系统中,按数据的来源进行分类,可以分为地理背景数据和电网数据;从数据的基本特性来分类,可以分为图形数据和属性数据;从数据的变化频率来分类,可以分为动态数据和静态数据。
1.地理数据与电网数据
供电企业GIS平台必须以数据为基础来建设。网络技术的发展使数据共享成为可能,分布式计算技术的发展改变了软件的工作方式;客户/服务器结构和Internet的出现,改变了软件的使用方式。同样,GIS软件也必须适应这些新技术的发展。电力行业有许多数据库,作为跨专业的GIS平台,首先要建立扎实的平台基础。充分考虑数据和系统功能在平台中的作用,例如:电子地图的作用,不仅作为背景图应用,更需利用电子地图进行有关分析、统计,电子地图质量的差异将决定系统的功能强弱;再如,如果GIS定位在某一专题应用中,GIS只是某一专题应用中的一部分,那么这样建设的GIS就很难建成基础平台,就很难考虑和其它专业的互通、共享。
(1)地理背景数据
GIS是建立在数据的基础之上,其中的数据包括地理背景数据和电网数据。要建立一个功能强大的供电企业GIS平台系统,必须正确理解地理背景数据在系统中所起的作用。地理背景数据是GIS平台的重要基础数据之一。一般说来,它包含以下内容:建筑物、道路、水系、植被、地形地貌、注记等。
建立GIS平台不仅需要完备的数据,同时要求这些地理数据按GIS系统的要求存放,而不是按CAD数据格式或无拓扑关系的矢量数据存放。这二者最大的差别在于GIS格式的地理数据中一个地理实体表达为电子地图中的一个对象,而CAD格式的地理数据往往有多个对象来表达。比如,一栋建筑物,在GIS格式的数据中,它是一个唯一的地物对象,而在CAD数据中表示为多条组成这个建筑物的线。
值得注意的是,测绘部门为出纸图的需要,往往用CAD工具来制作电子地图,虽然这样做出来的电子地图也一样有地理坐标,但这些地图数据并不是GIS数据,不能满足供电企业GIS平台建设的需要。从对GIS平台的影响来说,没有GIS格式的地图数据的支撑,往往使得许多专业应用无法深入,也使得系统的数据更新和数据维护难以进行。随着GIS产业的蓬勃发展,地图数据提供商们也充分认识到了GIS格式地图数据的重要性,许多城市的测绘部门、国土部门和房产部门都开始或已经生产了具有较高质量的GIS格式的地图数据,为供电GIS平台建设提供了良好的数据基础。
建立供电企业的GIS平台系统必须从长远考虑,以健全的地理GIS数据为基础。我们认为,对电子地图数据应该做如下要求:
1)地理数据必须包含足够多的内容来满足系统平台建设的需求。
2)地理数据必须是GIS格式。
3)地理数据必须符合一定的数据标准。
4)地理数据必须有完整的短期和长期的数据更新策略。
如果只要求建设供电GIS短期内的便捷,只要有图就匆匆上马而不重视电子地图的质量,系统对各种专业应用的支持就存在许多问题。这些问题可能在建设初期反映不出,但随着系统的逐步扩展和深入,这些问题将会严重制约各种专业应用的开发,甚至使得某些应用不可实现。
(2)电网图形数据
电网图形数据是供电GIS平台中的另外一个重要组成部分,它是GIS系统平台建设的关键所在。
从图形内容来看,电网图形数据包括供电企业所管理的所有设备设施,包括杆塔、线路、站所、变压器、开关等设备,电网图形数据中应该准确地描述上述各种对象,同一种对象应该有统一的定义和表达,这种定义和表达不仅要准确地、符号化地再现设备设施的外在形象,同时要体现他们之间的内在关系。在系统中,同杆多回线路的表达和操作,多头开关和环网柜等复杂设备对象的表达和操作,电缆表达和操作等的好坏是设备设施表达的技术难点,将对后面的分析应用产生重大影响。
从图形的空间表达来看,电网图形数据包括与GIS格式的地理图形数据相匹配的具有准确空间坐标的设备设施图形数据,以及表达电网设备设施之间逻辑关系而没有空间坐标的设备设施图形数据两部分。电网GIS图形数据,这是与地理GIS数据相匹配的设备设施图形数据,这些图形数据描述了设备设施的空间位置和空间关系,以及设备设施与各种电力用户之间的空间关系。电网逻辑图形数据,与电网GIS图形数据一样,不仅要表达复杂的电力设备设施对象,而且要表达它们之间的关系,只是这些图形数据不要求有地理坐标。在系统中,不仅要表达树状电网之间的拓扑关系,还要表达环状电网和更复杂电网之间的复杂关系。
电网GIS图形数据和电网逻辑图形数据要求具有统一的定义、统一的描述和统一的展现,这样才能保证在整个供电企业内部的数据都是无缝集成的,使得数据能在各个部门平滑流动。
2.图形数据与属性数据
图形数据包括地理GIS数据、电网图形数据和其它图形数据,如工程设计图、施工图、各种杆型图等。属性数据包括各种设备设施的台帐、影象、声音等数据。在GIS平台系统中,不仅要定义好图形数据和属性数据之间的关系,同时要定义好这些数据的入口,保证系统中图形和属性的完整性和一致性。供电企业GIS平台系统应该提供多种方式来录入图形数据和属性数据,使得具有相关关系的不同部门的数据能够分开维护,又能统一调用。
现有的GIS支撑软件提供了将图形数据存放到通用的商用关系数据库的功能,这样就可以用关系数据库的高效查询检索和并发控制功能来操作图形数据,为定义图形和属性之间关系的一致性提供了很好的基础。
3.静态数据与动态数据
在供电企业GIS平台系统中,根据数据变化的频率,又可以将数据分为静态数据和动态数据。在一段较长时间内保持不变的数据为静态数据,如地理图形数据、设备设施图形数据、设备设施台帐数据等;而象SCADA数据、配变综合测试仪数据、集抄数据、运行记录、勘查信息、关口计量、电费电量等则是动态数据。
事实上,系统中的静态数据并不是一成不变的,只是变化相对缓慢一些。比如地理数据中,城市道路拓宽、建筑物拆迁或新建每天都在发生,但这部分数据的更新是比较缓慢的,有时需要几个星期、几个月甚至更长的时间。另外,这部分数据一般不是来自供电企业内部,而是来自其他数据提供商,因此,如何有效地保证数据的正确性和现势性,也就是制定出地理数据的更新策略,来保证系统运行的正确性和可靠性,就显得尤为重要。
在很多供电企业中,SCADA数据、配变综合测试仪数据、集抄数据往往来自其它已经运行的实时系统,如何以尽可能少的投入将这部分数据高效地集成到GIS平台系统中来也是一个在数据定义时必须考虑的重要问题,这往往要求供电企业做好整个企业的数据规划,或者在实施专业子系统时做好接口工作。
五、平台系统支撑软件结构研究
1.平台系统支撑软件的要求
要成为平台支撑软件,必须满足以下要求:
(1)支持面向对象的数据模型和组件化的GIS软件技术
数据模型是现实世界的某一部分的逻辑描述。GIS数据模型以数字的形式表达现实世界地理对象及其相互关系。数据建模的目的就是在计算机上抽象和表达现实世界。
过去的30多年中有各种不同的数据模型被采用并取得不同程度的成功。象CAD、TIN、GRID等许多数据模型是针对特定应用的。面向数据库的地理相关模型被成功地广泛采用了十几年,特别是在早期的ARC/INFO中。在这个模型中,地理数据的几何和拓扑关系放在文件中,而其属性则存储在数据库管理系统(DBMS)中。这个模型强调几何特性,它把世界描述成一系列点,线,面。比如,杆塔一般描述为点或圆,电力线路表达为线,建筑物则用多边形来表达。这个模型很多年来以其灵活性、可扩展性和高效性满足了很多GIS用户的需求。但这一模型有其缺点,描述丰富的地理对象有一定的局限性,扩展为针对用户或领域的要素模型较为困难。
现在,一些大的软件公司引入了面向对象的GIS数据模型,允许用户建立自己的面向对象的在基本模型基础上扩展的数据模型。面向对象的数据模型与用户通常看待、所研究事物的观点及分类很接近,因此直观且使用简单,软件处理的将是面向用户的概念,例如:杆塔和线路、变压器与开关;而不是面向系统的概念,例如:点、线、面。
(2)全关系型GIS技术
GIS软件管理两类数据:空间数据和属性数据。其中,属性数据刻划了对象除空间位置外的性质,这类数据一般是可以结构化的,因此,可以用传统的关系型DBMS来管理它们,并实现快速、可靠的检索;而空间数据则刻划对象的空间位置以及对象之间的相互关系,结构化的难度较大,因此一般采用文件系统来管理空间数据。这种数据管理的不一致性,一方面增加了GIS软件开发的复杂性,另一方面也不易保证数据管理的可靠性,给使用带来不便。
近年来,国外GIS与数据库开发商(如ESRI公司和IBM公司)加紧了联合的步伐,共同开发全关系的GIS软件,使GIS软件能充分利用商用数据库中已经成熟的众多特性,如内存缓冲、快速索引、数据完整性和一致性保证、并发控制、安全和恢复机制及分布式处理机制,明显地提高了GIS软件管理空间数据的能力。全关系型GIS提供长事务处理和版本管理,允许很多用户对同一套数据同时进行编辑。
现在,新一代全关系型GIS支撑软件基础上开发的企业级GIS软件已经投入运行,取得了很好的效果。
(3)GIS支撑软件本身是开放的和可扩展的
GIS支撑软件是否开放主要体现在以下三个方面:首先是数据结构特别是图形数据结构的开放性,要求有开放的内部数据格式,有标准的外部数据交换格式,同时这种数据格式又是可以扩展的,如ESRI公司的Shape数据格式和AutoDesk公司的DXF格式等。其次是产品二次开发技术的开放性,能够支持通用的开发集成环境,如Delphi,Visual C++,Visual Basic等;支持通用的商业关系数据库,如DB2,Oracle和SQL Server等;支持各种必须的工业接口标准等。第三是产品结构的开放性,它们可以按不同的应用需求,搭配构成一种客户/服务器(C1ient/Server)体系结构。系统规模应该是可以缩放的,可以小到一个独立的桌面应用,也可以大到为面向企业级的应用系统,提供基于空间信息的处理与分析,以满足供电部门不同应用的需求。
(4)能够提供全方位的企业级解决方案
供电企业的GIS系统是整个企业的应用平台。因此,在选择基础支撑GIS系列软件产品时,这些GIS软件产品应该支持企业级的GIS应用,也就是说,应该能够根据用户的特点,在客户端和服务端为用户提供多种适合用户的组合。
根据用户应用需要和投资计划的不同,GIS产品系列应该支持从偶尔用GIS功能的用户到复杂的多用户的企业级系统应用。这意味着,随着用户的应用对GIS功能需求的增长,软件解决方案也随之升级。因此,用户可以根据自己的应用在系统建立时的实际需求,从某个GIS软件家族中选取一款或多款适合的产品。日后,随系统的扩展而进一步选取较高端的产品,以满足新的GIS应用需求。
(5)采用工业标准或事实上的工业标准
建设GIS系统是一个大投入、长时间的过程,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。由于不同的GIS支撑软件之间数据结构、开发方式、技术支持上的巨大差异,所以当用户从一种GIS支撑软件转换到另一个GIS支撑软件,往往意味着巨大的投资被浪费;甚至即使采用同一种GIS支撑软件,从一个开发商转换到另一个开发商,都有可能造成数据的丢失,因为开发过程中,不同的开发商对相同的电力设备设施有着不同的数据描述。因此,采用工业标准和事实上的工业标准有利于保护用户的投资。
另外,由于GIS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.建设供电企业GIS平台的几种思路
(1)完全采用国外产品
完全采用国外产品包括以下两层含义:1)用户购买的国外GIS软件产品跨越了从基本的图形支持到应用支持;2)用户所需要的绝大部分功能都可以基于GIS支撑软件进行简单的开发和定制而先成。
无论从技术的先进性还是从应用的成熟度来讲,国外的GIS软件都有优势。完全采用国外的GIS软件,从功能上说,能够满足国内供电企业GIS平台建设的大部分需要。
国外的GIS支撑软件对中国用户来说,价格比较昂贵,一般都按每个节点一个许可证来卖。根据对多种在我国比较流行的GIS支撑软件的报价统计,一般在企业级的GIS解决方案中,平均每个节点支撑软件的价格就达10多万元,这里面不包括任何二次开发的费用。实际上,无论是国产GIS产品还是国外GIS软件产品,即使是最成功的GIS软件,也不可能完全满足用户的需求,还是需要供电部门的软件开发人员或二次开发商针对各个用户的需求做大量的本地化工作,才能真正达到实用化。另外,完全采用国外产品还带来后续维护升级费用的加大。
(2)基于国外产品自主开发应用平台
基于国外产品自主开发应用平台含义如下:1)供电企业购买的国外GIS软件产品能够支持基本的图形操作和数据库管理;2)供电企业所需要的绝大部分应用功能模块都可以出二次开发商和供电部门进行开发;3)用于支持开发的国外GIS产品必须是工业标准,而且符合上述GIS平台支撑软件的要求。
在这种模式下进行开发,可以利用国外产品的技术先进性、系统稳定性、与数据库系统的兼容性等优点;同时,二次开发商和供电企业以应用为导向,开发供电企业的GIS应用平台。在开发应用平台的同时,要求尽可能自主开发专项分析功能和部门专业应用,尽可能地模块化,减少支撑软件的依赖。
这种模式还可以给用户节省较大的投资。由于许多专项分析软件和专业应用软件是由二次开发商和用户自己开发的,所以从版权和许可证上就灵活了许多,有利于在整个供电企业内部内推广应用GIS系统。使用这种模式进行开发的投资将大大减少。
(3)基于国内GIS产品开发
国产基础软件产品已经初具规模,近两年与国外软件产品的差距正在缩短,在不少方面与国外软件的水平相当,并有许多成功的应用。但同时在多个方面面临着国外GIS产品的挑战,主要体现在以下几个方面。
A.以面向对象技术为基础的商品化软件工具在90年代大量出现,为人们提供了方便的构造面向对象软件的手段。
B.在软件结构方面,国外的GIS产品一般都已经实现组件化,使软件的可配置性、可扩展性和开放性更强,使用更灵活,二次开发更方便。而国内产品在这方面还有待进一步提高。
C.由于国外的GIS生产厂家能够与流行的通用商业关系数据库生产厂商建立密切关系,能够获得商用数据库厂商较为底层的的技术支持。所以一些国外的GIS软件已经能够用商用数据库来管理空间数据,而国内这方面的产品还不成熟。
为发展民族GIS基础软件产业,国家或有实力的大型企业应该进行大规模的投入,扎扎实实地开发国产的基础GIS平台软件,而不能以独立的工程应用项目来驱动民族GIS基础产业的发展。一个个独立开发的应用项目,往往受到用户需求、开发周期、资金投入的制约,这种背景下开发出来的GIS基础软件很难成为一个健全的GIS基础软件,将无法赶上当今GIS技术和GIS产业的发展步伐。
3.建立面向供电企业的国产化GIS平台应用软件
我们认为,供电企业建设GIS系统,应该采用三级架构:支撑软件应该采用开放数据结构的基础GIS软件,这些软件最好是事实上的工业标准;在此基础之上,应该开发供电企业的GIS平台系统;在供电企业的GIS平台之上,再开发各种高级应用,如配电工程设计,用户报修,潮流分析,线损计算等等。
在建设供电企业的GIS平台系统时,要求作到尽量与底层的基础软件隔离,也就是说,抽象出一整套的GIS平台建设模型,该模型支持在任何具有开放数据结构的GIS支撑软件上开发。
首先建立面向应用的GIS平台系统,然后逐渐开发基础支撑软件,使得系统国产化程度逐步提高,这条路非常类似于汽车行业的思路。这是实现供电企业GIS系统国产化的有效途径。
六、GIS基础公共应用平台实现的要点
要实现一个具有上述特征的平台须要涉及到许多技术。从供电企业的建设GIS平台的要求,应该更多的关心以下几个问题:
1.功能可扩充性
GIS基础平台不是建设的目的,只是实现多种应用的第一步。功能的扩充必须要方便,方法要通行。如果不能让用户自己扩展平台的功能,那就毫无基础平台可言。
2.定义描述要唯一
电网一次图、地理图、单线图、沿布图、站所图、设计图、施工图、竣工图等等都是围绕电网生产运行的多种表现形式,一台变压器在各图中均应有统一的定义和描述,这种描述不但是在属性上,而且需应用在拓扑关系上。
3.信息的集成
电力行业有各类信息,如:
实时信息:SCADA、DMS、集抄信息、负控信息、综合测试仪……
理论计算信息:在线潮流计算、理论线损计算……
规划、预报信息:电网规划、负荷预计……
管理信息:用户信息、设备信息、线路信息、检修信息、巡视信息、运行信息、勘察信息、报修信息、图纸信息、模拟操作、通讯信息……
运行参数信息:技术参数……
这些信息都可在GIS中综合展现,可以将它们有机的集成为一体,并可以深入加工,以解决许多问题。例如:区域的负荷密度很难在其它系统中计算出来,但在GIS中就可以将用电、综合测试仪、集抄系统、负控系统根据需要综合的展现,并且进一步计算出负荷密度来。
4.状态的统一表示
电力行业的GIS中有运行态、运算结果态、操作态等,这些状态在信息系统中应该是统一的表现。某一线路运行状态,地理图要表现,系统图更要表现;变电站的开关操作要在地理图和系统图中反映出结果等等,这些都是基础平台中重要的功能。
5.数据是基础平台的基础
GIS数据十分庞大,工程量浩大,GIS功能的强弱全决定于数据建设的水平。这个问题大家都明白,可做起来要不虎头蛇尾或者是畏惧不前。国内许多GIS应用系统失败的原因很大程度上和数据工程有关。数据工程是需要资金投入的,需要强有力的领导去组织协调,需要常年累月的坚持下去。数据工程的成功,GIS平台建设也就成功了一半以上了。数据工程是GIS基础平台的基础。
七、结束语
本文对电力企业的GIS应用从应用系统平台的角度进行了多方面的探讨,提出了建立电力企业GIS基础平台的要求、思路以及该平台的基本技术特点。今后我们将对文中有关内容做进一步的深入研究和探讨。
(编者:江苏省电力公司“供电企业GIS应用基础平台系统”,以其应用性强、简捷而方便等特点,在ESRI公司2001年用户大会中,被评为“GIS特殊成就奖”。此系统是江苏省电力公司信息中心与南京子午公司协作开发的。目前在江苏省电力公司及其下属七个地区市局电力部门(包括南京、扬州、常州、苏州、无锡、泰州、徐州等)得到了广泛的应用。)
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