城市电网空间三维可视化信息平台技术构架

第31卷第3期电网技术Vol.31No.32007年2月PowerSystemTechnologyFeb.2007文章编号：1000-3673（2007）03-0029-06中图分类号：TM621文献标识码：A学科代码：520·1040城市电网空间三维可视化信息平台技术构架单业才1，朱传柏2，郭创新2，曹一家2（1．华中科技大学电气与电子工程学院，湖北省武汉市430074；2．浙江大学电气工程学院，江苏省杭州市310027）ResearchonArchitectureofSpatialThreeDimensionVisualizationInformationPlatformforUrbanPowerGridSHANYe-cai1，ZHUChuan-bai2，GUOChuang-xin2，CAOYi-jia2（1．SchoolofElectricalandElectronicEngineering，HuazhongUniversityofScienceandTechnology，Wuhan430074，HubeiProvince，China；2．SchoolofElectricalEngineering，ZhejiangUniversity，Hangzhou310027，ZhejiangProvince，China）ABSTRACT:Fromthestandpointofinformationtechnologyapplication,bymeansofintegratingthree-dimensiondisplay,virtualrealityandinformationintegrationafourlayerarchitectureofspatialthree-dimensionvisualizationinformationplatformforurbanpowernetworkisproposed,whichcangivemulti-resolution,multi-scale,multi-spatio-temporalandmulti-categorydescriptionofurbanpowernetwork.Thekeytechnologies,suchassyntheticmodeling,visualsimulation,informationintegration,visualizationinteractionandpolymorphisimcalculation,aswellasthewaytoimplementthemareexpoundedindetail.Finally,thethinkingforengineeringconstructionofspatialthree-dimensionvisualizationinformationplatformforurbanpowernetworkisproposed.KEYWORDS:digitalcity；virtualreality；three-dimensionvisualization；informationintegrationtechnology；visualizationinteraction；polymorphisimcalculation摘要：从信息技术的角度出发，将三维展示、虚拟现实及信息集成技术相结合，提出了城市电网三维空间可视化信息平台的4层构架，详细阐述了综合建模、视景仿真、信息集成、可视化交互及多态计算等关键技术及具实现过程。最后提出了城市电网空间三维可视化信息平台的工程化建设思路。关键词：数字城市；虚拟现实；三维可视化；信息集成；可视化交互；多态计算0引言随着信息技术特别是数字化图形技术的飞速发展，三维显示技术和虚拟现实(virtualreality，VR)技术在社会各行业(如汽车及建筑设计、市政及数字城市等领域)得到了广泛应用。我国电力企业信息化进程起步较早且发展速度较快，电网运行管理领域已建立了电网能量管理系统SCADA/EMS(supervisorcontrolanddataacquisition/energymanagementsystem)、配电管理系统(distributionmanagementsystem，DMS)、电网地理信息系统(geographicinformationsystem，GIS)及管理信息系统(managementinformationsystem，MIS)等高层次应用系统。目前在电网管理可视化方面采用的是单线图和地理信息图相结合的模式，通过获取电网的网络拓扑、实时信息以及地理位置信息来监视输电网和配电网，这在一定程度上丰富了电网的监视手段。我国研究三维展示和虚拟显示技术起步较晚，这些技术在电力系统的应用主要还局限于配电GIS领域，且没有真正地实现电网的三维展示[1-3]。目前在电力系统中应用的主要是基于二维坐标的GIS系统，一般用点状或线状等抽象符号表达电力设备，无法直观地显示设备本身的结构和相互间的关联，其空间表现和分析能力都有很大的局限性。国内已开展了电网三维显示方面的研究[4]，但还暂时无法延伸到整个城市电网的管理。国外在输配电网的三维展示和虚拟现实漫游管理方面的研究已取得一定成果[5-8]，但相关的实用化产品[7]仍未出现。国内部分高校和研究机构在三维建模和虚拟现实技术方面已开展了研究[9-10]。1997年清华大学成立了国内第一个“虚拟制造中心”，分布在清华大学的自动化系、精密仪器与机械学系进行异地协同仿真研究。1998年浙江大学建成国内第一套基于虚拟现实技术的CAVE(caveautomaticvirtualenvironment)30单业才等：城市电网空间三维可视化信息平台技术构架Vol.31No.3系统，该系统应用计算机图形学，将高分辨率的立体投影技术和三维计算机图形技术、音响技术、传感器技术相结合，生成了一个供多人使用的完全沉浸的虚拟环境。1999年武汉大学测绘遥感信息工程国家重点实验室成功地将遥感、空间信息系统和空间定位等方面的基础理论、关键技术、应用模式和集成方法应用于数字城市的实现过程。1999年清江公司和华中科技大学共同投资2000多万元建设了水电能源综合研究仿真中心，进行梯级水电联合优化调度理论、数字流域及其计算机仿真、三维可视化虚拟现实技术及水电生产过程控制仿真的研究。考虑到北京城市电网是一个巨大的受端电网，承担着许多关键部门的输供电任务，其规划格局将直接影响北京城市供电的可靠性、经济性及城市的可扩展性，北京电力公司很早就开展了城市电网三维可视化方面的研究，在电网信息化领域充分利用三维空间信息服务系统，实现了为北京城市电网的各种业务(如电网规划、设备维修、运营优化等)提供迅速、准确、直观、完整的信息展现手段和分析平台。1平台的建设原则基于空间三维可视化技术建设城市电网信息平台应采用最先进的信息技术，同时遵循国内/国际的各项信息化标准，使系统具备以下特点：（1）先进性。城市电网空间三维可视化信息平台是新一代城市电网运行监视三维可视化、断面分析、规划评估的大型平台，应采用最先进的建模技术、图像处理技术、空间信息技术、虚拟显示技术以及先进的电力系统模型标准和数据传输标准IEC16970/61968及IEC61850等。（2）继承性。城市电网空间三维可视化信息平台不脱离传统的电网信息采集监视和分析系统，它们之间通过丰富的数据接口来实现数据共享，如实时应用编程接口(applicationprogramminginterface，API)、开放式数据库接口(opendatabaseconnectivity，ODBC)以及WebService等。（3）直观性。城市电网空间三维可视化信息平台要突破传统的单点单线显示电网信息的局限性，实现城市电网的直观显示和对其运行管理的迅速定位，为用户提供城市电网的多维度、多断面、多形式的展示和分析手段，同时提高对电网预警的第一反应速度。（4）实时性。城市电网是一个提供不间断服务的电能量传输体系，其三维可视化空间模型不仅要快速地显示电网空间布局信息及设备三维实体对象，同时还必须实时显示电网运行状态(包括联络线路功率及母线电压等)，并具备电网实时状态的查询和漫游功能。（5）准确性。城市电网空间三维可视化信息平台应能够全方位展示电网并可进行信息查询和电网分析评估，其城市景观和电网设施位置应与实际情况完全相同，其台帐及相关信息都必须准确无误。（6）完整性。大型城市电网是一个复杂的有机体，集成化的三维可视化城市电网信息平台要真实完整地反映整个城市电网的状态和信息。（7）开放性。城市电网空间三维可视化信息平台采用国际及国内行业标准，具有可扩展性，便于系统的分步实现与其与外部系统的数据和功能整合。（8）协同性。城市电网空间三维可视化信息平台是电网运行监视、断面分析、规划评估的大型集成平台，必须具备协同工作环境。2平台的框架设计2.1概述城市电网空间三维可视化信息平台能够收集、整理、归纳城市电网中每个电力设备的信息，并结合城市地貌和建筑特点按照地理坐标来建立完整的综合电网信息模型，再通过网络将这些模型联结起来，从而使使用者能快速、完整、形象地了解城市电网的过去、现状和未来的各种宏观和微观运行情况。在该平台上，城市电网中的建筑物、电网设备、变电站等之间的空间位置关系与实际情况完全对应，且任意点的空间三维坐标是可以量测的，从而实现了真实城市电网三维景观的再现。三维可视化城市电网信息平台具备分布的多层次构架，包括模型建立层、综合展示层、查询分析层以及管理应用层等，如图1所示。城市电网空间三维可视化信息平台采用client/server(C/S)与browser/server(B/S)相结合的结构，同时支持单机与网络平台。服务器端采用目前流行的数据大集中方案，将空间数据集中管理，便于系统维护与更新。客户端采用标准的模块化设计，针对不同业务部门部署不同的软件模块。浏览器采用通用网络浏览器客户端，可实现WEB3D信息访问和漫游服务。该平台的构架如图2所示。其中：CIM为公共信息模型(commoninformationmodel)；第31卷第3期电网技术31城市空间模型电网设备模型电网运行状态模型建立层综合展现层分析查询层管理应用层设备台帐电网断面3D/VR电网电网漫游多维度切片分布渲染用户交互信息协同工作图1城市电网三维可视化信息平台功能层次模型Fig.1Functionhierarchicalmodelofspatial3DvisualizationinformationplatformRDF为资源描述框架(resourcedescriptionframework)；DEM为数字高程模型(digitalelevationmodel)；CAD为计算机辅助设计(computeraideddesign)；3S包括全球定位系统(globalpositionsystem，GPS)、GIS及遥感(remotesensing，RS)系统。2.2模型建立层模型建立层具有以下功能：①建立城市三维景观，包括城市高层、城市地表及城市建筑；②建立城市三维电网，包括架空线、电缆及变电站的变电站虚拟现实和视景仿真。2.3综合展示层综合展示层实现城市电网的三维展示、实时漫游以及电网实时运行状态、电网仿真态和电网规划空间库空间文件CAD三维尺寸DEM3S数据影像图城市空间场景数据管理电网模型运行数据管理CIM/RDF电网模型库设备资产数据实时数据库历史运行记录城市空间场景生成城市场景和电网融合城市电网构建城市电网三维空间可视化服务器城市场景交互电网数据请求Web应用服务器Web浏览服务3DWeb及VRWeb浏览器3DWeb控件C/S交互客户端网络客户端服务器图2城市电网三维可视化信息平台的框架体系结构Fig.2Implementationarchitectureofspatial3Dvisualizationinformationplatform态的全面展示，包括潮流及功