一种用于自然灾害下电力抢修的GIS数据库的建立方法技术领域
本发明涉及电力系统灾害应对措施技术领域，尤其涉及一种用于自然灾害下电力抢修的GIS数据库的建立方法。
背景技术
近年来，自然环境变化恶劣，自然灾害频发，南方大范围持续低温雨雪冰冻灾害天气,四川雅安地震，黑龙江流域的洪水等自然灾害，对电网安全造成极大危害。大面积、长时间、高强度的自然灾害将会导致发生电网输电线路倒塔、断线和导线闪络事故，对电网的安全运行造成极大的危害。由于电力系统是社会的经济发展、秩序及公益性的稳定性基础，通常要求必须在最短的时间内恢复电力的供应。如何能在自然灾害发生后第一时间恢复供电，快速的对遭到损毁的电力设施进行抢修，是电力行业必须面对的课题。而在组织抢险、抗险、抢修的大前提，必须制定出合理全面的抢险预案，以及对诸如抢修塔和电力设施等储备抢修物资的合理调配使用。
电网GIS系统是将电网企业的发、输、变、配、用电各环节的设备设施的地理位置、生产运行、经营管理等信息与二/三维地形、地貌、地物等基本地理信息进行有机整合与发布展示的统一系统，近年来电网GIS技术在电力行业的生产、设计、运行和管理方面已得到深入广泛的应用，并取得较好的效果。然而，在突发大面积自然灾害时，如何合理有序利用各地现已有电力抢修物资诸如抢修塔、抢修车队、抢修工作组等资源，并结合不同地理环境的实际，建立GIS数据库，就越发成为一个值得深入研究的论题。
申请号为201310478548.2 的发明提供了一种用于配电网络故障抢修的资源调配优化方法，包括以下步骤：获取电网故障点位置及其抢修资源需求信息；获取电网故障点的本地抢修点当前可出的电网抢修资源信息；判断本地抢修点当前可出的电网抢修资源信息是否满足抢修资源需求信息的需求；当不满足，则获取本地抢修点周边的抢修点当前的电网抢修资源信息，并根据抢修资源需求信息和周边出资点当前的电网抢修资源信息构建多个出资点的资源调配优化模型；基于TOPSIS算法对多个出资点的资源调配优化模型进行优化，获得最优资源调配方案，以用于指导电网故障点所需抢修资源的优化调配。本发明实现了对抢修资源的优化调配，缩短了电网故障的恢复时间，提高了供电可靠性和稳定性。
申请号为201510023867.3的专利提供了一种配电网抢修网格划分方法，包括：依据预先建立的网格模型对配电网进行最小单元网格划分；所述网络模型中包含网格间的电气拓扑关联信息及每个网格的网格数据；所述最小单元网格为线路或配网设备；确定划分出的每一个最小单元网格的抢修消耗值；按预设的迭代方式，对具有最优关联关系的各个最小单元网格进行合并优化，获得多个最优网格。本申请提供的配电网抢修网格划分方法中，确定的多个最优网格是以网格的抢修消耗值为基础进行确定的，当配电网出现故障时，可以直接依据各个最优网格的抢修消耗值对如何抢修进行资源分配，提高了抢修的效率。
结合上述研究理念，我们可以提出一种用于自然灾害下电力抢修的GIS数据库，便于在灾害抢修时，提供最优抢修交通运输路线，为抢修调度决策者提供全方位综合服务，从而实现抢修物资调配管理的可视化、动态化，提高事故抢修效率，为尽快恢复供电提供技术支撑和帮助。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于自然灾害下电力抢修的GIS数据库的建立方法，通过运用数据库及GIS技术相结合对诸如抢修塔等资源存储点、电网输电线路事故点、主要交通道路路等的地理信息进行提取、加工、分析，制定紧急抢修预案，综合有效调配抢修物资。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：一种用于自然灾害下电力抢修的GIS数据库的建立方法，采用面向对象的设计方法，对电力设施分布范围内的电子地图进行逐级分类及要素标识，基于分类标识结果使用三维建模技术，创建高精度三维组件式GIS模型，将各组件化模型按照电力抢险物资调配关系进行存储，最终形成用于自然灾害电力抢修的GIS数据库。
三维组件式GIS模型按照电网主管地域的差别分为三个层级，各个层级之间采用混合精度配比，并根据具体数据模型要素来实现待定义GIS属性信息的三维虚拟装配，得到完整的电网GIS模型。
GIS属性信息是根据国家标准和国网GIS标准，对电力设施进行树状结构分类，采用面向对象程序设计中的类继承机制，在基于三维GIS技术的电网建设、运行虚拟场景中，将电网及其电力设施间的拓扑关系从传统的二维转向了三维，从平面转向了立体。
电网主管地域层级分为全国地域、省级地域和县市地域，并根据层级类码级别进行数据编码，其中，GIS模型中的全国地域采用1:400万比例精度、省级地域采用1：25万矢量精度、县市地域采用1：5万高程矢量精度。
电力抢险物资调配关系包括最优路径分析、重要性评价及物资调配之间的关系，通过对称三角模糊数刻画物资运输期间的不确定性因素，建立模糊运输网络模型，搜索物资运输的最高保障率路径。
最优路径分析通过对比抢修地地域特点和抢修资源分布特点，在GIS模型上进行网络路径分析,将网络路径转换成有向图，包括最短路径分析与最省路径分析,其分析区别在于有向图中每条弧的权值设置，其中，计算最短路径,权值设置为两个节点的实际距离；计算最佳路径,权值设置为从起点到终点的综合时间或费用。
GIS数据库为三维空间数据库，建立在DBMS之上，在同一数据库中统一管理各种类型的空间数据；使用空间数据库对GIS中道路、抢修资源、实时路况建立空间拓扑模型，利用高层应用集中效率处理空间查询分析，快速给出资源调配方案。
GIS数据库通过数据加密算法对于含有空间位置地理坐标的数据进行处理。
GIS数据库根据大面积自然灾害环境下的电力抢修调度指挥系统特点，对模型数据信息进行优化处理，满足在PDA上的快速显示及流畅运行，优化处理包括以下步骤：将基础数据转换文件形式输出；转换过程中满足国家对数据及其他地理信息的保密要求；转换过程中组织数据使其满足动态调度与存取要求。
本发明的有益效果主要体现在以下几个方面：
1. 在立体环境中反映出电力设施所处坐标的空间配置关系，实现GIS设施的三维精细表达，为电力精细化三维管理工作打好基础。
2. 在三维环境中针对不同层次的电力GIS模型加载、渲染并进行控制，可以便于搭载基础监控设施，实现层级间的可视化电力抢修调度指挥平台，提高模型数据库复用度和系统运行效率。
3. 实现电力设施复杂模型三维虚拟装配，改善三维建模工作流程，减少实际工作量，提升工作效率。
4. GIS模型不仅可以实现传统意义上的电力设施地理位置信息建模，还根据电力物资抢修塔等建立多物资供应点、多物资需求点的电力物资筹集调配模型，通过引入对称三角模糊数描述现实世界的不确定性因素，并通过保障率指标对模糊目标的进行转化求解，利用线性规划快速得到抢修塔物资调配方案，提高电网故障或灾变后的恢复供电的效率，节约成本，提高输电线路的快速抢修反应能力，极大的提高电网的安全运行水平。
5. 本发明实现了一种用于大面积自然灾害下电力抢修的GIS库，存储各地抢修塔资源存储点、杆塔位置、交通路线等，可以提高电网故障或灾变后的恢复供电的效率，节约成本，管理人员能够通过数据库及时了解已有抢修物资的情况、事故区域杆塔情况、道路情况等，便于现场信息实时查阅，制定最优抢修方案，通过系统分析及时的安排调度抢修。
6.本发明数据库可以加载于中控数据平台，同时也可以集成于便携式终端，使抢修人员在终端教程指引下轻松完成诸如抢修塔安装、路线制定等现场作业，为电力企业节省人力成本，为及时恢复电力供应争取时间，从而为社会抢险提供电力保障，具有很强的社会效益和经济效益。
附图说明
图1是本发明的GIS数据库建立流程图。
图2是本发明的GIS数据库地理信息分类图。
图3是本发明的GIS数据库数据优化处理图。
具体实施方式
如图1至图3所示，一种用于自然灾害下电力抢修的GIS数据库的建立方法，采用面向对象的设计方法，对电力设施分布范围内的电子地图进行逐级分类及要素标识，基于分类标识结果使用三维建模技术，创建高精度三维组件式GIS模型，将各组件化模型按照电力抢险物资调配关系进行存储，最终形成用于自然灾害电力抢修的GIS数据库。
该GIS数据库是结合实际情况建立电力抢修调度指挥中心数据库，通过规范信息化各地资源存储点、线路杆塔位置、交通路线等内容，实现抢修物资如抢修塔等资源的有效整合。在具体实施时，GIS数据库采用主系统为Oracle数据库系统，Oracle公司是全球最大的信息管理软件及服务供应商，在金融保险业、电信、制造业、科技教育、能源交通、政府、航空航天和军队等各行各业拥有广泛的客户群，这相较于同类数据库，如mysql、SQLServer，Oracle有如下优点：引入了共享SQL和多线索服务器体系结构，减少了ORACLE的资源占用，并增强了ORACLE的能力，使之在低档软硬件平台上用较少的资源就可以支持更多的用户，而在高档平台上也可以支持成百上千个用户，这样就尤为适合非民用的电力特殊行业需求，同时，还提供了基于角色ROLE分工的安全保密管理流程，在数据库管理功能、完整性检查、安全性、一致性方面都有良好的表现，可以支持大量多媒体数据，如二进制图形、声音、动画以及多维数据结构等，所以可以搭载基础监控设施，实现层级间的可视化电力抢修调度指挥平台，提高模型数据库复用度和系统运行效率；数据库还提供了与第三代高级语言的接口软件PRO系列，能在C,C++等主语言中嵌入SQL语句及过程化(PL/SQL)语句，对数据库中的数据进行操纵，便于数据的完整性与可交换性。
三维组件式GIS模型按照电网主管地域的差别分为三个层级，各个层级之间采用混合精度配比，并根据具体数据模型要素来实现待定义GIS属性信息的三维虚拟装配，得到完整的电网GIS模型。GIS属性信息是根据国家标准和国网GIS标准，对电力设施进行树状结构分类，采用面向对象程序设计中的类继承机制，在基于三维GIS技术的电网建设、运行虚拟场景中，将电网及其电力设施间的拓扑关系从传统的二维转向了三维，从平面转向了立体。电网主管地域层级分为全国地域、省级地域和县市地域，并根据层级类码级别进行数据编码，其中，GIS模型中的全国地域采用1:400万比例精度、省级地域采用1：25万矢量精度、县市地域采用1：5万高程矢量精度。
由于我国幅员辽阔，人口众多，且大多数人口分布较为集中，所以在对地图数据的要求上有其特殊性，中国包括12个UTM区，用1：100000的地形图覆盖需要819张，所以，在应用于电力设施分布地理制图时，不必要采用同样的标准和精度，然而高精度会导致高成本，低精度又不能满足高话务密度区的需要，因此采用混合精度的地图解决全覆盖问题。
GIS模型中的全国地域采用1:400万比例精度，数据内容包括5级和5级以上主要河流、主要公路、所有铁路、县和县级以上居民地、县和县级以上境界、及等高距为1000米的等高线。地理坐标数据范围：西部边界坐标：72°E；东部边界坐标：35°E；北部边界坐标：54°N；南部边界坐标：3°N。
GIS模型中的省级地域采用1：25万矢量精度，这是以矢量方式存储管理1:25万地形图上的境界、水系、交通、居民地、地貌等要素。覆盖整个河南范围，按照经纬度划分图幅,每幅图的纬差为1度,经差为1.5度，具体划分要素见表1所述。
表1
GIS模型中的县市地域采用1：5万高程矢量精度，该比例作为国民经济各部门和国防建设的基本用图，主要用于一定范围内较详细研究和评价地形，供工业、农业、林业、水利、铁路、公路、农垦、畜牧、石油、煤炭、地质、气象、地震、环保、文化、卫生、教育、体育、民航、医药、海关、税务、考古、土地等国民经济各部门勘察、规划、设计、科学研究、教学等使用，也可以供军队现地勘察、训练、图上作业、编写兵要、国防工程的规划和设计等军事活动使用；同时也是编写更小比例尺地形图或专题图的基础资料；1：5万地形图采用高斯—克吕格投影，6°分带，采用航空摄影测量方法成图，分幅、编号均以1：10万地形图为基础，将每幅1：10万地形图划分成2行2列，共4幅1：5万地形图，平面坐标系统采用1980年西安坐标系，高程系统采用1985国家高程基准；分幅、编号均以1：100万地图的分幅与编号为基础，将每幅1：100万地形图划分成24行24列，共576幅1：5万地形图，在1：100万地形图编号后加上其内1：5万地形图的比例尺代字、图幅行列号，即为1：5万地形图的编号。如：J50E017016。每幅1：5万地形图经差为15′，纬差10′。
县市地域中，其具体数据要素应包含六类，分别为：居民地及附属设施，包括独立建筑物、居住区、其它建筑物；陆地交通，包括铁路、铁路车站及附属设施、公路、其它道路、附属建筑物；水域/陆地，包括岸线、岸、河流、运河、管道、湖泊、水库、池塘，水利设施， 其它水系要素、一般堤、防波堤、港口、码头泊位、系泊绞缆设施，陆地、海洋、岛屿；陆地地貌及土质等高线、地貌高程、雪山地貌、黄土地貌、岩溶地貌、风成地貌、火山地貌、其它地貌；境界与政区，包括国界、国内境界、行政区、其它界线；注记，包括居民地名称， 行政区名称、专有名称及文字说明、海洋、湖泊、河川等名称，凹地、盆地岛、半岛，山脉、山岭，独立高地、独立山、山隘。
根据层级类码级别进行的数据编码主要分为大类码、小类码和顺序码；大类码从1开始编码至6；小类码从01开始编码，99则作为特殊图形编码段；顺序码从00开始编码。大类码、小类码和顺序码都留有足够的扩充编码的区段，小类码60-90为自定义扩充区域，顺序码60-90为自定义扩充区域。
GIS数据库建立过程中，重点在于对地图数据的处理要求，一方面需要根据国家测绘局相关地图处理技术规范、国网相关信息安全规定，对于含有空间位置地理坐标的数据使用应做保密技术处理，这样才能有利于保守国家秘密和维护国家安全。具体实施时，是通过GIS数据库通过数据加密算法对于含有空间位置地理坐标的数据进行处理。数据加密算法的基本思想就是伪装信息，使非法接入者无法理解信息的真正含义，借助加密手段，信息以密文的方式归档存储在计算机中，或通过数据通信网进行传输，因此即使发生非法截取数据或因系统故障和操作人员误操作而造成数据泄漏，未授权者也不能理解数据的真正含义，从而达到了信息保密的目的。同理，未授权者也不能伪造合理的密文数据达到篡改信息的目的，进而确保了数据的真实性，在对本发明数据库信息进行加密时，可以采用RSA算法与DES算法的结合。DES算法是分组密钥加密程序,是一个对称的加密算法,其基本思想是香农的混乱和扩散理论，对64比特的二进制数据加密,产生64比特等长的密文数据，使用的密钥为64比特，实际密钥长度为56比特，在DES的加密过程中先对64比特长的明文进行初始置换,然后将其分割成左右各32比特长的子块,经过16次迭代进行循环移位与变换,最后再进行逆初始置换得出64比特长的密文。RSA是一个能用于加密。也能用于数字签名的算法，它的安全基于大数分解的难度。其公开密钥和私人密钥是一对大素数的函数。从一个公开密钥和密文中恢复出明文的难度等价于分解两个大素数之积。解密是加密的逆变换，正是这种逆变换，使其具备了数字签名的功能。可以说，在加密、解密的处理效率方面, DES算法优于RSA算法，因为DES密钥的长度只有56bit，可以利用软件和硬件实现高速处理；RSA算法需要进行诸如200bit整数的乘幂和求模等多倍字长的处理，处理速度明显慢于DES算法；在密钥的管理方面,RSA算法比DES算法更加优越。因为RSA算法可采用公开形式分配加密密钥,对加密密钥的更新也很容易,并且对不同的通信对象,只需对自己的解密密钥保密即可；DES算法要求通信前对密钥进行秘密分配,密钥的更换困难,对不同的通信对象,DES需产生和保管不同的密钥。所以，RSA算法与DES算法的结合既可以综合两者优点，又避免了它们各自不足的加密方案，具体应用时，是数据通信之前,用DES方法对消息明文加密,同时用RSA方法对DES密钥进行加密和实现数字签名，在传送机密信息的网络用户双方,如果使用对称密码体制DES,同时使用RSA不对称密钥密码体制来传DES的密钥,就可以综合发挥DES高速简便性和RSA密钥管理的方便和安全性。
另一方面，需要根据电力行业地图使用侧重点及大面积自然灾害环境下的电力抢修调度指挥系统特点，应对地图信息进行有选择性处理及优化，将不同的数据类型文件分为不同的存储层级，并对不同层级建立索引并划分为不同的块，做到逐级调用，分类寻址，以满足在PDA上的快速显示及流畅运行，具体处理要求如图2所示。为了使原始地图数据达到运行标准，需要进行优化处理，包括以下步骤：将基础数据转换文件形式输出；转换过程中满足国家对数据及其他地理信息的保密要求；转换过程中组织数据使其满足动态调度与存取要求，如图3所示。GIS数据库可以加载于中控数据平台，同时也可以集成于PDA等便携式终端，使抢修人员在终端教程指引下轻松完成诸如抢修塔安装、路线制定等现场作业，为电力企业节省人力成本，为及时恢复电力供应争取时间，从而为社会抢险提供电力保障，具有很强的社会效益和经济效益。在具体应用时，便携式智能终端采用的是Google公司的Android操作系统，它是首个专门为智能终端打造的真正意义上的开源且系统完整的移动平台，而且不存在不同设备上的兼容性问题。Android提供丰富的类库支持且大部分为开源代码，如采用嵌入式数据库SQLite。利用Android操作系统作为使用终端的应用平台，由于操作系统与软件免费，终端更便宜；同一平台克服格式问题，功能更多元化；使用者决定功能，比个人电脑更人性化、更贴近使用者。
将GIS电力设施地理空间分布模型，与电力抢修力量进行有机结合，便可以实现当发生灾害时需要对指定地点的设备进行抢修时，可以给出物资存储资料，最佳物资运输路线，抢修预案等，这里的电力抢修力量包括抢修物资供应塔、抢修救援车、山地抢修工作队等，分别应对不同的灾害环境，当需要大批稳定物资的就近供应时，可以首选抢修物资供应塔，抢修救援车主要供中长距且路况状态良好的电力救援，而山地抢修工作队则对应短距且路况状态不好或受灾害影响损毁严重的状态。为了处理好不同状况下的电力抢险物资调配关系，数据库模型中引入管理学中应急管理的理念，结合电网运行及物资需求的特点，将电力抢险物资调配问题分解为最优路径、重要性评价及物资调配三个子问题。通过对称三角模糊数刻画物资运输期间的不确定性因素，建立模糊运输网络模型，搜索物资运输的最高保障率路径。结合实际，在多物资仓库，多物资需求点的条件下，根据各输电线路的恢复对电网输电能力的影响确定需求的优先级，建立数学模型，由于电力系统物资需求的季节性和复杂性，根据具体的运输条件只能对运输时间做出一个近似的模糊估计。为了有效地刻画实际中存在的这种时问上的模糊性，项目引入对称三角模糊数来表示这种时间的不确定性。此外，由于电力系统的社会公益性及基础性，通常要求必须在某个时间内恢复电力供应，因此对于电力抢险物资的到达时间也有限制。而由于模糊数本身的数学性质无法与实数时间进行比较，引入保障率指标来寻找最优路径，在上述条件下建立电力抢险物资调配最优路径的数学模型。根据模型求解得到最优物资调配方案。最优路径分析是GIS空间分析最基本的功能,其核心是对最短路径、最佳路径的求解。从网络模型的角度看,路径网络分析是运筹学模型中的一个基本模型,它的根本目的是研究、筹划网络工程如何安排,并使其运行效果最好。为了进行网络路径分析,需要将网络路径转换成有向图。无论是计算最短路径还是最佳路径,其算法都是一致的,不同之处在于有向图中每条弧的权值设置。如果需要计算最短路径,则权值设置为两个节点的实际距离;而要计算最佳路径,则可以将权值设置为从起点到终点的时间或费用。
本发明的数据库综合地理信息系统路径优化分析技术、物资调度自动化技术与输电线路抢修技术对仓储位置、事故点、交通线路等的地理信息进行提取、加工、分析，优化资源配置，确定最佳方案，为抢修调度决策服务，从而实现抢修设备调配管理的可视化、动态化，提高事故抢修效率。在以往的GIS数据模型中，点、线、面等几何要素以二进制形式保存于文件中，相关的注记、颜色、线型等属性也跟几何数据放在一起。当我们从信息系统的角度来审视这些数据模型时，发现其对于空间数据的信息描述和分析有着较大的弱点。本方案中的GIS数据库为三维空间数据库，建立在DBMS之上，在同一数据库中统一管理各种类型的空间数据；使用空间数据库对GIS中道路、抢修资源、实时路况建立空间拓扑模型，利用高层应用集中效率处理空间查询分析，快速给出资源调配方案。DBMS作为操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性，用户可通过DBMS访问数据库中的数据，数据库管理员也通过DBMS进行数据库的维护工作，它可使多个应用程序和用户用不同的方法在同时或不同时刻去建立，修改和询问数据库，大部分DBMS提供数据定义语言DDL和数据操作语言DML，供用户定义数据库的模式结构与权限约束，实现对数据的追加、删除等操作。
经过试验与研发，将本发明的GIS数据库在便携式智能终端应用，可以方便、快捷的进行数据查阅，为领导层现场决策提供帮助，其运行基本技术指标为：
给出调度方案时间不大于1min；
地图首次调入显示时间：5s；
地图刷新显示平均时间：3s；
信息查询平均时间：2s；
基本量算平均时间：3s。
该GIS数据库研发成功后，可以搭载远程无线设备和视频监控设备，实现可视化的电力抢修调度指挥平台。以SG186系统为依托和基础，以地理信息系统为平台，实现输电线路、抢修物资的智能化、可视化管理。对电力抢修塔物资建立了多物资供应点、多物资需求点的电力物资筹集调配模型，通过引入对称三角模糊数描述现实世界的不确定性因素并通过保障率指标对模糊目标的进行转化求解，利用线性规划快速得到抢修塔物资调配方案，提高电网故障或灾变后的恢复供电的效率，节约成本，提高输电线路的快速抢修反应能力，极大的提高电网的安全运行水平。