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在电力行业生产运行中实现WebGIS

张健
（湖南省湘西电业局信息中心 416000）

摘要：本文介绍了GIS、WebGIS软件系统的基本特点，分析了电力行业对WebGIS的需求特点，阐述了在电力系统内利用WebGIS技术实现电力设备、变电站、输配电网络、电力用户与电力负荷和生产及管理等核心业务相连接形成电力信息化的生产管理的综合信息系统的基本思路。

0. 引言
地理信息系统GIS（geographic information system）在电力系统中的应用虽然刚刚起步，但是在电力生产和管理上已经发挥了重要作用。WebGIS是GIS地理信息系统开发与Internet技术相结合的产物，GIS通过计算机网络得以扩展，得以成为真正服务于大众的工具。基于网络的地理信息系统（WebGIS）技术在近年内得到了快速发展，其应用也扩展到GIS应用领域的各个方面，成为GIS软件技术的重要的组成部分。

1. GIS的特点
1) 开放性
具有开放式环境及很强的可扩充性和可连接性。GIS技术支持多种数据库管理系统，如 ORACLE、SYBASE、SQLSERVER等大型数据库；运行多种编程语言和开发工具；支持各类操作系统平台；为各应用系统，如SCADA、EMS、CRM、ERP、MIS、OA等提供标准化接口；可嵌入非专用编程环境。
2) 先进性
GIS平台采用先进的计算机图形技术、数据库技术、网络技术以及地理信息处理技术。系统设计采用目前最新技术，支持远程数据和图纸查询，利用系统提供的强大图表输出功能，可以直接打印地图、统计报表、各类数据等。可分层控制图纸、无级缩放、支持漫游、直接选择定位等功能。系统具备完善的测量工具，现场勘查数据，线路杆塔等设备的初步设计，并可直接进行线路设备迁移与相关计算等，实现线路辅助设计与设备档案修改。
3) 发展性
具有很强的可扩充性和可连接性。在应用开发过程中，考虑系统成功后进一步发展，包括维护性扩展功能和与其它应用系统的街接与整合的方便。开发工具一般采用J2EE、XML等。

2. WebGIS的特点
与传统的GIS软件相比，WebGIS在体系结构上有了根本的转变。
1) 基于Internet／Intranet环境，采用了TCP／IP通信协议，大大扩展了空间信息共享范围。
2) 在应用层采用了HTTP协议，客户端只需要有通用的浏览器即可，不需要有特殊的GIS软件，大大增强了GIS的开放性。
3) GIS应用的分布性。可以根据网络带宽、计算机性能等一系列资源状况，将GIS应用按照功能分布到不同的节点上，如分布到多台服务器上或是将一部分简单应用分布到客户机上，复杂的应用仍交给服务器执行，这样可以大大提高GIS软件的性能。
4) 空间数据的分布性。空间数据可以根据其本身具备的空间特征存储在最适宜的位置上，从而大大简化了对空间数据的管理。

3. 电力行业中GIS特点
1) 电力系统运行参数实时性及信息的动态变化性，需要对瞬间信息及时收集、处理和分析。电力GIS对数据处理、存储容量和传输速度均有较高的要求。
2) 电网的多属性数据要求GIS具备足够的稳定性和可靠性。根据电力行业技术标准及电力企业业务需求，系统具有良好的可维护性。电力GIS能够实现数据的一次输入和多次输出，以保证数据的一致性操作，实现数据的统一管理和多层保护等，构建高可靠性和高准确性的业务系统。
3) 电力系统是一个庞大复杂系统，电力网的广域性和电力设施的分散性及设备的多样性，实时信息量大，系统接口复杂，信息的覆盖面广，电网的各种电压等级及多用户连接等需要GIS具备拓扑分析和转换能力。
4) 电力GIS的单机工作站方式已经落后，且不适合电力企业信息系统实际需要。电力行业目前应用的GIS平台安装在局域网环境下，在网络的应用和开发上整合信息，实现资源共享。
5) 电力GIS具备安全保护的特点，电网设备的高精确度测量的经纬度坐标数据是国家基础信息资源，是国家安全的信息。
目前电力行业内部广域网已经基本建成，其主干带宽最低为1000M，这基本解决了海量数据发布的网络瓶颈问题。电力部门的相关应用主要是电力设备、变电站、输配电网络、电力用户与电力负荷和生产及管理等核心业务连接形成电力信息化的生产管理的综合信息系统，并不注重多种空间分析等对系统资源要求较高的功能，这有利于WebGIS的实现，确保了系统的稳定性。同时，对于某些有保密要求的各类数据，在电力广域网内部运行，其安全也是可以通过适当的手段加以控制和保障的。
随着电力行业应用逐步深入，电力行业用户对WebGIS在海量空间信息管理和发布、 超大用户群并发访问、二次开发能力以及异构系统互操作等方面提出了更高的要求。由于WebGIS实现技术的一些限制和GIS本身的一些特点， 在电力系统WebGIS软件实现的过程中需要考虑解决以下几个问题：
1) 并发访问能力不适应日益扩大的系统规模。由于GIS应用涉及数据量大，处理复杂，在服务器端需要实现大量的业务逻辑，加重了服务器端的负担，因此，并发访问能力和响应速度一直是WebGIS软件的主要改进方向。此前多数WebGIS产品的二次开发工作通常基于解释执行的脚本语言进行，更在一定程度上降低了客户端访问的效率。
2) 系统的异构兼容性不足。不管是使用了微软的DCOM、OMG的CORBA或Java RMI技术，都需要统一的运行平台提供基本的网络服务和系统服务。服务的客户端与系统提供的服务本身之间必须进行紧密耦合，不同平台的系统进行集成需要进行复杂的接口交互，系统的集成和维护代价很大。
3) 开发、调试和维护方法复杂。Web GIS的开发需要不同的开发语言和开发工具，目前WebGIS的开发语言具有单一性，这些语言特性和系统思想差异性很大，Web应用开发人员需要熟练掌握多种开发语言，系统开发、调试和维护难度大。

4. 电力行业中GIS基本功能
1) 面向对象的数据建模，具有建模规则库、电网图的编辑及输出工具。电力GIS平台包括基本构件层、系统环境层、数据库连接层、图形与数据接口工具层、应用系统层等。分层建立各种数据模型，并建立各层的连接关系。建立地理层信息与设备信息的拓扑和映射关系。电力GIS应支持多空间同屏显示和多空间关联建模、多空间索引。
2) 支持多种图形处理与管理，实现数据的多层映射，多维空间映射，提供完整、准确的地图信息、高精度图片、准确的技术参数，标尺准确，高精确度杆塔位置，按用户需要自动生成专用地图。
3) 数据搜索快捷、线路图表查询准确和统计功能齐全。电力GIS实现电网数字化描述，其目的是能对电网实现快速查询，及时掌握电网运行状态，快速诊断电网故障，提高处理事故能力，保证电网运行质量以及提高用户服务质量。GIS可对图形数据、可执行图形和属性数据的嵌套操作与映射查询关系运算；根据电力系统提供的配电设备的图形、属性信息与地理位置、地形数据、环境数据、线路走向数据、线路设备历史档案和即时信息，对线路设计方案、施工方案、抢修和停电措施提供决策依据及辅助决策。
4) 电力GIS能够实现与电网调度自动化系统、电力用户关系管理系统、电力营销系统、电力市场管理系统等应用系统共享相关信息。支持多种管理应用系统的连接，其中包括与企业的MIS系统融为一体。GIS系统中的设备管理对其生命周期衽全过程跟踪，包括对设备信息的查询、属性数据的修改、设备的维修信息管理等。
5) 电力GIS对信息库进行安全保护，制定管理与使用的安全保密措施和机制，包括内外网络的隔离、重要电力设施电子地图和设备信息数据库的保护等。安全措施在系统总体设计与建设中充分考虑，并严格实施，对应用系统的数据实现多层安全保护，设置用户权限以保证系统资源共享下的安全，使系统能在可靠安全的环境下运行。

5. 电力行业中GIS系统的实现
从目前的WebGIS运行机制来看，一般可以分成两类，即基于服务器的应用系统，如ESRI公司的ArcIMS、MapInfo公司的MapXtreme、超图公司的SuperMap IS和使用浏览器插件的应用系统，如AutoDesk 公司的MapGuide、Intergraph公司的GeoMedia WebMap等。　
SuperMap IS是北京超图公司的网络地图服务软件产品，是一个典型的基于服务器端的应用系统，可以使用纯HTML或Java进行开发，该软件具有如下高级特性：
1) 多源数据集成
使用SuperMap 多源数据无缝集成技术，多种来源数据不仅可以在桌面系统集成，而且不需转换即可直接发布到Internet网络。
2) 多种制图引擎
SuperMap IS采用组件设计思想，具有全开放的体系结构，具有动态注册和卸载多种制图引擎的能力。SuperMap IS除了提供标准制图引擎，用户也可以使用提供的开发工具开发自己的商业化制图引擎。
3) 海量数据访问支持
可以轻松地处理GB级的地图数据，并将其快速发布到网络，用户访问时间与数据量大小基本无关。
4) 动态群集与负载平衡
基于HTTP的服务器群集技术，解决了WebGIS的瓶颈问题，确保超大数据量的GIS应用高效运行，在降低成本的同时，大大提高系统性能。
5) 多用户并发与多级缓存结构设计
通过多地图引擎并发处理来提高服务器负载。同时多级缓存结构可以有效地减少网络访问次数和处理时间，可以大大减少用户端等待，提高用户访问效率。
利用上述功能在电力系统网络环境下可以有效地提高整个地图系统的性能和负载能力，因此选择SuperMap IS作为地图发布的服务器，可以达到理想的效果。在实施中可以采用SuperMap IS和Microsoft IIS两个服务器系统平行的结构，在客户端采用ASP、JAVASCRIPT和HTML语言的混合编程进行开发。
根据用户请求的不同，将请求分别提交给相应的服务器处理，其中对地图请求首先提交给群集服务器，由群集服务器对提交串进行分析处理，并根据分析的结果将具体的处理交给相应的地图服务器，由地图服务器将最终的处理结果直接返回浏览器。群集服务器担任调度作用，当多台地图服务器同时运行同一个地图应用时，会根据地图服务器的负荷情况，将任务调配给负荷最小的地图服务器运行，从而保证了负载平衡。同时，在整个群集体系下，可以动态的增加和减少地图服务器。而对于用户对专业数据库的查询请求，由IIS服务器负责解析执行ASP程序，并将得到的结果回传给客户端。
在电力系统WebGis的实际实现过程中，可以考虑参考中科院地理所朱江博士的SuperMap IS.Net来实现专业GIS组件的地图服务和空间分析服务，网络通讯服务，系统配置服务，容器服务/应用服务，群集服务，Web服务、可视化网络控件服务，远程管理服务的新架构。专业GIS组件、地图服务/空间分析引擎组件、网络通讯组件，作为整个框架的基石，为网络地理信息服务器提供了分布式计算能力和基于地图运算的地图服务/空间分析引擎能力，地理信息服务器是框架的核心和枢纽，根据请求负责地图服务/空间分析引擎的调度。GIS Web Service组件，GIS Web Controls控件以及其他实用Web应用程序依赖于地理信息服务器提供的服务，是和用户交互的UI界面和编程接口，是二次开发的基础。
地图服务/空间分析引擎是基于契约设计的引擎颗粒级别的.NET组件，它对GIS组件进行了功能封装和重组，是网络应用程序的可重用高级组件，具有元数据描述信息，可以实现灵活配置和动态加载。
网络通讯组件基于.NET Remoting技术构建，可以支持Tcp协议和Http协议，实现Web服务器和专业应用服务器之间的消息交换，简单的远程调用机制、可序列化的远程对象简化了分布式计算模式，克服了DCOM、CORBA复杂的调用机制。地理信息服务器是地图服务/空间分析引擎组件和网络通讯组件的宿主，同时它发布了地图服务，空间分析服务和远程管理服务等.NET Remoting远程对象。
集群服务在一组计算机上运行相同的软件并虚拟成一台主机系统为客户端与应用提供服务。通过群集可以实现负载能力的成比例提高，同时还可以减少单点失效的危险，提高系统的稳定性和可维护性，使服务器实现单机无法实现的容错和负载均衡。
 GIS Web Service是面向空间信息处理的Web Service，其主要功能包括空间信息的管理、查询、空间分析以及输出最后处理结果。地图服务，地名查找服务，路由服务就是典型的GIS Web Service。GIS Web Services作为向互联网提供GIS服务的网络组件，在客户应用程序和空间数据处理内部系统之间起到了桥梁作用，向各种网络应用程序提供了统一编程接口。
可视化网络控件是网络快速应用程序开发（RAD）的基本元素，包括了地图网络控件，鹰眼网络控件，图例网络控件和常用工具栏网络控件等，这些网络控件相互关联和协作，在可视化开发环境中，拖放式的编程模式使得二次开发的难度降到最低点。

6. 电力行业中GIS数据库的实现
在数据库数据结构上比较恰当的方式是采用对同一数据源在拓扑空间数据结构和面向实体空间数据结构两种方式存储，分别支持外部访问和内部应用服务。
在构建的过程中应注意的问题
1) 数据标准
为了保证数据库的一致性、可操作性，数据库采用统一的坐标系、统一的编码体系和统一的属性数据。统一的坐标系是指，无论是地理坐标系还是平面坐标系都要求统一，以保证地物要素的连续。统一编码体系是指，相同的地物要素用相同的编码，否则数据库间、图幅间会出现无法接边的逻辑错误。统一属性数据是指，相同的地物要素在不同比例尺上有不同的表示方法，但应有相同的属性。
数据库所有空间数据采用高斯－克吕格投影，1954年北京坐标系、1956年黄海高程系。大地模型采用克拉索夫斯基椭球，长半轴参数：6378245.0，扁率分母为：298.3。
　　编码采用原则是：优先采用国家标准编码，没有国家标准编码的再考虑使用行业或部门编码，没有国家标准编码和行业（部门）编码，就按照规范格式自定义编码。采用的主要标准有：国家标准《国土基础信息数据分类与代码》（GB／T13923－92）、《行政区划国家标准代码》（中华人民共和国国家标准GB／T2260－1995）GB／T13989－92、《国家基本比例尺地形图分幅和编号》（GB／T13989－92）等。
2) 元数据库的建立
元数据（Metadata）是关于数据的数据，在地理空间数据中，元数据是说明数据内容、质量、表示方式、数据来源、空间参照系及其他有关特性的背景信息，是实现空间数据共享的核心内容之一。
其主要作用有：帮助数据生产单位有效地管理、组织和维护数据。提供有关数据内容、质量等方面的基础信息，便于用户比较不同的资料，确定所需用信息。便于用户查询和检索信息，以及进行数据处理和转换。
3) 质量控制
数据质量是建立空间数据库成败之关键，数据质量控制是一项集管理和技术于一体的综合性工作。质量是产品的属性，但质量是形成于产品的生产过程中的，为生产高质量的数据产品，就必须使影响产品质量的全部因素，在生产全过程中始终处于受控状态。同时，质量的检查和和评价是质量控制的重要依据。
4) 数据安全管理
采用关系数据库存储空间数据，系统管理员可以在服务器端定义每一个客户端的访问账号、密码和权限，每个客户端完全在服务器端定义好的权限下操作空间数据库，而不是直接访问服务器上共享的可能被随时拷贝的文件夹。客户端系统则只能按照规定的方式访问空间数据库，从根本上解决了传统GIS数据存取模式上的数据安全问题。

参考文献：
[1] 朱江等，基于Web Services和.NET 技术的新一代WebGIS研究
[2] 陈朝晖等，通用Internet地图服务平台的设计与建立，2001中国GIS年会论文集
[3] 宋关福等，WebGIS--基于Internet的地理信息系统，中国图像图形学报，1998年第3期

作者简介：张健，男，土家族，湖南省湘西自治州电业局信息中心网络工程班班长，1977年2月生于湖南湘西土家族苗族自治州，1999年7月毕业于吉林大学地球科学学院（原长春科技大学）测量工程系工程测量专业，获工学学士学位，辅修计算机科学专业。
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