基于改进GIS模型和字体符号的Web端电力专题图成图方法.pdf

自动化应用电力自动化基于改进GIS模型和字体符号的Web端电力专题图成图方法冯烨，吴燕华，吴剑敏（浙江华云信息科技有限公司，浙江杭州310 0 0 8）摘要：基于WebCIS提供高效、可操作性强的电力GIS服务是电力CIS平台的宗旨，电力专题图是电力GIS建设的重要内容。本文在综合分析后端服务器成图和前端Web成图两种方案特点的基础上，提出一种新的电力专题图Web端成图方法。该方法通过改进通用GIS模型，引入字体符号建立以字符符号为主，位图符号和矢量符号为辅的综合符号体系，提高了模型表现力和染效率。同时，通过前端数据缓存、内存空间索引和局部要素刷新等机制，降低染计算量，提高成图效率。实验和应用效果表明，与现有的后端成图和前端成图方法相比，本文提出的Web端电力专题图成图方法极大地改善了染效果，提高了成图效率，提升了用户的使用体验。关键词：电力CIS，专题图，Web，染效率中图分类号：TM769A Web Power Thematic Mapping Scheme Based on Improved GIS Model and Font SymbolsAbstract:It is the purpose of power GIS platform to provide efficient and operable GIS service for power company based onWeb GIS,and power thematic map is an important content of it.Based on the comprehensive analysis of back-end servermapping and front-end Web mapping,this paper proposes a novel Web mapping scheme for power thematic graph.In thisscheme,the general GIS model is improved,and the font symbols are applied to establish a integrated symbol system withcharacter symbols,bitmap symbols and vector symbols,which can improve the interactive expression and renderingefficiency.By utilizing mechanisms such as front-end data caching,memory space indexing,and local feature refresh,thecomputational complexity of front-end mapping is reduced.The experimental and application results show that compared withexisting back-end and front-end mapping methods,the Web power thematic mapping method proposed in this paper greatlyimproves the rendering effect,improves the mapping efficiency,and enhances the user experience.Key words:power GIS,thematic map,Web,render efficiency文献标识码：AFENG Ye,WU Yanhua,WU Jianmin(Zhejiang Huayun Information Technology Co.,Ltd.,Hangzhou,Zhejiang 310008,China)0引言电力地理信息系统（GeographicalInformation System，GIS)平台将电网设备、电网运行状态、电力生产管理等信息与地理位置、气象、水文等自然环境信息相结合，采用面向服务的组件方式为电力系统的生产、运维调度和决策规划提供支持。作为电力生产经营活动的基础信息支撑平台，电力GIS平台是智慧电网建设的重要组成部分-3。WebGIS技术采用B/S架构，在浏览器（客户机)端实现GIS数据操作和应用,获得了广泛应用4。Web GIS基于HTTP请求/响应机制，前端浏览器通过向后端服务器发出请求，获取空间数据并实现可视化展示。基于Web作者简介：冯烨，女，19 9 5年生，工程师，从事电力智能调控、GIS和可视化工作。66|自动化应用GIS的地图分析和表现功能，结合各类电力专题图的设计和应用，实现电网拓扑结构、接线图、设备台账信息以及各类专题图的可视化展现与数据挖掘,对电力GIS平台建设具有重要意义。1电力专题图及成图方法1.1电力专题图概述电力专题图是突出表示与某个主题相关的一种或几种电力系统要素组合的专业图形。与导航定位类GIS应用不同，电力专题图并不强调设备对象地理位置的绝对准确，它主要用于表达在一定位置显示支持下电气设备间的拓扑结构、连接关系和状态属性等信息5。电力专题图可电力自动化自动化应用分成3大类6：（1)设备类专题图,应用最多的有电网系统能力受限、成图效率不高的问题图、站内接线图；(2)环境类专题图，展现对电力生产有影无论是普通的GIS图形染还是电力专题图展示,对响的环境因素，主要有雷区图、覆冰图、污区图、气象云图；表现力、交互能力和用户体验的要求越来越高，由于前端(3)其他,如热力图、鸟害图。本文主要讨论设备类专题图。染在表现力上具有更多优势，因此应用越来越广泛。1.2电力专题图成图方法2基于改进GIS模型和字体符号的Web端电“地图、图层、要素 3层逻辑模型在GIS系统设计中被广泛采用，主流GIS产品（如ArcGIS、M a p Bo x、O p e nLayers等）均采用该通用模型。地图(Map)由多个图层叠加构成,图层(Layer)相当于一层画布，每层画布上表现同类对象的图形表达。图层(Layer)中包含要素(Feature）,要素是现实世界中对象在GIS系统中的映射。将该模型应用于电力专题图时，图层有3种类型：背景底图，确定图形的范围和边框；设备要素，原则上一类设备对应一个图层；文字标签,用于对设备要素进行文字说明。电力设备类专题图层的要素用代表电气设备的特定符号及其属性表达。电力专题图的制作主要有两种方法：一种是采用GIS通用模型的后端成图法，另一种是前端矢量符号成图法。后端成图在服务器端完成功能，成图过程为：（1)每类电气设备创建一张对应的要素表；(2)将地理位置信息和电气设备其他属性信息写人对应的要素表；(3)给每类要素配置符号及符号样式；(4)根据视图范围,通过空间索引获取实际空间内所有图层中的全部要素；5)根据配置文件染成图，并以位图的形式输出文件流到前端客户机。在后端成图方法中，电力专题图形作为一个实体对象，在浏览器前端不支持修改。与后端成图不同，前端成图时，服务器仅将请求的图层和要素数据传送到前端浏览器，成图染在浏览器端完成，因为图层要素大多采用矢量符号实现，具有缩放后不失真的特点。电力专题图前端成图过程如下：首先为电气设备要素建立矢量符号库，然后编辑要素位置，配置图形样式,将编辑好的要素数据按照既定格式存放为一个矢量文件。浏览器在获得服务器响应后，利用专门的染组件加载文件，在浏览器端染展现。上述两种成图方法的对比分析如表1所示。表1后端成图和前端成图特点对比方案后端成图特性过程并发能力对象化大范围、大数据量，范围和数量有限，适用场合交互要求不高后端成图能有效利用服务器的性能优势，保证出图效率，同时使用的通用GIS模型可以更贴合实际设备，但存在资源消耗量较大、图形交互困难、前端表现力受限等问题。前端成图能为用户提供更好的图形交互，但存在煊染力专题图成图方案为改善前端成图性能，本文提出一种新的电力专题图成图方案。该方案通过对通用GIS模型进行前端化改进，建立字符符号体系，前端内存缓存等措施，提高前端成图的染效果和效率，其整体架构如图1所示。Web层处理线程数据访问服务层图形定义数据层图形表图1前端成图方案整体架构2.1通用GIS模型的前端化改进为充分发挥前端成图方案中浏览器端图层、要素对象化的优势，使电力专题图具有更强的互操作性能和更佳的表现力，本文在“Map+Layer+Feature通用模型的基础上引人图层组和要素类概念，构建“Map+Layergroup+Layer+（设备Feature+标注Feature）的逻辑模型。其中，图层组(Layergroup)是若干图层的组合，它是一个逻辑概念，无需对应的实体。通过图层组可以对业务上有一定关联的要素进行批量交互操作，例如，对同样电压等级的电气设备选择显示或隐藏。设备要素和标注要素是抽象要素概念的细分类型，设备要素是主体，标注要素本质上是设备要素的属性，但在图形表达时有对等的地位。2.2字体符号体系电力专题图应用大量的符号表现各种类型的要素，符号体系在很大程度上决定了图形的最终表现和染效率。前端成图备注复杂，流程较长简单，环节少并发压力集中压力分散到众多前端方案有利于在服务器客户端整体一张图，要素对象化无对象化交互操作多潼染进程要素访问素材获取要素表图形定义文件电力专题图具有两个主要特点：（1)数据量较大，一张图中前端方案更轻量出现上千个符号的情况并不少见，多的超过50 0 0，甚至更分散并发压力多；(2)要素种类有限，一张专题图中同时出现的设备类一前端表现力更好般不超过2 0 个。因此，实际成图是多类符号重复出现多次构成的结果,其染流程的伪代码如下。For（O：图层数量）/图层循环For(O：要素数量）/图层中要素循环doDraw();I/绘制空间分析符号素材2023|16期|6 7建立基于内存的空间索引机制。专业的空间分析服务通常自动化应用电力自动化1在具体绘制中，每遇到矢量符号都需执行一次绘图过程。矢量符号的复杂度越高，同类符号的数量越多，染越耗时，而电力专题图恰好具有符号复杂且数量多的特点。为此，本文提出一种字体符号体系，以解决矢量符号绘制中的耗时问题。其设计思想是：(1)将电气设备要素用字体符号表示，绘制字体符号，即在计算机系统中输人一个文字，成图快，耗时少；(2)确定字体符号库后，通过字体的字号属性决定字体符号大小，在缩放时具备类似矢量图的特性；(3)字体符号库的制作方便，易于扩展，在实际应用中能够快速修改和更新符号。将字体符号体系应用于电力专题图，需要解决输人编码问题和尺寸非线性缩放问题。针对字体符号的输人编码问题，本文采用每个字体符号用4位16 进制代码的标准编码表示，并制定字体编码与输入编码一一对应的编码枚举表，如表2 所示。绘图时通过输人编码找到对应的电力设备字体符号，从而实现字体符号的快速染，表2 字体符号枚举示例电力设备字体符号双圈变压器8电容器变电站尺寸非线性缩放是指同一个符号的字体尺寸（宽高）和字号不是标准的比例关系，例如，一个在10 号字体下8x8的字体符号，在2 0 号字体下的尺寸是1515，10 0 号字体下的尺寸是6 5x65。但专题图在缩放时，要求字体和符号大小等比例缩放。解决该问题的思路是从实际出发，因为地图放大时,图形一般以2 倍为基数进行缩放，可以对每个字体符号指定一个基准最小字号，然后在该字体符号所有字号中，找出并采用与基准字号的2 倍、4倍、8 倍、16倍等尺寸最接近的字号数。字号枚举虽然不能严格保证符号的缩放比例，但尺寸的误差能够控制在10%以内，对图形效果的影响比较微小。字体符号成图兼具矢量符号缩放不失真和位图符号成图快的优点，非常适合应用于绘制电力专题图。为此，本文构建了以字体符号为主，位图符号和矢量符号为辅的综合符号体系，有效提升了电力专题图的图形表现力和染效率。2.3前端缓存与数据处理由于Web前端的计算资源有限，频繁的服务器数据访问会消耗大量的处理时间，考虑到电力专题图的数据总量不大，为避免重复数据请求，本文采用前端数据缓存方法。2.3.1基于内存的空间索引数据前端缓存后，数据检索在前端内存中进行，需要采用分型理论7 或二叉空间分割树(BinarySpaceParti-tioning,BSP)(8等算法实现空间检索。但Web端提供的内存有限，数据结构和数据运算不能过于复杂。为减少计算量，将专题图空间索引问题抽象成如图2 所示的简化模型,黑边框屏幕内分布的点代表要素，检索问题描述为确定两个不同经纬度的位置点围成的矩形中包含哪些要素。(start,start,)图2 空间索引模型首先，对所有要素根据经度和维度这两个位置的属性进行排序，用队列结构存放排序后的数据，排序过程在整个图形生命周期过程中只需进行一次。排序完成后，要素的检索只需采用简单的二分法找出经纬度为（start，s t a r,）字体编码输入编码Uni4e630001Uni4e6f0012Uni4e3d0032(endr,end,)和(end,end,)的位置,两者间的数据是位于查询矩形内的要素。2.3.2局部要素更新在GIS应用中,对图形最多的操作是平移操作。在平移操作中，部分要素进人屏幕范围的同时，也有部分要素移出可见范围。局部要素更新仅染新增的要素，即当屏幕移动时快速识别并更新在屏幕范围内发生变化的要素，保留并移动屏幕范围内未变化的要素。其原理如图3所示,排序后所有要素数据以队列形式缓存，平移前,屏幕的范围是从p1到p2,平移后,变成从p3到p4。在平移过程中,pl到p3之间的要素从屏幕中移出,p2到p4之间的要素则属于新加人染的内容,p3到p2仍在染范围内，可保持原始煊染状态。移动前屏幕范围pI差量p3图3局部要素更新示意图局部要素更新机制无需重新绘制整个屏幕内的全部要素，可有效提高用户界面中移动视图时的绘图效率，避免平移视图的卡顿，保证了用户体验，降低了系统计算量载荷，提高了性能稳定性。3实验结果为验证本文方法对成图效率的提升作用，通过实验对比了本文模型和国网通用的IS2.0模型在绘制相同栅格专差量p2移动后p4屏屏幕范围68|自动化应用电力自动化自动化应用题图的出图效率。实验分为两组，分别为单次绘制实验和高并发实验。其中，单次绘制实验用于模拟零星的专题图绘制请求，而高并发实验则考察每秒请求量达到40 个时的高压情况，用于验证压力高峰期不同的成图效率。实验结果如表3所示。表3染模型性能对比结果平均响应中位响应实验项目时间/ms本文模型25对比模型100本文模型29（高并发）对比模型（高并发）由表3可知,本文提出模型单次成图的响应时间比对比模型短，表明本文提出模型的专题图绘制速度更快，成图效率更高。高并发情况的实验结果表明，相较于对比模型，本文模型能更好地减轻服务器的载荷，在高并发情况下能更好地保证服务器的稳定性和效率。4应用效果基于本文方法实现的电力专题图举例如下：ODS_CIM_G_SUBSTATION(变电站内一次接线CIMG来源图）、ODS_D5K_G_SUBSTATION（变电站内一次接线D5000来源图）DdSystemMap(系统图调控主网接线图）InternalMapBD（变电站内一次接线图）、InternalMapPD(配电站内一次接线图）、RegionMap(地理区域示意图）SingleLineMap（单线图）、System Map District（系统图区域系统图）、SystemMapPSC(系统图站间联络图)等。某站内线路专题图如图4所示。本文方法已成功应用于浙江电力数据中台管理中心，“专题图浏览”中“线路浏览”展示的界面如图5所示。图4站内线路专题图最大响应最小响应时间/ms时间/ms一一28629690图5电力线路专题图浏览5结语时间/ms本文综合分析了电力专题图的前端成图和后端成图一12322184方案的特点，提出了一种适合于电力专题图数据特点和实际应用的Web前端成图方法。实验结果和应用效果表明，本文方法能够有效提高电力专题图的染效率，减轻服务器系统载荷，提升用户使用体验。该方法的应用性能和泛化能力还将在后续的使用和研究中不断优化和完善。1张宁，马国民，关永刚，等.全景信息感知及智慧电网J.中国电机工程学报,2 0 2 1,41(4)：12 7 4-12 8 3.2周慧明，张晓春,章洪良，等.基于微服务的二三维一体化电力GIS平台设计J.制造业自动化,2 0 2 2,44(7):131-134.3金传林.基于一体化框架的配电网智能运行维护系统设计J.自动化应用,2 0 2 2(7)：9 7-9 9.4曾强.WebCIS在智能电网大数据可视化中的应用与分析J.华电技术,2 0 2 0,42(2):17-2 1.5王胜状.电力CIS专题图自动生成的研究与实现D.北京：华北电力大学,2 0 14.6岳嵩.输电线路“六防”专题图应用系统的设计与实现D.成都：电子科技大学，2 0 19.7秦耀辰,刘凯.分形理论在地理学中的应用研究进展J.地理科学进展,2 0 0 3(4):42 6-436.8陶志良，成迟薏，潘志庚，等.多分辨率BSP树的生成及应用J.软件学报,2 0 0 1,12(1):117-12 5.参考文献（责任编辑：李顺）2023116期/6 9