基于平板电脑的电网空间数据采集探索

摘 要 电网GIS平台建设中最重要的基础工作是电网空间数据的采集，本文介绍了重庆市电力公司开展电网GIS平台建设工作过程中，针对重庆地区复杂地形、城镇密集分布、电网设备性质特殊等特点，基于平板电脑的电网空间数据采集所做的深入探索。论文详细介绍了基于平台电脑的采集系统设计思路、操作方法以及将来的应用发展方向，并验证了该系统功能的可行性和有效性。

关键词 电网GIS平台；电网空间；数据采集；平板电脑

中图分类号：C37

文献标识码：A

文章编号：1007-7316-（2014）02-

一、引言

为更好支撑坚强智能电网和“三集五大”体系建设，满足生产、营销、调度、规划、应急、通信等各类业务应用的GIS需求，2009年6月，在国家电网公司统一领导下，构建了电网GIS空间信息服务平台（以下简称“电网GIS平台”）。该平台定位为构建在一体化平台之内的企业级空间信息服务平台，其主要功能是实现电网资源的结构化管理和可视化展现，以面向服务的架构，松耦合方式实现与各类业务应用集成，为其提供电网空间信息服务。而通过电网GIS的应用，能够提供基于图形可视化的电网实时信息采集设备管理、运行实时数据采集和分析等，对电网实时运行信息并结合电网拓扑结构，能够较好的分析出整个电网的运行状态，实现电网的平衡调度，达到整个电力系统的运行优化管理。

在电网GIS平台建设过程中，对电网设备空间数据的采集是其中的核心工作。电网设备空间数据的采集质量和进度直接影响到了整个电网GIS平台项目建设的质量和进度。目前，国内外单位在开展电网设备空间数据采集工作时，通常都是采用GPS、全仗仪等空间数据采集设备进行数据采集工作的，还有一些是利用高精度的基础地理数据展开图形标绘。但是，由于重庆市属于丘陵地区，地形地貌复杂，重庆作为西部经济发达地区城镇分布密集，加之电力设备的特殊性，这些情况导致了在采用传统测绘方法开展电网设备空间数据采集时，暴露出了采集设备通信信号差，采集工作效率低等缺点。重庆市电力公司根据现实情况和业务需求，开始了利用平板电脑进行空间数据采集的探索道路，并成功研发出了一套基于平板电脑的空间数据采集系统。

二、传统电网设备数据采集模式比较

（一）重庆地理环境介绍

重庆地处我国西南地带，地貌造型各异，以山地、丘陵为主，地势起伏较大，层状地貌明显，东部较高、西部较低，相对落差高达2723.0米，是我国最陡峭的山城之一。同时重庆地处四川盆地东南部 ，全年云雾多，日照少，具有“雾都”之称。加上近几年，重庆城市建设的快速发展，重庆已成为一座高楼林立、楼层密布的现代化城市。

（二）传统测绘方式存在的不足

鉴于重庆特殊的地理气候环境，重庆的电网设备呈现分布密集、垂直落差大、缆化率高等特点，这给重庆的电网GIS数据采集工作带来极大的挑战，我国中部及东南沿海地区常用的测量工具在重庆特殊的地理气候条件下，都因搜索不到卫星或CORS站（Continuous Operational Reference System）信号而变得无法使用。

目前，电网空间数据的传统采集方式主要包括：手持GPS采集、RTK GPS采集、全站仪采集及地图标绘等方式，受重庆特殊的地理气候环境影响，传统的测量方式都存在一定缺陷，难以满足重庆的电网设备测量和今后的异动维护工作。

手持GPS采集：在重庆特殊的地理环境，因无法搜索到满足条件的卫星数量（大于等于4个）而无法使用。

RTK GPS采集：根据采集精度要求，RTK需要使用双频机，即同时接收卫星信号和CORS站信号，对于重庆这样的城市，大部分区域都属于无信号区，或只能搜索到微弱的CORS站信号，故该方法对重庆特殊的地形地貌来说，适用性较差。

全站仪采集：该测量方法最大的缺陷是采集效率低，同时必须和RTK GPS配合使用。对重庆这样的环境，需要通过RTK GPS远距离布设控制点，再用全站仪引点的方式进行测量，整体过程较为复杂，效率极低，对今后异动或新增电网设备的空间坐标定位适用性极差。

纸质标绘：该方法对基础地理数据的要求较高，一般需要大比例尺矢量或影像数据（矢量数据一般为1：500，影像数据一般为0.5米），该方法的缺陷是需要经常更新大比例尺的地理数据，采集时经常受地图框副的限制，无法快速地定位电网设备的位置。

三、基于平板电脑的空间数据采集系统设计

（一）系统建设思路

1.电网设备空间数据精度要求

基于平板电脑的空间数据采集系统（以下简称“数据采集系统”）在设计，需要充分考虑空间数据采集精度和数据安全的要求。电网设备空间数据的精度将直接影响到后期系统应用的效果，国家电网公司在电网GIS平台建设过程中对电网设备空间数据采集精度指标也提出了具体的要求，如表1所示：

表1 电网空间数据采集精度要求

采集的设备 水平误差

发电数据 小于等于3米

变电数据 小于等于3米

输电（杆塔）数据 小于等于3米

配电（杆塔）数据 小于等于1.5米

配电（站房）数据 小于等于0.5米

电力公共设施 小于等于0.3米

低压设备 小于等于3米（如果在棚户区误差可以增加到5米）

2.利用CORS提升采集精度

电网设备空间数据采集，一方面是对电网设备地理位置的明确，另一方面是对电网设备信息的明确（如杆塔的现场编号等）。结合GPS定位功能可实现对电网设备地理位置信息进行采集，基于平板电脑的电网设备空间数据采集可采用与CORS基站相结合的方式进行位置定位。

CORS（连续运行参考站系统）可以定义为一个或若干个固定的、连续运行的GPS参考站，利用现代计算机、数据通信和互联网（LAN/WAN）技术组成的网络，实时地向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的GPS观测值（载波相位，伪距）、各种改正数、状态信息、以及其他有关GPS服务项目的系统。与传统的GPS作业相比CORS具有作用范围广、精度高、野外单机作业等众多优点。CORS系统彻底改变了传统RTK测量作业方式，其主要优势体现在：（1） GPS的有效服务范围得到了极大的扩展；（2）采用连续基站，用户随时可以观测，使用方便，提高了工作效率；（3）拥有完善的数据监控系统，可以有效地消除系统误差和周跳，增强差分作业的可靠性，获得高精度和高可靠性的定位结果；（4）用户不需架设参考站，真正实现单机作业，减少了费用；（5）使用固定可靠的数据链通讯方式，减少了噪声干扰；（6）提供远程INTERNET服务，实现了数据的共享，可为高精度要求的用户提供下载服务。

基于平板电脑的电网设备空间数据采集与CORS相结合，可全天候、实时地进行快速、准确地定位，明显提高数据采集的准确性及提高现场采集作业的效率。

3.终端硬件技术要求

根据电网设备空间数据采集的需求，综合考虑现场作业等各因素影响，终端硬件技术要求：（1）无线手持终端需要选配高品质的工业级智能终端；（2）为了方便现场作业人员使用智能终端进行作业，要求智能终端体积要适中，不能太大且不能太小，终端重量越轻越好；（3）考虑电网设备空间数据采集结合移动GIS进行标绘，为了操作的便捷性，建议显示屏采用8.9寸，且背光、阳光下可读；（4）智能终端处理能力强，提高系统的可操作性，进一步提升现场数据采集的效率；（5）存放GIS数据，要求具有一定的剩余存储空间，剩余存储空间达2G或以上（6）电池容量大，要求系统可连续使用5个小时及以上；（7）智能终端具备GPS特性。

4.终端软件技术要求

根据电网设备空间数据采集的需求，综合考虑现场作业等各因素影响，终端软件技术要求：（1）遵循国网公司移动作业平台、安全接入平台的要求和规范；（2）终端软件支持移动GIS功能，且同时支持矢量及影像图展示，辅助电网设备空间数据采集人员进行准确标绘；（3）终端软件支持GPS定位功能；（4）终端软件测绘功能满足国网公司采集精度要求；（5）终端软件测绘功能简单、易操作。

（二）架构设计

1.系统总体架构

数据采集系统的总体架构由业务架构、应用架构、技术架构和物理架构等部分组成。各组成部分既独立地支撑数据采集系统的某个部分，相互之间又协调配合，整体构成电网GIS平台体系架构。数据采集系统的总体架构如图1所示：

图1 系统总体架构图

2.业务架构

数据采集系统的业务需求包括图形展示、图形基本操作、设备查询定位、GPS管理、设备空间数据采集和数据同步。业务架构如图2所示：

图2 系统业务架构图

3.应用架构

基于平板电脑的电网设备空间数据采集系统基于移动GIS平台以及电网GIS平台，系统从电网GIS平台导入图形数据并进行展示，借助GIS功能及GPS定位功能，实现电网设备空间数据采集。数据采集完成后，将数据导入电网GIS平台数据库中。系统功能架构如图3所示：

图3 系统应用架构图

4.技术架构

数据系统的总体技术架构分为数据层、数据访问层、应用组件层、应用服务层、界面展现层。数据层是移动GIS 平台管理的各类数据的物理存储；数据访问层是对平台中的各类数据提供统一的访问接口；应用组件层是在数据访问层的基础之上建立的各类功能组件，实现图形管理的各类功能；应用服务层将应用组件封装为服务供各类应用调用；表现层是展现给用户的应用系统。系统技术架构如图4所示：

图4 系统业务架构图

（三）系统功能设计

1.定位功能介绍

基于平板电脑的电网设备空间数据采集，采集人员为了准确定位电网设备空间位置的坐标，将带着平板电脑到电网设备的附近点。系统通过获取移动终端的GPS坐标信息，并将已定位的GPS坐标信息转化为移动GIS地图坐标，进而在平板电脑上实现电网设备定位功能。

2.标绘功能介绍

充分利用平板电脑空间数据采集系统的强大空间功能来改善传统电网设备空间数据采集，数据采集系统展示GIS图形（图形包括空间数据的矢量和影像图形，集成自电网GIS平台），提供GIS图形的基础操作，实现基础地理数据及电网设备数据的查询功能等。

数据采集人员借助移动采集系统展示的清晰GIS图形及结合GPS定位功能，将采集到的电网设备在GIS图形上进行标绘。不同的设备类型，将以不同的图形在GIS图形上标绘，电网设备标绘图形遵循标准电网设备图形规范。（参见图5）

图5系统界面截图

3.坐标处理功能介绍

由于GPS系统每秒向地球发送一次信号，其内容为精度达1μs的时间信息，该信号在全球任何位置均可以收到。平板电脑GPS模块通过GPS天线接收卫星数据，为了正确地接收上述信号，GPS接收机分两部分内容接收，首先接收到的是每秒开始时间精度为1μs的1PPS选通脉冲，第二部分接收到的是一串信息，包括国际标准时UTC的时间、日期及接收机本身所在的概略坐标信息。平板电脑系统将概略坐标信息通过通讯模块发送给控制中心，进而接收控制中心发出的差分改正数据，同时采用特殊的信号调制技术，接收机将接收到的信号解码，进一步计算出电网设备所在空间位置的准确坐标（经、纬度），并通过串行口输出国际标准时间、日期、所处方位等信息。

4.自动建模功能介绍

电网设备空间数据采集人员利用平板电脑移动建模系统进行电网设备空间数据采集，数据采集完成后，移动建模系统自动以电网GIS建模系统的数据模版进行数据整理，并通过电力内网与电网GIS建模系统进行无缝链接，将采集的电网设备空间数据导入电网GIS建模系统中，完成自动建模功能。

四、建设成果与应用

（一）基于平板电脑采集方法介绍

平板电脑采集进行电网设备空间数据采集时，利用平板电脑的地图功能，结合GPS卫星定位导航技术，以建模入库的电网设备及周边物体为参照物，准确标绘电网设备位置及建立电网设备连接关系的一种采集方式。

利用平板电脑的卫星导航功能，作业人员先设置当前位置和采集点位置，系统自动生成到达目的地的导航线路，作业人员根据导航线路到达现场后，利用平板电脑搭载的影像数据、矢量数据和已建模入库的电网设备，结合周边的参照物对电网设备的空间位置进行标绘。在完成电网设备空间位置标绘后，利用平板电脑的现场建模功能，绘制电网设备的线路走向，建立设备间的拓扑连接关系，同时对设备的属性数据进行录入。完成后，利用平板电脑的自动建模功能，把采集的成果数据导入电网GIS平台，再通过实施人员对导入后的数据进行检查、调图，完成数据的建模工作。

利用平板电脑进行电网数据的采集，是电网GIS平台建设中的一个创举，它与传统的电网设备采集方式相比，具有以下优点：（1）能随意缩放采集区域，不仅能准确地标绘电网设备的空间位置，还能建立电网设备间的连接拓扑关系，采集范围不受框副的限制；（2）利用GPS自动导航功能，可快速找到采集设备的位置，对空旷区域的一些电网设备可以准确定位。（3）操作简便快捷。相对于传统测绘中的手持GPS采集、RTK GPS采集和全站仪采集，可大大缩短采集电网设备空间数据的时间。（4）利用平板电脑进行电网数据采集，不受设备类型、不受地理环境限制，具有很强的适用性。（5）该方法可以利用国网GIS平台开通对应接口，把现场标绘的成果直接导入电网GIS平台，图形建模人员只需对导入的数据进行检查和适当调图，减去原来的图形建模工作，大大提高了图形建模人员的效率。（6）平板电脑采集技术在电网设备异动维护中把现场资料收集和系统异动图纸设计合整合为一体，减化了异动的环节，提高了系统数据的准确性。

（二）平板电脑的未来应用发展方向

随着平板电脑硬件性能的提升，无线通讯网络的发展，加之平板电脑轻便、灵活的特点，平板电脑在生活、工作中的使用越来越普及。随着近几年电力行业信息化建设的高速发展，电力生产、运行许多专业队信息化要求日渐提升。但由于电网设备布局分散，工作地点不固定，所以普通的台式PC、笔记本电脑都由于自身缺点无法满足一些现场工作的信息化需求。而平台电脑却很好的解决了这方面的问题。在智能电网的建设中，国家电网公司也提出了移动作业平台的概念。通过移动作业平台的建设，解决现场工作中故障处理，检修作业、线路巡视和试验等工作需求，还大大提高了工作效率和现场工作效果。随着电网GIS平台的建设，在借助GPS卫星定位及导航技术，平板电脑将会有着更大的应用空间。

在故障处理和检修作业时，当电力故障发生后，平板电脑可以迅速获得电子工单开展抢修作业，通过电子地图和GPS迅速定位故障地点，并设计出抢修车辆最短路径行进路线。到达抢修现场可以利用拍照和摄像功能记录事故现场的真实情况。在结合移动3G技术适时传输现场信息，保证指挥人员做出正确的判断，提高事故抢修联合作战能力。

在线路巡视时，结合全球卫星定位系统（GPS）技术和嵌入式地理信息技术的移动巡检系统，该系统能使巡检人员在现场进行工作计划查询、设备信息和地理信息的查询，记录缺陷情况，记录巡视到位情况等工作，具有路线安排、数据记录、工作状态监督、数据汇总报告等功能，并可与电力企业现有信息系统无缝连接，可有效检查巡线工作状态，及时发现线路的缺陷情况，克服了传统手工方式的缺点，保证输变电设备的高效率、低故障安全运行。

在智能抄表方面，借助于平板电脑的用户定位功能，能快速帮助工作人员找到无法获取用电量的电表位置，同时还可以规划抄表最优路径和对片区内的抄表成功率进行统计，为电力公司抄表方式的改进提供数据支撑。

五、结论

基于平板电脑的电网设备空间数据采集系统是电网GIS平台建设的一个有益的尝试，符合智能电网的发展趋势。通过理论研究和现场试用，均已满足项目建设和实际工作需求，也达到全面推广应用的要求。该系统全面建成并推广应用后，将大大提高电网设备空间数据采集的效率，大幅度降低空间数据采集成本，为电力企业带来可观的经济效益和社会效益。

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