CN106780739A - 一种变电站智能巡检三维gis***建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法，它包括：生成路网；采用Garmin设备采集变电站中所有路线中所有点的经纬度数据；将这些点的数据录入Map‑source中，选取所有关键点组成邻接表，同时将Garmin取到的信息通过AutoCAD软件画出具体线路并生成.shp格式文件；步骤2、建立三维场景；解决了现有技术的电力相关行业，三维GIS***就其实现技术来看主要存在渲染图形效率低，地理信息展示的不完全，而且需要大量的三维建模工作，难以维护等技术问题。

Description

一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法

技术领域

本发明属于巡检机器人巡检技术领域，尤其涉及一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法。

背景技术

在变电站内建设三维地理信息***的根本出发点是为了正确、全面、及时地获取电力***的各种信息，从而保障变电站安全、高效地运作，以及为更多用户提供更加完善周到的服务。三维GIS***是由传统的二维GIS***发展而来的，相比于二维GIS***，三维GIS能够更加客观的从空间方面展现地理信息。GIS***在电力方面的应用，目前停留于传统的二维GIS来描述和表达GIS地理数据和属性数据。在绘制基本的地理数据和分析数据上，当前的GIS***在图形展示能力方面起到了很好的辅助作用，但是对于某些具有重要三维数据的电力设施，如建筑物、杆塔、变电站等，传统二维GIS的表现能力差强人意；针对二维GIS只能表达平面地理信息的缺点，对GIS技术的研究开始由二维转向三维。三维GIS技术从理论上突破了二维GIS只能绘制平面图的限制，使人们能以三维的方式进行地理信息的应用。目前，在电力相关行业，三维GIS***的应用还很少，这主要是因为地理信息***目前正处在一个二维到三维的过渡时期，三维GIS***就其实现技术来看主要存在渲染图形效率低，地理信息展示的不完全，而且需要大量的三维建模工作，难以维护等技术问题。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法，以解决现有技术的电力相关行业，三维GIS***就其实现技术来看主要存在渲染图形效率低，地理信息展示的不完全，而且需要大量的三维建模工作，难以维护等技术问题。

本发明技术方案：

一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法，它包括：

步骤1、生成路网；采用Garmin设备采集变电站中所有路线中所有点的经纬度数据；将这些点的数据录入Map-source中，选取所有关键点组成邻接表，同时将Garmin取到的信息通过AutoCAD软件画出具体线路并生成.shp格式文件；

步骤2、建立三维场景；在Terra builder软件加载DEM数据和数字卫星地图生成.mpt格式地形数据库；在Terra Explorer Pro软件中加载生成的.mtp格式的文件；.mtp格式的文件在Terra Explorer Pro中打开是变电站三维地形场景，在该场景中加载GIS特征图层.shp文件、标绘、贴图、建立和加载3D模型，从而建立起三维虚拟场景。

它还包括：

步骤3、智能巡检线路规划：采用Dijkstra算法确定两停靠点之间的最优路径规划；采用遗传算法对二个以上巡检员或巡检机器人均衡分配巡检线路。

所述采用Dijkstra算法确定两停靠点之间的最优路径规划包括：

步骤3.1、建立初始时集合S和集合U，集合S只包含起点s；集合U包含除s外的顶点；

步骤3.2、从集合U中选出"距离最短的顶点k"，并将顶点k加入到集合S中，同时从U中移除顶点k；

步骤3.3、更新U中各个顶点到起点s的距离；

步骤3.4、重复步骤3.2和3.3，直到遍历完所有顶点，得到两停靠点之间的最优路径。

所述采用遗传算法对二个以上巡检员均衡分配巡检线路的方法包括：

步骤3.5、给所有城市给定唯一且连续的数组序号，采用以遍历城市的次序排列进行编码的方法，确定群体规模n，使用随机方法产生n个解X_i(k)(1≤i≤n，k为世代数)组成初始解群；

步骤3.6、对于每一个个体X_i(k)，变量k为世代数，初始时k＝1，计算其适应度f(x_i(k))；

步骤3.7、对于每一个体X_i(k)，计算其生存概率然后设一个随机选择器，依据P_i(k)以一定的随机方法产生配种个体X_i(k)；

步骤3.8、产生下一代种群，选取两个配种个体X₁(k)、X₂(k)，并依据一定的组合规则将X₁(k)、X₁(k)结合成两个新一代的个体X₁(k+1)、x₁(k+2)，直至新一代n个个体形成完毕；

步骤3.9、重复3.6至3.8，直至达到规定的世代数终结条件。

所述适应度f(x_i(k))的适应度函数为：

式中为均衡因子，Min(Di)为所有旅行商中最短的路径，d_ij为城市i到城市j的距离。

本发明的有益效果：

本发明建立了一个完整的路网***和三维GIS***。并实现巡检操作；通过优化算法实现同时为多名巡检员规划最优路线，并能够均衡的为多名巡检员分配任务；通过对skyline三维GIS***的二次开发，快速搭建一个较高性能的变电站三维GIS***，录入路网等信息后实现智能巡检功能；本发明三维数据可以降维到二维，因此三维GIS自然也能包容二维GIS的空间分析功能。三维GIS强大的多维度空间分析功能，不仅是GIS空间分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分体现了GIS的特点和优越性；利用现代化的技术和管理手段对变电站进行管理，增强对变电站设备的运行管理和监管能力，有效防止事故的发生，及时处理已发事故；解决了现有技术的电力相关行业，三维GIS***就其实现技术来看主要存在渲染图形效率低，地理信息展示的不完全，而且需要大量的三维建模工作，难以维护等技术问题。

具体实施方式：

本发明使用变电站高清影像和DEM数据，构建真实三维场景。用户可以查询场景中任意点坐标、高程等信息，***可以规划巡检路线。实现步骤如下：

步骤一 生成路网：

变电三维GIS***中需要四类数据：变电站数字卫星地图、变电站高程信息(经度、纬度、海拔)、变电站路线网络信息、设备信息。本发明变电站路线网络信息是通过Garmin(记录经纬度的设备)设备采集变电站中所有路线经纬度数据得到的。巡检算法数据类型都是点坐标(经纬度)数据，本发明采用Garmin(记录经纬度的设备)设备采集变电站中所有路线中若干点的经纬度数据。将这些点的数据录入Map-source(Garmin开发的一款GPS数据管理软件)中，在Map-source软件的地图中可以看到所有点组成的路线的信息，选取所有关键点(路口和停靠点)组成邻接表，同时将Garmin取到的路网信息通过AutoCAD软件画出具体线路并生成.shp格式文件。

步骤二 三维场景的生成：

Terra-Builder是skyline三维GIS***的一个利用DEM(高程数字模型)数据和遥感影像数据来构建自己的三维场景的工具。

Terra Explorer Pro是skyline三维GIS***中一个可以加载打开三维地形场景(.mtp文件)，然后可以在场景中进行各种编辑操作的工具，如加载GIS特征图层(.shp文件)、标绘、贴图、建立和加载3D模型等，从而建立起更加真实且丰富的三维虚拟场景。

三维场景的生成分成两步：

第一在Terra builder软件加载DEM(高程信息)数据和数字卫星地图。最终生成.mpt格式地形数据库。

第二，在Terra Explorer Pro软件中加载第一步生成的.mtp格式的文件，加载地形数据。然后将通过AutoCAD软件画的线划地形图数据(包括变电站路线、变电站设备坐标、变电站建筑物范围等图层数据)生成相应的.shp格式文件，在Terra Explorer Pro软件中利用添加图层工具导入批量建模。打开图层属性表添加属性字段，给建筑物图层添加number字段，对每个建筑物都赋予一个属性字段值。在Terra Explorer Pro软件中导人二维GIS特征图层。由于仅仅加载特征图层不能满足对三维场景的美化，所以需要通过贴图、标绘等操作来实现对建筑物及周边的三维场景的突出和美化。建筑物美化：首先赋予建筑物不同的高度，打开变电站建筑物图层属性框，选择位置下面的屋顶高度选项，设置高度为(number*5)，建筑物根据之前添加的不同的number属性字段值呈现出不同的高度。下一步是对建筑物进行贴图操作，建筑物贴图可以根据不同的属性采取不同的方式进行贴图，图片可以为变电站真实照片也可以为***数据库中的样本图片。道路美化：打开路线图层，使图层处于编辑状态，单击菜单Tools的Draw选项，选择Urban Design，按照skyline三维GIS***中的底图铺设道路，设置路灯、树木、交通信号灯等。

步骤三 智能巡检线路规划：

针对变电站智能巡检机器人全局最优路径规划需要解决的两大问题：一是任意两停靠点之间最短路径的求解问题；二是所有停靠点最优化组合的求解问题，提出采用Dijkstra算法、遗传算法两种方法。

算法数据类型都是点坐标(经纬度)数据，本发明采用Garmin(记录经纬度的设备)设备采集变电站中所有路线中若干点的经纬度数据。将这些点的数据录入Mapsource(Garmin开发的一款GPS数据管理软件)中，在Mapsource的地图中可以看到所有点组成的路线的信息，选取所有关键点(路口和停靠点等)组成邻接表。

1.Dijkstra算法解决两停靠点之间的最优路径规划，Dijkstra算法过程如下：

1)初始时，集合S只包含起点s；集合U包含除s外的其他顶点，且U中顶点的距离为"起点s到该顶点的距离"(例如，U中顶点v的距离为(s，v)的长度，然后s和v不相邻，则v的距离为∞)。

2)从U中选出"距离最短的顶点k"，并将顶点k加入到S中；同时，从U中移除顶点k。

3)更新U中各个顶点到起点s的距离。之所以更新U中顶点的距离，是由于上一步中确定了k是求出最短路径的顶点，从而可以利用k来更新其它顶点的距离；例如，(s，v)的距离可能大于(s，k)+(k，v)的距离。

4)重复步骤2)和3)，直到遍历完所有顶点。

2.遗传算法解决多个巡检员均衡分配走完所有巡检线路规划问题

本发明主要解决同时派出多名巡检员或多台巡检机器人的情况下，如何均衡的为多名巡检员规划最优路线的问题。多机器人巡检所有停靠点问题可以归纳成多旅行商问题(给出M个城市的集合，N个旅行商从各自所在的城市出发，分别走一条旅行路线，使得每个城市有且仅有一个旅行商走过。最后回到原来的出发城市.且总旅程最短)。本发明采用遗传算法解决上述问题。

遗传算法的过程如下：

1)所有城市给定唯一且连续的数组序号，采用以遍历城市的次序排列进行编码的方法，如码串82631457表示自城市8开始，依次经城市2，6，3，1，4，5，7，最后返回城市8的遍历路径。确定群体规模n(整数)，使用随机方法产生n个可能解X_i(k)(1≤i≤n，k为世代数)组成初始解群；

2)对于每一个个体X_i(k)(变量k为世代数，初始时k＝1)，计算其适应度f(x_i(k))；

3)对于每一个体X_i(k)，计算其生存概率然后设一个随机选择器，依据P_i(k)以一定的随机方法产生配种个体X_i(k)。

4)产生下一代种群。选取两个配种个体X₁(k)、X₂(k)，并依据一定的组合规则(如交叉、变异、逆转等)将X₁(k)、X₁(k)结合成两个新一代的个体X₁(k+1)、x₁(k+2)，直至新一代n个个体形成完毕。

5)重复2)至4)步，直至达到规定的世代数终结条件。

本发明采用设置虚拟点的方法将多旅行商问题转换为旅行上问题：假设有M个旅行商要走N个点，引入M-1个虚拟点，记为N+1，N+2...N+M-1。第i(0＜i＜N)个点到第j(N＜j＜M+N)个点的距离定义为第i个点到第1个点的距离。虚拟点之间及到中心点1之间的距离定义为无限大。在这样的假设下，M条线路所经过的点至少包含出中心点之外的另一个点。

遗传算法为多巡检员均衡的规划路径，目标函数有两个：

1)总路程最短，公式为:

2)均衡的分配巡检员的巡检路径，公式为：Min{Max(Di)-Min(Di)}综合两个目标函数可以得到遗传算法的适应度函数为：

其中为均衡因子，Min(Di)为所有旅行商中最短的路径，d_ij为城市i到城市j的距离。

步骤四 利用C#编程语言结合skyline三维GIS***进行二次开发

在Visio studio 2010软件中加载Terra Explorer Pro工具提供了一个ActiveX控件集合。在开发的界面中，嵌入3D窗口、信息树和导航地图。通过C#调用Terra ExplorerPro工具提供的用户接口在***中实现三维GIS***中的功能编程。

Claims (5)

1.一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法，它包括：

步骤1、生成路网；采用Garmin设备采集变电站中所有路线中所有点的经纬度数据；将这些点的数据录入Map-source中，选取所有关键点组成邻接表，同时将Garmin取到的信息通过AutoCAD软件画出具体线路并生成.shp格式文件；

步骤2、建立三维场景；在Terra builder软件加载DEM数据和数字卫星地图生成.mpt格式地形数据库；在Terra Explorer Pro软件中加载生成的.mtp格式的文件；.mtp格式的文件在Terra Explorer Pro中打开是变电站三维地形场景，在该场景中加载GIS特征图层.shp文件、标绘、贴图、建立和加载3D模型，从而建立起三维虚拟场景。

2.根据权利要求1所述的一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法，其特征在于它还包括：

步骤3、智能巡检线路规划：采用Dijkstra算法确定两停靠点之间的最优路径规划；采用遗传算法对二个以上巡检员或巡检机器人均衡分配巡检线路。

3.根据权利要求2所述的一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法，其特征在于：所述采用Dijkstra算法确定两停靠点之间的最优路径规划包括：

步骤3.1、建立初始时集合S和集合U，集合S只包含起点s；集合U包含除s外的顶点；

步骤3.2、从集合U中选出"距离最短的顶点k"，并将顶点k加入到集合S中，同时从U中移除顶点k；

步骤3.3、更新U中各个顶点到起点s的距离；

步骤3.4、重复步骤3.2和3.3，直到遍历完所有顶点，得到两停靠点之间的最优路径。

4.根据权利要求2所述的一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法，其特征在于：所述采用遗传算法对二个以上巡检员均衡分配巡检线路的方法包括：

步骤3.5、给所有城市给定唯一且连续的数组序号，采用以遍历城市的次序排列进行编码的方法，确定群体规模n，使用随机方法产生n个解X_i(k)(1≤i≤n，k为世代数)组成初始解群；

步骤3.6、对于每一个个体X_i(k)，变量k为世代数，初始时k＝1，计算其适应度f(x_i(k))；

步骤3.7、对于每一个体X_i(k)，计算其生存概率 然后设一个随机选择器，依据P_i(k)以一定的随机方法产生配种个体X_i(k)；

步骤3.8、产生下一代种群，选取两个配种个体X₁(k)、X₂(k)，并依据一定的组合规则将X₁(k)、X₁(k)结合成两个新一代的个体X₁(k+1)、X₁(k+2)，直至新一代n个个体形成完毕；

步骤3.9、重复3.6至3.8，直至达到规定的世代数终结条件。

5.根据权利要求4所述的一种变电站智能巡检三维GIS***建立方法，其特征在于：所述适应度f(x_i(k))的适应度函数为：

$F\left(x\right)=Min\frac{\{Max\left(Di\right)-Min\left(Di\right)\}}{k*Min\left(D_i\right)}\×{\Σ}_{i=1}^{N+M-1}{\Σ}_{j=1}^{N+M-1}{d}_{ij}{x}_{ij}+{\Σ}_{i=1}^{N+M-1}{\Σ}_{j=1}^{N+M-1}{d}_{ij}{x}_{ij}$

式中为均衡因子，Min(Di)为所有旅行商中最短的路径，d_ij为城市i到城市j的距离。