（电力系统及其自动化专业论文）数字输电网络的关键技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t t h et e r mo f d i g i t a le a r t h i sp u tf o r w a r di n1 9 9 8 i no r d e rt or e s o l v et h e c o n f l i c tb e t w e e nt h e l a r g e a m o u n to fi n f o r m a t i o na n ds a t i s f y i n gu t i l i z a t i o n ，i t p r o v i d e sa ni n t e g r a t e di n f o r m a t i o ns y s t e mw i t ha u n i f o r ms t r u c t u r em o d e l a f t e ri n t r o d u c i n gt h em e a n i n go f “d i g i t a le a r t h ”a n di t sr e l e v a n tt e c h n o l o g i e s ， t h i st h e s i se x p a t i a t e si t sm a i nf i m c t i o n s ，s t r u c t u r e ，a n df u t u r ea p p l i c a t i o n s i tp u t st h e f o c u so nh o wt or e a l i z et h es y s t e m d i g i t a l p o w e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ”i s a c t u a l l y a p l a t f o r m u s e df o r i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t i tc o n f o r m st h ed a t ac o r r e l a t e dt ot r a n s m i s s i o nn e t w o r k t h r o u g hd a t am a n a g e m e n t a n dv i r t u a lr e a l i t yt e c h n o l o g y a l s oi tc a nd e m o n s t r a t et h e c i r c u m s t a n c ea n ds t a t u so ft h ew h o l et r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，a n dc a nd ot h ea u t o m a t i c v e r i f i c a t i o na n ds i m u l a t i o no fn e t w o r k d e s i g n ，o p e r a t i o na n dm a n a g e m e n t s f i n a l l y i t a c h i e v e st h e g o a l o fp r o v i d i n ge x c e l l e n t s u p p o r t s i nt h ew h o l e l i f e c y c l e o fa t r a n s m i s s i o nn e t w o r k r e a s o n a b l ed i g i t a lm o d e l sa n do r g a n i z a t i o nm e t h o d sa r et h eb a s i cp r e m i s et o d i g i t a l p o w e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r k t h i st h e s i sd i s c u s s e st h ec l a s s i f i c a t i o no f r e l e v a n td a t aa n dt h ec o r r e s p o n d i n gd i s p o s i t i o nm e t h o d s i tp r o v i d e sm u l t i s c a l ea n d m u l t i - l e v e ld i g i t a lm o d e l s ，a n dr e a l i z e st h em a n a g e m e n to f d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l ， s a t e l l i t ei m a g i n g ，a e r i a lp h o t o s ，s u r f a c ef e a t u r e s t h ec o r ec o n t e n t so f d i g i t a lp o w e r t r a n s m i s s i o nn e t w o r ka r et ob u i l dt h et r u e t h r e ed i m e n s i o ns c e n eo f o b j e c t i v er e g i o n ，t os e a r c hf o rt h et r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t s a n dt oo p e r a t et h e mi nt h es c e n ei n t e r a c t i v e l y a c c o r d i n gt ot h et w om a i nk i n d so f t h r e ed i m e n s i o nd i g i t a lm o d e l s ( e a r t hs u r f a c em o d e la n dt r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t m o d e l ) ，t h i s t h e s i sd e s c r i b e sa s i r n p l i f y i n g m e t h o dd e p e n d e do n v i e w p o i n t ：i t a c c o m p l i s h e sd i s p l a y i n ga n df l y i n go v e ral a r g ea r e ao f t r u ee a r t hs u r f a c ew i t hl e v e l o fd e t a i lm o d e lb a s e do nb l o c k b i n a r yt r e e a n di tr e a l i z e st h ee f f i c i e n td i s p l a yo f a b u n d a n td a t ao fe q u i p m e n tm o d e l sa n di n t e r a c t i v em a n a g e m e n tb yt h em e t h o do f c o m b i n a t i o no f m o d e l sa n d i m a g e s t r a n s m i s s i o nl i n ed e s i g ni sac o m p l e xs y s t e mp r o j e c tw i t hl a r g ei n v e s t m e n t b a s e do nd a t ap r o v i d e db yd i g i t a lt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，a n dc o m b i n e dw i t ht h e i i 塑垩查兰堕主兰竺笙苎 g e n e t i ca l g o r i t h m ，t h et h e s i sp u t sf o r w a r dag e n e r a lo p t i m i z a t i o nm e t h o dt od e a lw i t h t h ed i f f i c u l t i e si nt r a n s m i s s i o nl i n ed e s i g n ，w h i c ha r ep a t ha n d p o l es e l e c t i o no f t h e t r a n s m i s s i o n l i n e ，s y n t h e t i c a l l yc o n t e m p l a t i n g a 1 1k i n d so fe n v i r o n m e n t a la n d a n t h r o p o g e n i cf a c t o r s ，t h em e t h o dh a sg r e a tp r a g m a t i cm e a n i n gi ns a v i n gc o s to f d e s i g n k e y w o r d ：d i g i t a lp o w e rt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ， m u l t i s c a l em o d e l ，v i r t u a l r e a l i t y , t h r e ed i m e n s i o ns c e n e ，l e v e lo fd e t a i l ，c o m b i n a t i o no fm o d e l a n di m a g e ， v i e w - p o i n td e p e n d e d ， g e n e t i ca l g o r i t h m s ，p o w e rl i n ed e s i g n ， s e l e c t i o no ft h ee l e c t r i cc i r c u i t r y , p o s i t i o nf o re l e c t r i cp o l e u i 浙江大学博士学位论文 第一章绪论 “数字地球”的基本概念是力求用一种统一的模型开发出可以汇集全球信息 的信息综合系统，使人们可阻更全面深入地了解、掌握和管理无处不在的信息海 量数据 1 。“数字输电网络”是“数字地球”概念的一个子集，它将涵盖输电网 络各条线路的多尺度、多分辨率的地形、设备等相关数据按照统一的坐标框架和 数据格式进行管理，并运用虚拟现实、计算可视化等现代计算机技术构建数字平 台，为输电网络的查询、管理、分析、设计等工作提供最直接、形象的辅助决策 信息。 1 1 背景 1 9 9 8 年1 月3 1 日，美国副总统戈尔在加利福尼亚科学中心做了题为数字 地球认识2 1 世纪的我们这个星球( t h ed i g i t a le a r t h ：u n d e r s t a n d i n go u r p l a n e ti nt h e2 1 ”c e n t u r y ) 的演讲，第一次比较系统地阐述了数字地球的 概念，勾勒出了数字地球的构建方向与远景蓝刚”。之所以要建立数字地球，按 照戈尔的设想，是因为现在我们一方面拥有大量的可以发挥积极作用的信息，而 另一方面又因为这些信息与人们使用它们时的即时性显示技术，或者说海量信息 与用户之间的界面、可达性存在一定的障碍或困难，导致大量信息被闲置、埋没 起来，慢慢地过时到变得无用：而解决这一矛盾的方法，便是建立“数字地球”。 2 】 “数字地球”就是应用遥感( r e m o t es e n s i n g ，r s ) 、数据收集系统( b a t a c o l l e c t e ds y s t e m ，d c s ) 、全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 、 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 、计算机网络和多媒体技 术、现代通信等高科技手段，收集从地下莫霍面到高空电离层的，覆盖于地球表 面的、全方位的、支持多分辨三维显示的海量地理信息，并使用基于地理数学模 型的高级决策系统，对这些数据进行分析、运算、过滤、重组，以达到对全球地 理及相关人文、社会现象的模拟和仿真，最终实现对人类与地球环境之间关系的 一种精确的、定量的、数字化的描述和表达。 从另一个角度看，数字地球也是一个以地球空间信息为基础( 框架) ，嵌入( 融 合) 地球上各种数字信息的系统平台，它将数据的采集、存贮、处理、传输、通 信等融为一体，通过地球数据的信息化手段，最大限度地利用地球信息，处理和 分析整体的地球科学问题，为全球资源、社会生产、环境保护与利用以至教育提 供先进的工具p j 。 随着“数字地球”的概念及其内涵逐步明晰，越来越多的政府机关和行业部 门开始关注这一2 1 世纪信息产业发展的切入点。数字城市、数字铁路、数字矿 浙江大学博士学位论文 区等概念和应用相继出现，运用“数字地球”的概念和技术对传统的信息管理方 式进行变革成为又一次信息革命的基本特征。 1 2 输电网络信息化的现状和不足 输电网络是电力系统最重要的组成部分之一，如何提高输电网规划、设计、 施工、运行和维护的安全性和经济性是电力企业的工程师和相关科研院所的研究 人员历来关注的焦点。随着电网电压等级的提高和规模的扩大，商业化运营的逐 步实施，各项研究工作又面临着新的挑战。 多年来，电力工作者设计和开发出以电子计算机为核心的各种应用系统以提 高电网运行的自动化、信息化水平，成功地提高了电网的生产效率，亦取得了较 大的经济效益。然而，随着电网运行要求的不断提高，数据采集、通讯方式的不 断完备，电网需采集信息量与可采集信息量也迅速增加。这种采集数据量不断增 加的趋势，激化了电网运行人员信息处理能力有限和实际信息量庞大的矛盾。因 此，解决这一矛盾成为当代电网信息化进程的重要课题。 现阶段，电力行业已存在多个输电网络设计或管理软件，如各类二维输电网 地理信息系统和各种基于c a d 软件风格的线路设计辅助系统，但与电力系统的 事实情况相比，信息化工作依然存在着不小的差距，总体来说有以下三点： 第一，各种应用软件缺乏统一规范，即使在专项业务中也没有能够形成统一 的软件概念性框架，从而给各应用系统相互间的通讯和数据共享带来了很大的额 外负担，成为信息技术综合性应用的最大限制。 第二，所使用的信息管理平台中，大多是以二维数据为基础，用象征性的方 式给予设计或运行人员以一定的概念性辅助，无法较好地综合各方面，特别是地 理方面的信息数据，使管理和设计中必须使用的最真实信息不能以很直观有效的 方式被利用。 第三，在功能方面，重查询而轻分析，没有能够充分挖掘属性数据、环境数 据和电力监测数据的应用潜力，同时在人机交互上也缺乏有效的互动机制。 要很好的解决现有软件存在的问题，就必须在一个具有代表意义的宏观概念 下，运用开放且规范的软件体系、数据结构及计算机可视化技术，建立一个具有 统一标准的，能最大限度体现现有信息数据的数字平台，为输电网络的设计、运 行、管理提供有效的决策支撑。而这，也正是“数字地球”这一宏观概念下的具 体应用表现。 1 3 数字输电网络信息平台的支撑技术介绍 构建“数字输电网络”是一项复杂的系统工程，涉及到信息科学、计算机科 浙江大学博士学位论文 学，地球科学及电力系统等多方面的理论和技术 从数字平台的构建来看，可以概括为： 3 s ( g i s r s g p s ) + n e t + v r( 1 1 ) 其中：g i s 为地理信息系统；r s 为遥感技术g p s 为全球定位系统；n e t 为 网络通讯技术：v r 为虚拟现实技术。关键技术包括：1 m 分辨率的卫星遥感技术、 海量数据的数据管理及组织技术、高速网络技术、开放的基于三维表现的地理信 息系统互操作技术、多分辨率多维数据的融合与主体动态表达技术、仿真与虚拟 技术以及元数据( m e t a d a t a ) 技术等。 从数字平台的应用角度看，需要运用必要的软计算方法如专家系统、动态规 划、模糊数学或遗传算法等方法在平台提供的源数据基础上，实现线路的优化运 行管理、智能线路设计、故障模拟培训等高端应用。 1 3 i 数字输电网络的数据组织方法 1 3 1 1 数字输电网络中的数据及其特点 “数字输电网络”本质上是一个信息系统，而构建一个良好信息系统的基础 和关键是数据。数字输电网络包含多种类型的数据，有空间数据，也有非空间数 据：有几何数据，也有物理数据；有矢量数据，也有栅格数据；有直接采集的数 据，也有计算生成的数据，甚至包括必要的模拟数据等，因此，构建数字输电网 络的数据具有海量、多维、多源、多类、多时态、多尺度、多精度、多分辨率等 特点。 1 3 1 2 多尺度的信息数据框架 输电网络是一个地域范围广、设备投入多、相关数据量大的巨大网络系统。 随着观察视野的变化，空间地理信息和设备表现信息的比例尺也应进行自动增 减。由于地图的自动综合受诸多因素的影响，目前比较可行的是采用多尺度空间 数据支持来实现此目标。所谓多尺度就是指系统内包含几种不同比例尺( 或分辨 率) 的空间数据，其目的是为了适度地反映系统所关心区域的空间地理信息和设 备表现信息，以避免地物信息的过粗、失真或地物信息的负载量过大而使系统无 法正常运行 1 2 】。 多比例尺表现形式有两种，一种是一库多版本，即建立一个较大比例尺数据 库，从中提取其它层次比例尺，另一种是多库多版本，即独立建立对应于多级比 例尺( 或分辨率) 的多个空间数据库。 浙江大学博士学位论文 1 3 1 2 数据的组织和管理方法 在数据的组织和管理上，目前存在的与海量地理信息相关的系统大多采用混 合模式，即将几何意义上的空间数据与属性数据分开存储，分别用文件和数据库 管理，而未来的发展趋势是应用面向对象的数学模型以及真正意义上的用数据库 来管理海量数据的空间数据仓库技术。 目前，建立基于面向对象技术的空间关系数据库在世界范围内还是一个研究 方向，其研究主要集中于将数据集成在面向对象数据库或对象一关系型数据库 中，使空间对象具有方法、继承、封装等面向对象的特点，保证整个系统呈现一 种层次结构，以提高系统效率 1 6 1 。 美国e s r i 公司于9 0 年代推出的空间数据引擎( s d e ) 提供了一种解决海量数 据组织及管理的方案。它依托于关系数据库环境，采用高效空间目标模型 ( e f f i c i e n ts p a t i a lo b j e c tm o d e l ) 对空间实体进行完整组织，这一方面避免了 大数据量传统拓扑模型组织数据时需要的频繁硬盘访问操作；另一方面，空间信 息作为关系库中的成员，使属性信息与图形信息完全一体化，避免了通过标识码 连接属性，提高了信息检索的效率。然而，这种处理方法也并非无懈可击， 首先，由于空间目标均是完整保存的，对现在以图幅为单位进行的空间数据采集 和更新极为不利：当图形进行修改时对应的空间连接索引必须全库随时重构；其 次，就大区域而言，要求空间信息建立的同步进行是非常困难的。此外，这种方 法客观上造成了空间信息有多级产品，数据冗余较大，又给管理、维护带来许多 问题。 由此可见，从目前技术的发展水平看，在混合模式的基础上对空间数据采用 分块方式存入数据库，同时建立层次和索引体系是现有大型空间数据管理较为有 效的方法。 1 3 。2 数字输电网络中的虚拟现实技术 数字输电网络中的虚拟现实系统涉及到多种相关技术，最主要的包括两方 面：多分辨率的三维模型简化及漫游技术和多层次场景组织及显示引擎技术。 1 3 2 1 多分辨率的三维模型简化及漫游技术 “数字输电网络”中的三维模型主要包括地表模型和输电设备模型，其中大 规模地表模型的显示及漫游是整个三维场景实时显示的基础。 目前地表模型的绘制大多采用标准d e m ( d i g i t a le l e v a t i o nm o d e l s ，即数字高层 模型) m 】格式的地形高度数据，即按矩形网格采样的地形高度数据。场景的复杂 4 浙江大学博士学位论文 程度与绘制速度相互制约，地形空间规模越大，采样精度越高，d e m 数据的数据量 也就越大，在同一时刻显示处理所有数据，实现实时漫游的可能性就越小。然而 在漫游中，人的视觉在每一时刻只能观察到近视点的那一部分场景，而较远场景 只需要用相对简单的数据表示。因此，对地形数据进行有效裁剪和视点相关的实 时简化能极大减少绘制的数据量，从而达到满意的漫游效果。 地形生成算法根据其网格生成方法可以分为基于规整三角形网格的算法和 基于不规则三角形网格( t i n ) 的算法两大类。基于规整网格的方法从d e m 栅格数据 出发生成规整的三角形网格，代表算法有 1 8 , 1 9 , 2 0 】：基于不规则三角形网格的方法 则直接用满足重要性条件的顶点生成网格，h o p p e 2 1 1 生成的网格就是这种不规 则三角形网格。 解决大规模场景简化绘制的技术包括预测计算，脱机计算，场景分块，可见 消隐和细节层次模型( l e v e l so f d e t a i l ) ! g j 9 2 2 】。比较上述方法，前面几种仅适用于 某些特殊的情况，而l o d 模型方法则具有普适性。所i 胃l o d 模型方法，即为每 个物体建立多个相似的模型，不同模型对物体的细节描述不同，对物体细节的描 述越精确，模型也越复杂，根据物体在屏幕上所占区域大小及视点等因素，为各 物体选择不同的l o d 模型，从而减少需要显示的多边形数目，图1 1 就是用l o d 技术制作的不同细节层次的地形网格模型。l o d 技术是一种有前途的方法，然而， 这种方法对场景模型的描述及维护提出了较高的要求。 图1 1 用l o d 技术制作的不同细节层次的地形网格模型 在l o d 模型的基础上，文献 2 3 提出了一种基于二叉树结构的根据视点实时 自适应网格分裂或合并的地形漫游算法，这种算法可以使同一时刻场景内的三角 形数量为一恒定值( 可设置) ，接近视点处的网格自动细化，而远离视点处的网 格自动重合，达到模糊处理的目的。 1 3 2 2 多层次场景组织及显示引擎 多层次场景组织及显示引擎主要负责虚拟的真实场景中的多元数据的集成、 管理、绘制和交互，是虚拟现实系统中数据处理的另一个核心技术。 ( 1 ) 数据集成数字平台中的数据是场景引擎通过数据连接器( d a t a c o n n e c t e r ) 访问不同来源、不同格式、不同维数的多元数据，并通过统一接口提 浙江大学博士学位论文 供给上层绘制及交互程序。 ( 2 ) 场景绘制场景引擎负责存储和管理场景，将数据提交图形包( 如 d i r e c t x 、o p e n g l ) 绘制，包括处理三维实体在场景中的光照、纹理、消隐等处理。 ( 3 ) 场景交互接收交互信息( 如缩小放大、旋转、飞行) ，并即时更新场景。 场景的数据组织形式有很多，传统的顶点一边一多边形结构易于快速三维变 换和绘制，但不支持结构化场景、复杂交互和多源数据集成：场景图( s c e n eg r a p h ) 采用面向对象的结构化数据管理，但不适合拓扑结构不同的多元数掘集成。 对于具有复杂的多类别源数据的信息平台，较好的组织及管理方法是使用层 ( l a y e r ) 作为基本单位。层是具有相同拓扑结构、相同来源、相同主题的数据 集。在层的范围内又可根掘数据集的特性、应用目的和拓扑结构采用场景图、顶 点一边一多边形等组织结构，并以数据连接器实现场景数据的导入和转换。数据 层采用面向对象的思想设计，便于数据封装和扩展，同时易于优化绘制流程，加 快场景绘制与交互。图1 2 为一个多层次场景的实例： 图1 2 一个多层次场景的实例 1 3 3 基于数字输电网络平台的输电线路设计 建立数字输电网络的目标是最大限度的整合与输电网络有关的各类数据，提 供一个对输电网络进行查询、管理、分析和设计的操作平台。在这些上层应用中， 数字平台对于实现输电线路智能设计的支持尤为突出。 输电线路设计是一项投资大、要求高的复杂系统工程，从内容上可分为容量 计算、路径选择、电气设计、力学计算、设备选择和选线定位等f 2 4 】。其中路径 选择和排杆定位是影响整条线路经济投资的重要因素，且其合理性没有统一的评 价标准，因此成为国内外学者研究的热点问题。 目前在我国的电力线路工程设计中，多数仍采用人工选线和排杆的方法，设 计人员根据图纸和文字资料，以主观经验为依据选择线路路径，并在确定路径后 6 一一一一 浙江大学博士学位论文 手工定位排杆，计算各个档距，根据状态方程制作模板，利用模板连接悬链线。 若连出的悬链线不能正常跨越障碍物，则须移动或调整电线杆再计算各个档距， 制作模扳，反复校对计算，直至满足设计要求。以上人工设计方法不但工作量大， 设计周期长，计算误差大，而且选路和排杆的主要工作建立在设计人员的主观经 验上，其准确性和经济性都不能得到有效保证l 2 5 】。 虽然微机辅助设计在国内外已经广泛应用，但多数软件是采用通用软件( 如 a u t oc a d ) 加上航片或者测绘部门提供的地图，将计算机作为一种“高级绘图板”， 而设计过程中还是以制图方式逐点输入，用人工的方式在计算机上进行选路、排 杆和布线，设计的关健问题并没有得到解决。 针对线路设计的特点和目标，文献 2 6 提出了用目标规划技术选择线路路 径，用动态规划的方法进行排杆定位；文献 2 7 讨论了用模糊评评价决策方法和 专家评价决策方法来选择输电线路路径。在实际的设计过程中，也有一些设计优 化软件包，如国外的p l s c a d d ( p o w e rl i n es y s t e m c o m p u t e ra i d e dd e s i g n a n dd r a f t i n g ) 、国内的s l c a d 架空送电线路定位c a d 系统等。 以上的输电线路设计优化方法及辅助软件，主要存在两方面的不足： 1 ) 无法将线路设计所涉及的地理、气象、环境及人工限制等约束条件整合 在一起综合利用。大多数设计辅助软件必须依靠手工输入数量众多、格式复 杂的数据文件作为设计的数据来源，而一旦环境和条件发生变化，又必须重 新输入基本信息。 2 ) 在路径选择和排杆定位的优化上，基本上采用局部优化，即路径的下一 选择地点或立杆杆位取决于前面若干个( 2 3 ) 选定地点或杆位，无法实现 全局优化。 “数字输电网络”可以很好的解决第一个问题，它可以将与输电线路相关的 数据整合在一起，并动态的提取线路设计所需要的各类原始信息，作为优化或模 拟设计的数据基础。 在数据离散化的基础上，运用模糊数学和遗传算法对路径选择和排杆定位进 行优化，可得到全局性的最优解。 1 3 4 模糊推理系统及遗传算法介绍 模糊推理系统和遗传算法都属于软计算方法。软计算方法是一种创建计算智 能系统的新颖方法，与传统的硬计算不同，软计算允许存在不精确性和不确定性， 这正好符合线路设计中路径选择和排杆定位的不确定性判定。 1 3 4 1 模糊推理系统 模糊逻辑推广了经典的二值逻辑，可以具有无穷多个中间状态，是处理不精 确性和不确定性的有效工具。模糊技术以模糊逻辑为基础，从人类思维中的模糊 7 浙江大学博士学位论文 性出发，对于模糊信息进行量化，其中最重要的一步是定义相应模糊集的隶属函 数。自然语言中的非确定成分由相应的隶属函数来描述，而且通过作用于隶属函 数的数学算子来刻划语言中语气的轻重。所以模糊集合论将经典集合论中用点刻 划客观对象的方法推广为用“几何曲线”来描述客观对象集中的基本元素，这无 疑将使模糊集的描述能力同经典集合相比有本质的提高。在模糊理论研究中，隶 属函数是最基本的研究对象，它可以依靠专家知识与实际经验确定，其中包含有 主观的因素。但这并不意味着由此建立的理论将不可靠，相反地正是因为利用了 这一点，模糊集反映了人脑的思维持征而使得模糊理论在许多以人为主要对象的 领域得到了成功的应用【2 8 j 。 由于输电线路路径选择或排杆定位的相关因素和约束条件很多，而且往往又 是模糊的、不精确的甚至是矛盾的，所以用模糊数学中的“隶属函数”来描述某 一地点或杆位的可行性具有现实意义。 1 3 4 2 遗传算法 遗传算法将问题的可能解进行合理的编码，形成进化种群，即搜索空间，用 适应度函数来刻画种群中的个体对于周围环境的适应能力。由达尔文的进化论和 孟德尔的遗传学说，适应度高的个体可以在遗传竞争中获得较高的遗传机会，而 适应度低的个体则在竞争中逐步失去其进行遗传的可能性，这样就达到了优胜劣 汰的自然选择。遗传算法主要是通过选择交叉和变异等模拟生物基因操作的步骤 来进行的。在算法的运行过程中，种群逐代优化而趋近于问题的最优解。 遗传算法对目标函数的要求很低，甚至无须知道目标函数的表达式，它是一 类具有较强鲁棒性的优化算法，特别对于一些大型的、复杂非线性系统，它更表 现出了比其它传统优化算法更加独特和优越的性能。隐含并行性和全局搜索特性 是遗传算法的两大显著特征。 运用遗传算法对通过用数字模型及模糊数学方法判定出的离散化的输电线 路杆塔可用地点或杆位进行选择，可实现路径及排秆的全局优化。 1 4 本文的主要工作和论文的组织 本论文首先提出了“数字输电网络”的基本概念和主要内容，然后对构建该 数字平台所需的主要关键技术进行了讨论，最后提出了基于数字平台的智能输电 线路设计方法。具体所做的工作包括以下四个方面： 提出了“数字输电网络”的概念，并阐述了相关的内容和实现方法： 一讨论了数字输电网络的数据分类及其对应的空闻模型i _ 研究了符合数字平台特点的大地形显示和漫游技术及设备的多层次模 型的表达及显示； 提出了基于数字平台和遗传算法的输电线智能设计方法； 第一章绪论以“数字地球”这一宏观理论为背景，讨论了构建数字平台的主 要关键技术和目前已有的解决方案；同时简单介绍了输电网信息化的现状和现有 的输电线路设计方法及其不足。 第二章介绍了“数字地球”的概念、内容和应用前景，根据输电网络的实际 需求，阐述了“数字输电网络”的基本概念和主要内容，提出了该数字平台的基 本结构框架和需要实现的技术内容。 第三章讨论了“数字输电网络”的数据分类，提出了多比例尺多层次的数据 组织模型，合理地解决了数字高程模型、卫星照片或航拍照片、地表特征物( 如 输电设备模型) 等海量数据的管理。 在第四章中，针对数字平台中两种主要的三维数据模型地表模型及输电设 备模型提出了基于视点的简化方法：用块一二叉树结构的动态细节层次模型解决 了大区域真实地形的显示及漫游方法；用矢栅结合的方式实现了对海量设备模 型数据的高效显示及交互管理的功能。 在第五章，提出了基于数字模型和遗传算法的智能输电线路设计方法，该方 法充分利用了数字平台提供的综合数据信息，并运用模糊判别的概念和遗传算法 对路径选择和杆塔定位进行了全局性的优化，在满足各种输电线路设计约束的前 提下得到其经济指标的最优。 最后，第六章总结了本论文的工作，并提出了下一步的研究方向。 9 浙江大学博士学位论文 第二章数字地球与数字输电网络 2 1 数字地球的概念及技术基础 数字地球是对未来人类生活的宏观展望，它描绘出了信息时代人类在地球上 生存、工作、学习和生活的时代特征。 所谓“数字地球”，可以理解为对真实地球及其相关现象统一的数字化重现 和认识。其核心思想是用数字化的手段来处理整个地球的自然和社会活动等诸方 面的问题，最大限度地利用资源，使普通人能够通过方便可行的方式获得他们所 想了解的相关信息，其特点是嵌入海量地理数据，实现多分辨率、三维的地球描 述，即“虚拟地球”。 通俗地讲，就是用数字的方法将地球、地球上的活动及整个地球环境的时空 变化装入电脑中，实现在网络上的流通，并使之最大限度地为人类的生存、可持 续发展和日常的工作、学习、生活、娱乐服务。 严格地讲，数字地球是以计算机技术、多媒体技术和大规模存储技术为基础， 以宽带网络为纽带，运用海量地球信息对地球进行多分辨率、多尺度、多时空和 多种类的三维描述，并利用它作为工具来支持和改善人类活动和生活的质量。 2 ，1 1 数字地球的技术基础 在计算机上实现“数字地球“需要诸多学科，特别是信息科学技术的支撑， 这其中主要包括：高分辨率卫星影像、信息高速公路和宽带网技术、空间信息技 术、海量数据处理与存贮技术、科学计算以及可视化和虚拟现实技术。 1 ) 高分辨率卫星影像 只有空间对地观测技术才能提供全球性、重复性、连续性的地球表面数据， 而遥感技术将更可能多的集多传感器、多频段、多分辨率和多时相于一体，并与 全球定位系统( g p s ) 和地理信息系统( g i s ) 以及快速图像处理系统等技术结合 起来，构成图像数据采集与处理的智能空间对地观测系统。 遥感卫星影像技术在其问世后的2 0 多年中，分辨率已经有了飞快的提高， 这里所说的分辨率指空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。空间分辨率指影像 上所能看到的地面最小目标尺寸，用像元在地面的大小来表示。从遥感形成之初 的8 0 米，已提高到3 0 米，1 0 米，5 8 米，乃至2 米，军用的甚至可达到l o o m ， 因此不久的将来，获取1 m 或优于1 m 的空间分辨率影像将会十分方便。光谱分辨 率指成像的波段范围，分得愈细，波段愈多，光谱分辨率就愈高，现在的技术可 1 0 浙江大学博士学位论文 以达到5 - 6 n m ( 纳米) 量级，4 0 0 多个波段。细分光谱可以提高自动区分和识别 目标性质和组成成分的能力。时间分辨率指重访周期的长短，目前一般对地观测 卫星为1 5 2 5 天的重访周期。通过发射合理分布的卫星星座可以3 - 5 天观测地球 一次。 目前，美国已授权商业卫星系统提供1 米分辨率( 甚至一英尺分辨率) 的卫 星图像，这就为编制数字地球所需要的地表数据提供了足够的精度。下一代的 s p o t 卫星将采用小卫星技术，从而使高精度卫星影像的获得成本更低、更及时、 更准确。 2 ) 信息高速公路和宽带网技术 在数字地球中，不同来源和不同应用目的的多媒体海量数据不能存放在单一 的数据库中，而只能进行分布式存储和维护，它们之间以及与提供数字地球服务 的应用站点之间，必须采用超高速网络连接成一个无缝集成的空间数据仓库，并 支持用户的透明访问。 美国前总统克林顿早在1 9 9 3 年2 月就提出实施美国国家信息基础设施( n 1 1 ) ， 通俗形象地称为信息高速公路，它主要由计算机服务器、网络和计算机终端组成。 美国为此计划投入4 0 0 0 亿美元，耗时2 0 年。至u 2 0 0 0 年的目标是提高生产率2 0 4 0 ， 获取3 5 0 0 0 亿美元的效益。 目前美国已经开始建设1 0 吉字节秒传输速率的网络，并把千吉级传输速率 作为下一代i n t e r n e t 技术的关键，这将为数字地球的作用提供更为广阔的应用 舞台，也将使更多的行业、部门和个人认识和开发数字地球。 3 ) 空间信息技术与空间数据基础设施 空间信息是指直接或间接与地球表面的地理位置或时态有关的各种现象的 信息。经统计，世界上的事情有8 0 与空间分布有关，空间信息用于地球研究即 为地理信息系统。为了满足数字地球的要求，将影像数据库、矢量图形库和数字 高程模型( d e m ) 三库一体化管理的大型g i s 软件和网络g p s ，将在未来几十年 内十分成熟和普及。 现在人们通过i n t e r n e t 进行查询、处理和发布信息时，会发现大量的信息 都与地理空问位置有关。例如，查询旅游景点和路线，了解目前的交通情况和道 路拥堵状况，购房时选择价廉而又环境适宜的住宅等都需要有地理空间参考。可 由于尚未建立空间数据参考框架，致使目前在万维网上制作主页时还不能轻易将 有关的信息连接到地理空间参考上。 为了使与地理和地球有关的空间信息能够在i n t e r n e t 上准确地表达、描述 和查询，各国都在建立国家范围的空间数据基础设施( n s d i ) 。n s d i 是连接信 1 l 浙江大学博士学位论文 息高速公路与数字地球的桥梁，它包括空间数据协调管理与分发体系、空间数据 交换网站、空间数据交换标准及数字地球空间数据框架( d i g i t a lg e o - - s p a t i a l d a t af r a m e w o r k ，简称d g s d f ) 。美国前总统克林顿在1 9 9 4 年以行政令下发任务 建立n s d i ，并于2 0 0 0 年元月初步建成；我国在本世纪初也已建成基于l ：5 0 0 0 0 比例尺的空间信息基础设施，现在正努力建设1 ：i 0 0 0 0 比例尺的n s d i ；欧洲、 俄罗斯和亚太地区也都在积极建设本国的空间数据基础设施。 4 ) 大容量数据存贮及元数据 海量数据指的是巨大的、空前浩瀚的事物或空间数据。根据初步推算，数字 地球将需要存贮千亿兆字节( 1 0 1 7 b ) 的信息。其中包括空间数据、文字描述、 声音图像、统计报表等各类信息。美国n a s a 的“行星地球计划”e 0 s a m 于1 9 9 9 年上天，每天产生1 0 0 0 g b ( 即1 t b ) 的数据和信息，但这些数据至今静静地躺在 数据仓库中，无法被有效利用。要将这些原始数据转变为对社会经济和人类日常 生活有用的信息，并高效地操纵这些数据，就必须在海量空间数据的高速存储、 压缩处理以及多比例尺、多时相、多源数据的集成技术等方面进行深入的研究。 另一方面，为了在海量数据中迅速找到需要的数据，元数据( m e t a d a t a ) 库 的建设是非常必要的，它是关于数据的数据，通过它可以了解有关数据的名称、 位置、作者( 或来源) 、日期、数据格式以及分辨率等信息，从而大大减少寻找 所需数据的时间。 5 ) 科学计算 在计算机出现以前，科学试验或实验这种创造知识的方法一直受到限制，尤 其是对复杂的自然现象，包括地球本身的某些现象不能进行探索性实验。计算机， 特别是高速计算机的出现，不仅能对复杂的数据进行实时、准实时的分析，而且 还能对复杂的现象进行仿真和虚拟实验从而获得知识创新和发展理论的效果。 地球是一个复杂的巨系统，地球上发生的许多事件、变化和过程又十分复杂 而呈非线性特征，时间与空间的跨度变化大小不等，差别很大，这对计算速度提 出了更高的要求。由于单个c p u 处理速度存在上限，所以高速计算能力的实现一 方面要借助新一代大规模并行处理器( m p p ) 和多服务器的集群( c l u s t e r ) 等硬 件的突破，另一方面也要借助分布式计算等软件技术的成熟。 另外，利用数据挖掘( d a t am i n i n g ) 技术，我们将能够更好地认识和分析 所观测到的海量数据，从中找出规律和知识。科学计算将使我们突破实验和理论 科学的限制，建模和模拟可以使我们能更加深入地探索所搜集到的有关我们星球 的数据。 1 2 浙江大学博士学位论文 6 ) 可视化和虚拟现实技术 可视化是实现数字地球与人交互的窗口和工具，没有可视化技术，计算机中 的一堆数字是无任何意义的，从另一个角度讲，之所以要建立数字地球，也就是 因为要解决我们拥有海量的有用信息而却无法好好利用它们的矛盾。 数字地球的一个显著技术特点是虚拟现实技术。建立了数字地球以后，用户 戴上显示头盔，就可以看见地球从太空中出现，使用“用户界面”的窗口放大数 字图像；随着分辨率的不断提高，他看见了大陆，然后是乡村、城市，最后是私 人住房、商店、树木和其它天然和人造景观：当他对商品感兴趣时，可以进入商 店内，欣赏商场内的衣服，并可根据自己的体型，构造虚拟自己试穿衣服。虚 拟现实技术为人类观察自然，欣赏景观，了解实体提供了身临其境的感觉。最近 几年，虚拟现实技术发展很快。虚拟现实造型语言( v r m l ) 是一种面向w e b 、面 向对象的三维造型语言，而且它是一种解释性语言。它不仅支持数据和过程的三 维表示，而且能使用户走进视听效果逼真的虚拟世界，从而实现数字地球的表示 以及通过数字地球实现对各种地球现象的研究和人们的日常应用。实际上，人造 虚拟现实技术在摄影测量中早已是成熟的技术，近几年的数字摄影测量的发展， 已经能够在计算机上建立可供量测的数字虚拟技术。当然，当前的技术是对同一 实体拍摄照片，产生视差，构造立体模型，并以个体方式处理。进一步的发展是 对整个地球进行无缝拼接，任意漫游和放大，由三维数据通过人造视差的方法， 构造虚拟立体。 2 1 2 数字地球的发展时期 纵观短短几年的数字地球发展，数字地球其实经历了三个时期： 1 ) 数字地球知识孕育时期 如果以前美国副总统戈尔的数字地球创意演说为标志的话，那么，数字地球 知识孕育时期就是在此之前数十年间人类对地球多层次数据观测、信息处理、网 络传输和知识提炼的数字地球概念孕育过程，类似数字地球涵义的术语如地球信 息系统和地球系统科学等主要在学术界通用，但数字地球的创意己远远超出学术 甚至科技意义。 2 ) 数字地球知识创新时期 各国政界和科技界对数字地球的高瞻远瞩及其名人效应无疑推动了特别是 在中国的数字地球科热潮。接踵而来的数字地球知识创新在1 9 9 9 年的第一届数 字地球国际会议上得到了初步体现。逐渐地，人们从数字地球的简单化模式发展 为比较中肯而全面的认识，比如， 浙江大学博士学位论文 _ 数字地球不应简单理解为地理信息系统加互联网； _ 数字地球不仅仅是虚拟现实技术的应用； 数字地球的基础数据不仅是3 s ( g i s + g p s + r s ) 数据，更应为4 s 数 据：即包括地下从地壳到地幔的各种地球系统科学数据( s c i e n c e ) ； _ 数字地球离不开互联网分布式计算和远程异构数据库、数据仓和数 据银行； 一数字地球的关键技术之一是在三维可视化和虚拟现实透视化环境的 智能化动态建