（地图制图学与地理信息工程专业论文）配电网网络地理信息系统模型研究.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 配电网网络地理信息系统模型研究 地图制图学与地理信息工程 魏强 张耀民 摘要 ( 签名) ( 签名) 随着国民经济的高速发展，电力用户对配电网的供电可靠性、电能质量、工作效率 和优质服务方面都提出了更高的要求。现有对配电网的管理方法已不能满足高速发展的 需求，随着地理信息系统在各个行业中的成功应用以及网络技术的发展和成熟，基于网 络的配电网地理信息系统成为改造我国配电网管理的有力工具。 一般现有的配电网地理信息系统主要实现电网管理、维护和客户服务等一些基本的 管理信息系统的功能，而且不同的部门需要不同的系统或者使用不同的数据库来进行管 理。这使得各个部门协作困难，数据的共享级别低，造成了资源的极大浪费和成本的提 高。为此，本文提出了一种基于w e b 的配电网地理信息系统的解决方案，该系统在e s r i 公司的a r c s e r v e r 软件平台下二次开发实现配电网电线线路和背景街道地形图的分层管 理、地图缩放、模糊查询、条件查询、最佳抢修路径分析和最优停电范围分析，数据库 的设计采用了一种新的面向对象的空间数据库叫e o d a t a b a s e ，利用统一建模语言u m l 完成数据库的设计，并利用a r c s d e 空间数据引擎统一调用管理在数据库中存储的地理 信息数据，来实现数据的共享。 关键字：配电网；网络地理信息系统；a r c s e r v e r ；空间数据模型 研究类型：应用研究 施 s u b j e c t ：r e s e a r c h o nt h em o d e l i n go fw e b g i sf o rt h ee l e c t r i c d i s t r i b u t i o n s p e c i a l t y ：c a r t o g r a p h ya n dg e o g r a p h i c i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g n a m e：w e iq i a n g i n s t r u c t o r ：z h a n gy a o m i n g a bs t r a c t ( s i g n a t u r e ) 些j ( s i g n a t u r e ) f o l l o w i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h en a t i o n a le c o n o m y ，e l e c t r i c i t yc o n s u t n e r so nt h e e l e c t r i cd i s t r i b u t i o nr e l i a b i l i t ya n dp o w e rq u a l i t y ，e f f i c i e n c ya n dq u a l i t ys e r v i c eh a v ep u t f o r w a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s o nt h ee x i s t i n ge l e c t r i cd i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n tm e t h o d sc a l l n o tm e e tt h ed e m a n df o rh i g h - s p e e dd e v e l o p m e n t ，w i t ht h eg i s i nt h ev a r i o u si n d u s t r yi nt h e s u c c e s s f u la p p l i c a t i o n ，a n dt h en e t w o r kt e c h n o l o g yi nt h ed e v e l o p m e n ta n dm a t u r i t y ，a n dt h e e l e c t r i cd i s t r i b u t i o no fg i sb a s e do nw e bb e c o m et oap o w e r f u lt o o lt om a n a g ee l e c t r i c d i s t i l b u t i o n g e n e r a le x i s t i n ge l e c t r i cd i s t r i b u t i o ng i sm a i ne l e c t r i cn e tm a n a g e m e n t ，m a i n t e n a n c e a n dc u s t o m e rs e r v i c e ，a n ds o m eo t h e rb a s i cm a n a g e m e n ti n f o r m a t i o ns y s t e m sf u n c t i o n ，a n d d i f f e r e n td e p a r t m e n t sn e e dd i f f e r e n ts y s t e m s ，o ru s ead i f f e r e n td a t a b a s em a n a g e m e n t t h i s m a k e sc o o p e r a t i o nd i f f i c u l tv a r i o u sd e p a r t m e n t s ，t h es h a r i n go fd a t a - l e v e ll o w , r e s u l t i n gi na g r e a tw a s t eo fr e s o u r c e sa n dc o s t s t ot h i se n d ，t h i sp a p e rp r e s e n t saw e b - b a s e de l e c t r i c d i s t r i b u t i o ng i ss o l u t i o n ，t h es y s t e mu n d e rt h ee s r ic o m p a n y sa r c s e r v e rs o f t w a r ep l a t f o r m d e v e l o p m e n tf o rs e c o n d a r y ；r e a l i z ee l e c t r i cd i s t r i b u t i o nw i r i n gl i n e sa n ds t r e e tm a po f t h e b a c k g r o u n dl a y e rm a n a g e m e n t ，m a pz o o m ，f u z z yq u e r y ，q u a l i f i c a t i o nq u e r y ，t h eb e s tr e p a i r p a t h w a ya n a l y s i s ，t h eb e s ta n a l y s i so ft h eo p t i m a lp o w e rc u t d a t a b a s ed e s i g nu s i n ga n e w o b j e c t o r i e n t e ds p a t i a l d a t a b a s e g e o d a t a b a s eu s i n gu n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g eu m l c o m p l e t ed a t a b a s ed e s i g n ，a n du s eo fs p a t i a ld a t ae n g i n ea r c s d e u n i f i e dc a l li nt h es p a c eo f g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns t o r e di nt h ed a t a b a s ed a t a ，t h es h a r i n go f d a t a k e y w o r d s ：e l e c t r i cd i s t r i b u t i o nw e b g i sa r c s e r v e rg e o d a t a b a s e t h e s i s ：a p p l i c a t i o ns t u d y 西兵种技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科 技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：魏短 日期：如口e 龟，6 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期 间论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部 门或机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以 将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位 论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：瓤艚教师躲砖舷 如1 年4 月“日 1 绪论 1 绪论 1 1 选题的背景和研究的意义 随着我国城市经济建设和社会的快速发展，新兴城市的不断涌现，老城市改造步伐 的加快。使得用电负荷日益增长，电网运行的控制及管理工作变得较以往任何时期都更 为复杂。由于现在电网运行管理直接面对电力企业和广大的电力用户，网络数据量大， 电力接线复杂，动态变化频繁，现有的管理手段已经难以适应现代化电网生产建设和发 展的需要。为了进一步满足电力企业及其广大用户对电网配电网的供电可靠性、电能质 量、工作效率和优质服务方面的更高要求，电力单位需要采用现代化的技术和管理手段 来进行规划和管理，以便增强对电网设备的资产管理、运行管理和监管能力，提高供电 可靠性和电能质量，从而更加及时地为电力客户提供优质、高效、安全、的服务。为此， 利用g i s 技术进行管理已是大势所趋。 而同时随着计算机技术、i n t e r n e t 技术和地理信息技术的不断发展，融合了图形编 辑、资料管理、地理查询、网络分析、辅助决策等等全方位管理和分析功能的配电管理 地理信息系统，也越来越成熟和稳定，配电管理地理信息系统作为一个现代化的信息系 统引入电力系统，将为用户提供便捷的电网图形和数据资料的录入、管理、查询、分析 以及丰富的辅助决策功能，必将大大地提高电力行业的整体管理水平和服务质量。 网络地理信息系统( w e b g i s ) 是i n t e r n e t 技术应用于g i s 开发的产物，随着i n t e r n e t 技术的不断发展和各行业对地理信息系统的重视，生产企业对g i s 的要求也发生了很大 的变化，以往多用于单一部门内部的g i s 系统已无法满足信息化时代信息分布和资源共 享的需求，基于w e b 的地理信息系统得到了越来越广泛的应用。利用i n t e r n e t 技术在 万维网( w o r l dw i d ew e b ，w w w ) 上发布和获取空间数据，为用户提供空间数据浏览、 查询和分析功能，已经成为g i s 发展的一种趋势【l 】【2 】。 1 2 地理信息系统在配电网中的应用 地理信息系统在电力行业应用非常广泛，根据国内目前的应用情况，大致可以分为： 输变电g i s 系统、配电g i s 系统、客户服务中心g i s 系统、移动抢修g i s 系统、w e b g i s 系统。 g i s 的主要功能是综合分析与检索空间数据，利用数据库技术把空间数据和属性数 据对应起来。具体来说，g i s 在电力系统中的应用，特别是在配电系统中的应用主要有 以下各种功能【j j ： 1 、图形编辑功能。图形编辑分为两大部分：基础图编辑和电网图形信息编辑； 西安科技大学硕士学位论文 a 、基础图形编辑包括：地理图分层处理、道路边线及道路中心线编辑、道路图层 的属性编辑、建筑物图层处理、等高线图层处理等。 b 、电网图形编辑包括：高压电网( i o o k v 线路) 编辑、中压电网( i o k v 线路) 编 辑、低压电网( 3 8 0 v ) 编辑、电缆通道编辑、电站模拟图编辑、站址分布编辑、 系统图编辑等。 2 、功能应用。包括： a 、图层分层显示：根据用户需求选择显示或不显示各类图层信息； b 、图形缩放功能：根据用户需求对图形窗口进行放大、缩小、移动、无极漫游、 鹰眼显示等； c 、查询统计：指定查询统计对象的方式根据用户需求查询和统计各类图层信 息及属性信息；模糊查询方式根据用户用鼠标在图形窗口点取的位置，查 询设备及详细信息；固定方式查询根据用户指定的检索条件，在图形窗口 进行定位显示； d 、刀闸模拟操作：对中、低压电网图上的可操作设备，如开关、刀闸、熔丝等进 行拉开或合上的模拟操作，并对操作后的停供点影响范围进行分析，将结果显 示在电网上； e 、挂牌操作：对故障设备或某些特殊需标示的线路或设备，可根据不同情况不同 性质的警示牌或提示牌，同时对挂警示牌的设备设置挂牌保护； f 、供电源分析：分析电网中低压和中压线路的上级供电的电站出线及设备名称； g 、供电范围分析：公共供电范围分析分析电网中某公变的下级供电范围及所 带来的用户数、用户信息等资料；电站供电范围分析分析电网中某电站的 出线供电范围及所带的设备数、用户数、用户信息等资料； h 、线路负荷转移：对需转移负荷的线路进行分析，提交负荷转移报告； i 、最优化停电方案分析：模拟故障报修突发事件，根据需保修的设备自动分析出 检修或处理这些设备时所必须拉开的刀闸、开关等设备，并给出最终停电设备 及最小停电范围的分析报告； j 、停电管理：计划停电管理根据通常的业务流程，模拟计划停电中从计划申 请、审批到恢复的过程，分析其停电范围、停电可靠性、最终停电设备及必须 拉开的刀闸，并计算停电用户时数以用于可靠率计算；故障停电管理根据 通常的业务流程，模拟故障停电开始到恢复的过程，分析其停电范围、停电可 靠性、最终停电设备及必须拉开的刀闸，并计算停电用户时数以用于可靠率计 算；停电通知打印单打印停电用户通知单； k 、用户报装辅助决策：门牌定位便于迅速将图符范围定位于用户报装点所处 的区域；总户号的输入和选择给定用户报装的总户号；接点的选择方式一 2 1 绪论 一决定用户报装的接点选择方式，并进而分析在该接点设备上报装的可行性； 生成报装线路及工程概算方案生成报装线路，给出工程概算表：查询报装 记录通过给定报装流程号查询用户报装表中的记录；修改初始值修改 报装分析过程中所需的各种初始数值，从而得出适合的分析结果；余量查询一 一查询选定接点设备的接电余量信息； 1 、实际线损计算：实际线损计算根据s c a d a 系统采集的2 4 小时整点电量值， 计算前一天的分段实际线损，并计算线损率。对于线路上未安装r t u 装置的配 电变压器，则由用户输入经验值；实时线损计算以固定的时间段为间隔， 通过调用s c a d a 接口，实时招测入口开关、出口开关、线路上配电变压器的有 功功率，实时积分出电量值，计算出线路的实时线损和实时线损率，并与用户 提供的理论线损率作比较，一旦超出警戒值则发出报警，提示用户有窃电行为 发生； m 、理论线损计算：理论线损的计算是选择一个代表日，采集电网上所有的出口开 关、入口开关、线路变压器等复合店的2 4 小时正点的发电、供电、输出、输入 的电流、有功功率和无功功率、电压以及全天电量记录，根据网络拓扑结构， 按理论线损计算公式计算每单条线路的理论线损值，输出报表； n 、最佳路径分析模块：设定道路的通行能力由于道路的通行能力受多种因素 影响，如道路的宽窄、是不是主干道、交通流量大小、道路转弯时间等。因此 在做最佳路径分析时，首先要设定道路的通行能力数值及转弯时间；固定抢修 站定位在图形窗口定位固定抢修站的位置；显示环境设定设定显示环 境，使分析结果直观的显示在地图上；最佳抢修路径分析分析最佳路径， 显示并提交最佳路径结果； o 、s c a d a 实时变位监控：对s c a d a 系统中所有变位信息在后台进行实时监控，一 旦有跳闸事件发生，立即触发g i s 系统进行电网分析，重新计算电网供停电状 况，并在图形窗口推出刷新显示； 3 、配电网络的运行和检修管理。包括配电网正常运行管理和配电网检修管理，故障电 话处理等功能； 1 3 国内应用研究的现状和发展趋势 地理信息系统( g i s ) 从6 0 年代在加拿大诞生之初起，就一直与信息技术息息相关。 经过三十多年的发展，g i s 在数据建模、空间算法等方面的技术都已经比较成熟，随着 分布式计算技术、面向对象的构件技术、网络技术的迅速发展，g i s 在与信息技术结合 的过程中表现出三个明显的发展趋势：构件式g i s ，互操作g i s 和基于i n t e m e t 的 w e b g i s 。 3 西安科技大学硕士学位论文 1 3 1 我国w e b 电力信息系统建设现状 w e b 电力信息系统作为电力信息系统的重要组成部分，在电力行业中的有着广泛的 应用。在电力企业中，数字化和信息化建设起步很早，在电力企业内部已有多种成熟的 电力管理信息系统，电力企业的信息化建设已深入到电力的生产、传输、销售、服务等 各个方面。 其中的成功案例不少，以上海供电公司的沪西供电分公司的w e b g i s 系统为例，其 系统在投入使用后基本成了全公司信息系统的核心部分之一，深入的应用到生产的各个 部门，并随着需求的扩展不断完善和升级，称之为电力w e b g i s 应用的典范。但是现阶 段w e b g i s 在电力系统中的应用也只停留在一些有实力的大型电力公司，大部分的市级 供电公司尤其是县级供电公司都没有w e b g i s 系统，他们在配电网g i s 中的应用一般限 于单机版本和小型局域网内使用，主要采用c s ( 客户端月艮务器) 模式，结构简单，一 旦多用户同时进行查询修改或多用户同时访问，服务器压力很大，经常造成网络阻塞， 而且操作复杂，效率很低。 1 3 2w e b g i s 应用现状 目前国际上对于w e b g i s 软件技术的研究比较一致，基本上集中在空间数据模型、 空间数据结构、空间数据传输协议、分布式策略和网络环境下的空间信息组织管理等方 面。结合当前g i s 的空间信息科学和分布式计算技术的趋势，对w e b g i s 的研究重点在 以下几个方面【6 j 【7 j ： 1 1 适合网络的w e b g i s 体系结构 体系结构是系统的框架，决定一个系统的运行模式。w e b g i s 是网络g i s ，如何将 i n t e m e t 技术与g i s 理论结合起来，综合构件技术与对象技术，提出一个良好的适用于 w e b 计算平台的系统体系结构，是系统设计实现成功的前提。 2 ) 适合w e b 技术的空间数据模型和数据结构 地理空间数据是g i s 的基础，一直在g i s 研究中占有重要地位，w e b g i s 对空间 数据的存储和管理提出了新的要求，需要对空间数据模型及其数据结构进行更深入的研 究。 3 ) 空间信息的分布式计算策略与实施方案 传统的桌面g i s 不同，w e b g i s 对于分布式计算的要求很高，因此需要对空间信 息的分布式运算策略和具体实施方案进行研究。 4 ) 空间信息的网络传输协议与智能空间信息代理 5 ) 基于m e t a d a t a 空间信息w e b 集成方案 利用元数据空间信息进行集成管理是w e b g i s 发展的必然，它的充分研究与良好 4 1 绪论 处理将是实现高层空间信息访问和“数字地球 的关键所在。 6 ) w e b 计算环境下的空间信息安全性问题 信息安全是网络信息系统的核心问题之一，在w e b g i s 中也必然要考虑到信息不 受非法访问、非法修改等信息安全性问题。 7 ) w e b g i s 中的多用户访问与并发控制机制 w e b g i s 将提供互联网上成千上万的用户同时访问，如何保证并发的正确和最大限 度地发挥系统的能力来更好地满足用户的访问需求，是使w e b g i s 成为名副其实的网 络g i s 的关键。 目前国内外的w e b g i s 应用还都主要集中于地图信息数据的网上发布，以及简单的 空间和属性的双向查询，还不能在w e b 上实现真正实用的g i s 分析功能。原因在于g i s 数据传输量较大，现有的i n t e m e t 带宽和网络通信能力不能完全满足要求：其次，g i s 分 析过程计算量也较大，分析结果的提交无法在正常人机交互时限范围内完成。 可以预见的是，随着i n t e m e t 技术的发展，w r e b g i s 应用终将与i n t e m e t 本身一样成 为人们日常生活必不可少的工具。 随着g i s 技术和配电网系统自动化水平的不断提高，当前网络配电网地理信息系统 的开发出现了如下的发展趋势： 1 ) 功能模块化。将整个系统划分为子系统、功能模块和不同层次的组件分别开发， 即提高应用程序重用度，又可以在一定程度上节省资金和时间的投入。 2 ) 数据充分共享。利用分布式数据库技术实现数据共享，不仅节省数据存储资源， 降低网络通讯开销，克服数据更新困难，还为网络化管理提供了数据支持。 3 ) 管理网络化。i n t e m e t i n t r a n e t 技术的应用实现了远程采集、监视、控制和综合管 理，使配电管理更方便、快捷、透明。 4 ) 系统结构开发化。开放式的分布结构和软件平台，透明的插件式的开放应用接口， 便于不同应用功能的用户即时接入和使用。 5 ) 友好的人机界面。傻瓜式的菜单、按钮和汉字操作提示，是操作人员只需经简单 培训，就能使用计算机处理复杂的业务工作。 1 4 本文研究的主要内容 本文具体介绍了以下几个方面： 1 ) 我国w e b 电力地理信息系统的发展和应用概况。 2 ) w e b g i s 的主要结构和发展趋势。 3 ) 配电网数据模型研究及数据库的建立。 4 ) 利用a r c g i s 系列软件作为地理信息系统平台，通过a r c s e r v e r 网络服务平台， 对配电网系统模型的网络发布环境进行配置。 5 西安科技大学硕士学位论文 5 ) 在a r c s e r v e r 基础上利用c 撑、j a v a s c r i p t 、h t m l 语言进行二次开发，实现配电 网系统模型部分功能，如：地图显示、地图漫游、地图缩放、点线查询、最优 路经查询、最优停电范围分析模拟等功能。 6 2w e b g i s 概述 2 w e b g i s 概述 2 1w e b g i s 概述 万维网地理信息系统( w e b g i s ) 是指基于i n t e r n e t 平台、客户端应用软件采用w w w 协议运行在万维网上的地理信息系统。平常人们也将这一技术通称为互联网地理信息系 统。它是利用互联网技术来扩展和完善地理信息系统的一项新技术，其核心是在地理信 息系统中嵌入h t t p 和t c p i p 标准的应用体系，实现互联网环境下的空间信息管理等地 理信息系统功能。 随着i n t e m e t 的迅速发展，g i s 数据共享成为可能，建立面向用户的、资源共享的 开放式w e b g i s 已是大势所趋。越来越多的g i s 软件商和地理数据库建设单位都将他们 的产品和服务送入i n t e m e t ，使越来越多的用户可以通过w w w 、f t p 等网络服务器从 网络上查询到他们所需的g i s 数据、g i s 软件等信息服务。利用w e b g i s ，人们可以通 过w w w 在每一个站点搜索和浏览所需的空间数据、专题地图和图像，还可以进行空 间查询和空间分析，使g i s 成为一种大众信息流通工具。w e b g i s 采用b s 体系结构， 不同部门的数据可以分布存储在不同地点的服务器上，每个g i s 用户作为一个客户端通 过互联网与服务器交换信息，甚至可以在全球范围内进行实时在线数据更新，与网上其 他非g i s 信息进行无缝连接和集成。i n t e m e t 方便、快捷和及时地将地理信息传送到需 要的地方去，以发挥地理信息在国民经济建设、国防建设和文化教育等行业中的应用价 值。 w e b g i s 提供了一种易于维护的分布式g i s 解决方案。尽管目前的w e b g i s 软件提 供的空间分析功能很难满足专业应用的需要，但是随着技术的发展，w e b g i s 终将取代 传统的g i s 。 与传统的桌面g i s 相比，w e b g i s 具有以下的特点【8 】【9 】【l o j ： 1 ) 跨平台性 w e b g i s 对任何计算机和操作系统都没有限制，只要能访问1 n t e r n e t 用户就可以访问 和使用w e b g i s ，而不比担心运行的是何种操作系统。随着j a v a 的发展，未来的w e b g i s 可以做到“一次编写，到处运行 ，使w e b g i s 的跨平台特性走向更高层次。 2 ) 分布性与共享性 g i s 数据和分析工具是独立的组件和模块，w e b g i s 利用i n t e m e t 的这种分布式系统， 把g i s 数据和分析工具部署在网络不同的计算机上，用户可以从网络的任何地方访问这 些数据和应用程序，而不需要在本地计算机上再安装g i s 数据和应用程序，只要把请求 发送到服务器，服务器就会把数据和分析工具模块传送给用户，达到j u s t i n - t i m e 的性能。 7 西安科技大学硕士学位论文 3 ) 动态性 由于w e b g i s 是分布式系统，数据库和应用程序部署在网络的不同计算机上，随时 可以被管理员根据数据源的变化进行更新，使i n t e m e t 上的用户都将得到最新的数据和 应用。w e b g i s 和数据源的动态链接将保持数据和软件的现时性。 4 ) 节约性 w e b g i s 可以使用通用浏览器进行浏览、查询，额外的插件( p l u g i n ) 、a c t i v e x 控 件和j a v a a p p l e t 通常都是免费的，降低了终端用户的经济和技术负担，很大程度上扩大 了g i s 的潜在用户范围。而以往的g i s 由于成本高和技术难度大，往往成为少数专家拥 有的专业工具，很难推广。 5 ) 可扩展性 i n t e m e t 技术基于的标准是开放的、非专用的，是经过标准化组织i e t f 和w 3 c 为 i n t e m e t 制定的，这就为w e b g i s 的进一步扩展提供了极大的发挥空间，使得w e b g i s 很 容易与万维网中的其他服务进行无缝集成，建立功能丰富的g i s 应用。 6 ) 安全性 系统采用b s 模式，所有的对数据的操作和维护都在服务器端进行，而客户端根据 授权范围来使用服务器上的数据资源，这样不担实现了对多用户并发访问的控制，而且 也保证了数据的完整性和安全性。 2 2w e b g i s 的主要结构模型 在网络环境中实现g i s 主要有客户机服务器模式( c l i e n t s e r v e r ，简称c s 模式) 与浏览器朋臣务器模式( b r o w e r s e r v e r 模式，简称b s 模式) 。c s 模式一般用于部门内 管理，安装在内部的局域网，c s 结构必须在前台c l i e m 端工作站上安装相应的应用程 序。b s 模式在客户机上的应用程序精简到一个通用的浏览器软件，如n e t s c a p e n a n i g a t o r ，m i r c r o s o f t 公司的i n t e m e te x p l o r e r 等，也有可能浏览器上还安装有a c t i v e x 控件、p l u g i n 插件、j a v aa p p l e t 小程序，通过浏览器，加上w e b 服务器，用户便能得 到图文并茂的地理信息，同时，也可以进行数据的存取、分析等。b s 模式覆盖范围广， 用户类型多，浏览端可以是不同的平台。在本系统中用到的是i n t e m e t 上的b s 模式的 w e b g i s 。 b s 模式的w e b g i s 又可分成典型的b s 三层结构和基于中间件的b s 多层结构两 种【1 i 】【1 2 1 1 1 3 】。 1 、传统的客户机服务器二层结构 客户服务器结构体系( c l i e n t s e r v e r 结构，以下简称c s 结构) 是最简单最常用 的w e b 应用构造模型，在c s 结构体系中，应用系统被分为前端( 客户机部分) 、后端 ( 服务器部分) 两个部分，应用任务被分解为多个子任务，由服务器和客户机分别承担。 8 2 w e b g i s 概述 这种结构合理有效地利用了客户机和服务器的资源，减少了网络通信的负担，改善了系 统运行的总体性能，客户机和服务器之间体现为服务请求服务响应关系，即用数据库 服务器完成数据处处理的功能，客户机完成应用事务的组织和人机界面的实现。 这种结构的初级成本低，但随着应用规模的扩展，网络上异种资源类型的增多， 出现了开发、管理、维护的困难，后期成本升高，系统的可伸缩性较差以及缺乏冠军事 务处理的安全性与并发处理能力等问题。 2 、浏览器服务器数据服务三层结构 在i n t r a n e t 中，可基于一种b r o w s e s e r v e r ( 简记为b s ) 模式的信息框架，使得 i n t r a n e t 具有灵活的伸缩性。b s 模式作为c s 模式的扩展，采用三层结构即b r o w e r w e b s e r v e r d a t a b a s es e r v e r s ，组成了浏览器w e b 服务器后台数据库服务器的三层计算 模式。这种计算模式极大地方便了应用程序的开发和维护，是程序员集中精力开发位于 中间层的w e b 服务器端应用软件，无需考虑客户端的兼容性，并且后台数据库系统的改 变或数据库结构的变化根本不会对客户端产生影响。用户端的界面为统一的浏览器，它 与w e b 服务器之间传递信息，应用软件放置在w e b 服务器上，根据浏览器的请求，完成 对数据库的访问，并将结果以h t m l 的格式组织，传到浏览器上，供用户使用。这种计 算模式改变了原有的c s 模式中客户端与服务器之间千丝万缕的联系。由此看出三层 b s 模式增加了较为厚的中间层，形成“瘦客户端一胖中间层一瘦服务器的计算模式， 这种模式非常适合于i n t e r n e t i n t r a n e t 的数据库发布系统中。 3 、基于中间件的浏览器服务器多层结构 在这种体系结构中，数据库是分布式数据库，且为了增加服务器端的处理能力和速 度，服务器端的g i s 应用也要求是分布式的。中间件技术是解决这一问题的有效途径。 用户提出的请求由中间件处理，中间件相互调用，一个进程是另外进程的客户的同时又 是别的进程的服务器，进程访问的数据库也不再是单一的数据库，而是一个分布式的数 据库。 目前分布式计算的中间件技术主要有c o r b a ，d c o m 和e j b 等。其中，c o r b a 体系是 最有前途的一种，它实现了异构平台的互操作：与此对应的是，d c o m 模型一统w i n d o w s 平台。已经成为w i n d o w s 平台的市场标准；而s u n 公司大力提倡的e j b 体系，也在逐渐 的发展。对于分布式的异质地理数据库，如何实现异构数据源应用级交互以及分布式地 理数据的一致性，如何存储与获取地理数据是w e b g i s 面临的新课题。运行于w e b 的g i s 应变成一个多客户浏览器多服务器的复杂系统，通过i n t e r n e t 将相对独立的部件用网 络连接并实现网络范围内的处理。系统各中间件的组织通过既定的接口实现。而用户的 调用是动态的，即只有当部件接口受到用户请求时才动态装载并处理地理信息。这样浏 览器与服务器之间的负载是动态的，需要实现动态的负载平衡。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 3w e b g i s 的实现技术【1 】【2 1 【1 4 】【1 5 1 1 1 6 】 w e b g i s 是g i s 技术研究的一个热点，它是随着g i s 和w e b 技术的发展而发展的。 由于w e b g i s 的重要性，当前国内外各大g i s 厂商纷纷推出了各自的w e b g i s 产品。虽 然这些产品各具特点，但就它们的实现技术而言，主要分为以下几种方式： 1 ) c g i ( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 方法 c g i 是通用网关接口( c o m m o ng a t e w a yi n t e r f a c e ) 的简称，g i s 厂商在其传统产品的 基础上发展i n t e r n e t 解决方案，通常采用c g i 的方式。c g i 是一个用于w 曲服务器和客 户端浏览器之间的特定标准，它允许网页用户通过网页的命令来启动一个存在于网页服 务器主机的程序( 称为c g i 程序) ，并且接收这个程序的输出结果，如图2 1 所示。当 用户发送一个请求到w 曲服务器，w e b 服务器通过c g i 把该请求转发给后端运行的g i s 服务程序，由g i s 服务器生成结果交给w e b 服务器，w 曲服务器再把结果传递到客户 端进行显示。但这种方法的缺点是对每一个客户请求都要重新启动一个新的服务进程， 当有多个用户请求时，会导致服务器负担加重。同时由于网络传递的图形为删格图，地 图缩放、漫游、选择等操作不能在客户端本地进行，需要传递到服务器端进行处理，生 成新的栅格图，再传递到客户端显示，不能直接在客户端进行复杂的空间分析。所以， 大多数g i s 软件不能直接作为c g i 程序连接到w e b 上。 图2 - 1 基于c g i 的w e b g i s 体系结构图 2 ) s e r v e ra p i 方法 c g i 弊端主要是每次客户端请求都要启动一个独立的进程，微软首先提供了一种效 率更高的方式：服务器应用程序接口( s e r v e r a p i ) 。目前主要有两种a p i 接口：n s a p i 和i s a p i 。n s a p i 是由n e t s c a p e 公司提供的编程接1 2 1 ，这种方式通过编写服务器插件 1 0 2w 曲g i s 概述 ( p l u g来实现数据访问，其过程与方式相同，但是作为动态连接库来加载，_ i n ) c g i 可以节约内存并大大提高效率。但是这种插件只能使用c 或者c h 语言编写。i s a p i 是 由微软公司提供的编程接口，与n s a p i 基本类似。在f r o n t p a g e 中提供了一个i s a p i 插 件，即i d c ( i n t e m e td a t a b a s ec o n n e c t i v i t y ) 可以通过o d b c 来访问数据库。i d c 使用模 板文件来生成动态网页。服务器应用程序接口方式为万维网信息服务器提供一种比c g i 程序运行效率更高的模式，这种技术使得服务器端的应用开发可以和万维网服务器程序 在同一进程空间上运行。 图2 2 基于s e r v e r a p i 技术的w e b g i s 体系结构图 3 ) 插件p l u g i n 方法 p l u g i n 是由n e t s c a p e 提出的标准，是一种接入浏览器程序的动态链接库( d l l ) ， 它采用了d l l 方式，可以很好地解决与浏览器程序间的相互调用问题。p l u g i n 作为网 络能力的一种扩展，将大部分负荷加在浏览器上，这样就能正确的浏览很多数据类型， 在浏览端完成矢量信息的显示。浏览器插件是指能够同浏览器交换信息的软件，第三方 软件开发商可以开发插件以使浏览器支持其特定格式的数据文件。利用浏览器插件，可 以将一部分服务器的功能转移到客户端。 g i sp l u g i n 是在浏览器上扩充w e b 浏览器功能的可执行的g i s 软件。g i sp l u g i n 的主要作用是使w e b 浏览器支持处理特定格式的g i s 数据，并为w e b 浏览器与g i s 服 西安科技大学硕士学位论文 务程序之间的通讯提供条件。g i sp l u g i n 直接处理来自服务器的g i s 矢量数据。同时， g i sp l u g i n 可以生成自己的数据，以供w 曲浏览器或其它p l u g i n 显示使用。利用c g i 或者s e r v e ra p i ，虽然增强了客户端的交互性，但是仅提供给客户端有限的功能，传给 用户的信息依然是静态的。而且用户不能操作单个地理实体以及快速缩放地图，因为在 客户端，整个地图是一个实体，任何g i s 操作，如放大、缩小、漫游等都需要由服务器 来完成并将结果返回。浏览器插件很好的解决了这个问题。对w e b g i s 而言，g i s 插件 不但可以增加网络测览器处理地理空间数据的能力，使人们更容易获取地理数据，而且 插件处理和传输的是矢量格式空间数据，其数据量小，只需将g i s 数据一次性传输，这 样就加快了用户操作的反应速度，减少网络服务器的信息流量从而使服务器更有效地为 更多的用户服务。 图2 3 基于p l u g i n s 技术的w e b g i s 体系结构图 但g i s 插件与运行平台、操作系统，与g i s 数据类型又是相关的，即对于不同的 g i s 数据，不同的操作系统，不同的浏览器需要有各自不同的g i s 插件支持；插件需要 先下载安装再使用，如果用户准备使用多种g i s 数据类型，还必须安装多个g i s 插件程 序。此外，还存在程序的版本升级等问题。 4 ) a c t i v e x 方法 a c t i v e x 是m i c r o s o f t 为适应因特网而发展的标准，是建立在o l e ( o b j e c tl i n k i n ga n d e m b e d d i n g ) 技术之上发展起来的因特网新技术，其基础是c o m ( c o m p o n e n to b j e c t m o d e l ) ，是为扩展m i c r o s o f tw 曲浏览器的功能而提供的公共框架，是用于完成具体任 1 2 2w e b g i s 概述 务和信息通讯的软件模块。 a c t i v e x 控件目前只有i e 全面支持，在n e t s c a p e 中则必须有特制p l u g i n 才能运行， 兼容性较差，并且只能运行于m s w i n d o w s 平台上，需要下载、注册和安装，占用客户 端机器的磁盘空间；由于可以进行磁盘操作，其安全性较差。其优点是：执行速度快； 由于a c t i v e x 可以用多种语言实现，这样就可以复用原有g i s 软件的源代码，提高了软 件的开发效率。 浏览器 h t t p 请求 服务器 g i s a c t i v e x 页面信息和控件( 第一次)w w w 控件 服务器 g i s 操作和 g i s 数据请求和响应 数据显示 图2 4 基于g i sa c t i v e x 控件技术的w e b g i s 体系结构图 基于g i sa c t i v e x 方式的w e bg i s 的优势是：具有g i sp l u g i n 模式的所有优点。同 时，a c t i v e x 能被支持o l e 标准的任何程序语言或应用系统使用，比p l u g i n 模式更灵 活，适用更方便。但它需要下载；与平台相关，对不同的平台，必须提供不同的g i s a c t i v e x 控件；与浏览器相关；使用已有的g i s 操作分析资源的能力弱，处理大量的g i s 分析能力有限；存在信息安全隐患。 5 ) j a v a a p p l e t 方法 j a v a 是一种面向对象的计算机程序设计语言，它借鉴了c 、s m a l l t a l k 、o b j e c tc + + 和c e d a r m e s a 等面向对象语言的优点，它具有简单、动态性强、运行稳定、分布计算 能力强、安全、容易移植等特点，因而是因特网上重要的程序设计语言。任何系统平台 只要支持j a v a 虚拟机就可以解释执行j a v a 程序，而与程序在何种系统下开发和编译无 关。j a v a a p p l e t ( d x 应用程序) ，嵌入在h t m l 文件中，在网络浏览器下载该h t m l 文件 时，a p p l e t 的执行代码也同时被下载到客户端的机器上，由嵌在浏览器中的j a v a 虚拟机 解释执行。其体系结构如图2 5 所示： j a v a a p p l e t 能完成对g i s 数据解释和分析等功能，具有以下优点：体系结构中立， 与平台和操作系统无关；在具有j a v a 虚拟机的w e b 测览器上运行，写一次可到处运行， 动态运行，无须在客户端预先安装。由于g i sj a v aa p p l e t 是在运行时从w e b 服务器动 1 3 西安科技大学硕士学位论文 态下载