（电气工程专业论文）基于新型gis原理的配电网维护管理系统的研究.pdf

华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着经济建设的快速发展，电网规模不断扩大，电网运行的管理和维护工作变 得更加复杂，采用手工方式或传统的m i s ( 信息管理系统) 方式管理电网不够直观， 获得的信息不全面，不及时，难以适应目前国家电网生产建设和发展的需要。 本系统建设将成为配电网设备属性、地理分布、电网拓扑结构展示平台；平台 使用c s 和b s 两种架构发布，使供电局内部资源网的共享和互访，通过w e b 方式 实现配网管理功能和远程访问。以期实现图形管理、配电网查询、配电网统计、配 电区域统计、配电专题图、模拟停电范围、供电范围分析、供电电源分析、通电检 测、负荷转供、配电网台帐管理、编辑维护、站室一次接线图编辑维护、配电线路 切改、配网规划等功能。 关键词：g i s ，数据采集，线损，m i s ，配电网 a b s i r a c i w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i cc o n s t n l c t i o n ，p o w e rg d sk w eb e e ne x p a n d i n g ， t 1 1 em a l l a g e m e n t 锄do p e r a t i o no fp o 、v e r 鲥dc o m m lw o r km o r ec o m p l i c a t e d ，u s i n gt l l e 仃a d i t i o n a lm a n u mo rm i s ( m a m g e m e n ti n f o m a t i o ns y s t e m ) m a n a g e m e n to fp o w e r 鲥d s i n t u i t i v e o u 曲，t l l eh l f 0 肌a t i o ni sn o tc o m p r e h e 璐i v e ，n o tt i m e l y ，d i 伍c u l tt oa d a p tt ot b e c m e n tn a t i o i l a lp 0 、e r 鲥dc o i l s t n l c t i o na n d d e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o nn e e d s t h es y s t e mc o n s t l l l c t i o ni se x p e c t e dt ob e c o m ed i s t 曲u t i o nn e m o r ke q u i p m e n t 砌b u t e s ， g e o 鲫h j c a ld i s 仃i b u t i o n ，p 0 、v e r 鲥dt o p o l o g yd i s p i a yp l a t f 0 m l ；p l a t f o 衄c s 锄db s s 缸u c 讪陀o ft h et 、v 0r e l e a s e ds om a tt h es u p p l yo fr e s o u r c e sw i m i nn l en e 铆o r ko fs h 撕n ga 1 1 d e x c h a i l g eo fv i s i t sb yw a yw e bt oa c h i e v e 谢t hn e 铆o r km a l l a g e m e n tf e a n 鹏sa 1 1 dr e m o t e a c c e s s w i t hav i e wt oa c m e v i n gg r a p h i c sm a n a g e m e n t ，d i s t r i b u t i o nn e 铆o r ke n q u i r i e s ， d i s t r i b u t i o nn e t 、v o r ks t a t i s t i c s ，t h ed i s 仃i b u t i o no f r e g i o n a ls t a t i s t i c s ，d i s t r i b “o nt h e m a t i cm 印， s i m u l a t i o no ft l l ep o 、v e ro u t a g e ，t h es c o p eo fs u p p l y ，p o w e rs u p p l ya n a l y s i s ，p o w e rd e t e c t i o i l ， 1 0 a dt om es u p p l y ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka c c o u n t i n gm a n a g e m e n t ，e d i tm a i n t e n 锄c e ，as t a t i o n 、v i r i n gd i a g r 锄e d i t i n gr o o mm a j n t e n a n c e ，d i s t 抽u t i o nl i n e st oc u t ，w i t hn e t w o r kp l a r l i n g ， a n do t h e rf u n c t i o n s s u ns h e n g b o ( p o w e rs y s t e ma u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gj i a d o n g k e yw o r d s ：g i s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，l i n el o s s ，m i s ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k 华北电力大学工程硕士学位论文摘要 摘要 随着经济建设的快速发展，电网规模不断扩大，电网运行的管理和维护工作变 得更加复杂，采用手工方式或传统的m i s ( 信息管理系统) 方式管理电网不够直观， 获得的信息不全面，不及时，难以适应目前国家电网生产建设和发展的需要。 本系统建设将成为配电网设备属性、地理分布、电网拓扑结构展示平台；平台 使用c s 和b s 两种架构发布，使供电局内部资源网的共享和互访，通过w e b 方式 实现配网管理功能和远程访问。以期实现图形管理、配电网查询、配电网统计、配 电区域统计、配电专题图、模拟停电范围、供电范围分析、供电电源分析、通电检 测、负荷转供、配电网台帐管理、编辑维护、站室一次接线图编辑维护、配电线路 切改、配网规划等功能。 关键词：g i s ，数据采集，线损，m i s ，配电网 a b s i r a c i w i t l lt h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m i cc o n s t n l c t i o n ，p o w e rg d sk w eb e e ne x p a n d i n g ， t 1 1 em a l l a g e m e n t 锄do p e r a t i o no fp o 、v e r 鲥dc o m m lw o r km o r ec o m p l i c a t e d ，u s i n gt l l e 仃a d i t i o n a lm a n u mo rm i s ( m a m g e m e n ti n f o m a t i o ns y s t e m ) m a n a g e m e n to fp o w e r 鲥d s i n t u i t i v e o u 曲，t l l eh l f 0 肌a t i o ni sn o tc o m p r e h e 璐i v e ，n o tt i m e l y ，d i 伍c u l tt oa d a p tt ot b e c m e n tn a t i o i l a lp 0 、e r 鲥dc o i l s t n l c t i o na n d d e v e l o p m e n to fp r o d u c t i o nn e e d s t h es y s t e mc o n s t l l l c t i o ni se x p e c t e dt ob e c o m ed i s t 曲u t i o nn e m o r ke q u i p m e n t 砌b u t e s ， g e o 鲫h j c a ld i s 仃i b u t i o n ，p 0 、v e r 鲥dt o p o l o g yd i s p i a yp l a t f 0 m l ；p l a t f o 衄c s 锄db s s 缸u c 讪陀o ft h et 、v 0r e l e a s e ds om a tt h es u p p l yo fr e s o u r c e sw i m i nn l en e 铆o r ko fs h 撕n ga 1 1 d e x c h a i l g eo fv i s i t sb yw a yw e bt oa c h i e v e 谢t hn e 铆o r km a l l a g e m e n tf e a n 鹏sa 1 1 dr e m o t e a c c e s s w i t hav i e wt oa c m e v i n gg r a p h i c sm a n a g e m e n t ，d i s t r i b u t i o nn e 铆o r ke n q u i r i e s ， d i s t r i b u t i o nn e t 、v o r ks t a t i s t i c s ，t h ed i s 仃i b u t i o no f r e g i o n a ls t a t i s t i c s ，d i s t r i b “o nt h e m a t i cm 印， s i m u l a t i o no ft l l ep o 、v e ro u t a g e ，t h es c o p eo fs u p p l y ，p o w e rs u p p l ya n a l y s i s ，p o w e rd e t e c t i o i l ， 1 0 a dt om es u p p l y ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka c c o u n t i n gm a n a g e m e n t ，e d i tm a i n t e n 锄c e ，as t a t i o n 、v i r i n gd i a g r 锄e d i t i n gr o o mm a j n t e n a n c e ，d i s t 抽u t i o nl i n e st oc u t ，w i t hn e t w o r kp l a r l i n g ， a n do t h e rf u n c t i o n s s u ns h e n g b o ( p o w e rs y s t e ma u t o m a t i o nt e c h n o l o g y ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gj i a d o n g k e yw o r d s ：g i s ，d a t aa c q u i s i t i o n ，l i n el o s s ，m i s ，d i s t r i b u t i o nn e t w o r k 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于新型g i s 原理的配电网维 护管理系统的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩 印或其它复制手段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅； 学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 课题的背景和意义 第一章引言 近几年来，随着国民经济的飞速发展，电力用户对电力的各种需求不断提高， 原有的城乡电网已经不能满足要求，需要进行大规模的扩张和改造。通过这种大规 模的配电网的建设改造，整个城乡电网结构明显改善，彻底解决了以前存在的线损 大，电压不足等问题，为整个城乡用电提供了可靠的保证，显示出良好的经济效益 和社会效益。 城乡电网改造工程涉及大量的设备更新和线路改造，因而配电网管理工作成为 供电企业尤其是县级供电企业生产管理系统的重要组成部分。而且随着电力需求的 迅速增长，面对现在这种越来越密织的电网、复杂的电力设备、时刻变化的负荷信 息、不断变迁的道路和建筑的情况，以往那种主要依靠图纸和配电专职人员的工作 经验对配电网进行管理和维护的方法，存在着数据更新困难、资料易损毁丢失、日 常查询不便捷、无法为配电网改造提供准确的决策依据等弊端，已经很难满足配电 网的建设和安全经济运行要求，而且总体效率低下。为了实现电网改造与发展的合 理规划，提高电能的质量和供电可靠性，提高配电设备运行的安全性、经济性，高 质量的完成城乡电网改造，充分地利用先进的计算机技术来提高配电网管理水平是 一种必然。 利用目前的g i s 技术，将整个配电网中的各种图形信息、数据信息进行统一 管理，在地理背景图上非常直观地管理变电站、线路、变压器、杆塔、开关、电容 器等设备信息，为领导提供决策支持，可以大大提高整个配电网工作的工作效率和 整个配电网建设的规范水平和安全水平。因此，现在根据县级供电企业的情况来研 究这个课题有很重要的现实意义。 1 2 课题国内外现状 电力系统向高度信息化，自动化的方向发展，电网规模的日益扩大，电力企业 需要管理庞大的电力设备设施数据，用户数据，规划数据等。而科学的决策在某种 程度上依赖于决策者所掌握的信息量的大小。发电，变电，输电等系统均是包含大 量信息的复杂系统。获得更多的数据，并能最大限度将有关信息集成起来，为电力 系统决策人员提供一个多元化的决策依据，这是电力系统中迫切需要的解决的问题 之一。 g i s 在电力生产中应用。电力企业从发电，输电，配电到用电地每一个环节， 华北电力大学工程硕士学位论文 都表现为空间性，复杂性的特点，这些特点不但体现在电力企业的空间设备，最终 客户和电力系统所采用的技术上，更重要的是体现在电力企业的生产和运营管理 上，以及经营决策上。如何有效的管理电力企业的这些复杂性的空间资源，是电力 企业生产和运营管理人员面临的挑战。以城市配电为例，近年来，我国工业和民用 电的需求快速上升，同时城市建设也日新月异，配电设施大幅度增加，配电网变更 频繁；同时用户也对电力供应的可靠性和电能质量提出更高的，更为苛刻的要求。 配电管理系统由于涵盖配电设备众多，配电网规模庞大，业务处理复杂，涉及g i s 技术，数据库技术，实时信息，配电自动化等方方面面，覆盖了用电企业几乎所有 的生产和职能部门。 配电网是电力系统配送电力能源到最终用电单位的网格结构，承担着电网运营 供应链中最基层网络的重要任务。对配电网的管理涉及到点( 以杆塔为附着务的一 系列电力设备) 、线( 各种形式的电力线路) 、面( 供电区域) 各个层次上的数据 与图形管理。传统的管理方式主要是管理线路建设初期所生成的书面数据表格和线 路图，在电力行业几十年的发展过程中，各个电力部门都积累了巨量的配电网纸质 数据。同时也带来了数据更新困难。数据易损毁丢失、日常查询不直观、无法提供 对配电网改造发展的决策参考依据等弊端，且呈积累发展趋势。对配电网进行简单 的数据管理已远不能满足直观、纵览全局、实时、综合的更高要求，而以g i s ( 地 理信息系统) 为平台的“配电网g i s ”将是配电网系统的主流方向。配电网g i s 是 指在地理信息系统上建立配电网络的可视化的地理背景下直观对配电网进行日常 管理。 在欧美等发达国家，g i s 的应用遍及环保、交通运输、电力、电信、资源保护、 灾害预测、投资评估、城市规划建设等众多部门。近年来，随着我国经济建设的迅 速发展和通信技术的发展，g i s 的应用进程也相应加快了，在交通运输、测绘、城 市规划管理、制图等领域发挥了重要作用，在电信、电力等行业的应用也有了好的 开端，由过去只限于数据的管理逐步地进入到控制阶段。配电网g i s 是针对1 0 k v 及以下配电网的运行、管理等而开发的，它是利用计算机技术、通信技术将配电网 的分布、属性及实时信息按其实际地理位置描述在地理背景图上形成的集查询统 计、运行维护、分析管理等功能于一体的应用系统软件。 1 3 本文的主要工作 根据电力系统信息化发展的需要，本文结合m a p x 和m f c 开发工具，对配 电网g i s 系统进行了研究，详细介绍了配电网地理信息系统开发的全过程。本文 主要完成了以下工作： ( 1 ) 配电网地理信息系统分析及系统结构设计 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 地理网络模型的建立及其开发 ( 3 ) 配电网网损计算及其信息共享的实现 ( 4 ) 系统的研制、开发、调试及其在县级配电网的实际应用 华北电力大学工程硕士学位论文 2 1 地理信息系统介绍 2 1 1 地理信息系统概念 第二章地理信息系统概述 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o 瑚a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 是以采集、存 储、描述、分析地球表面及空间和地理分布有关的数据的信息系统。它是以地理空 间数据库为基础，在计算机硬、软件环境的支持下，对空间相关数据进行采集、管 理、操作、分析、模拟和显示，并采用地理模型分析方法，适时提供多种空间和动 态的地理信息，为地理研究、综合评价、管理、定量分析和决策服务而建立起来的 一类计算机应用系统。 简而言之，地理信息系统是以计算机为工具，具有地理图形和空间定位功能的 空间型数据管理系统，它是一种特殊而又十分重要的信息系统，综合了计算机、系 统工程、经济管理等多学科的知识，属跨学科的技术系统。其组成示意图如图2 一l 所示。 图2 1 地理信息系统的组成 2 1 2 地理信息系统的研究内容 地理信息系统的主要研究内容可以分为如下四个部分： ( 1 )输入 地理数据如何有效地输入到g i s 中是一项琐碎、费时、代价昂贵的任务，一 般是将地图“矢量化”，即把原来的地图用扫描仪或数字化仪处理后，利用g i s 软 件进行编辑，形成所谓的电子地图。目前g i s 的输入正在越来越多地借助非地图 形式，比如遥感和g p s 技术应用都非常广泛，具有很好的发展前景。 ( 2 )存储 g i s 中的数据分为栅格数据和矢量数据两大类，如何在计算机中有效存储和管 4 华北电力大学工程硕士学位论文 理这两类数据是g i s 的基本问题。在计算机高速发展的今天，尽管微机的硬盘容 量已达到g b 级，但计算机的存储器对灵活、高效地处理地图这类对象仍是不够的。 g i s 的数据存储有其独特之处，大多数的g i s 系统中采用了分层技术，即根据地 图的某些特征，把它分成若干图层，整张地图是所有图层叠加的结果。在与用户的 互过程中只处理涉及到的层，而不是整幅地图，因而能够对用户的要求作出快速的 反应。地理数据的存储是g i s 中最低层和最基本的技术，它直接影响到其它高层 功能的实现效率，进而影响整个g i s 的性能。 ( 3 ) 地理数据的操作和分析 g i s 中对数据的操作提供了对地理数据有效管理的手段，对图形数据( 点、线、 面) 和属性数据的增加、删除、修改等基本操作大多可借鉴c a d 和通用数据库中的 成熟技术。有所不同的是g i s 中图形数据与属性数据紧密结合在一起，形成对地 物的描述，对其中一类数据的操作势必影响到与之相关的另一类数据，因而操作带 来的数据一致性和操作效率问题是g i s 数据操作的主要问题。 地理数据的分析，即空间分析，是g i s 得以广泛应用的重要原因之一。通过 g i s 提供的空间分析功能，用户可以从已知的地理数据中得出隐含的重要结论，这 对于许多应用领域是至关重要的。g i s 的空间分析可以分为两大类：矢量数据空间 分析和栅格数据空间分析。矢量数据空间分析通常包括：空间数据查询和属性分析， 多边形的重新分类、边界消除与合并，点线、点与多边形、线与多边形、多边形与 多边形的叠加，缓冲区分析，网络分析，面运算，目标集统计分析。栅格数据空间 分析功能通常包括：记录分析、叠加分析、滤波分析、扩展领域操作、区域操作、 统计分析。 ( 4 )输出 将用户查询的结果或是数据分析的结果以合适的形式输出是g i s 问题求解过 程的最后一道工序。输出形式通常有两种：在计算机屏幕上显示或通过绘图仪输出。 2 1 3 地理信息系统的分类 地理信息系统根据其内容可分为两大基本类型： ( 1 ) 应用型地理信息系统 以某一专业、领域或工作为主要内容，包括专题地理信息系统和区域综合地理 信息系统。 ( 2 ) 工具型地理信息系统 也就是g i s 工具软件包，如a r c i n f 0 等，具有空问数据输入、存储、处理、 分析和输出等g i s 基本功能。 华北电力大学工程硕士学位论文 随着地理信息系统应用领域的扩展，应用型g i s 的开发工作日显重要，本系 统就属于应用型地理信息系统的范畴。 2 2 地理信息系统开发方式的选择 2 2 1 应用型g i s 开发的三种实现方式 ( 1 )独立开发 指不依赖于任何g i s 工具软件，从空间数据的采集、编辑到数据的处理分析 及结果输出，所有的算法都由开发者独立设计，然后选用某种程序设计语言，如 v i s u a lc + + 、d e l p h i 等，在一定的操作系统平台上编程实现。这种方式的好处在 于无须依赖任何商业g i s 工具软件，减少了开发成本，但一方面对于大多数开发 者来说，能力、时间、财力方面的限制使其开发出来的产品很难在功能上与商业化 g i s 工具软件相比。 ( 2 ) 单纯二次开发 指完全借助于g i s 工具软件提供的开发语言进行应用系统开发。g i s 工具软 件大多提供了可供用户进行二次开发的宏语言，如e s r i 的a r c v ie w 提供了 a v e n u e 语言，m a p i n f o 公司研制的m a p i n f op r o f e s s i o n a l 提供了m a p b a s i c 语 言等等。用户可以利用这些宏语言，以原g i s 工具软件为开发平台，开发出自己 的针对不同应用对象的应用程序。这种方式省时省心，但进行二次开发的宏语言， 作为编程语言只能算是二流，功能极弱，用它们来开发应用程序仍然不尽如人意 ( 3 ) 集成二次开发 集成二次开发是指利用专业的g i s 工具软件，如a r c v i e w 、m a p i n f o 等，实 现g i s 的基本功能，以通用软件开发工具尤其是可视化开发工具，如d e l p h i 、 v i s u a lc + + 、v i s u a lb a s i c 、p o w e rb u i l d e r 等为开发平台，进行二者的集成开发。 集成二次开发目前主要有两种方式： ( 1 )0 l e d d e 采用0 l ea u t o m a t i o n 技术或利用d d e 技术，用软件开发工具开发前台可执 行应用程序，以o l e 自动化方式或d d e 方式启动g i s 工具软件在后台执行，利 用回调技术动态获取其返回信息，实现应用程序中的地理信息处理功能。 ( 2 ) g i s 控件 利用g i s 工具软件生产厂家提供的建立在0 c x 技术基础上的g i s 功能控 件，女口e s r i 的m a p o b j e c t s 、m a p i n f o 公司的m a p x 等，在p o w e r b u i l d e r 、d e l d h i 等编程工具编制的应用程序中，直接将g i s 功能嵌入其中，实现地理信息系统的 6 华北电力大学工程硕士学位论文 各种功能。 2 2 2 三种实现方式的分析和比较 由于独立开发难度太大，单纯二次开发受g i s 工具提供的编程语言的限制也 差强人意，因此结合g i s 工具软件与当今可视化开发语言的集成二次开发方式就 成为g i s 应用开发的主流。 它的优点是既可以充分利用g i s 工具软件对空间数据库的管理、分析功能， 又可以利用其它可视化开发语言具有的高效、方便等编程优点，集二者之所长，不 仅能大大提高应用系统的开发效率，而且使用可视化软件开发工具开发出来的应用 程序具有更好的外观效果，更强大的数据库功能，可靠性好、易于移植、便于维护 尤其是使用o c x 技术利用g i s 功能组件进行集成开发，更能表现出这些优势。 目前许多软件公司都开发了很多a c t i v e x 控件，合理选择和运用现成的控件， 减少了开发者的编程工作量，使开发者避开某些应用的具体编程，直接调用控件， 实现相应的具体应用，不仅可以缩短程序开发周期，使编程过程更简洁，用户界面 更友好，而且可以使程序更加灵活、简便。与利用o l ea u t o m a t i o n 技术作为服务 器的开发方式相比，利用控件开发速度快，占用资源少，而且易实现许多底层的编 程和开发功能。 2 3 规划建设配电网g i s 的必要性、可行性 目前应用配电网g i s 的必要性主要体现在以下三个方面 4 ： 一是，由于国内与国外及国内不同配电网中应用配电网g i s 水平的差别，从 而带来效率和管理成本的巨大差别。特别是1 0 k v 及以下配电系统，过去那种粗放 的管理模式已不能适应新形势的要求； 二是，随着用电观念的转变，人们要求的相关服务的品味也在提高： 三是，未来社会是信息时代，数字化、网络化管理建立数字化电网是发展的必 然，而配电网g i s 则是最直接的服务手段。因此，配电网g i s 的实施势在必行。 实施配电网g i s 的条件是具备的。因为：一是计算机的应用已经相当普及， 这是实施g i s 的最基本条件；二是在g i s 的应用上国外已有成熟的经验。二是对 g i s 的认识普遍有了提高，认识到配电网g i s 是发展法方向 7 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章地理网络模型 对于我们周围的铁路、公路、街道、供水管线、输电线路等所有这些构成现代 社会经济基础的现实地理网络，如何来描述、记录、再现、分析、应用，在实际工 作生活中，如何充分发挥它们的最大效能，其中一个关键的环节，也是首要环节就 是怎样来表示现实中的这些形形色色、复杂多样的地理网络。地理网络在几何上由 边连成，边的端点、交点是网络的结点。这样就把现实世界中的网络对象抽象成网 络、结点、边之间的关系。网络在数学和计算机领域中一般抽象成图。图论是数学 的一个分支，在现实中有广泛的应用，图论中的许多基本概念是理解网络分析的基 础，网络及图的相关内容参见文献。 3 1 图论中的网络模型 网络分析是依据网络拓扑关系( 线性实体之间、线性实体与结点之间、结点与 结点之间的连接、连通关系) ，通过考察网络元素的空间及属性数据。对网络的性 能特征进行多方面研究的一种分析计算( 曾文等，1 9 9 8 ) 。在数学领域内，网络分 析的基础是图论与运筹学。网络被抽象为图的概念，所以网络的数据表达与图的存 储结构密切相关。 3 1 1 相关概念与定义 1 、图：在图论中，一个图g 是指由非空有限集合v ( g ) 和v ( g ) 中某些元 素的无序对的集合e ( g ) 构成的二元组( v ( g ) ，e ( g ) ) 。v ( g ) 称为图g 的 顶点集，其中的元素称为g 的顶点。e ( g ) 称为g 的边集，其中的元素称为g 的 边。有时，也记为v = v ( g ) ，e = e ( g ) 。 v = ( v l ，叱，v l e = ( v f ，v j 】| v g v ，v ，v 图3 1 中边的两个顶点是无序的，称为无向图。在实际应用中通常需要给每 个边分配一个方向，这样的图称为有问图。对有向图，有向边e 用与其关联的顶点 u ，v 的有序对来表示，即e ( u ，v ) ，u 表示边e 的起点，v 为边e 的终点。 v 11 i f l 图3 1 爵 无向图 v 3v 2 8 图3 2 有向图 华北电力大学工程硕士学位论文 2 、度：对于有向图，以顶点为起点弧的数目称为v 的入度；以v 为终点弧 的数目称为v 的出度。 3 、赋权图：对图g 的每一条边( v i ，v i ) 赋以权的图称为赋权图。 4 、连通：顶点u ，v 间存在通路，称u ，v 连通。 5 、连通图：任一对顶点均连通的图。 6 、路径距离：u ，v 间最短距离上各边长度之和 3 1 2 网络表示 图和网络的表示方法有两种，一种是用图形方法，另一种是矩阵方法。图形方 法是常用的表示方法，该方法形象直观，符合人眼的视觉感受，顶点和边的连接关 系清晰明了，对于简单的图或网络，有利于分析。由于研究问题的出发点不同，图 的矩阵表示也有多种形式，最基本的矩阵有关联矩阵和邻接矩阵。其他还有边目录 表示法、二数组表示法、邻接编目表示法和邻接顺序法等 关联矩阵，设g = ( v ，e ) 是一个无向环图， v 【：! 霈_ 驰# 这样得到的ivl 木iei 矩阵m ( g ) = ( m i i ) 就称为图g 的关联矩阵。关联矩阵 完整地表达了图g 中顶点与边的关联关系。如图3 3 所示。 邻接矩阵，设g = ( v ，e ) 是一个无向环图，取等于g 中顶点v i 和v i 之间的 边数，则ivi 阶方阵a ( g ) = ( a i i ) 称为g 的邻接矩阵。如图3 4 所示。 q毛吩蠕：白曩i吩 lo od od l2奠 ，i 吼 同样，有向图也有关联矩阵和邻接矩阵。 关联矩阵法和邻接矩阵包含了图应输入的全部信息，从它可以直接获得图的许 多重要性质，计算机也能方便的对图进行分析和处理，但两者需要很大的存储空间 ( 主要是内存空间) 。使用边目录表示法、二数组表示法、邻接编目表示法、邻接 顺序法等则能大大减少图占用的内存，但这些方法在获得图的性质和计算机处理上 没有前面两种方法方便。 9 0u斛接 气0 0 o 0 邻 鼍 如2 o l o 3 图 o 2 i ga o o 0 阵 o，霉 矩 ；，o o 姗 l l o o 3 3 - 3 图 ，k 黼 华北电力大学工程硕士学位论文 3 1 3 图论中的网络模型的不足 1 、研究范围狭窄。图论中研究的网络在现实世界中的原型主要是交通运输网 络，而对其他的地理网络，诸如通讯网络、河流网络、信息传播网络等缺乏考虑， 更没有涉及一般意义的地理网络。 2 、网络模型单一。图论中的网络主要被抽象为无向网络和有向网络，构成网 络的网络元素只简单的分成顶点和边。由于网络模型过于简单，不能完全表达现实 世界中各种网络所具有的共同特性，同时也体现不出具体地理网络的个体属性。 3 、表示形式简单。图论中的图多采用图形和矩阵的方式来表示网络，不适用 于大型的地理网络或网络元素复杂的地理网络。 4 、分析内容缺乏。一般在图论中研究的网络除了考虑关联关系外，通常还会 再考虑l 一2 种权值或属性，比如距离、费用、损耗等。而在研究实际的地理网络 时，通常需要考虑多种权值或属性，原有网络模型无法提供有效的解决。 5 、数据精度低。受数据获取技术的限制，在图论中研究的网络更多的趋向于 定性的描述和粗略的估计，数据来源和精度无法保证。 3 2 地理网络模型 要建立地理网络模型，需要对现实世界中的地理网络实体和现象进行抽象。用 地理网络元素来表示描述和再现现实世界中的地理网络实体和现象，通过地理网络 元素的组合来描述现实网络中的网络实体的相互关系和空间相对位置特征。一般是 将线状地理实体或地理现象抽象为网络链，将点状的地理实体或地理现象抽象为网 络结点、网络站、网络中心等。地理网络的抽象根据抽象的过程和抽象的程度将抽 象出来的地理网络模型分为：几何模型和逻辑模型。 3 2 1 几何模型和逻辑模型 几何模型具有简单明了、关系明确、便于表示等优点。但其存在致命的缺点： 其只能用于简单的地理网络的分析和描述，遇到复杂的地理网络就无能为力了：几 何模型没有包含属性信息，对网络元素的属性无法表示和记录，不能进行定量的精 确分析；图和网络的表示方式不便于计算机的存储、管理、分析、应用。 逻辑模型由一组二维关系表组成，包括有要素描述表( f e a t u r e t a b l e ) 和关系 连接表( c o n n e c t i v i t yt a b l e ) 。在要素描述表中分别记录和描述了构成地理网络 的各个元素的所有属性，关系连接表则用于记录地理网络元素之间的相互关联关 系。使用逻辑模型的优点在于关系清楚、便于计算机处理、能处理复杂的巨型网络 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 2 地理网络元素 根据实际应用的情况和需要，构成地理网络的元素可以分为以下几种：地理网 络链( n e t w o r kl i n k s ) 或叫地理网络边、地理网络结点( n e t w o r kn o d e s ) 、站( s t o p s ) 、 中心( c e n t e r s ) 、拐角( t u r n s ) 和障碍( b a r r i e r s ) 等，它们形成了如图3 5 所 示的地理网络结构。地理网络中每一类元素都有相应的属性，如阻碍强度 ( i m p e d a n c e ) 、资源需求量( r e s o u r c ed e m a n d ) 、容量( c a p a c i t y ) 、费用、损 耗等。元素详细可见图3 6 r - 地理网络链 厂筑状目标 ll 她理髓络 k 地理霸络结点 i l 点祆目标，站、中心、捣角、障碍 图3 5 地理网络结构 礴貉铬轰 翻络中心 两珞键 图3 6 网络模型元素 l 、网络链。网络链是构成网络模型的最主要的框架，也是图或网络中的边、 连线。网络链表示的是现实网络中的线状地理实体和现象。网络链既可以表示为一 条线，也可以用一组线来表示。 2 、网络结点。网络链的两个端点就是网络结点，网络链之间通过网络结点建 立连接关系。网络结点在现实网络中表示街道的交叉口、河流的交汇处、电话传接 点、电网中的电闸、河流网络中的水闸等。网络结点可表示为顶点、端点，并与网 络链相关联。 3 、网络站。网络站在地理网络中网络传输的起点和终点。在网络中，可以有 多个站。网络站在实际地理网络中表示河流的源头、资源所在地、运输的目的地、 1 1 华北电力大学工程硕士学位论文 发电厂等。 4 、网络中心。网络中心是网络中具有一定的容量，能够从链上获取资源或发 散资源的结点所在的位置。例如变电站作为输电线路和终点和配电线路的起点，使 电力配电网络的一个中心。 5 、网络拐角。网络中的网络结点上所有资源流动的可能转向。资源沿一条链 流到有关结点后，既可以原向返回，也可以流向与该点相连的任意其他链。与网络 的其他元素不同，拐角表示网络链之间的关系，而不是现实世界实体的抽象。然而， 在现实网络中，拐角对资源的流动有很大的影响，例如在十字路口禁止车辆左拐等。 6 、网络障碍。网络中资源不能通过的网络结点或网络链，它阻碍了资源在与 其相连的任意两条链之间流动。障碍是唯一不带任何属性的元素。障碍可以用来描 述战争中被毁坏的桥梁、禁止通行的关口等。 3 2 3 地理网络元素的属性 一般来讲，资源在一个网络中运行具有一定的规则，例如某个叉路口禁止左拐、 某座桥正在修理中禁止通行等，网络中任何一个元素属性的变化都会影响资源在网 络中的运行方式。网络的属性体现在网络中每个元素的属性中。下面具体介绍网络 元素的常见属性。 1 、网络链属性。在网络中描述网络链的属性有两种：一种是网络链的阻碍强 度( i m p e d a n c e ) ，如资源流动的时间、速度等；另一种是网络链的资源需求量 ( d e m a n d ) ，如学生人数、水流量等。 2 、网络结点属性。如果网络的结点参与资源分配，网络的结点也必须有一个 资源需求量。 3 f ，l 耀 蠢重0磊 5i o5 麓露l ： ： ： ： 0 j ， 图3 7 网络的中心 3 、站的属性。站是具有指定属性的网络元素。在最优路径分析和资源分配分 析中都要用到站的属性。站的属性主要有两种：一种是站的阻碍强度，它代表与站 有关的费用或阻碍，例如在某个车站上下车所用的时问等；另一种属性是站的需求 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 量，它表示资源在站上增加或减少的数量，例如学生数、乘客数等。 4 、中心的属性。中心的属性主要有两种：中心的资源容量和中心的阻碍限度。 如图3 7 所示。中心的资源容量：是从其它中心可以流向该中心或者从该中心可 以流向其他中心的资源总量。中心的阻碍限度：是指中心与沿某一路径分配给它的 所有弧段间总的允许阻碍程度的最大值。图3 7 中，中心的阻碍限度是1 5 ，弧段 按一定顺序分配给中心直到达到中心的阻碍限度，为了满足这个条件，有些弧段可 能是一部分分配给中心，弧段的阻碍强度以弧段的长度为基础划分。 5 拐角的属性。拐角描述了一个网络中相互连接的网络链在结点处的关系。 拐角的属性主要是拐角的阻碍强度，表示在一个结点处，资源流向某一条弧段所需 的时间或费用。阻碍强度值为负数时，表示资源禁止流向该弧段。 3 3 地理网络模型的相关问题 具体在建立地理网络模型的过程中，还需要考虑一系列的问题。诸如立交桥应 当抽象为什么要素，电话交换站又应当如何抽象，一条连接有多条次级管道的主输 水管道又如何表示，在有向网络中网络流向的问题，以及各网络要素之间的连接关 系等问题。在本节中将针对这些问题逐一探讨。 3 3 1 地理网络要素的抽象 通常根据地理网络要素本身的复杂程度和抽象程度可分为：简单链，简单结点， 复杂链，复杂结点，孤立结点。 l 、简单链和简单结点。简单链和简单结点是指实际网络中线状和点状的网络 实体和现象与抽象的网络模型中的网络链和网络结点之间是一一对应的关系。比 如，街道的交叉口就可以抽象为简单的结点，两机场之间的飞机航线就可以抽象为 简单的链。 2 、复杂链。在电网中，在一条主干线的不同地方有多条支线与它相连，或一 条干流有好几条支流注入，对这类如主干线、干流等在多处与别的实体的连接的线 状地理实体和现象，在进行抽象建立网络模型时，就得考虑使用复杂链。使用复杂 链，将其作为一个整体，同时又记录下其与其他网络实体的连接关系和连接位置， 这样用于分析时可以使用其连接关系和连接位置记录，而进行查询时可以使用整体 记录。 3 、复杂结点。电网中的变电站和电话网络中的交换机以及交通网络中的立交 桥等网络实体，在整个网络中其只能算着一个结点，但在它们内部还存在电信流、 电流和交通流等多种线状地理实体和现象，并且在整个网络的分析应用中还需要涉 及到这些地理实体和现象。因而在抽象这类网络实体时需要使用复杂结点。复杂结 华北电力大学丁程硕十学位论文 点在整个网络中，仍然作为结点，但对于每个结点，叉作为一个小的网络，小网络 与整个网络建立流量的联系。 l 。r a h t m c q h e 晰咄 图3 8 复杂接点 4 、孤立点。如果线状网络要素的一端不再与别的网络要素有连接关系，或不 再考虑这一端的连接关系，甚至在这一端已经超出问题考虑范围时，可以将该端点 抽象为孤立点。孤立点也可以作为该网络的输入口或输出口，还可以作为该网络与 其他网络联系的环节或作为子网络嵌入父网络的端口。 3 32 网络流 物资、能量、信息在地理网络中的传输就形成网络流( n e t w o r kf 1 0 w ) ，比如 公路网络上来来往往的车流，河流中流动的水流，i n t e r n e t 网上频繁传输的信息 流，供电线网中传输的电流等都属于网络流。 地理网络按照运行于它上面的网络流的传输方式可分为：运输网络 ( t r a n s p o n a t i o nn e t w o r k ) 和应用网络( u t i l n yn e t w o r k ) 。在运输网络中， 网络流可以自己决定传输的方向，因而在运输网络上的网络流不需要由网络来赋予 其传输方向，是非定向流，运输网络与图论中的无向网络相似。在应用网络中，网 络流没有自己的方向，它的传输方向由网络通过网络要素来控制，是定向流，如水 流、电流，应用网络与图论中的有向网络相似，构成网络的链、结点等都有固定的 方向且方向不可逆。应用网络中的网络流在每一条网络链上的流向是水久确定的， 是构成网络的一部分，它通常由源头、目的地、转换开关、阀门柬决定。 地理网络中对网络流产生影响的因素有：源头、目的地、活动状态、模糊流等。 图39 源头j 目的地 华北电力大学工程硕士学位论文 1 、源头与目的地。源头与目的地用于决定应用网络中网络流的方向。源头是 指网络流起始的结点，如发电厂等。目的地则是网络流的终点，如用电单位等。 2 、活动状态。活动状态是指网络元素在当前是处于激活状态或非激活状态。 当处于激活状态时，网络流可以通过，而如果处于非激活状态，网络流就不能通过。 控制网络元