电力设施GIS数据采集系统解决方案.docx

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电力设施GIS数据采集系统解决方案

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电力设施GIS数据采集系统解决方案

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TrimbleGPS在电力公司

电力设施GIS数据采集系统解决方案

建

议

方

案

北京望邦天鑫科技发展有限公司

2011年11月

项目背景

电力行业是国民经济发展的基础行业，同时，它又是一个技术密集、资产密集的行业。

近年来，我国已经开始规划和实施电力行业的信息化发展战略，其重点就是实现电力资产管理的信息化，建设“数字电网”。

采用GIS技术可以显著提高以空间数据为基础的电力信息处理分析的能力，因此建立电力GIS应用系统进行电力设施数据采集和分析处理成为电力信息化的重要手段。

借助GIS应用平台，可实现电力设施的设计和更改管理、运行维护管理、故障停电管理、服务和市场分析、网络分析和企业信息访问及更新等。

不仅如此，GIS系统还能提供多空间数字电网模型、实用化电网数据维护工具、丰富的电网分析工具，达到构筑企业协同工作环境、提高服务质量、完善业务流程指导生产、提高决策效率的目的。

不同企业有不同的工作流程和业务逻辑，不同电力企业的GIS系统对数据提取、分析和处理可能有不同的思路，或偏重于某些方面的应用，但是几乎所有的电力GIS都包括以下一些基本功能：

基本GIS功能：

包括工作环境设置、图层操作、图形浏览、打印输出、长度面积量算等基本功能；

自动成图功能：

包括GPS数据文件接收、输电设备维护、变电设备维护、相位图的编辑、注记层的编辑生成等功能；

设备管理功能：

包括查询统计、单线图提取、线路模拟追踪等功能；

污区管理功能：

包括历年污区图的调阅和打印、记录大气环境和典型气象资料、记录污源分布信息、记录盐密点档案信息、记录线路污闪信息、进行污区图的编辑、各种专题图的产生、设备防污、污区查询统计等；

巡线管理：

GPS数据录入接口、图形数据输入、危险点数据录入、危险点查询等功能

所有这些功能都是以大量的电力设施的数据为基础的，因此，建立和完善电力GIS必须首先解决电力设施数据采集维护问题，包括设施的属性数据和空间数据。

其中属性信息涉及设备的编号、名称、型号、缺陷记录、检修记录、设备台帐、缺陷通知单、设备档案、线路条图和图片等；空间数据则包括以各种形式表达的电力设施的空间坐标，这些空间坐标一方面将作为电力设施的重要基础数据，另一方面用来检验人员到位情况，起到监督工作的作用。

采用GPS/GIS产品可以很好的解决数据采集问题：

GPS/GIS产品具备的快速、高精度定位以及自动数据记录功能，与传统的手动记录相比，能够大大提高数据采集效率。

可以配合激光测距仪使用，只要外业人员走到设备周围，无须靠近即可实现数据采集，可以保证巡检人员的安全。

系统可以结合视频图像采集系统，在采集位置数据和一般属性数据的同时，采集相应的图像信息，形成丰富和直观的GIS属性数据库。

它不依赖附加在电力设备上的信息设备，因此无需另行安装信息设备，可以节省大量投资。

现场采集的数据可以通过蓝牙、数据线缆等方式，甚至可以通过移动通信方式即时进入数据处理系统，为内业处理节省了时间。

GPS轨迹数据和原始观测数据无法或者难以更改，可以作为考察外业人员工作到位情况的一种手段，从而较好地解决了人员管理的问题。

需求分析

采集位置数据

电力用户主要应用GPS测定输电、变电设施如线杆、变压器等的位置信息，所有这些位置数据将被导入GIS系统中，显示在背景地图上。

在需要的时候，用户可以依据位置数据进行事故分析、最佳抢修方案设计等各种应用。

上述目标有的呈点状，如线杆、井盖等；有的呈线状，如110KV线路走向等；有的呈面状，如供电区域，测定目标的多种状态要求GPS设备能十分方便的进行点状、线状和面状地物的测量和记录。

定位精度方面，大致有三种精度要求，一是10米精度，用于线路的日常巡检和工作监督。

一是要求在1米以内，如线杆、变压器等；部分点位如对市内线缆工区的设施密集区的电力设施要求达到定位精度达到0.5米以内。

由于GPS单点定位精度在10米左右，采用Trimble产品，单点定位精度一般可以稳定在5m（RMS）左右。

对于要求达到亚米级定位精度的点位，必须采用差分定位技术才能满足。

差分定位可以分为实时差分和后处理差分两种系统及作业方式。

实时差分需要在基准站和流动站之间建立通信链路，用于实时传输RTCM差分改正数据，使用实时差分可以在观测时即得到高精度的定位结果，具有很好的时效性，但是实时差分设备一般相对比较昂贵，或者需要缴纳一定数额的服务费才能使用。

后处理差分在外业观测阶段仅能达到5~10米的精度，但是经过内业软件处理后可以达到亚米级甚至更高的精度，且操作简单，易学易用，工作灵活，而且无需缴纳服务费。

如果同一种设备既能够进行后处理又能进行实时差分，会更加理想。

采集属性数据

属性数据是除位置数据之外的另一种重要数据，它包含了用户所关心的与行业应用直接相关的重要信息。

如变压器的名称、编号、规格、等级、功率、设备损坏情况等等。

属性数据涉及到两方面的应用，一是作为电力GIS系统的基础数据；二是作为管理和决策的依据。

不同地物有不同的属性项，不同的属性项又有不同的存储、显示方式，如变压器的属性项有编号、名称、类型、规格、功率、损坏情况、上次维护时间、维修记录等。

其中编号属于数字形式，可以由用户手动输入，也可以由系统自动生成；名称属于文本形式，适于手写输入，而类型和规格可能更适于菜单选择；上次维护时间则属于日期格式，以系统日期对话框方式选择输入。

用户要求所采用的GIS数据采集设备能够非常方便的进行属性数据的采集。

一个有效的方法是建立和使用行业数据字典，如电力行业的数据字典应该包含线杆、变压器、变电站、电闸等地物目标，每个地物目标应预设了相关的属性项目，例如用户采集线杆目标数据，在采集该目标位置数据的同时，设备界面应自动出现该目标对应的属性项目，供用户填写和选择输入，这样当目标的位置数据采集完毕时，其对应的属性数据也被记录下来。

在采集下一个线杆目标时，设备会重复上述过程。

这样做的好处在于，你不会遗漏任何一项属性信息，因为设备上的数据字典显示出所有你需要记录的属性项，如果事先规定了缺省值，有些属性项目甚至不需要用户输入，系统会自动将其赋为缺省值。

采集视频数据

有时仅有数字或文字信息是不够的，因为不够直观，这时需要采集图像信息，但是使用数码相机直接拍照的弊端是难以跟具体的地理位置相对应，借助RedHen系统可以将静态图片，甚至将动态图像信息与地理位置相对应，生成具有丰富视觉信息的多媒体地理信息数据库。

通过该系统，可以导出为GIS平台能够识别的数据格式。

路线规划导航

在突发事件爆发时，需要抢修人员在第一时间赶赴出事地点，这时GPS设备应该能够为抢修人员导航，由于事先已经采集了所有电力设施的位置信息，可以根据现场其他信息很快找到出事地点对应的设备信息，或者根据巡视队员的GPS位置报告，快速锁定故障设备，并将该事发地点设置为导航目标，GPS设备可以引导抢修队员快速到达现场。

前期数据采集阶段，常常需要根据工作计划对作业路线进行事先规划，若干作业点作为航点，若干航点组成航线，在野外作业时启用航线导航，GPS就可以为外业人员带路，直观地显示出距离下一个作业点的距离、方位等，如果接近预定点到足够距离，GPS会报警提醒。

后期数据更新维护时，需要将前期采集的、待更新的数据上传到GPS设备上，启用这些数据作为导航目标后，GPS设备会带领外业人员到目的地。

如果能够导入背景地图，使得在显示实际轨迹的同时显示背景图，则不仅有利于规划航点，而且方便野外导航，那就更完美了！

巡检轨迹记录

配备GPS设备的目的除用于数据采集和维护以外，还有一个用途就是记录日常巡检轨迹，这些轨迹不能手动创建和更改，只有亲到实地才能记录巡检地点的轨迹，巡检完毕后上传到内业软件上，可以直观的显示在背景地图上，所有巡检轨迹均存贮和分析，作为日常工作记录，能够有效的监督巡检人员的工作。

用于记录巡检轨迹的GPS设备的定位精度不要求太高，但数据存贮空间应足够大，电池电量也应该足够大，可以适应较长时期巡检轨迹记录的要求。

另外这种设备应该轻便、小巧，易于携带。

内业数据处理

外业数据存贮在GPS设备上，首先要通过数传线缆或蓝牙无线方式下载到用作数据处理的PC机或工作站上。

对于后处理差分方式，应用GPS后处理软件，对基准站和流动站数据进行差分后处理，提高精度至亚米级。

对于实时差分方式或已经差分后处理的数据，包括位置数据和属性数据，图像数据，下载后可以直接导入地理信息系统。

第三就是利用该地理信息系统做进一步的处理，根据需要生成一系列的成果数据和图表。

如果需要对数据进行定期更新，则需进行与上述相反的操作，即从用户GIS系统中导出GIS数据，上传到GPS设备上，进行目标导航，以便于快速找到更新目标。

解决方案

差分作业

对于精度要求在1米以内的设施，必须采用差分定位方式，按照工作程序的不同，可以分为后处理差分和实时差分。

常见的实时差分系统有信标差分、单基站、VRS和卫星差分等。

后处理差分利用两台或多台GPS接收机，在同一时段对同一组卫星星座进行观测，观测结束后分别将基准站和流动站观测数据导入后处理软件，通过软件解算方式进行数据改正，得到较高的定位精度。

电力设施的定位，在前期数据采集阶段的定位结果，主要用来导入GIS系统进行分析处理，因此用户并不在意高精度定位结果是实时得到还是后处理得到，因此可以采用灵活方便的后处理差分方式进行采集；而在事故抢修等实际应用时，需要实时精确导航功能，这时可以采用实时差分定位方式，以下对各种差分作业方式逐一介绍：

公共VRS

虚拟参考站（VirtualReferenceStation）是在一定的区域（如：

一个城市、一个省或一个国家）建立的永久性的连续运行GPS参考站，通过网络技术把它们连接到控制中心，控制中心接收和处理所有参考站的原始观测值，建立动态数据库，用户在作业过程中只要通过GSM、GPRS等方式访问控制中心，控制中心根据用户的位置，在用户附近模拟一组基准站数据（包括基准站坐标和GPS观测值），通过GSM网发给用户，用户利用接收到控制中心的数据进行GPS位置改正解算，在初始化时间和精度方面很好的效果。

利用VRS用户不需要建立自己的基准站，节省了费用和人力。

VRS既可以提供后处理原始数据，同时又发布实时高精度载波相位差分信号和伪距差分信号，因此GPS流动站用户既可以Internet或FTP下载的方式获取基准站数据进行后处理差分，也可以采用GSM、GPRS方式直接访问控制中心服务器，获取RTK或DGPS差分数据进行实时差分。

如果采用实时VRS服务，要求流动站设备具备GSM/GPRS通信功能，或者与可充当外置Modem的手机连接，通过GSM或GPRS方式访问控制中心服务器。

GSM方式接入需要采用中国移动全球通或动感地带SIM卡，并开通数据业务。

如果采用GPRS方式，则需要开通GPRS服务。

VRS是一种收费的公共服务系统，能够为用户提供不同精度级别的定位服务，如亚米级的伪距差分服务（DGPS）和厘米级的载波相位差分服务（RTK）。

目前，北京、上海、天津、武汉、成都、深圳等城市相继建成了TrimbleVRS系统，其他地市和省区也有许多正在酝酿建立VRS系统。

用户在已经开通VRS服务的地区使用TrimbleGPS接收机可以进行实时差分或后处理差分，得到符合标称精度的位置数据。

信标

信标差分系统一般是由国家投资，在沿海地区建设的GPS基准站和差分数据发布系统，供GPS用户免费使用。

信标系统建设的意义起初是为船舶导航服务，其采用调频电台广播方式，覆盖范围较大，因此沿海地区的其他GPS用户同样可以受益。

对于海岸线较长的国家，需要建立多个信标台站才能实现信标信号的完全覆盖。

用户需要借助专门的信标设备来接收和解算信标信号，有些产品将信标功能和GPS功能集成在一台整机中。

用户可以使用手动调节或自动扫描方式实现调谐，以搜索和接收距离最近的信标台的信号。

信标差分的精度随着流动站与信标台站距离的增加而降低，但一般小于1米。

Trimble有几款专业级产品是支持信标作业方式的，例如ProXR、ProXRS、GeoBeacon等。

卫星差分

卫星差分在某些方面与VRS很相像，属于广域差分的一种，同样依靠地面基准站网络提供差分数据源，与VRS依靠GSM网络或者Internet进行数据播发不同，卫星差分依靠通信卫星来进行数据播发，这样就很好的解决了覆盖范围的问题，以著名的OmniStar系统为例，其覆盖区可以从北纬70度到南纬70度，并且在其有效覆盖范围内，差分定位的精度不会随着流动站与基准站距离的增加而明显降低。

卫星差分一般由专业的定位服务商提供服务，如Fugro公司，这些公司租用通信卫星的频道用户提供GPS差分服务，出于赢利目的和高昂的运营成本，卫星差分服务一般都收取较高的服务费。

例如OmniStar目前提供三种定位服务，分别是VBS（亚米级）、XP（20cm）、HP（10cm）全部都是收费服务，其中VBS服务每机每年的服务费是2450美元。

公共单基站

单基站与VRS的多个基准站构成的基站网络相对，由单一基站向用户提供服务。

单基站可以通过电台广播或GSM方式向用户提供差分服务，定位精度随着流动站与基准站间的距离增大而降低。

从这个意义上讲，信标服务也是一种单基站服务。

用户可以选择使用公共的单基站。

目前北京、上海等城市向GPS用户提供公共单基站服务，公共单基站可以采用GSM拨号接入或通过Internet网络接入两种方式。

对于拨号接入方式，外业用户需要使用具备GSM通信功能的流动站设备或将现有设备与可用作外置GSMModem的手机连接使用，拨通单基站数据中心的服务号码后，即可从服务器上实时获取RTCM差分数据，进行实时差分解算，得到亚米级的定位结果。

目前很多单基站功能还很不健全，例如北京的单基站目前只能同时接入一个GSM用户，其余用户只能等该用户结束呼叫后才能拨入。

单基站如果采用Internet方式接入则可以允许多用户同时接入，这要求单基站服务器必须通过某种方式（如ADSL）接入Internet。

流动站端的硬件配置与上述拨号接入的相同，但在使用方式上不同。

用户不是通过拨号直接接入单基站Modem，而是首先创建一个GPRS或CDMA的网络连接，接入Internet，通过Internet访问单基站服务器，获取实时DGPS或RTK差分数据。

自建单基站

功能概述

如果用户选择自建单基站，可以选用Trimble5700CORS或5700L1设备作为基准站，并以功能强大的GPSBase软件作为基准站控制软件，实现以下功能：

通过电台广播、GSM、PSTN等方式输出RTCM/CMR格式的实时差分数据，包括DGPS和RTK类型的数据，供实时差分用户使用

基准站数据格式为DAT格式、RINEX和压缩RINEX格式，所有数据可进行自动FTP镜像，供用户下载后进行差分后处理

以多种形式分析GPS观测数据，输出各种功能报告

根据伪距观测数据计算多路径效应

对于异常情况，以多种形式报警，包括Email报警

GPS基准站设备及其他传感器设备的监视和控制

配合GPSServer软件，可实现差分改正数据在Internet发布。

接入方式

如果使用GPSBase建设单基站，则流动站可以通过拨号接入来获取实时差分数据。

对于拨号接入方式，需要在基站服务器端安装PSTNModem或GSMModem，每一个Modem可同时为一个流动站用户服务。

增加Modem可以同时为多用户服务。

基准站部署

以绍兴地区为例，该区最大纵深只有125km，而GeoXT在距离基准站200km范围内均可以达到亚米级精度，因此在绍兴市区架设1个基准站就可以满足整个绍兴地区的测量精度要求。

如图所示（覆盖半径为90KM）

自建VRS

自建VRS与自建单基站在流动站硬件设备配置上完全相同，而基准站数量较多，绍兴市配置3台基准站就可以覆盖全区。

通过缩小覆盖半径，架设多个基准站，可以得到更好的精度结果。

如果覆盖半径在40km，则需要架设3个基准站，如图所示，3个基准站分别架设在诸暨市、绍兴市和嵊州市。

所有基准站通过FR或DDN方式其他方式接入主控制中心（设在绍兴市）。

中心服务器安装和运行GPSNet软件和GPSServer软件。

其中GPSNet实现对基准站的监视、控制、数据收集、解算和通过GSMModem的数据发布。

GPSServer实现差分数据在Internet上的实时发布，使得流动站可以通过GPRS方式获取实时差分数据。

如果安装了GPSServer，即选择通过Internet实时发布差分数据，则控制中心应设法使服务器接入Internet。

实验证明，如果通过ADSL方式接入，服务器的IP地址会保持2~3天，之后就会发生变化，这时，外业的流动站如果不做相应处置，就会发生连接中断并且无法再次接入。

解决这个问题的方法是为服务器配置公网上的静态IP。

但是这样会产生新的费用，以北京网通为例，北京网通提供的企业宽带服务可为用户提供1M的接入带宽和静态IP地址，其初装费为600元，服务费用高达900元/月。

需要说明的是，各电信运营商和同一运营商的不同地方的分公司的收费标准相差很大，例如铁通公司的网络接入费用一般比网通的要低，如昆明铁通提供的ADSL接入服务，120元/月可以申请到2M的下行带宽，再增加60元/月就可以获得一个静态IP地址。

具体收费标准可向用户当地电信运营商咨询。

后处理差分

在数据采集/更新阶段，用户可以使用后处理方式实现亚米级或更高精度的定位。

这种方式的工作原理是：

流动站和基准站在同一时段对同一组卫星星座进行观测，分别记录和存贮观测数据。

在两者相距不太远的情况下，可以认为两者的误差来源基本相似，差分改正数也很接近，具备差分的基本条件。

观测完毕后，分别将基准站数据和流动站数据导入后处理软件，进行差分解算，得到亚米级或更高精度的位置数据。

采用后处理差分方式，基准站和流动站之间各自独立工作，无需实时通信，基准站架设和管理方便，流动站操作简单，易于掌握，因此十分灵活方便，适用于那些不需要实时高精度定位的场合。

基准站的部署与自建单基站的策略相同。

建议的作业方式

后处理差分方式工作灵活方便，精度较高，因此建议大部分基础数据采集和维护采用后处理差分作业方式。

如果对实时性要求较高，自建单基站是一种不错的选择。

如果资金较为充裕，可以选择自建VRS系统。

巡检作业由于精度要求不高，可以采用单点定位方式。

设备配置方案

针对电力GIS数据采集的实际情况，有三种建议的设备配置方案：

巡检定位方案

采用TrimbleReconGPSCard，流动站数据采集用TimbleTerraSync软件。

内业处理软件采用TrimblePathfinderOffice，无须架设基准站。

+

该方案的定位精度在5~10米，能够满足巡检作业对定位精度的要求。

ReconCard的标准配置如下：

Recon主机（预装MicrosoftWindowsMobile2003）1台

内置可充电电池1个

CF卡式GPS板1个

交流充电器（100-240V）1个

屏保膜10个

手写笔2支

快速入门1本

手带1只

USB数据线1条

TerraSync软件1套

自建单基站方案

+

+

流动站

流动站采用TrimbleGeoXT和可作为外置Modem使用的手机SonyEricssonk700c配合作业，其中GeoXT负责GPS卫星接收、解算、数据存贮。

手机用于建立和保持与基准站的实时通信。

GeoXT可以开通蓝牙功能，手机也具备蓝牙功能，这样两者之间可以通过蓝牙方式连接，省却线缆的烦扰（如果不能做到蓝牙连接，也可以通过连接线连接）。

该方案的实时差分定位精度为亚米级，能够满足大部分点位的精度要求。

其中GeoXT的标准配置如下：

GeoXTGPS主机1台

支持模块1个

电源适配器1套

USB数传电缆1个

主机软包1个

触摸笔1个

手带1个

操作手册1本

TrimbleTerrasync软件1套

基准站

自建单基站的硬件包括Trimble5700系列产品之一+Modem。

如果要接入多个Modem，则可能还需要增加若干个Modem。

基准站软件采用功能强大的GPSBase。

以下为5700L1Reference和5700CORS的产品对比介绍：

Trimble5700L1ReferenceStation

专业级单频基准站

基准站软件采用功能强大的TrimbleGPSBase

5700L1具有64M内置CF，可连续记录1700小时的观测数据（15秒间隔，6颗卫星）

采用内置电池供电或直接使用DC电源

先进的TrimbleMaxwell技术

多路径抑制技术，保证高精度的L1伪距测量

可输出未经过滤、未经平滑的伪距测量数据，可用于进行低噪音、低多路径效应、低时延的差分校正和高动态响应

低噪音L1测量，以1Hz速度输出的<1mm精度的测量结果

以dB-Hz形式输出L1信噪比数据报告

经得起考验的低角度卫星跟踪技术

12通道，L1C/A码，L1全载波，WASS/EGNOS

坚固、防水、抗震，可靠性极高

可与GeoXM和GeoXT配合使用

Trimble5700CORS

属专业级的双频基准站，适合长时间连续作业。

同样可以使用GPSBase软件完成上述功能，可与GeoXT、GeoXH配合使用，5700CORS可以满足GeoXH的H-Star技术对双频基准站的要求。

用5700CORS具备5700L1的几乎所有功能。

与5700L1相比，5700CORS主要由以下特点：

专业级双频基准站

高精度多重相关器L1和L2伪距观测

超低噪声L1和L2载波相位测量，1Hz带宽的精度是1mm

L1和L2信噪比按dB-Hz报告

24通道L1C/A码，L1/L2全周载波

结合GPSBase，可向实时差分用户播发RTK数据

可与GeoXM、GeoXT或GeoXH配合使用

5700基准站标准配置

5700L1（或5700CORS主机，均含数据线）1台

内置CF数据卡（64M）1只

直流电源1个

内置锂电池1个

操作手册1本

A3天线1个

VRS方案

VRS方案与单基站方案在流动站硬件配置方面是完全相同的。

与单基站方案不同，VRS方案的基准站通常不在控制中心，因此除GPS接收机以外，还需要COMServer用于将基准站接收机接入网络。

而主控制机房的则须配备若干GSMModem用于同时为多个通过GSM方式接入的用户服务。

为获得公网上的静态IP地址，可以使用网通公司的企业宽带服务，此时控制中心还需要配备企业宽带Modem（由网通提供）。

软件方面，VRS必须采用GPSNet，如果要实现差分数据在Internet实时发布，则还需要安装GPSServer。

后处理差分方案

后处理差分作业应作为一种主要的作业方式。

流动站与单基站方案同样选用性能优异的TrimbleGeoXT，基准站设备应考虑作业周期的长短进行选择：

如果长期连续作业，应选择Trimble5700系列设备，该系列设备更适合作为长期固定使用的基准站，如果天线部分架设在楼顶，还应该考虑同时安装避雷设施。

外业采集软件

TrimbleTerraSync是一款专业