本發(fā)明屬于巡檢機(jī)器人巡檢技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種變電站智能巡檢三維GIS系統(tǒng)建立方法。

背景技術(shù)：

在變電站內(nèi)建設(shè)三維地理信息系統(tǒng)的根本出發(fā)點(diǎn)是為了正確、全面、及時(shí)地獲取電力系統(tǒng)的各種信息，從而保障變電站安全、高效地運(yùn)作，以及為更多用戶提供更加完善周到的服務(wù)。三維GIS系統(tǒng)是由傳統(tǒng)的二維GIS系統(tǒng)發(fā)展而來的，相比于二維GIS系統(tǒng)，三維GIS能夠更加客觀的從空間方面展現(xiàn)地理信息。GIS系統(tǒng)在電力方面的應(yīng)用，目前停留于傳統(tǒng)的二維GIS來描述和表達(dá)GIS地理數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)。在繪制基本的地理數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)上，當(dāng)前的GIS系統(tǒng)在圖形展示能力方面起到了很好的輔助作用，但是對(duì)于某些具有重要三維數(shù)據(jù)的電力設(shè)施，如建筑物、桿塔、變電站等，傳統(tǒng)二維GIS的表現(xiàn)能力差強(qiáng)人意；針對(duì)二維GIS只能表達(dá)平面地理信息的缺點(diǎn)，對(duì)GIS技術(shù)的研究開始由二維轉(zhuǎn)向三維。三維GIS技術(shù)從理論上突破了二維GIS只能繪制平面圖的限制，使人們能以三維的方式進(jìn)行地理信息的應(yīng)用。目前，在電力相關(guān)行業(yè)，三維GIS系統(tǒng)的應(yīng)用還很少，這主要是因?yàn)榈乩硇畔⑾到y(tǒng)目前正處在一個(gè)二維到三維的過渡時(shí)期，三維GIS系統(tǒng)就其實(shí)現(xiàn)技術(shù)來看主要存在渲染圖形效率低，地理信息展示的不完全，而且需要大量的三維建模工作，難以維護(hù)等技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種變電站智能巡檢三維GIS系統(tǒng)建立方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的電力相關(guān)行業(yè)，三維GIS系統(tǒng)就其實(shí)現(xiàn)技術(shù)來看主要存在渲染圖形效率低，地理信息展示的不完全，而且需要大量的三維建模工作，難以維護(hù)等技術(shù)問題。

本發(fā)明技術(shù)方案：

一種變電站智能巡檢三維GIS系統(tǒng)建立方法，它包括：

步驟1、生成路網(wǎng)；采用Garmin設(shè)備采集變電站中所有路線中所有點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)；將這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)錄入Map-source中，選取所有關(guān)鍵點(diǎn)組成鄰接表，同時(shí)將Garmin取到的信息通過AutoCAD軟件畫出具體線路并生成.shp格式文件；

步驟2、建立三維場(chǎng)景；在Terra builder軟件加載DEM數(shù)據(jù)和數(shù)字衛(wèi)星地圖生成.mpt格式地形數(shù)據(jù)庫；在Terra Explorer Pro軟件中加載生成的.mtp格式的文件；.mtp格式的文件在Terra Explorer Pro中打開是變電站三維地形場(chǎng)景，在該場(chǎng)景中加載GIS特征圖層.shp文件、標(biāo)繪、貼圖、建立和加載3D模型，從而建立起三維虛擬場(chǎng)景。

它還包括：

步驟3、智能巡檢線路規(guī)劃：采用Dijkstra算法確定兩?？奎c(diǎn)之間的最優(yōu)路徑規(guī)劃；采用遺傳算法對(duì)二個(gè)以上巡檢員或巡檢機(jī)器人均衡分配巡檢線路。

所述采用Dijkstra算法確定兩?？奎c(diǎn)之間的最優(yōu)路徑規(guī)劃包括：

步驟3.1、建立初始時(shí)集合S和集合U，集合S只包含起點(diǎn)s；集合U包含除s外的頂點(diǎn)；

步驟3.2、從集合U中選出"距離最短的頂點(diǎn)k"，并將頂點(diǎn)k加入到集合S中，同時(shí)從U中移除頂點(diǎn)k；

步驟3.3、更新U中各個(gè)頂點(diǎn)到起點(diǎn)s的距離；

步驟3.4、重復(fù)步驟3.2和3.3，直到遍歷完所有頂點(diǎn)，得到兩?？奎c(diǎn)之間的最優(yōu)路徑。

所述采用遺傳算法對(duì)二個(gè)以上巡檢員均衡分配巡檢線路的方法包括：

步驟3.5、給所有城市給定唯一且連續(xù)的數(shù)組序號(hào)，采用以遍歷城市的次序排列進(jìn)行編碼的方法，確定群體規(guī)模n，使用隨機(jī)方法產(chǎn)生n個(gè)解X_i(k)(1≤i≤n，k為世代數(shù))組成初始解群；

步驟3.6、對(duì)于每一個(gè)個(gè)體X_i(k)，變量k為世代數(shù)，初始時(shí)k＝1，計(jì)算其適應(yīng)度f(x_i(k))；

步驟3.7、對(duì)于每一個(gè)體X_i(k)，計(jì)算其生存概率然后設(shè)一個(gè)隨機(jī)選擇器，依據(jù)P_i(k)以一定的隨機(jī)方法產(chǎn)生配種個(gè)體X_i(k)；

步驟3.8、產(chǎn)生下一代種群，選取兩個(gè)配種個(gè)體X₁(k)、X₂(k)，并依據(jù)一定的組合規(guī)則將X₁(k)、X₁(k)結(jié)合成兩個(gè)新一代的個(gè)體X₁(k+1)、x₁(k+2)，直至新一代n個(gè)個(gè)體形成完畢；

步驟3.9、重復(fù)3.6至3.8，直至達(dá)到規(guī)定的世代數(shù)終結(jié)條件。

所述適應(yīng)度f(x_i(k))的適應(yīng)度函數(shù)為：

式中為均衡因子，Min(Di)為所有旅行商中最短的路徑，d_ij為城市i到城市j的距離。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明建立了一個(gè)完整的路網(wǎng)系統(tǒng)和三維GIS系統(tǒng)。并實(shí)現(xiàn)巡檢操作；通過優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)同時(shí)為多名巡檢員規(guī)劃最優(yōu)路線，并能夠均衡的為多名巡檢員分配任務(wù)；通過對(duì)skyline三維GIS系統(tǒng)的二次開發(fā)，快速搭建一個(gè)較高性能的變電站三維GIS系統(tǒng)，錄入路網(wǎng)等信息后實(shí)現(xiàn)智能巡檢功能；本發(fā)明三維數(shù)據(jù)可以降維到二維，因此三維GIS自然也能包容二維GIS的空間分析功能。三維GIS強(qiáng)大的多維度空間分析功能，不僅是GIS空間分析功能的一次跨越，在更大程度上也充分體現(xiàn)了GIS的特點(diǎn)和優(yōu)越性；利用現(xiàn)代化的技術(shù)和管理手段對(duì)變電站進(jìn)行管理，增強(qiáng)對(duì)變電站設(shè)備的運(yùn)行管理和監(jiān)管能力，有效防止事故的發(fā)生，及時(shí)處理已發(fā)事故；解決了現(xiàn)有技術(shù)的電力相關(guān)行業(yè)，三維GIS系統(tǒng)就其實(shí)現(xiàn)技術(shù)來看主要存在渲染圖形效率低，地理信息展示的不完全，而且需要大量的三維建模工作，難以維護(hù)等技術(shù)問題。

具體實(shí)施方式：

本發(fā)明使用變電站高清影像和DEM數(shù)據(jù)，構(gòu)建真實(shí)三維場(chǎng)景。用戶可以查詢場(chǎng)景中任意點(diǎn)坐標(biāo)、高程等信息，系統(tǒng)可以規(guī)劃巡檢路線。實(shí)現(xiàn)步驟如下：

步驟一 生成路網(wǎng)：

變電三維GIS系統(tǒng)中需要四類數(shù)據(jù)：變電站數(shù)字衛(wèi)星地圖、變電站高程信息(經(jīng)度、緯度、海拔)、變電站路線網(wǎng)絡(luò)信息、設(shè)備信息。本發(fā)明變電站路線網(wǎng)絡(luò)信息是通過Garmin(記錄經(jīng)緯度的設(shè)備)設(shè)備采集變電站中所有路線經(jīng)緯度數(shù)據(jù)得到的。巡檢算法數(shù)據(jù)類型都是點(diǎn)坐標(biāo)(經(jīng)緯度)數(shù)據(jù)，本發(fā)明采用Garmin(記錄經(jīng)緯度的設(shè)備)設(shè)備采集變電站中所有路線中若干點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。將這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)錄入Map-source(Garmin開發(fā)的一款GPS數(shù)據(jù)管理軟件)中，在Map-source軟件的地圖中可以看到所有點(diǎn)組成的路線的信息，選取所有關(guān)鍵點(diǎn)(路口和停靠點(diǎn))組成鄰接表，同時(shí)將Garmin取到的路網(wǎng)信息通過AutoCAD軟件畫出具體線路并生成.shp格式文件。

步驟二 三維場(chǎng)景的生成：

Terra-Builder是skyline三維GIS系統(tǒng)的一個(gè)利用DEM(高程數(shù)字模型)數(shù)據(jù)和遙感影像數(shù)據(jù)來構(gòu)建自己的三維場(chǎng)景的工具。

Terra Explorer Pro是skyline三維GIS系統(tǒng)中一個(gè)可以加載打開三維地形場(chǎng)景(.mtp文件)，然后可以在場(chǎng)景中進(jìn)行各種編輯操作的工具，如加載GIS特征圖層(.shp文件)、標(biāo)繪、貼圖、建立和加載3D模型等，從而建立起更加真實(shí)且豐富的三維虛擬場(chǎng)景。

三維場(chǎng)景的生成分成兩步：

第一在Terra builder軟件加載DEM(高程信息)數(shù)據(jù)和數(shù)字衛(wèi)星地圖。最終生成.mpt格式地形數(shù)據(jù)庫。

第二，在Terra Explorer Pro軟件中加載第一步生成的.mtp格式的文件，加載地形數(shù)據(jù)。然后將通過AutoCAD軟件畫的線劃地形圖數(shù)據(jù)(包括變電站路線、變電站設(shè)備坐標(biāo)、變電站建筑物范圍等圖層數(shù)據(jù))生成相應(yīng)的.shp格式文件，在Terra Explorer Pro軟件中利用添加圖層工具導(dǎo)入批量建模。打開圖層屬性表添加屬性字段，給建筑物圖層添加number字段，對(duì)每個(gè)建筑物都賦予一個(gè)屬性字段值。在Terra Explorer Pro軟件中導(dǎo)人二維GIS特征圖層。由于僅僅加載特征圖層不能滿足對(duì)三維場(chǎng)景的美化，所以需要通過貼圖、標(biāo)繪等操作來實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物及周邊的三維場(chǎng)景的突出和美化。建筑物美化：首先賦予建筑物不同的高度，打開變電站建筑物圖層屬性框，選擇位置下面的屋頂高度選項(xiàng)，設(shè)置高度為(number*5)，建筑物根據(jù)之前添加的不同的number屬性字段值呈現(xiàn)出不同的高度。下一步是對(duì)建筑物進(jìn)行貼圖操作，建筑物貼圖可以根據(jù)不同的屬性采取不同的方式進(jìn)行貼圖，圖片可以為變電站真實(shí)照片也可以為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中的樣本圖片。道路美化：打開路線圖層，使圖層處于編輯狀態(tài)，單擊菜單Tools的Draw選項(xiàng)，選擇Urban Design，按照skyline三維GIS系統(tǒng)中的底圖鋪設(shè)道路，設(shè)置路燈、樹木、交通信號(hào)燈等。

步驟三 智能巡檢線路規(guī)劃：

針對(duì)變電站智能巡檢機(jī)器人全局最優(yōu)路徑規(guī)劃需要解決的兩大問題：一是任意兩停靠點(diǎn)之間最短路徑的求解問題；二是所有?？奎c(diǎn)最優(yōu)化組合的求解問題，提出采用Dijkstra算法、遺傳算法兩種方法。

算法數(shù)據(jù)類型都是點(diǎn)坐標(biāo)(經(jīng)緯度)數(shù)據(jù)，本發(fā)明采用Garmin(記錄經(jīng)緯度的設(shè)備)設(shè)備采集變電站中所有路線中若干點(diǎn)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。將這些點(diǎn)的數(shù)據(jù)錄入Mapsource(Garmin開發(fā)的一款GPS數(shù)據(jù)管理軟件)中，在Mapsource的地圖中可以看到所有點(diǎn)組成的路線的信息，選取所有關(guān)鍵點(diǎn)(路口和停靠點(diǎn)等)組成鄰接表。

1.Dijkstra算法解決兩停靠點(diǎn)之間的最優(yōu)路徑規(guī)劃，Dijkstra算法過程如下：

1)初始時(shí)，集合S只包含起點(diǎn)s；集合U包含除s外的其他頂點(diǎn)，且U中頂點(diǎn)的距離為"起點(diǎn)s到該頂點(diǎn)的距離"(例如，U中頂點(diǎn)v的距離為(s，v)的長(zhǎng)度，然后s和v不相鄰，則v的距離為∞)。

2)從U中選出"距離最短的頂點(diǎn)k"，并將頂點(diǎn)k加入到S中；同時(shí)，從U中移除頂點(diǎn)k。

3)更新U中各個(gè)頂點(diǎn)到起點(diǎn)s的距離。之所以更新U中頂點(diǎn)的距離，是由于上一步中確定了k是求出最短路徑的頂點(diǎn)，從而可以利用k來更新其它頂點(diǎn)的距離；例如，(s，v)的距離可能大于(s，k)+(k，v)的距離。

4)重復(fù)步驟2)和3)，直到遍歷完所有頂點(diǎn)。

2.遺傳算法解決多個(gè)巡檢員均衡分配走完所有巡檢線路規(guī)劃問題

本發(fā)明主要解決同時(shí)派出多名巡檢員或多臺(tái)巡檢機(jī)器人的情況下，如何均衡的為多名巡檢員規(guī)劃最優(yōu)路線的問題。多機(jī)器人巡檢所有?？奎c(diǎn)問題可以歸納成多旅行商問題(給出M個(gè)城市的集合，N個(gè)旅行商從各自所在的城市出發(fā)，分別走一條旅行路線，使得每個(gè)城市有且僅有一個(gè)旅行商走過。最后回到原來的出發(fā)城市.且總旅程最短)。本發(fā)明采用遺傳算法解決上述問題。

遺傳算法的過程如下：

1)所有城市給定唯一且連續(xù)的數(shù)組序號(hào)，采用以遍歷城市的次序排列進(jìn)行編碼的方法，如碼串82631457表示自城市8開始，依次經(jīng)城市2，6，3，1，4，5，7，最后返回城市8的遍歷路徑。確定群體規(guī)模n(整數(shù))，使用隨機(jī)方法產(chǎn)生n個(gè)可能解X_i(k)(1≤i≤n，k為世代數(shù))組成初始解群；

2)對(duì)于每一個(gè)個(gè)體X_i(k)(變量k為世代數(shù)，初始時(shí)k＝1)，計(jì)算其適應(yīng)度f(x_i(k))；

3)對(duì)于每一個(gè)體X_i(k)，計(jì)算其生存概率然后設(shè)一個(gè)隨機(jī)選擇器，依據(jù)P_i(k)以一定的隨機(jī)方法產(chǎn)生配種個(gè)體X_i(k)。

4)產(chǎn)生下一代種群。選取兩個(gè)配種個(gè)體X₁(k)、X₂(k)，并依據(jù)一定的組合規(guī)則(如交叉、變異、逆轉(zhuǎn)等)將X₁(k)、X₁(k)結(jié)合成兩個(gè)新一代的個(gè)體X₁(k+1)、x₁(k+2)，直至新一代n個(gè)個(gè)體形成完畢。

5)重復(fù)2)至4)步，直至達(dá)到規(guī)定的世代數(shù)終結(jié)條件。

本發(fā)明采用設(shè)置虛擬點(diǎn)的方法將多旅行商問題轉(zhuǎn)換為旅行上問題：假設(shè)有M個(gè)旅行商要走N個(gè)點(diǎn)，引入M-1個(gè)虛擬點(diǎn)，記為N+1，N+2...N+M-1。第i(0＜i＜N)個(gè)點(diǎn)到第j(N＜j＜M+N)個(gè)點(diǎn)的距離定義為第i個(gè)點(diǎn)到第1個(gè)點(diǎn)的距離。虛擬點(diǎn)之間及到中心點(diǎn)1之間的距離定義為無限大。在這樣的假設(shè)下，M條線路所經(jīng)過的點(diǎn)至少包含出中心點(diǎn)之外的另一個(gè)點(diǎn)。

遺傳算法為多巡檢員均衡的規(guī)劃路徑，目標(biāo)函數(shù)有兩個(gè)：

1)總路程最短，公式為:

2)均衡的分配巡檢員的巡檢路徑，公式為：Min{Max(Di)-Min(Di)}綜合兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)可以得到遺傳算法的適應(yīng)度函數(shù)為：

其中為均衡因子，Min(Di)為所有旅行商中最短的路徑，d_ij為城市i到城市j的距離。

步驟四 利用C#編程語言結(jié)合skyline三維GIS系統(tǒng)進(jìn)行二次開發(fā)

在Visio studio 2010軟件中加載Terra Explorer Pro工具提供了一個(gè)ActiveX控件集合。在開發(fā)的界面中，嵌入3D窗口、信息樹和導(dǎo)航地圖。通過C#調(diào)用Terra Explorer Pro工具提供的用戶接口在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)三維GIS系統(tǒng)中的功能編程。