基于大数据技术的输变电工程环境敏感区域监控系统及方法与流程

本发明涉及一种基于大数据技术的输变电工程环境敏感区域监控系统及方法。

背景技术：

随着我国电力工业的发展，电网的容量越来越大，输送的距离越来越远，输电线路的电压等级也在不断提高，高压变电站和架空输电线路的建设规模不断扩大。再加上经济发展及人口增长等社会因素的影响，新建的输变电工程逐渐向人口稠密区逼近已经成为大势所趋。近年来许多城市进行供电电力网的改扩建，变电站由城市郊区逐渐建到市区，高压架空输电线路在城市公众活动场所和居民区星罗棋布，变电站和输电线路可能产生的环境影响日益受到人们的关注，对输变电工程的环境保护工作提出了更高的要求。

由于变电站和输电线路数量庞大，单纯依靠人工对输变电工程环境保护工作进行管理不仅耗费大量精力而且容易出现错误，因此对输变电工程环保工作进行智能化管理十分必要。目前，国家电网公司电网环境保护工作智能化已经取得了很大的进展，但是在实际工作中仍存在部分环节智能化程度不高等问题，制约了输变电工程环境保护工作的效率。

首先，在输变电工程环境影响评价和设计阶段，由于缺乏环境敏感区域分布有关数据，在输变电工程选址选线和建设过程中，部分工程在环境敏感区域避让方面采取的措施和管理支撑手段不足；输变电工程环境影响预测技术在自动化、信息化程度方面不高，在选址选线阶段和路径调整时无法快速、及时和准确评估输变电工程对环境敏感点的影响。需要建立涵盖环境敏感区域分布的可更新、拓展的数据库，研究基于现有电网GIS平台的输变电工程环境敏感点的自动识别、分类技术和输变电工程电磁、噪声影响自动预测分析技术，提高国家电网公司电网环保管理的信息化、精益化、智能化水平。

其次，在输变电工程建设施工阶段，环境保护措施落实情况及监控方法繁琐与信息缺失，信息管理模式落后；无法实现工程施工过程中环境保护措施的记录。需要研究输变电工程建设过程中的环境保护措施落实及监控方法，解决建设过程各环节环境保护数据的智能化收集、处理、信息集成，实现对输变电工程建设过程环境措施落实情况的全过程管理。

再次，在输变电工程电磁环境监测方面，电磁环境参数监测的气候局限性、测量仪器种类繁多、测量任务复杂性及数据信息零散、报告生成困难、数据录入无法实现批量操作，监测数据无法实时对公众进行展示。需要研制全天候的实时电磁环境在线监测系统，建立广域全态电磁环境智能监测系统，实现现场数据的批量采集、存储、远程调阅等功能，向公众实时展示电磁环境数据。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于大数据技术的输变电工程环境敏感区域监控系统及方法，本发明基于关系型数据库和地理信息系统的数据，将综合数据在同一监控平面进行显示，实现了输变电工程环境敏感区域的集中监控。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于大数据技术的输变电工程环境敏感区域监控系统，被配置为对输变电工程内的所有敏感区进行管理，记录并更新输变电工程数据、图层数据、环境监测数据和环保纠纷数据，所述监控系统通过接口与电网环境保护管理子系统进行数据的同步与交互，更新电网环境保护数据；所述监控系统通过接口与国网GIS平台连接，将国网GIS平台的数据进行三维空间直角坐标系转换，实时调用其输变电工程图层与地理位置信息；

对获取的输变电工程数据、图层数据、环境监测数据、环保纠纷数据和地理信息数据进行融合，使其对应显示在同一图层上。

所述输变电工程环境敏感区域监控系统，具体包括数据层、逻辑层、服务交互层和展现层，其中：

所述数据层包括关系数据库和数据更新接口，所述关系数据库存储通过数据更新接口交互的输变电工程环境敏感区域数据与其他子系统信息；

所述逻辑层为web服务器，被配置为存储环境敏感区识别与预测模型以识别环境敏感区，并融合数据层交互的地理信息和环境监测数据、环保纠纷数据，形成每个环境敏感区模型；

所述服务交互层，被配置为读取每个环境敏感区模型，利用展现控件将环境敏感区模型中具备的多重数据进行叠加展示，并将每层信息配置展示标签；

所述展现层，被配置为通过展现页面展示所有环境敏感区模型的图层与展示标签。

所述数据层、逻辑层分别通过数据库服务器和web服务器实现，所述数据库服务器和web服务器的容量规划根据电力用户总部、省公司、地市公司三个层面的用户数量确定。

所述逻辑层，被配置有权限管理模块，根据登录的用户等级，设定阈值，划分不同的环境敏感区模型的图层信息或不同的管辖区域的浏览或修改数据的权限。

所述展示层，基于当前页面大小展示输变电工程数字化地图，显示地图中的区域或变电站，显示文物景点、线状古迹、自然保护区或水源地的敏感区域内输变电工程、环境敏感区类型和对应的环境监测和环保纠纷信息。

所述逻辑层，被配置为支持通过直接绘制、节点实时拖曳或输入坐标的编辑方式增加、修改环境敏感区信息，另外具备删除和导入等管理功能，对不同类型环境敏感区设置分析参数，地图上以不同颜色或标识进行区分。

所述逻辑层，被配置为通过接口调度环境监测及影像数据和输变电工程的环境纠纷处置信息，以辅助分析变电站电磁环境，包括输变电工程查询模块、选址辅助分析模块和反馈意见统计模块，所述输变电工程查询模块依托国网GIS平台对输变电工程进行全面查询，所述选址辅助分析模块分析和识别地图上规划的一条线或站周边的敏感区，能够自动计算距离，反馈意见统计模块记录首页在地图上提交的意见。

一种基于大数据技术的输变电工程环境敏感区域监控方法，对输变电工程内的所有敏感区进行管理，记录并更新输变电工程数据、图层数据、环境监测数据和环保纠纷数据，与电网环境保护管理子系统进行数据的同步与交互，更新电网环境保护数据；将国网GIS平台的数据进行三维空间直角坐标系转换，实时调用其输变电工程图层与地理位置信息；对获取的输变电工程数据、图层数据、环境监测数据、环保纠纷数据和地理信息数据进行融合，使其对应显示在同一图层上。

三维空间直角坐标系转换的方法为使用七参数模型，利用七个未知参数：三个坐标平移量、三个坐标轴的旋转角度和尺度因子，通过按顺序旋转三个坐标轴指定角度，使两个空间直角坐标系的XYZ轴重合在一起，坐标转换时，读取至少三个公共已知点，在两个不同空间直角坐标系中的六对XYZ坐标值，推算出上述七个未知参数，构建七参数方程组，将一个空间直角坐标系下一个点的XYZ坐标值转换为另一个空间直角坐标系下的XYZ坐标值。

本发明的有益效果为：

(1)本发明能够与国网公司的环保管理信息系统、GIS平台、电磁环境智能监测系统、输变电工程环境预测子系统中读取并调用相关监测、影像等文档数据，并且数据结构与有关系统保持一致，从而避免用户对基础数据的重复录入，同时保证数据的唯一性；

(2)本发明以图形化的方式展示系统重要数据，包括两部分：一是可以展示输变电工程数字化地图，可全屏放大和选择地图中的区域或变电站，对文物景点、线状古迹、自然保护区、水源地等具备自动统计区域内输变电工程、环境敏感区类型和相关信息；二是可以查询区域内的环境监测和环保纠纷信息，具备分级显示、查询、缩放等功能，不同权限和级别的用户进入系统后仅能浏览所辖区域的数据信息；

(3)本发明可以将目前输变电工程中诸多信息进行统一显示，在地图中融合不同信息，实现现场数据的批量采集、存储、远程调阅等功能，向公众实时展示电磁环境数据，真正实现数据的集成。

附图说明

图1为本发明的输变电工程环境敏感区地理信息系统与其他系统的集成情况示意图；

图2为本发明的输变电工程环境敏感区地理信息系统与其他系统数据生产流程图；

图3为本发明的环境敏感区数据库数据结构示意图；

图4为本发明的基于关系型数据库的拓展示意图；

图5为本发明的输变电工程环境敏感区域监控系统架构图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

如图5所示，一种基于大数据技术的输变电工程环境敏感区域监控系统，被配置为对输变电工程内的所有敏感区进行管理，记录并更新输变电工程数据、图层数据、环境监测数据和环保纠纷数据，所述监控系统通过接口与电网环境保护管理子系统进行数据的同步与交互，更新电网环境保护数据；所述监控系统通过接口与国网GIS平台连接，将国网GIS平台的数据进行三维空间直角坐标系转换，实时调用其输变电工程图层与地理位置信息；

对获取的输变电工程数据、图层数据、环境监测数据、环保纠纷数据和地理信息数据进行融合，使其对应显示在同一图层上。

所述输变电工程环境敏感区域监控系统，具体包括数据层、逻辑层、服务交互层和展现层，其中：

所述数据层包括关系数据库和数据更新接口，所述关系数据库存储通过数据更新接口交互的输变电工程环境敏感区域数据与其他子系统信息；

所述逻辑层为web服务器，被配置为存储环境敏感区识别与预测模型以识别环境敏感区，并融合数据层交互的地理信息和环境监测数据、环保纠纷数据，形成每个环境敏感区模型；

所述服务交互层，被配置为读取每个环境敏感区模型，利用展现控件将环境敏感区模型中具备的多重数据进行叠加展示，并将每层信息配置展示标签；

所述展现层，被配置为通过展现页面展示所有环境敏感区模型的图层与展示标签。

所述数据层、逻辑层分别通过数据库服务器和web服务器实现，所述数据库服务器和web服务器的容量规划根据电力用户总部、省公司、地市公司三个层面的用户数量确定。

所述逻辑层，被配置有权限管理模块，根据登录的用户等级，设定阈值，划分不同的环境敏感区模型的图层信息或不同的管辖区域的浏览或修改数据的权限。

所述展示层，基于当前页面大小展示输变电工程数字化地图，显示地图中的区域或变电站，显示文物景点、线状古迹、自然保护区或水源地的敏感区域内输变电工程、环境敏感区类型和对应的环境监测和环保纠纷信息。

所述逻辑层，被配置为支持通过直接绘制、节点实时拖曳或输入坐标的编辑方式增加、修改环境敏感区信息，另外具备删除和导入等管理功能，对不同类型环境敏感区设置分析参数，地图上以不同颜色或标识进行区分。

所述逻辑层，被配置为通过接口调度环境监测及影像数据和输变电工程的环境纠纷处置信息，以辅助分析变电站电磁环境，包括输变电工程查询模块、选址辅助分析模块和反馈意见统计模块，所述输变电工程查询模块依托国网GIS平台对输变电工程进行全面查询，所述选址辅助分析模块分析和识别地图上规划的一条线或站周边的敏感区，能够自动计算距离，反馈意见统计模块记录首页在地图上提交的意见。

如图3所示，数据架构包括业务应用数据区、应用服务层、数据访问层和数据资源区和系统内外部接口五部分。业务应用数据区体现的是表现层给用户展现的页面数据，对应基础数据、统计数据、计算数据和非结构数据，实现业务应用数据业务逻辑的是应用服务层和数据访问层，层层递进，最底层的数据资源存储区，即Oracle数据库文件，包括对象关系型空间数据、敏感区属性数据和设备信息数据库、在线文件、多格式文件、纸质扫描文件和网络业务数据等。

如图4所示，环境敏感区数据库的拓展和更新，数据库开发完成后，具有与国网公司电网环保管理信息系统、电磁环境智能监测系统、国网统一GIS平台的接口，方便了今后系统功能拓展或维护时与其他平台数据的交互，同时，通过系统的后台操作，可对所有地理信息、环境敏感区数据进行编辑、增减等操作，通过建立多级审核机制，可使数据库数据得到及时更新，及时反映工程周边实际情况，更好的为工程可研、规划评审服务。

结合目前地理信息系统的技术发展方向，对系统功能、与其他系统的交互、图形展示、数据输出、内外网数据交互的可行性、三维数据与平面数据选择等问题进行了研究和论证。

主要的功能需求为：

(1)利用国网GIS平台中基础地理信息(1:50000数字地图、卫星影像图)、详细的输变电工程路径站址信息、变电站\输电线路的环境监测数据、相关环境敏感区历史监测数据影像资料，可以方便的对各类环境敏感区、输变电工程等诸多要素进行查询、统计，自动对一条线路、一座站址、一片区域的指定环境敏感区进行筛选和环境影响预测，结合卫星影像图，可以方便的进行直观展示。

(2)具有数据库的功能，能解决工程前期工作中资料复用率不高、重复收资、现有图纸信息陈旧、现场搜资易遗漏、搜资费用高周期长的问题；允许使用人员方便的添加新的敏感目标，经过系统管理员调研确认准确性后，可以进入底图。从而使得系统数据具有可扩展性，在使用过程中不断积累，逐步趋于完善。

根据需要，用户可将环评、竣工环保验收报告等链接到地图中，方便管理人员调用。

(3)系统具有工频电场、工频磁场、噪声计算功能，具备权限的人员可以应用该软件，对线路周围工频电场、工频磁场、无线电干扰、噪声等进行预测分析。具备变电站典型类比监测数据库(监测数据录入、其他系统数据读取)，在进行变电站电磁环境分析时可调用类似变电站数据辅助分析。

(4)常规功能：输变电工程的新建、修改、删除、导入、管理等功能；敏感区的新建、修改、删除、导入、管理等功能，不同类型敏感区参数设置分析，输变电工程分析、统计、筛选，环境敏感区的自动识别、统计、输出，环境敏感区电磁环境影响的自动预测及显示。

用户添加数据类型包括：视频、音频、图片(各种照片及pdf等格式)、文档(记事本、word、excel等文档)等；系统能自动标注提供以上数据的来源；对于需要录入的其他参数，可以.xls等其他数据格式直接批量导入；对于现场反馈信息，用户进行规划、设计进行环境敏感区分析统计时可以清晰的判别数据来源。

对于输电线路、变电站、环境敏感区的每次增加、删除、编辑、修改均应在数据库中修改记录。对选中区域(可以画线方式确定区域且其节点可以任意编辑)，具备自动统计分析区域内输变电工程、环境敏感区类型和相关信息。

(5)对于输变电工程、环境敏感区等对象的新增、编辑要求具备直接绘制、节点实时拖曳、输入坐标等多种编辑处理方式。

此外，为保证系统数据的时效性和针对性，要求系统具备允许用户上传资源的功能，允许使用人员方便的添加新的敏感目标，经过后台确认后，可以进入底图。这样通过积累和不断完善后，可以有效解决工程前期工作中资料复用率不高、重复收资、现有图纸信息陈旧、现场搜资易遗漏、搜资费用高周期长的问题。

主要的应用场景为：

(1)在电网建设项目规划、可研、初设阶段，可应用项目成果进行选址、选线的环保优化，识别工程附近的环境敏感目标，提早进行规避或采取相应的环保措施，降低项目可能存在的环境风险。

(2)规划、可研、设计评审阶段的环保审核，从环境敏感目标规避或防护的角度提出审查意见。

(3)环评、竣工环保验收阶段，环评、验收调查单位可以应用成果进行工程分析，为制定工作方案提供支撑。

(4)设计、环保管理人员可以利用系统配套的电磁环境分析预测软件以及类比数据库对线路、变电站的环境影响特性进行评估并进行直观展示。

(5)输变电工程、环境敏感区等资料的检索和应用。

主要的应用模式为：

试点期间系统采用二级部署管理模式，后期全国推广期间采用一级部署管理模式。部署的业务模块有：首页、环境敏感区管理、环境监测数据管理、环境纠纷处置管理、电磁环境因子标准管理、统计分析、系统管理7大模块。同时，实现与国网GIS平台、电网环境保护管理子系统、电磁环境智能监测系统、输变电工程环境预测软件的数据库接口与集成。本期在国网陕西省电力公司、国网山东省电力公司完成系统研发和试点应用。

系统采用SoTower+Web GIS模式，在用户方面，采用IE登陆系统，即可进行系统的浏览、查询或数据上传等操作。服务器方面，考虑到本项目属于科研项目，若要统一一级部署，需要严格按照信息化工作的流程开展相关工作，暂时还不具备条件。因此对于本期开发来讲，成果进行二级部署，在陕西、山东两地试点的要求进行小范围应用，部署形式为在信通公司租用机房的形式，为用户提供服务。

信通公司租用机房：由信通公司承担服务器的日常维护，由项目组负责数据的维护、更新和后台审核。该形式利于服务器维护的规范化，也便于提高陕西、山东试点省公司的数据访问速度。

主要的系统角色为：

考虑到系统的适用对象以及系统操作的方便性，系统按两级用户权限进行设置。

按照需求分析，研发的输变电工程环境敏感区地理信息系统的开发要具备以下功能：

(1)为了满足规划、可研、初设、设计阶段站址路径避让环境敏感区的需求，系统要具备环境敏感区智能识别与分析的功能。

对于严格禁止跨越的敏感区区域，为避免出现早期未能识别导致环保颠覆性意见或后期被动改线，需要在规划编制、可研设计包括工程设计整个阶段，对工程周边涉及范围内的环境敏感区进行充分识别、分析和统计，满足敏感区避让的需求，为规划、可研、设计提供依据。

(2)系统开发完成后，要在规划、可研、初设、设计的审核时进行应用。考虑到现有设计平台均是基于五万分之一的数字地图进行设计，为便于与设计接轨，系统需要采用同比例尺的矢量化地图(全范围覆盖城市、农村、山区等)，为设计和评审提供一个良好的基础平台。

(3)为避免线路走廊拥挤导致的环保纠纷，需要评估设计线路、现有线路与环境敏感区的关系。系统要具备调用国网GIS中现有站址、路径的矢量图，具备评估设计线路、现有线路与环境敏感区的关系的功能。

利用国网GIS平台中基础地理信息(1:50000数字地图、卫星影像图)、详细的输变电工程路径站址信息、变电站\输电线路的环境监测数据、相关环境敏感区历史监测数据影像资料，可以方便的对各类环境敏感区、输变电工程等诸多要素进行查询、统计，自动对一条线路、一座站址、一片区域的指定环境敏感区进行筛选和环境影响预测，结合卫星影像图，可以方便的进行直观展示。

(4)为了满足应对环保纠纷、编写工作报告、提供统计数据等环保管理的需求，提出系统要建设包括环境监测报告、环评报告、竣工环保验收报告、环保纠纷处置资料等文件在内的数据库的功能要求。

建设包括上述资料在内的数据库，根据需要，用户可将环评、竣工环保验收报告等链接到地图中，方便管理人员调用,系统要具有良好的可扩展性，在使用过程中不断积累，数据趋于完善。

(5)为满足输变电工程对附近敏感区电磁环境影响水平的预测需求，要求系统提供输电线路电磁环境预测和变电站类比预测功能。

系统嵌入工频电场、工频磁场、无线电干扰、噪声计算软件，具备权限的人员可以应用该软件，对线路周围工频电场、工频磁场、无线电干扰、噪声等进行预测分析。具备变电站典型类比监测数据库(监测数据录入、其他系统数据读取)，在进行变电站电磁环境分析时可调用类似变电站数据辅助分析。

(6)要建成开放式系统，要求系统具备允许用户上传资源的功能。

允许使用人员方便的添加新的敏感目标，经过后台确认后，可以进入底图。通过积累，不断完善，可以有效解决工程前期工作中资料复用率不高、重复收资、现有图纸信息陈旧、现场搜资易遗漏、搜资费用高周期长的问题。

(7)常规功能：输变电工程的新建、修改、删除、导入、管理等功能；敏感区的新建、修改、删除、导入、管理等功能，不同类型敏感区参数设置分析，输变电工程分析、统计、筛选，环境敏感区的自动识别、统计、输出，环境敏感区电磁环境影响的自动预测及显示。

系统的功能设计、功能框架如图1、2所示。

本系统收集的数据主要是基于54坐标系或者西安80坐标系，而国网GIS平台采用的是国家大地2000坐标系，因此，在系统研发中需要对坐标系进行转换。处理工具选用ArcGIS，对于.shp源文件，通过ArcGIS设置坐标系，将坐标系设置成西安80标准，然后通过ArcGIS将坐标转换成WGS84(等同于国家大地2000标准)，转换主要采用“七参数”法进行转换。

在转换过程中，需要运用到七参数。在两个不同的三维空间直角坐标系之间转换时，通常使用七参数模型(数学方程组)，在该模型中有七个未知参数，即：

①三个坐标平移量(ΔX，ΔY，ΔZ)，即两个空间坐标系的坐标原点之间标差值；

②三个坐标轴的旋转角度(Δα，Δβ，Δγ))，通过按顺序旋转三个坐标轴指定角度，可以使两个空间直角坐标系的XYZ轴重合在一起。

③尺度因子K，即两个空间坐标系内的同一段直线的长度比值，实现尺度的比例转换。通常K值几乎等于1。以上七个参数通常称为七参数。运用七参数进行的坐标转换称为七参数坐标转换。

坐标转换时，通常至少需要三个公共已知点，在两个不同空间直角坐标系中的六对XYZ坐标值，才能推算出这七个未知参数，计算出了这七个参数，就可以通过七参数方程组，将一个空间直角坐标系下一个点的XYZ坐标值转换为另一个空间直角坐标系下的XYZ坐标值。

根据系统的应用环境分析，在系统设计开发伊始，对系统的用户群体，使用频段进行了研究，从总部、省公司、地市公司三个层面确定了用户数量，确定了系统应用的容量规划。

用户登录系统后，在首页顶部显示当前用户的姓名、单位、部门及角色信息,首页正文部分以图形化的方式展示系统重要数据，包括两部分：一是以适应当前页面一半大小的区域展示输变电工程数字化地图，可全屏放大和选择地图中的区域或变电站，对文物景点、线状古迹、自然保护区、水源地等具备自动统计区域内输变电工程、环境敏感区类型和相关信息；二是可以查询区域内的环境监测和环保纠纷信息，具备分级显示、查询、缩放等功能，不同权限和级别的用户进入系统后仅能浏览所辖区域的数据信息。

对于环境敏感区的管理，可通过直接绘制、节点实时拖曳、输入坐标等多种编辑方式增加、修改环境敏感区信息，另外具备删除和导入等管理功能。可对不同类型环境敏感区设置分析参数，地图上以不同颜色或标识进行区分。实际使用中，不具备修改权限的用户，对系统与实际情况不符的数据(主要是敏感区的变化、居民的变化)，可在地图上进行补充绘制并提交，待通过管理员审核后，可自动更新至正式数据库。

对于环境监测数据的处理，主要通过环境监测数据管理模块维护变电站典型类比监测数据库，为首页展示的输变电工程数字化地图提供数据支撑，通过与国网公司电网环保管理信息系统做接口(与电磁环境智能监测系统也有接口)，在进行变电站电磁环境分析时，可自动调用相关环境监测及影像数据辅助分析。还可以通过手动新增、修改、删除、导入等方式对数据进行维护。

此外，系统还具有环境纠纷处置数据管理功能，该模块维护输变电工程环境纠纷处置的相关信息，为首页展示的输变电工程数字化地图提供数据支撑，通过与国网公司电网环保管理信息系统做接口，获取输变电工程的环境纠纷处置信息，在进行变电站电磁环境分析时，可自动调用相关环境纠纷处置信息辅助分析。还可以通过手动新增、修改、删除、导入等方式维护输变电工程的环境纠纷处置信息。

在统计分析模块，分为输变电工程查询、预测辅助分析、选址辅助分析、反馈意见统计四个部分，以下分别介绍：

输变电工程查询模块依托国网GIS平台对输变电工程进行全面查询。

选址辅助分析模块分析和识别地图上规划的一条线或站周边的敏感区，能够自动计算距离。

反馈意见统计模块记录首页在地图上提交的意见。

系统管理包括组织结构、系统用户、角色维护、用户角色、用户权限、系统模块维护等子模块，对各级用户所在单位组织结构，用户基础信息、角色权限进行维护和管理。该模块早期与系统其它模块同步开发，后期嵌入电网环境保护管理子系统以后，统一使用国网的统一开发平台来进行配置。

本发明提到的环境敏感区识别与预测等具体方法，可以采用现有的识别与预测方法，其他未公开的具体方法，均为本领域技术人员的公知常识，是清楚地。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。