基于gis的光纜故障應(yīng)急決策研究

信息系統(tǒng)（gis）是計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上的一項(xiàng)新興技術(shù)。圍繞這項(xiàng)技術(shù)的研究、開發(fā)和應(yīng)用，它形成了一門跨學(xué)科的學(xué)科。通過對空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)的綜合分析,它可以迅速地獲取滿足應(yīng)用需要的信息,并能以地圖、圖形或數(shù)據(jù)的形式表示處理的結(jié)果。現(xiàn)代化光纖通信都建立在一個(gè)高密度、大容量、高速的光纜網(wǎng)絡(luò)上,因此光纜一旦發(fā)生故障,將嚴(yán)重影響正常通信。迅速、準(zhǔn)確的故障點(diǎn)定位能縮短故障搶修時(shí)間,使網(wǎng)絡(luò)在最短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù),減少因故障的發(fā)生而帶來的損失。根據(jù)光纜網(wǎng)絡(luò)地理分布上的空間及環(huán)境特征,可以利用GIS來管理和維護(hù)通信光纜,實(shí)現(xiàn)沿線信息的可視化。一旦網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)或線路發(fā)生故障,系統(tǒng)就可在地圖上迅速標(biāo)明障礙地點(diǎn)及周圍的地形地貌、障礙類型、障礙等級,并自動(dòng)選擇到達(dá)障礙點(diǎn)的最佳路線,進(jìn)一步給出合理的應(yīng)急措施。這種應(yīng)用對光纜故障的準(zhǔn)確定位和應(yīng)急搶修具有極大的價(jià)值。1系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)的基礎(chǔ)是通信光纜沿線數(shù)字化地圖,利用MapGIS軟件對光纜通信沿線柵格型地圖矢量化,包括坐標(biāo)變換、拼接,錯(cuò)誤修改和建立拓?fù)潢P(guān)系,以獲取空間數(shù)據(jù)。采用SQLServer存儲(chǔ)地理實(shí)體的空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù),建立數(shù)字地圖。通過GPS將光纜通信線路在地圖上的位置準(zhǔn)確描述,直觀的給出地理空間圖形和詳細(xì)地圖,以及光纜周圍的環(huán)境情況。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)在功能上主要分為4個(gè)模塊:通信光纜故障點(diǎn)定位模塊,GIS空間分析模塊,輔助決策支持模塊和設(shè)備管理及資源配置模塊。本系統(tǒng)利用地理信息系統(tǒng)空間可視化的特點(diǎn),集成GIS技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和智能輔助決策技術(shù),建立基于GIS的網(wǎng)絡(luò)化、智能化光纜通信設(shè)備保障管理信息系統(tǒng)平臺(tái)。系統(tǒng)支持地圖空間數(shù)據(jù)的采集、管理、處理、分析、建模和顯示,對光纜通信線路保障所涉及的各種數(shù)據(jù)、資料進(jìn)行采集、貯存、管理、處理分析。采用圖查屬性和屬性查圖豐富系統(tǒng)的功能,通過空間查詢和多媒體顯示相結(jié)合的方式來實(shí)現(xiàn)故障點(diǎn)周圍情況的查詢。提供光纜通信維護(hù)、故障檢測排除和數(shù)據(jù)管理的技術(shù)決策支持,解決通信線路的安全保障。1.1基于光纖通信線路的解決方案在本系統(tǒng)中,故障點(diǎn)的定位是極其重要的,迅速、準(zhǔn)確的故障點(diǎn)定位能縮短故障搶修時(shí)間,減少因故障的發(fā)生而帶來的損失。采用OTDR(光時(shí)域反射儀)可準(zhǔn)確地得到光纜斷路點(diǎn)距測量機(jī)房的光纜長度。通過光纜通信線路屬性表與地圖空間屬性數(shù)據(jù)的連接,可在地圖上準(zhǔn)確定位出光纜故障點(diǎn)空間位置。直觀的給出地理空間圖形和詳細(xì)地圖,以及光纜故障點(diǎn)周圍的多媒體環(huán)境信息。在輸入故障點(diǎn)到機(jī)房的光纜長度數(shù)據(jù)后,程序立即到光纜通信線路屬性表中查找距離故障點(diǎn)最近的桿點(diǎn),然后根據(jù)查找到的桿點(diǎn)和故障點(diǎn)的距離差值,將故障點(diǎn)準(zhǔn)確的顯示在通信線路上。同時(shí)還提供了距光纜故障點(diǎn)最近的余纜位置查詢的功能,以為輔助決策作準(zhǔn)備。另外,故障點(diǎn)的相關(guān)信息也需要存入GIS數(shù)據(jù)庫中。1.2建立面向網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)模型GIS與各種管理信息系統(tǒng)的重要差別就是GIS中存貯有地理對象的空間信息:位置信息和拓?fù)湫畔?而與傳統(tǒng)CAD的主要區(qū)別是GIS能夠處理各種拓?fù)潢P(guān)系和進(jìn)行自己特有的空間分析。在GIS的歷史發(fā)展中,傳統(tǒng)的拓?fù)鋽?shù)據(jù)模型是以組織好的拓?fù)潢P(guān)系為基礎(chǔ)的,一切操作和分析必須以完整的拓?fù)鋽?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)。與之不同,本系統(tǒng)采用的是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型,即:拓?fù)潢P(guān)系并不是一開始就必須存在的,而是根據(jù)需要即時(shí)產(chǎn)生,生成的結(jié)果也可保存起來。GIS空間分析是建立在拓?fù)潢P(guān)系的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析的。1.2.1基于gis的干路設(shè)計(jì)緩沖區(qū)分析(Buffer)是根據(jù)指定的距離在點(diǎn)、線和多邊體實(shí)體周圍自動(dòng)建立一定寬度的區(qū)域范圍的分析方法。在本系統(tǒng)中,針對光纜通信線路生成一定范圍(由輸入半徑?jīng)Q定)的緩沖區(qū),可以充分獲取光纜通信沿線的GIS信息,如:地形地貌、道路交通、河流、土質(zhì)情況、人口分布、野外施工條件等信息。通過對這些因素進(jìn)行綜合分析,可以為光纜線路以后的建設(shè)提供依據(jù),如:選擇最佳的施工地點(diǎn)和最優(yōu)化的光纜路由;并對施工中可能出現(xiàn)的問題提早制定解決方案,為光纜線路故障搶修提供輔助決策支持。1.2.2最佳路徑求解對最佳路徑和最短路徑的求解是建立在網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上。網(wǎng)絡(luò)模型是指由許多相互連接的線段構(gòu)成的網(wǎng)狀系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)模型是對現(xiàn)實(shí)世界中網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抽象表達(dá),其中,線段稱為網(wǎng)絡(luò)連接,而線段與線段的交點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。在網(wǎng)絡(luò)模型中,資源和信息能夠從一個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。從網(wǎng)絡(luò)模型的角度看,最佳路徑求解就是在指定網(wǎng)絡(luò)中兩節(jié)點(diǎn)間找一條阻礙強(qiáng)度最小的路徑。最佳路徑的產(chǎn)生基于網(wǎng)線和節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)角(如果模型中節(jié)點(diǎn)具有轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù))的阻礙強(qiáng)度。例如,如果要尋找最快的路徑,阻礙強(qiáng)度要預(yù)先設(shè)定為通過網(wǎng)線或在節(jié)點(diǎn)處轉(zhuǎn)彎所花費(fèi)的時(shí)間;如果要尋找費(fèi)用最小的路徑,阻礙強(qiáng)度就應(yīng)該是費(fèi)用。本系統(tǒng)是要求尋找通信光纜故障點(diǎn)到機(jī)房的最佳路徑,故障點(diǎn)、機(jī)房與道路網(wǎng)絡(luò)層所建立的網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示。在圖2的網(wǎng)絡(luò)模型中:機(jī)房已經(jīng)被添加在道路網(wǎng)絡(luò)層上,是作為網(wǎng)絡(luò)層上的一個(gè)節(jié)點(diǎn)存在的。但是故障點(diǎn)并沒有在道路網(wǎng)絡(luò)層上,即沒有直接通往故障點(diǎn)的道路。因此尋找故障點(diǎn)到機(jī)房的最佳路徑就分成兩個(gè)問題來考慮:一是尋找故障點(diǎn)附近的最佳道路節(jié)點(diǎn),及故障點(diǎn)到這個(gè)節(jié)點(diǎn)的最佳路徑;二是尋找這個(gè)最佳道路節(jié)點(diǎn)到機(jī)房的最佳路徑。在道路網(wǎng)絡(luò)層中,網(wǎng)線在順逆兩個(gè)方向上的阻礙強(qiáng)度都是該網(wǎng)線的長度,而節(jié)點(diǎn)無轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù),因此第2個(gè)問題中的最佳路徑就成為最短路徑。本系統(tǒng)對最短路徑的求解采用的是圖論中的Dijkstra算法,其基本思路是由近及遠(yuǎn)尋找起點(diǎn)到其他所有節(jié)點(diǎn)的最短路徑,直至到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。此算法被GIS系統(tǒng)廣泛應(yīng)用,這里就不再贅述。難點(diǎn)是如何尋找故障點(diǎn)附近的最佳道路節(jié)點(diǎn)。整個(gè)求解過程的思路是:道路→點(diǎn)→道路的分析方法。要找最佳道路節(jié)點(diǎn),首先應(yīng)該找到故障點(diǎn)附近的道路。以故障點(diǎn)為中心建立一個(gè)緩沖區(qū)R,搜尋與緩沖區(qū)相交的道路Li。對于緩沖區(qū)半徑的選取,首先應(yīng)保證在這個(gè)緩沖區(qū)內(nèi)能搜尋到道路。半徑選得越大,最后計(jì)算得到的最佳路徑也越準(zhǔn)確。但同時(shí)搜尋到的路徑過多,以下的計(jì)算時(shí)間也越長?？紤]到這兩點(diǎn),根據(jù)道路的屬性數(shù)據(jù),漸進(jìn)擴(kuò)大緩沖區(qū)半徑進(jìn)行試探,最后總結(jié)出一個(gè)經(jīng)驗(yàn)值,將緩沖區(qū)半徑定為100m。假設(shè)在緩沖區(qū)內(nèi)搜索到兩條道路L1和L2,與L1相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)為A和B;與L2相關(guān)聯(lián)的節(jié)點(diǎn)為C和D,如圖2所示。將點(diǎn)P和這4個(gè)節(jié)點(diǎn)相連,得到PA、PB、PC和PD。前面已經(jīng)提到,直接通往故障點(diǎn)的道路不存在,PX(X∈{A,B,C,D})是只能步行的崎嶇山路。這里賦予PX一個(gè)權(quán)值cost,即PX相對于Li的阻礙強(qiáng)度,在PX上的消耗約等于相同距離的Li的cost倍。根據(jù)實(shí)地采集的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后,將cost定為2.5。然后將A、B、C、D分別代入(1)中的X,計(jì)算dx的值:dx=cost×PX+XQ{X∈A,B,C,D}(1)PX由兩點(diǎn)間距離公式計(jì)算得出;XQ是以X為起始節(jié)點(diǎn),Q為終止節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最短路徑分析得到的結(jié)果(對第2個(gè)問題的求解)。比較所有的dx,假設(shè)最小值為dC,那么CQ就為我們要找的最短路徑,而點(diǎn)C就是要找的最佳道路節(jié)點(diǎn)。找到與C相連的道路為L2,現(xiàn)在要解決的是,P怎樣到達(dá)L2才最佳。在GIS中,對曲線的表示是將其分割為一系列密集的折線和頂點(diǎn)來近似,如圖3所示。曲線的GIS數(shù)據(jù)中記錄了這些折線和頂點(diǎn)。獲取L2上的所有折線段和所有頂點(diǎn)Ei并代入式(2)中進(jìn)行計(jì)算:si=cost×PEi+CEi(Ei為CD間的頂點(diǎn))(2)PEi是兩點(diǎn)間的距離值,CEi近似為兩點(diǎn)間的折線段的和。取min(si)與cost(PC)比較,假設(shè)min(si)<cost(PC),那么最后得到的PQ間的最短路徑就為PEiCQ。更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)模型都是以圖2中的網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)的,原理都相同。例如與C點(diǎn)相鄰的邊有多條(如圖2中L1與L2相交于C點(diǎn),與C相鄰的邊就有3條),那么這些邊上的頂點(diǎn)都應(yīng)該被提取出來進(jìn)行計(jì)算比較。在本算法中,沒有直接將頂點(diǎn)添加到網(wǎng)絡(luò)層上進(jìn)行最短路徑分析,而是先找到相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算,這樣既符合系統(tǒng)的實(shí)際情況減少了誤差,而且大大減少了最短路徑的分析次數(shù),畢竟最短路徑計(jì)算比兩點(diǎn)間的距離計(jì)算要復(fù)雜得多。另外在現(xiàn)實(shí)情況中,一條道路一般不會(huì)有太多的彎,所以曲線的頂點(diǎn)不會(huì)很多,且(2)中的計(jì)算簡單,那么計(jì)算并比較得出min(si)就是輕而易舉的事情了。在本系統(tǒng)中經(jīng)過測試,對于最佳路徑的選擇時(shí)間不大于2s。在頂點(diǎn)較多的情況時(shí),也可以采取將頂點(diǎn)進(jìn)行分組比較的方法來減少程序運(yùn)行的時(shí)間;如果計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)空間允許的話,還可以事先對相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行最短路徑分析,并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫中,這樣在程序運(yùn)行時(shí)只需對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行搜索查找,這也能大大節(jié)省時(shí)間。1.3設(shè)備資源查詢該模塊本質(zhì)是一個(gè)數(shù)據(jù)庫管理模塊,它主要有3個(gè)功能:1)數(shù)據(jù)的錄入,即是對設(shè)備資源數(shù)據(jù)庫增刪、修改的過程;2)對設(shè)備資源的查詢,提供方便的檢索手段讓用戶可以根據(jù)設(shè)備的不同屬性進(jìn)行搜索,并將結(jié)果直觀的顯示給用戶;3)對資源的動(dòng)態(tài)配置功能,即對輔助決策支持模塊輸入的設(shè)備資源信息分類,然后在設(shè)備資源數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行搜索,實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有資源的調(diào)度,其結(jié)果再返回到輔助決策支持模塊。1.4建立應(yīng)急保障預(yù)案庫該模塊對故障發(fā)生后采取怎樣一個(gè)應(yīng)急措施方案起一個(gè)輔助決策的作用。將通信網(wǎng)絡(luò)維修中的常識(shí)性、經(jīng)驗(yàn)性和原理性知識(shí),通信線路維護(hù)技術(shù)及故障檢測排除技術(shù)采用規(guī)則性知識(shí)描述以建立知識(shí)庫;根據(jù)故障的類型或等級,生成一個(gè)應(yīng)急處理措施數(shù)據(jù)庫,即所謂的應(yīng)急保障預(yù)案庫。其中存取的相關(guān)知識(shí)只是一個(gè)代號,它與知識(shí)庫中的ID號相同。通信線路發(fā)生故障后,首先應(yīng)該根據(jù)故障的類型或等級在應(yīng)急保障預(yù)案中找到匹配的記錄,獲取相關(guān)排除故障的方法以及維修故障所需的資源設(shè)備信息,然后將所需的資源設(shè)備信息輸入設(shè)備管理和資源配置模塊,經(jīng)過處理后的信息再返回給本模塊,最后再結(jié)合余纜查詢結(jié)果、緩沖區(qū)分析和最短路徑分析結(jié)果,連同相關(guān)知識(shí)一起生成一個(gè)應(yīng)急措施顯示給用戶,輔助用戶進(jìn)行決策。1.5任務(wù)的編碼與顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了地圖的放大、縮小、平移、漫游等;地圖的測量操作:包括測量兩點(diǎn)距離、某區(qū)域面積等;地圖編輯:包括修改、插入、刪除空間目標(biāo)和屬性;信息查詢:包括對單個(gè)目標(biāo)的查詢和某一屬性目標(biāo)集的查詢,以及各種基礎(chǔ)信息的條件查詢;信息顯示:包括點(diǎn)、線、面、字符的顯示,以及生成報(bào)表的顯示;以數(shù)據(jù)庫管理為中心的系統(tǒng)維護(hù)和管理:包括數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建操作和數(shù)據(jù)的備份、恢復(fù)及格式轉(zhuǎn)換。2系統(tǒng)的研發(fā)過程在系統(tǒng)的開發(fā)語言上,選擇Microsoft的VisualBasic6.0和組件式GIS軟件SuperMap,采用VB作為應(yīng)用開發(fā)平臺(tái),保留GIS軟件對空間數(shù)據(jù)的分析和管理的強(qiáng)大功能,充分利用可視化開發(fā)平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn),從而開發(fā)出功能強(qiáng)大、使用方便的GIS應(yīng)用系統(tǒng)。采用ActiveX方法,完成本系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用設(shè)計(jì)。采用SQLServer分布式存儲(chǔ)和管理地圖的空間信息和屬性信息。3數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化管