GIS系统总体架构设计二〇一二年五月
目录
1总体架构说明 (1)
1.1技术路线 (1)
1.2总体架构组成 (2)
1.3总体架构说明 (3)
1.3.1业务架构 (3)
1.3.2应用架构 (3)
1.3.3数据架构 (4)
1.3.4技术架构 (4)
1.3.5物理架构 (4)
1.3.6安全架构 (4)
1.3.7应用集成 (4)
2应用架构 (6)
2.1应用架构设计 (6)
2.1.1平台支撑应用 (8)
2.1.2空间信息服务 (9)
2.1.3电网资源图形管理客户端 (14)
3数据架构 (18)
3.1数据构成 (18)
3.2Oracle数据库 (18)
3.3Smallworld数据库 (19)
3.4切片地图数据文件 (19)
3.5图档文件数据 (19)
3.6空间坐标系 (19)
4技术架构 (21)
4.1技术架构设计 (21)
4.1.1数据层 (21)
4.1.2数据访问层 (22)
4.1.3应用逻辑层 (22)
4.1.4应用服务层 (22)
4.1.5表现层 (22)
4.2关键技术 (23)
4.2.1面向服务的架构 (23)
4.2.2组件化设计 (24)
4.2.3模型驱动 (24)
4.2.4电网图形一体化 (25)
4.2.5基于缓存技术的数据集中部署 (25)
4.2.6电网空间数据时态化管理 (26)
4.2.7基于CIM的电网数据交换技术 (27)
4.3GIS平台特点 (28)
4.3.1与业务系统松耦合 (28)
4.3.2与GIS软件平台松耦合 (29)
5物理架构 (59)
5.1物理部署和逻辑部署 (59)
5.2网络设计和评估 (63)
5.2.1根据地市局集中部署GIS的带宽估算 (63)
5.2.2理论上估算网络带宽 (63)
5.2.3带宽分析 (67)
6安全架构 (68)
6.1平台环境安全设计 (68)
6.1.1物理安全 (68)
6.1.2网络安全 (69)
6.1.3系统安全 (69)
6.2应用安全设计 (70)
6.2.1日志记录 (70)
6.2.2安全审计 (70)
6.2.3数据修改审计 (71)
6.2.4并发编辑和数据权限控制 (72)
6.2.5性能保障 (73)
6.3数据安全设计 (74)
1总体架构说明
1.1技术路线
1）电网GIS平台基于CIM标准在开放的商用关系型数据库上构建输、变、配一体化的电网拓扑模型；
本设计方案所采用的电网拓扑模型基于Oracle关系数据表存储图形和拓扑的方式。该拓扑模型符合CIM Topology拓扑的描述，并且针对输配电GIS的大规模数据量、并发编辑、多版本长事务等特性经过特别优化。
2）电网GIS平台技术上满足全省大集中的部署方式；
本设计方案的基础是现有地市局市县两级集中方式、采用一套Oracle、Smallworld 和WebGIS应用服务器，应用需求是成熟、稳定的。
在现有的基础之上，本方案进一步扩展到全省大集中的方式，具体表现在
（1）在Oracle数据库设计上采用分区＋空间索引的方式，不仅仅满足全省输变电的需求，还能进一步满足配电和低压数据全省集中的需求。
（2）在电网资源空间信息应用服务器设计上，采用基于Windows/Linux的内存对象数据库技术、多进程通信技术、多机集群技术等，支持全省集中的输变配低通的空间信息发布。
（3）在典型应用框架的设计上，将进一步采用基于矢量图形的智能增量传输、基于栅格/切片地图的本地存储等技术，优化网络带宽，降低网络和服务器的压力。
（4）在图形管理客户端的改造上，现有的程序已经具备电网图形和拓扑的本地缓存、极大的减轻了Oracle服务器的压力，已经具备的按空间加载/按区域或者变化增量加载的技术能够进一步减小Oracle和网络的处理压力。换言之，图形管理客户端已经具备全省输、变、配大集中的能力。
（5）扩展数据库图形内码和资源内码的位数，从原来的10位整数（NUMBER(10)）扩展到15位整数（NUMBER(15)），高的5位是地区局的编码。相应的软件模块中的
数据也需要从int（32位整数）升位到long long（64位整数）。
3）电网GIS平台支持事务管理；
本设计方案提供基于Oracle实现电网拓扑和图形的版本化、长事务管理的功能。该方案不同于Smallworld基于私有VMDS数据库的方式，也不同于ArcGIS/ArcSDE 基于SDE专有API才能访问的方式。本方案完全基于Oracle关系数据库、不依赖于第三方软件，并且能够通过SQL或者持久层API的方式进行访问。本方案是在应用成熟的运行层和设计层叠加的方式的基础上，加入了面向单个设备记录的完全的版本化管理功能，记录电网随工程设计、施工和投产过程的渐进的演化过程。
4）图形化的输变配基础数据维护。
图形化的基础资料维护是GIS系统和应用的突出优势，是现有地市局应用系统持久生命力的关键基础之一。本项目将在过去成熟应用的基础上，进行改造和深入开发，满足功能需求和规范要求。
1.2总体架构组成
电网GIS平台的总体架构由业务架构、应用架构、数据架构、技术架构、物理架构、安全架构和应用集成等部分组成。各组成部分既独立地支撑电网GIS平台的某个部分，相互之间又协调配合，整体构成电网GIS平台体系架构。电网GIS平台的总体架构如下图所示：
图1-1电网GIS平台总体架构图
1.3总体架构说明
1.3.1业务架构
业务架构是基于电网各类业务应用对于GIS的应用需求，分析归纳设计形成的能够满足总部、网省、地市不同层次对电网GIS平台的应用需求的业务应用功能体系，并结合业务发展需求形成业务模型。为电网GIS平台的应用架构、技术架构和数据架构的设计提供依据。
1.3.2应用架构
应用架构是通过对业务模型的理解，以系统分析的方法，对电网GIS平台的业务应用过程和目标进行分析抽象和归纳，形成电网GIS平台的功能模块及对应的功能域。
应用架构由电网资源图形管理、空间信息服务、典型应用框架、GIS高级应用、平台支撑应用五大部分组成。电网资源图形管理用于维护电网图形资源的空间信息、属性信息及拓扑关系，是本平台的数据支撑基础；空间信息服务基于SOA架构以标准的WebService服务形式发布图形数据和基础图形功能，为业务应用提供服务支撑；典型应用框架通过调用GIS后台服务为业务应用提供综合数据展示和图形分析应用；
GIS高级应用通过电网GIS平台与业务应用集成提供上层的高级应用功能，为智能电网的经济、高效运行提供辅助决策；平台支撑应用为电网资源图形管理、空间信息服务、典型应用框架及GIS高级应用提供配置、管理等相关支撑的管理应用。
1.3.3数据架构
数据架构定义了电网GIS平台中的数据模型、数据分类、部署方式等。目标是为电网GIS平台提供数据服务，可以针对电网GIS平台所需要的数据源实现数据收集和接入，通过数据中心、数据交换平台实现各业务应用系统和电网GIS平台的基础数据同步维护，保证基础数据一致性。
1.3.4技术架构
技术架构遵循桌面应用及Web应用的技术体系，采用组件化、动态化、服务化的设计思想，基于统一的电网GIS平台数据模型，按照数据层、业务逻辑层和表现层进行多层结构体系设计。并通过一体化平台应用集成实现与各类业务应用的横向集成，为各类业务应用提供电网空间图形及分析服务。同时，通过一体化平台的数据中心和数据交换，实现总部与网省的纵向贯通技术设计。
1.3.5物理架构
物理架构是为上层的应用提供软硬件支撑的平台，其设计的内容主要包括软件平台、服务器、网络、存储等软硬件设施。物理架构的设计需重点考虑电网GIS平台的高可靠性和高效性，需要达到系统高效稳定运行的目的。
1.3.6安全架构
安全架构指提供系统软硬件方面整体安全性的所有服务和技术工具的总和。依据电网GIS平台对安全防护要求，对电网GIS平台进行全面的安全防护。防护措施覆盖电网GIS平台的各部分，包括边界防护、网络防护、主机防护、应用防护等。在业务应用环境层次从身份管理、身份认证、访问控制、安全审计、数据保护等方面进行设计，具备完善的权限控制机制以保证平台的高度安全性。
1.3.7应用集成
电网GIS平台是建立在”SG186”一体化平台（包括企业门户、数据中心、应用集成和数据交换）的整体框架之内，其定位是构建电网结构模型，实现电网资源的结构
化管理和图形化展现，为各类业务应用提供电网图形和分析服务的企业级电网GIS平台。
电网GIS平台中的各种电网空间信息服务都遵循面向服务架构，其自身的数据和功能均可以WebService等标准服务的方式注册于应用集成平台中，也可通过集成平台的企业服务总线调用其它应用系统的服务，以实现数据和功能的交互。
2 应用架构
2.1 应用架构设计
按照国网典设以及系统自身需求，电网GIS 平台的应用划分为：电网资源图形管理、空间信息服务、典型应用框架、高级应用及平台支撑应用五部分，其体系架构如下图所示。
图2-1 电网GIS 平台应用架构图
1）电网GIS 数据库
在电网GIS 服务平台的最底层，是电网GIS 数据库，包括基于Oracle 的一体化数据库和商用GIS 空间数据库。商用GIS 空间数据库采用Smallworld VMDS 。ORACLE 一体化数据库包括系统管理数据、电网资源的属性、设备档案、图形、拓扑数据存储于Oracle 中，道路、湖泊、地形、卫星影像等环境地理信息存储于Smallworld 数据库中。为了实现快速的基础地理信息发布，Smallworld 中的背景地图经过切片渲染后，以图像文件的形式存储于文件服务器中。
2）电网资源图形管理
电网资源图形管理是C/S形式的电网资源图形管理客户端。这些客户端在前台同用户进行大量的复杂的人机界面交互（比如人工绘图和操作/拓扑编辑/自动生成图形），完成复杂的编辑和建模的界面操作。输变配低通一体化建模，以图形化的方式直观的绘制输配低压通信线路和变配电站内部一次接线图，维护全网贯通的拓扑模型。专题图自动生成和管理是从基础拓扑模型自动生成和管理各种电气专题图，包括全网一次接线图、线路相位图、同杆并架图、工作票简图等，以及污区图、特殊区域图、雷电分布图等专题图的数据导入、编辑和输出等。
3) 空间信息服务
电网GIS 平台构建在“SG186”工程一体化平台之内，实现电网资源的结构化管理和图形化展现，为各类业务应用提供电网图形和分析服务的企业级电网空间信息服务，各业务应用可以通过ESB（企业服务总线）调用电网空间信息服务。提供的服务包括：基础服务、图形浏览服务、查询定位服务、矢量图形服务、电网专题图服务、空间分析服务、电网拓扑分析服务、网片地图服务。
空间信息服务是通过全省大集中的运行于Windows/Unix/Linux服务器端的电网资源服务引擎提供的。这些服务引擎包括模型服务引擎、图形服务引擎、地理空间分析服务引擎和电网高级分析服务引擎。服务引擎在满足高可靠性和高可用性的前提下，提供满足上千并发用户对大规模电网（全省规模的输变配低压和通信数据）的高性能（实时快速、秒级）的访问能力。
4) 典型应用框架
典型应用框架通过对空间信息服务进行封装，以WebGIS 的方式为各业务提供典型GIS 应用。典型应用框架可以嵌入各业务应用系统，并可以通过业务系统功能与典型应用框架进行交互；典型应用框架可以通过门户启动。典型应用框架应用功能包括：电网资源查询定位、专题图查询、空间分析、电网拓扑分析、图形输出等功能。
5)GIS 高级应用
电网GIS 平台在电网图形资源管理、典型应用框架之外，还包括对各业务应用的GIS 高级应用，GIS 高级应用根据不同的应用需求可以在电网图形资源管理、典型应
用框架及PDA 终端中进行应用。根据目前各业务应用的需求，电网GIS 平台高级应用主要包括生产、营销、规划等相关专业的GIS 高级应用。
6) 平台支撑应用
平台支撑应用包括对平台的模型关系管理、图元符号维护、图形显示样式管理、平台权限管理、平台日志管理及瓦片地图管理等平台支持功能，为电网资源维护、空间信息服务、典型应用框架及GIS 高级应用提供平台应用支撑。
电网GIS服务平台与实时数据服务系统通过企业服务总线进行交互，实现电网资源模型和实时信息的挂接，并获得实时和历史数据进行电网分析服务。
2.1.1平台支撑应用
平台支撑应用包括对平台的模型关系管理、图元符号维护、图形显示样式管理、平台权限管理、平台日志管理及瓦片地图管理等平台支持功能，为电网资源维护、空间信息服务、典型应用框架及GIS 高级应用提供平台应用支撑。
模型关系管理：包括电网模型关系元数据的配置管理功能，由GIS平台联合提供对电网模型的元数据关系模型包括图、电网资源、设备（资产）、虚拟对象、图层、数据表的元数据描述及关系信息。
图元符号维护：提供对电网图元符号的分类、分组及符号编辑、保存等功能。图元符号管理功能对各种类图形提供图元符号管理，提供对生产设备、营销资源、通信资源、应急资源等各类电网资源的图元符号的管理功能。
图形显示样式管理：图形显示样式配置按照图类型、图层，对图层符号样式、标注样式、着色类型进行配置，电网资源图形维护、空间信息服务、典型应用框架根据显示配置信息进行图形符号化显示。各种图形有各自独立的显示方案，显示样式配置可以对生产、营销及基础地理对象等各类图形资源的显示样式进行配置。
权限管理：权限管理对平台功能是否可用进行控制，有权限的用户可以操作、查询的数据种类及数据范围进行控制。
平台日志管理：提供对电网GIS平台用户登录、功能使用、数据操作的日志管理功能，包括日志的记录设置、自动维护、查询、删除、导出等功能。
瓦片地图管理：把地理数据按照分片规则输出成图像格式，并对切分后的图片进行组织和管理。
基础地理数据管理：通过Smallworld基础GIS平台，提供对基础地理数据的编辑维护功能。
2.1.2空间信息服务
电网GIS平台对外提供空间信息服务的组件包括运行于服务器端的GIS应用服务引擎、通过企业服务总线发布的符合国网规范的WebService空间信息服务典型应用框架，如下图所示。
图2-2 电网GIS空间信息服务体系架构图
上图中橙色部分是电网GIS应用服务引擎，由电网模型服务引擎、图形服务引擎、电网高级分析服务引擎、空间分析引擎等核心组件构成，运行于Windows/Unix/Linux 服务器端，提供基础服务、矢量图形服务、栅格图形服务、图形浏览范围、查询定位服务、专题图服务、空间分析服务、电网拓扑服务和切片地图服务。
GIS服务引擎通过企业服务总线ESB以WebService形式的发布电网资源数据模型、图形展现、电网分析、地理空间分析等空间信息服务。
典型应用框架采用B/S技术，是基于.Net 技术和RIA（Rich Internet Application，富互联网应用）技术的控件，提供集成化的画面显示、设备查询、电网分析等典型应用场景。
营销、输电监测等业务系统可以直接嵌入典型应用框架，也可以直接访问通过ESB 发布的空间信息服务。
图2-3 电网资源服务的应用架构图
1）电网资源模型服务引擎和地理空间分析服务引擎
电网资源模型服务引擎主要为电网资源图形管理客户端提供模型维护和模型查询服务。这部分内容涵盖国网GIS典型设计的查询定位服务、空间分析服务的要求。
电网模型服务引擎的功能包括：
1）电网资源的维护，包括增加、拆除、更改命名、资源和资产的挂接等。这些服务主要供电网资源图形管理客户端调用，用来维护电网的资源模型。由于模型维护的复杂性，在一期建设中，由C/S客户端读写Oracle数据库实现电网资源的维护，因此不必开发该服务。在后期建设中，开发该服务，使得C/S客户端端也通过该服务进行电网资源的维护，改造为C/A/S架构。
2）电网资源的查询，通过符合CIM标准的方式提供查询电网设备的命名、管理关系、电气参数、拓扑关系、地理位置等数据。
3）电网模型的导入导出服务，支持CIM文件的方式导入导出指定的电网区域的模型数据。
4）国网GIS典设的查询定位服务
5）国网GIS典设的空间分析服务
电网模型服务引擎和地理空间分析服务引擎的交互方式如下图。
在ESB总线驱动下，电网和用户工程、抢修工作等业务流程流转到电网资源图形管理客户端，完成对输电线路、变配电站、配电线路等版本化的建模、图形维护和资产档案录入，存储于Oracle数据库中。
电网模型服务引擎从Oracle数据库中读取电网资源记录，形成内存中的高速缓存模型对象，构建内存中的空间索引和拓扑关系索引，以满足大量用户快速访问和电网分析的需要。
空间分析服务引擎实现电网资源和Smallworld中基础地理信息的空间求交分析。
其他松耦合的外部系统，通过ESB总线，调用符合国网GIS典型设计的Web Service形式的电网模型和空间信息服务。
2）图形展现服务引擎
图形展现服务引擎为B/S客户端等业务系统提供电网图形支撑服务。图形服务引擎的功能包括地理图、接线图、相序图等图形的导入、显示、打印和导出服务，涵盖国网GIS典型设计中的基础服务（图形部分）、图形浏览服务、矢量图形服务、专题图服务、切片地图服务、OGC 标准WMS服务的内容。
图形展现服务引擎提供的主要功能包括：
1）输配电线路和变配电站所的图形浏览查询。客户端看到的图形是电网信息和基础地理信息的叠加。
2）单线图、系统图、同杆共架图、相位图等各种专题图表的浏览查询。
3）工作票简图、操作票简图的制作和展现。
4）雷电分布图、特殊区域图、污区图等地理专题图的展现服务。
5）矢量图形的SVG导出
图形服务以多种形式提供：
1）嵌入业务系统的集成功能的应用框架（WebGIS图形控件）。该控件以功能集成的形式存在，界面功能最丰富、交互速度快，能够显示电网资源管理服务平台中各种图形，适合生产、营销等需要大量图形交互的系统使用。
2）基于SVG文件的图形服务方式。图形引擎响应业务系统的URL请求，生成矢量化的SVG图形文件，传送给客户业务系统。客户业务系统可以用第三方的SVG控件图形来显示图形，可以将SVG转换成其自己的格式等。这种方式使业务应用系统和资源管理平台能够完全解耦，灵活性最大，比较适合与在系统之间进行图形文件的导入、导出，例如为外部系统提供变电站主接线图、同杆共架图、相位图等各种专题图的矢量图形服务。
3）基于OGC的WMS的栅格图片服务方式。服务引擎根据客户请求的URL，生成好GIF/JPEG等栅格图片，返回给客户端。这种方式，客户端不需要安装控件，配置简单、功能单一，比较适合门户网站等综合查询系统。
图2-5 图形展现服务的示意图
3）电网高级分析服务引擎
电网高级分析服务涵盖国网GIS典型设计中的电网拓扑分析服务。对于电网应用而言，商用GIS平台的连通性分析、最短路径等通用分析只适合路网导航等应用，难以实现综合停电分析、故障报修定位等核心电网业务。因此，我们把PAS（电网高级分析软件）、DAS（配电网高级分析软件）中的电网拓扑分析、停电分析、潮流计算、可靠性计算等成熟的电力专业算法和程序移植到电网分析服务引擎中，并且通过服务的形式支撑营销、输电监测等系统的各项业务应用。
电网高级分析服务包括电网基础分析和综合分析等服务。
1）电网基础分析：根据输变配电网络在电气上的静态拓扑连接关系、以及开关的动态分合运行位置，计算输变电网络的动态拓扑连接关系，以支持图形上的动态着色、电网拓扑路径追踪、操作票中的开关操作顺序校核等应用服务功能。
2）基于电网拓扑、电网运行状态、设备电气参数的综合分析，例如全网潮流计算，停电方案计算等。
电网高级分析服务引擎采用了多进程的架构实现较高的计算性能，如下图所示。拓扑分析、停电分析等服务进程用C++写成、移植现有PAS/DAS的算法程序，以多进程方式运行在服务器端。生产、营销等业务系统的逻辑都是由Java写成，运行于J2EE 容器中。当需要调用高级分析服务时，业务逻辑代码调用各个分析服务的Java对象，这些代理对象进一步通过网络通信调用服务进程，将计算和分析的结果以Java对象的方式返回给业务逻辑。业务逻辑再通过Webservice发布服务。
图2-6 高级分析服务引擎与业务系统的交互流程示意图
2.1.3电网资源图形管理客户端
电网资源管理维护客户端以C/S的形式，主要用于地市局和分局、县局，实现对电网资源、图形和资产的图形化、流程化的管理和维护。这部分软件充分利用各个地市局开发和应用多年的成熟成果，并结合全省大集中、输配变低通一体化的需求改造而成，具有以下特点：
1）基于GIS和图形画面，非常直观的实现线路和设备的新建和改接，从画面触发维护设备台帐，自动统计生成各种台帐报表，实现抛掉纸质资料、实现单轨制的设备资料管理。
2）实现输变配电设备电气专题图的信息化、自动化的管理。传统上依靠AutoCAD、画笔等工具的人工绘制变电站主接线图、同杆共架图、工作票简图等电气专题图，维护工作量大、更新不及时、准确率没有保证。而在电网资源管理系统中，只要地理图中的线路拓扑模型正确维护，各种电气专题图就会自动更新，大大提高工作效率、减少资料错误带来的安全隐患。
3）通过工程设计、施工和投产环节的图形化工具，实现电网资源模型的闭环维护。采用基于GIS的电网设计应用能够在设计、施工的过程中，建立和维护线路和设备模型，在竣工时，只要少量操作就能够更新运行电网的模型，使技术手段能够支撑管理
手段保证电网模型的及时更新。
电网资源图形管理客户端的架构如下图所示。
数据层为Oracle中的电网资源数据库和Smallworld中基础地理信息数据库以及背景切片文件。
服务层为模型服务引擎，以实现电网模型的版本化编辑和存储。由于模型维护的复杂性，在一期建设中，由C/S客户端读写Oracle数据库实现电网资源的维护。在后期建设中，改造C/S客户端端通过模型服务引擎进行电网资源的维护，改造为C/A/S 架构。
公共组件层实现内存对象的持久化、版本管理、基础GIS平台驱动、图形编辑、拓扑编辑、表单定制、流程驱动、图形和图符显示、画面管理、权限和用户管理、打印等基础功能。
图2-7 C/S形式的电网资源图形管理客户端的结构图专用应用层提供如下应用功能：
1）输变配低通一体化电网建模
在GIS提供的地理背景上，输变配电运行部门的资料维护人员采用“图－模”一体化的建模工具，来建立输配低压通信线路及变电设备的电网资源模型，线路和变电站内外部的拓扑关系，图形化方式处理改造和新建电网和用户工程。
输变电一体化电网建模主要包括以下三个方面：
（1）以图形化的方式在地理背景图上建立输配低通线路的网络模型，包括地理位置、设备命名、管理信息和电气拓扑关系，并提供拓扑正确性的检查和修复工具。
（2）以图形化的方式指定变电站和线路的站内外连接。
（3）以图形化的方式在接线图、厂站布置图上建立配电站设备的网络模型，包括图形位置、属性和电气拓扑关系，并提供拓扑正确性的检查和修复工具。
2）设备台帐档案管理
以批量录入的方式对设备的台帐进行管理，以卡片的方式对单个设备进行管理。
3）专题图管理
管理维护电气专题图，并提供电气专题图的自动生成。从输配电线路地理图和变电站接线图等基础拓扑模型自动生成和管理各种电气专题图，包括全网一次接线图（系统模拟图、潮流图）、线路相位图、同杆并架图、工作票简图等等。
管理和编辑地理专题图，提供污区图、雷电分布图等的数据导入、制作、编辑和分析。
4）电网初步设计和设备变更管理
该模块实现在基建、网改、业扩等工程的驱动下，电网模型的命名、拓扑、图形、档案和量测等数据经过设计、施工、投产等系统的流程实现更新和维护。
在GIS中创建“工程设计版本”，在工程设计版本中，进行变电所、线路和设备的新建、拆除、改接操作，并创建线路走向图、杆塔明细表（测标单）、主要材料清单和统计等初步设计资料。
在施工环节，从“工程设计版本”转换（复制）到“施工版本”，可以在施工版本中进行设计变更，标明和跟踪施工进度。
在竣工验收环节，在施工版本中完成竣工资料的录入，并根据施工版本生成单线图和系统图等专题图。
在工程投产或者营销业扩接电时，执行“投产”操作，把施工的线路和设备合并
到电网最新的版本中，相应的单线图和系统图也同步更新，实现全网的模型、拓扑和图形的原子更新，保证电网模型的一致性。