基于核稀疏表示的多业务规划终端可视化系统设计

朱铭霞，董 平，杜 渐，王 哲

（1.国网江苏省电力有限公司经济技术研究院，江苏南京 210000；2.江苏电力信息技术有限公司，江苏南京 210000）

国家电网有限公司三届四次职代会创造性提出了“三型两网、世界一流”战略目标，明确了“一个引领、三个变革”战略路径。多个地区的电网公司紧密承接国网战略，综合考虑内外部形式和发展条件，打造区域能源互联网，将物联网技术以及信息处理技术融入到国家电网的整体发展体系中，并设计了对应的智慧规划系统[1]。智慧规划系统示范项目移动终端应用在电网规划信息化系统建设基础上，依托广域互联智能配电网项目，对内开发规划智能方法，对外开发新型业务拓展，从而提升该地区乃至全国电网规划信息化系统的智能化水平发展。

在图像处理方面，稀疏表示的目的是为了能够更有效地表示所研究图像的信息，也就是使用非常少的样本的数据信息来充分表示所要研究的全部样本的数据信息[2]。而核函数可以将数据投影到维数较高的特征空间当中，同时也可以很好地避免高维数据特征空间中发生的维数灾难问题，从而提高可视化的计算性能[3]。结合核函数以及稀疏表示的特点，将两个部分整合在一起，并应用到电网多业务规划终端的可视化系统设计中，间接提升电网规划的工作效率。

1 系统硬件设计

1.1 无线通信网络模块

无线通信网络的搭建是为了实现规划数据以及可视化图像从系统服务器端向移动终端的传输。无线通信网络由数据库服务器、Web 应用服务器、三维数据发布服务器组成，数据库服务器采用Oracle11g+ArcSDE 架构来存储空间数据和规划业务数据[4-5]，Oracle11g+ArcSDE 服务器与数据库服务器相连接，用来发布空间数据以及空间数据与规划业务数据的相关服务[6]。Web 应用服务器用来发布二次开发的Web 应用程序，三维数据发布服务器用来存储国家电网在实际环境中的空间数据。在各个服务器上连接一个路由装置，通过对路由设备的配置与调试实现网络传输信道的连通。

1.2 数据处理与存储模块

数据处理与存储模块设计的目的是为核稀疏表示程序提供运行空间，选择5 TB的存储器来代替传统的2 TB 存储器，同时将型号80888的微处理器替换成i7 6700k 型号的微处理器。

1.3 电路设计

硬件系统的电路可以分为数据采集电路、供电电路以及液晶显示驱动电路等。由于国家电网系统中的电力信号较为复杂，容易受到50 Hz 工频信号的干扰，电路中在单片机采集接口位置上连接一个低通滤波电力，用来过滤高频信号的干扰，滤波电路连接情况如图1 所示。

图1 有源低通滤波电路图

数据采集电路还设计了三路RS485 串行通信接口，可以用来接收外置模块模数转换后的数据[7]。而液晶显示驱动电路分为背光驱动电路和液晶驱动电路两部分，其中驱动电路的参数设置情况如表1所示。

表1 液晶显示驱动参数表

1.4 液晶显示模块

使用比常规显示屏更大的8 寸液晶显示屏，从液晶显示器的尺寸、显示效果等多方面考虑，最终选择AT080TN52 这款8 寸的TFT LCD，分辨率为800*600，内部背光液晶显示屏采用串联的方式[8]。根据液晶显示屏的连接方式，选择背光驱动芯片，并确定对应的液晶显示屏的扫屏方式的引脚配置，如表2所示。

表2 液晶显示器扫屏方式的引脚配置表

将所有的硬件设备进行参数配置，并利用供电电路将各个设备连接在一起，为设备的运行提供电力支持，保证各个设备可以同步运行工作。

2 系统软件功能设计

2.1 导入多业务规划数据

结合国家电网的多业务规划过程，收集相关的规划数据并将其作为初始数据导入到系统存储器中[9]。多业务规划数据的导入分为本地数据导入和外地数据导入两种形式，通过点击数据导入项中的“本地数据导入”可以将本地关系数据中的二维表数据读取到系统环境中。由于本地数据库中已经存储该数据，因此不需要再进行一次备份操作，可以随时导入[10]。另外，外部数据的导入需修改数据的导入路径，此次设计的可视化系统支持TXT、Excel 以及CSV 等格式的数据，在数据导入后系统自动将数据按照相同的格式存储到对应的数据库中，实现对导入数据的保存与备份，方便日后随时调用。由于系统用户选择的数据导入途径不同，因此需要配置的数据源信息也不同，基本需要配置的信息项包括数据源名称、数据源描述、文件路径、数据库地址等。

2.2 核稀疏表示的规划数据转化

多业务规划数据的转化就是将所有数据形式的信息转换成图像形式的信息，系统的可视化界面结构由图像拼凑而成。此次选用的转换方法为核稀疏表示的方式，通过核函数的迭代与计算，将数据映射到高维特征空间中。定义一个核函数表达式为：

式中，ρ和ω分别表示空间χ中的任意两个不重合的点。为了保证规划数据的可操作性，利用映射φ将空间χ中的数据映射到特征空间κ中，设多业务规划样本y和训练样本集A在空间κ中的项分别用φ(y) 和φ(A) 表示[11]。那么输入空间中的测试样本可以由训练样本线性迭代标出，在核特征空间中，测试样本的项可以通过式（2）线性表示得出：

式中，α表示训练样本的线性参数，而V为输入空间集合，vi,j表示集合中的项。由此可以得出核函数中的系数求解问题为：

通过对合系数表示的正则化处理得出：

式（4）中，λ表示的是一个参数，用来衡量重构误差与重构系数稀疏性。通过上述的核稀疏表示与映射关系，将多业务规划导入数据通过一系列迭代映射到目标空间中，形成对应的图像空间特征[12]。

2.3 配置可视化视图图形

结合核稀疏表示得出的多业务规划数据的空间特征，配置对应的可视化图形。可视化视图图形的匹配可以分为两种情况，一种是数据库中存在于空间特征相似度较高的图形，可以直接调取数据库中的图像数据，并将其放置在对应的规划数据位置上。另一种就是数据库中无相似图形，需要重新生成对应的特征图形。无论哪种图像形成方式都需要对可视化视图图形进行配置，保证其可以在界面中成功显示，配置操作包括排序和过滤两个步骤[13]。在图像配置列表中，每一个Item 分别对应数据表的属性名称，通过选择Item 可以实现对列属性的过滤操作。选定过滤属性后，在文本框中填写过滤名称，在DataGridView 界面中显示出对应的过滤字段。同理，可以在界面列表中通过属性名称实现对数值的排序。

2.4 实现多业务规划终端可视化功能

可视化算法包括平行坐标可视化、TreeMap 算法、捆图算法以及嵌套可视化算法等多种类型。针对不同的业务规划数据类型与数据量大小匹配不同的可视化算法[14]。

设备信息搜索查询详情可视化展示是以可视化地图的方式展示数据及其潜在的规律，从而帮助用户快速获取到用户所关注的信息，提高工作效率、该模块的可视化展示功能结构如图2 所示。

图2 设备信息详情可视化功能结构图

从图中可以看出，设备信息的查询详情可视化展示分为电网信息展示、设备状态信息展示、设备缺陷信息展示以及设备属性信息展示等多个部分[15]。其中以电网的一次接线图信息为例，对匹配的图形进行基本的配置操作，控制图层的位置、透明图以及显示情况，实现信息的分层展示[16-18]。最后将历史信息、实时信息等数据展示在系统界面上，得出设备信息的查询详情可视化结果。

3 系统测试实验分析

以测试该系统的可视化功能以及在实际电网规划中的应用性能为目的，设置系统测试实验。为了形成实验对比，在实验中设置传统的可视化系统和文献[15]中提出的基于组件化的数据可视化系统作为此次实验的对比系统。传统的可视化系统就是利用控图的方式实现电网多业务规划数据的转换与图像显示，而文献[15]中提出的可视化系统在传统系统的基础上，对其硬件系统进行组件化处理，但软件系统继续沿用传统系统的可视化程序。分别将3 种可视化系统导入到实验环境中，并使用相同的开发工具进行开发与调试，尽量保证系统测试实验变量的唯一性。

3.1 调配系统开发平台

可视化系统架构主要采用Asp.Net 技术，在框架搭建的过程中应用B/S 架构，开发环境采用集成VS2010 进行开发，数据库采用MySQL Server2008 进行电网多业务规划数据的存储。

3.2 可视化功能效果测试

此次系统测试实验从功能和性能两个方面进行具体测试，其中功能测试也就是系统的可视化效果，可视化效果的判定从分辨率和有效信息量占比两个方面考虑，分辨率越高，证明可视化结果的清晰度越高，即可视化效果越好。同理，有效信息量占比越大，证明可视化效果越好。为了避免单一实验对实验结果造成的影响，设置多组实验，利用平均值统计与计算方法得出最终的功能测试结果，如表3 所示。

表3 可视化功能效果测试结果

假设实验中每个实验组别的总信息量为1 560 MB，那么可以计算出传统系统和文献[15]提出系统输出可视化结果的有效信息量占比分别为61.9%和63.1%，而设计系统输出可视化结果的有效信息占比为64.9%，高于两个对比可视化系统。且设计的多业务规划终端可视化系统的分辨率均高于对比系统，因此基于核稀疏表示的多业务规划终端可视化系统的可视化功能效果更佳。

3.3 可视化系统兼容性能测试

可视化系统的兼容性测试就是在不同的终端设备中，观察可视化系统的运行情况。经过32 个终端设备的运行发现，设计的可视化系统可以在30 个移动终端设备中顺利运行，但其中有2 个终端设备会出现部分功能不支持的情况。相比之下，传统系统的可运行设备数量为28 个，其中5 个出现部分功能不支持的情况。由此可见，基于核稀疏表示的多业务规划终端可视化系统的兼容性能更优。

4 结束语

终端可视化系统的开发与应用可以为电网规划工作人员提供更加直观的信息，可以间接地提升电网的安全性和稳定性。此多业务规划终端可视化系统，通过核稀疏表示算法的应用，提升了可视化系统的效果和兼容性能，但当前的研究成果仅停留在理论阶段，还需要后期大量的实践来验证系统的实际应用价值。