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1、态势图及其可视化的概念设计研究 态势感知及其可视化回顾 最早提出态势感知定义，认为态势感知是在特定时间和空间下，操作者基于对当前设备和环境的动态变化察觉（）和综合（），运用基于分析（短时工作记忆）、联想（长时记忆）、规则的预测方式（），实现任务连续情境的模式识别与匹配并采取相应的对策，进而达到圆满完成任务的目的。也提出了适用于自动化及人机接口系统的态势感知过程。态势管理（，）是一个有目的的协同过程，包含搜集感官和信息、感知和识别态势、分析过去和未来的态势，以及论证、策划和实施行动。信息可视化是最重要的视觉感知手段，能充分调动决策者的认知能力，强化对信息的感知和理解；可视化与态势可视化，既存在共
2、性和相互联系，也存在着明显的差异。态势可视化是可视化的高级发展阶段，尤其是指面向态势感知的高级阶段。态势可视化被认为是以用户为中心的强调态势感知优化的显示（可视化），以有利于操作人员对当前态势有“强健理解（）”。态势可视化属于可视化分析学范畴，关注的重点是意会和推理，其相关的可视化分析工具从海量、多维、多源、动态、时滞、异构、含糊不清、甚至矛盾的数据中综合出信息并获得深刻的见解，能发现期望看到的信息并觉察出没有想到的信息，能提供及时的、可理解的评价，在实际行动中能有效沟通。在战场指挥中，态势感知的可视化技术可帮助快速对复杂的战场进行综合认为，态势感知连续萃取环境信息，集成了以前的知识以形成一个
3、连贯的画面，并使用该画面预测未来事件。本文认为，有助于态势感知的信息可视化，均可称为态势可视化，或按照态势感知基本理论，它应有助于：反演历史态势；分析当前态势；预测未来趋势。态势建模主要方法包括事件驱动的态势描述和感知识别方法，以及基于本体的态势建模方法。态势可视化在电力系统的应用研究几乎与态势理论出现同步。 及以他为核心组建的公司是美国电力系统可视化的先驱。年美国能源部西北太平洋国家实验室（）提出电力系统有意义态势感知（）的概态，认为对模糊态势提出其含义的能力是至关重要的，应支持不确定条件下的决策，并理解人、地方和事件之间的关系，能够预测它们的运动轨迹，以利于采用有效的行动。认为，以前的可视
4、化基本上是设计者驱动的，能量管理系统（）厂家提供的可视化界面人工维护工作量非常巨大，用户自主性太弱，限制了用户自主发现态势的能力，因此，提出了“数据驱动”的可视化技术，主要内容包括基于公共信息模型（）的数据进行单线图的自动生成，以及提供可视化加工的专门服务系统。讨论了电力系统运行状态可视化，可分为数据显示、运行安全状态显示和运行趋势显示类。其中，数据显示可归结为网络结构、节点数据和线路数据等类基本显示。认为电力系统信息可视化可分为与两种方式，探索了空间可视化不同坐标轴物理量分配时的不同效果。研究了现代常见的可视化主题设计，并对曲面差值算法进行了优化改进。较为全面地论述了智能电网条件下的态势感知
5、与态势可视化的关键问题，是本领域一个十分有价值的参考文献。该文提出以调度员思维模式为框架，以可视化界面为功能模块，以互动计算为系统核心的智能电网架构，认为电力系统的可视化将逐步向图形化、动画发展；提出所谓电网态势是指由各种电网设备运行状态以及用户行为等因素所构成的整个电网当前状态和变化趋势，电网态势感知是指在大规模网络环境中，对能够引起电网态势发生变化的安全要素进行获取、理解、显示以及预测未来的发展趋势，态势感知包括当前态势元素提取、态势评估、电网的能力态、可控态、未来发展趋势预测几个部分。该文提出当前态、发展态、能力态、可控态、评估态作为电网状态特性。本文认为，其评估态可纳入当前态，能力态、
6、可控态可纳入未来态，而要获取十分优秀的当前态、未来态的感知，对历史态的研究尤其是其反演归纳能力至关重要，因此，本文仍以历史态、当前态、未来态来提出对智能电网的态势感知的基本要求。该文认为，态势感知的结果是形成态势分析报告和综合电网态势图，但本文认为，它是态势感知实践的理想目标，现阶段难以在工程中完全实现；正如该文指出的，作为信息融合的过程，电网态势感知的可视化是一个从底层数据到抽象信息，再到获取高层知识的过程，因此加强、加速该过程，是值得学术界、工程界高度关注的。目前，国内外电力系统可视化研究的主要领域在于，通过对可视化的细节设计以及图形的动态过程来研究其功效，并没有建立起很好的理论体系；工程
7、实践主要也是从已有的可视化实践案例进行模仿、改进。随着智能电网时代到来，可视化应用将覆盖智能电网规划、设计、运行、控制、调度、营销等各领域，更需要不断实践来进行归纳、总结和发展。 对以往的实践大致可总结如下。）单一元件或系统单一特征静态与动态可视化静态可视化，主要用于展示实物的二维图纸或三维立体，揭示其结构参数或技术参数；而动态可视化，主要是元件的电气、电能量或特性参数、特性曲线随时间的变化。变化分为时间显式或隐式，后者主要是特性曲线，如变压器的绝缘特性曲线、电力系统的稳定域等。）网络系统静态与动态可视化这里的网络应包括电力网络，也应包括通信网络以及信息流的虚拟网络。目前电力网络可视化得到了较
8、高的应用。对于电力网络而言，静态可视化主要是基于某一个时间断面各类量测的感应、感知的展示，主要对象是电网接线图上类抽象元件（即节点和线路）。而动态可视化，是指随着时间变化的感应与感知的变化趋势的可视化。）指标的静态与动态可视化指标可视化是智能电网可视化最高目标。指标静态可视化是指某一时间断面的指标可视化；而指标动态可视化是指其随时间变化的指标变化。可视化的个原则，可以归纳为如下类。）基于主题的可视化自动化、信息化覆盖了依靠传感、测量、传输、信息处理的全自动化过程，也覆盖了人工参与的数据录入、数据处理，且可视化的使用场景与目的均有不同，可视化的形态形式也不尽相同，因此基于主题就成为可视化的一个原
9、则。）基于不同技术形态的可视化可视化技术一般可分为：数据可视化，即将多维数据在或空间进行显示的技术；科学计算可视化，指利用计算机图形学和图像处理技术，将工程测量数据、科学计算过程中产生的数据及计算结果转换为图形图像；信息可视化，是指将非空间数据的信息对象的特征值抽取、转换、映射、高度抽象与整合，用图形图像等方式表现；知识可视化，是通过提供更丰富的表达人类所指导内容的方式，采用知识图表、视觉隐喻等可视化技术，以促进群体知识的传播。从目前全球的发展现状看，智能电网态势感知已逐渐成为未来研究的一个重点。 电网的可视化，可分为个阶段：静态可视；动态可视；动态可视的深度理解与可解释；动态知识发现与动态态
10、势可控。其后个阶段均属于电网态势可视化阶段，是电网可视化发展的未来阶段。态势可视化和一般可视化一样，都是基于物理智能电网（一次电网与二次、三次的信息通信网），其中反映物理电网的点元件、线元件等结构参数、技术参数、背景参数（如地理位置等），以及点线元件之间的连接关系，是态势感知的宿主，其构成的图形在本文中称为态势底图，而在其上的任意动态参数或面向主题的目标参数，将作为态势的表现层，在本文中被称为态势表现图。基于这样的分析，有可能形成态势可视化工程的有序实现的轨道。另外基于态势感知基本理论，态势感应和态势感知虽然存在着相互联系，但也存在着明显的差异。态势感应，主要是指动态变化察觉，或基于量测和基于
11、量测对物理系统的扩展计算（电力系统主要是指潮流计算）后的察觉；态势感知，就重在对察觉后的基本数据进行综合、解释和基于不同主题的态势评估。 智能电网态势管理概念模型 本文在的模型上对智能电网态势管理进行了细化。智能电网态势管理存在个控制回路，即确定性控制回路和审慎控制回路，前者可采用闭环的全自动控制系统；而后者需要人类智慧与机器智慧结合才能决策。态势感知与态势可视化，是可视化的高级阶段，主要用于审慎控制回路。 态势主题定义与态势底图、态势感应源管理 态势主题是指从智能电网业务需求出发，需要建立的态势分析或态势决策的主题；态势主题获取，主要由人为设定，或由机器智能通过大量数据挖掘所获取的一些现象并
12、加以分析归纳而确定的主题。态势主题包括如下方面。）态势分析的对象：以态势底图的图形化方式描述，而态势底图是指研究对象的物理特征或物理特征加载地理空间信息的图形，包括对象的静态图形及静态参数，如电网电气设备及连接、智能设备及连接等。）态势分析目标：一般选择为研究对象的某一个或一组性能特征或控制目标。）态势感应源管理：与研究对象态势分析目标相关的感应数据或语义的来源、筛选原则、颗粒度选择等。）选择的目标与其来源的基本关系、参数、识别的基本方法等，比如电网潮流计算模型，短路计算模型及参数，电网各类能力态、可控态、评估态等分析模型及参数等。 态势感应与可视化管理 研究对象的感应包括物理对象运动的全部表
13、象量，如电网各节点和支路的电气量、电能量等。目前的态势感知源，以物理对象状态可观测为配置依据，也可能存在冗余配置，因此需要经过状态估计、潮流计算等，才能获取整个物理系统的全部感应。态势感应的可视化，主要是对这些表象量的可视化，比如电压等高线及着色图等。 态势感知与可视化管理 态势感知，主要基于整个物理系统感应信息之上进行信息挖掘形成与主题密切相关的感知数据，以探索解析这些感应的内在原因，比如电网电压稳定裕度等。 态势历史与可视化管理 对历史感应、感知进行记录，并可以进行可视化回顾播放。 态势预测与可视化管理 对未来态势进行预测并可视化播放。 态势决策与可视化管理 与态势预测结合，对未来增加改变
14、态势的决策选择，并可视化播放。 态势记忆、态势学习与挖掘管理 态势感应、感知是态势记忆与学习的主要样本。如果对态势预测也进行历史记录，则可从中进行态势预测误差分析，并进行知识萃取和学习等挖掘管理，以提炼、修正、校正态势预测模型，从而提高态势预测的精度。 数据库 用于存放数据、图形、算法等数据和规则。 态势感知可视化对象建模及核心算法 态势模型 态势模型由态势感应、态势感知、态势历史、态势预测、态势决策等子模型组成。态势感知可视化有实时态、历史态、未来态。实时态由感应可视化和感知可视化组成。历史态可视化主要对历史记录的感应、感知图序列按时间进行回放，以解析历史事件与态势。而未来态，基于预测的感应
15、图、感知图序列，进行按时间地播放，以对未来的态势进行分析和评估。 态势图模型 所谓态势图，就是针对研究对象某一个局部或全部物体的特性或特征进行其时间或空间发展演变的图形方式。态势图由态势底图和态势表现图构成。举一个简单例子：以电网架空线路为研究对象，其特性之一的电气特性如线路电流，其长期带负载的热稳定性是其特征；长期大电流通过，导线由于热效应产生变形，下垂加大的趋势一般不能直接测量，但需要感知。因此，电网架空线路将作为底图，态势感应图就是基于电网系统对其线路通过的电流值随时间的图形描述，如采用电流时间动态曲线，为感应态势图；而导线的下垂过程，如最低点到地面的高度随时间的动态曲线，即是感知态势图。可见，态势感应图为态势底图叠加感应图。实时感应、感知态势图由态势底图和感应图、感知图组成。历史感应、感知态势图由历史态势底图和历史感应图、历史感知图组成。预测感应、感知态势图由预测态势底图和预测感应图、预测感知图组成。 态势底图分类 态势底图可分为如下几类。）研究对象及资源图，主要绘制研究对象的功能特性、静态特性、资源特性等。所谓功能特性，一般采用标准图形
