CN104462685B - 基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法，（1）对线路预计通过区域的环境影响数据进行处理，将研究区域网格化；（2）根据线路设计地区的地理信息，利用网格GIS技术，在设计区域建立网格评级模型；（3）在网格中连接起始点和终点，分析连线与格网中的相交的网格，找出连线所经过的不适宜建设线路的网格；（4）使用Floyd算法，计算出所有节点间的有向带权图，构建权值矩阵；（5）调整线路允许通过的节点数目，获得初始状态的权值矩阵和不同中间节点数所对应的权值矩阵，获取总路径长度最短时所产生的线路。本发明利用动态规划的数学方法，采用计算机对空间数据进行实时分析，提高线路规划的准确性和处理效率，减少工作量，缩短设计周期。
Description
技术领域
本发明属于涉及地理信息系统及空间信息动态规划研究领域，尤其涉及一种基于网格GIS和Floyd最短路径算法的电网输电线路设计方法。
背景技术
在电网设计过程中，传统的线路路径的选择多是由设计人员在室内研究，设计初选方案，再经过现场勘测后，对现有设计进行调整并形成最终方案。由于人工操作的局限性，和外业踏勘及修改的反复性，在前期线路初选的时候往往不能对地理信息进行全面的考虑，尤其是对于地形地貌、高程信息等内容，人工处理有比较大的困难，有时会造成选址结果的不准确，甚至产生巨大的偏差。同时由于在方案初选时就没有对地理信息进行全面的考虑，反复的外业考察也造成规划周期长，设计投入大等系列的问题，导致结果不够理想，不能满足电网发展的需要。
发明内容
本发明的目的是：为了克服目前线路选址主要依靠人工所存在的不足，提供一种基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法，将GIS理论引入电网线路规划的过程中，利用动态规划的数学方法，采用计算机对空间数据进行实时的分析，对海量的地理空间数据进行处理、分析和建模，将以往需要人工进行现场踏勘的工作内容引入内业处理，提高了线路规划的准确性和处理效率，减少工作量，缩短了设计周期。
本发明的技术解决方案是该基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法包括以下步骤：
(1)对线路预计通过区域的环境影响数据进行处理，根据确定的线路电压等级和设计规范，划分相应的不可建设区域，将研究区域网格化，每个网格的大小为a*a，a为两个线路杆塔拐点的间距；
(2)根据线路设计地区的条件，读取每个方格的GIS属性，利用网格GIS技术，对各个网格进行适宜性指标评价，在设计区域建立网格评价模型；
(3)在网格中连接起始点v0与终点vi，分析连线与格网中的相交的网格，找出连线所经过的不适宜建设线路的网格，标记为O1、O2；在O1、O2上，以v0vi的连线(简称为m)，做垂线r，垂线r与m的交点为Ii，垂线r与网格边沿的交点为Ui；分别选择r两边UiIi距离最大的点v，纳入节点集合S中；
(4)使用Floyd算法，使用步骤(3)中的垂线法得到的节点集合S，根据其中的节点v0、v1……vi所在的位置计算出节点间的权值大小，构建权值矩阵；
(5)计算不经过中间节点，即最大中间节点编号k＝0的情况下的权值矩阵，获得初始状态的权值矩阵；然后调整最大中间节点编号k(k>0)，根据步骤(4)，在v0到v1间增加中间节点，计算v0到vi间最多经过k个中间节点的情况下，对经过的节点数目r(k>r>0)进行取值，计算v0经过r个中间节点后到达终点vi的权值矩阵；获取形成v0vi之间最短距离时所经过的中间节点，将获得的节点相连，产生的线路就是线路设计所需要的距离最短并且符合设计要求的线路路径。
其中，所述步骤(1)中包括：根据线路设计要求，将所线路规划待选区域进行格网化，以现有的发电站或变电站之间的连线为对角线，确定格网区域，以平均杆塔间隔作为单位将区域划分为若干方格。
其中，所述步骤(2)中包括：
(3.1)确定对于线路设计具有重要影响的因素，选出显著性差异指标参与各模型的计算，构建线路设计可行性指标体系。对于不同指标，具有不同正负指向，即适宜性与不适宜性；不同指标的性质不同，各自具有不同的计算公式，数据表达多样，为了便于评价，将评价指标进行规范化，标准化处理；采用极差标准化方法将评价指标进行归一化处理；
正指标公式：
负指标公式：
通过标准化(归一化)处理后，Xi介于0和1之间；
(3.2)通过综合指标评价法，求解每个指标值和权重值之积的和，每个格网中的网格都具有相应的区域适宜性指数值，
式中n为指标总数，Xi为第i个指标的值，ωi为第i个指标的权重值；
(3.3)参照相应输电线路设计标准和专家评判，将适宜性指数值分为几个区间：适宜、一般和不适宜，同时选择部分指标值制定否定性标准，其中任意指标值超出某一值即为此网格为不适宜网格；
(3.4)对每个网格重复前面步骤(1、2、3)，直到规划区域内每个网格都具有相对应的适宜性指标，包括适宜、一般和不适宜；
(3.5)将研究区域格网内的所有适宜性指标为不适宜的网格进行标记，形成具有标记的设计区域网格评价模型。
其中，所述步骤(3)中包括：
(4.1)在网格区域内，连接设计起点和设计终点，设计起点为v0，设计终点为vi，将v0和vi用直线连接，记做m，将直线经过的网格做标记；
(4.2)针对在步骤(1)中形成的连线m，根据步骤(2)中形成的设计区域网格评价模型，将连线m穿过的不适宜网格区域进行编号，标记为区域O1、O2……On；
(4.3)在区域O1上，以v0vi的连线(即m)做垂线r，垂线r与m的交点记为Ii，垂线r与O1边沿的交点记为Ui，分别选择m两边UiIi距离最大的点vi，对于O1，得到在m两侧的两个节点v1、v2；
(4.4)对于O1、O2……On重复步骤(3)，直到每个不适宜网格区域都产生了相应的节点，将所得到的节点放入集合S中，S＝{v0、v1、v2……vi}。
其中，所述步骤(4)中包括：
(5.1)根据步骤(3)获得节点集合后，根据节点v0、v1、v2……vi的位置计算出节点间的权值大小，如w01表示v0和v1之间的权值，权值大小有两点间的移动距离得到，如果两点间不能通达，则两点间的权值为∞；
(5.2)路径的走向是沿着起点和终点的连线方向的，即m的方向，m同一边的节点之间的方向与不同不适宜网格区域的Ii之间的方向相同，在m不同边的点之间不限制相互之间连接的方向；
(5.3)使用Floyd-Warshall算法，简称Floyd算法，求解任意两点间的最短距离，基于步骤(2)的规则，构建规划区域路径的有向权值图，和有向权值图的邻接矩阵。
其中，所述步骤(5)中包括：
(6.1)令c[0,i,k]表示从节点0到节点i的最短路径的长度，其中k表示该路径中的最大顶点，也就是说c[0,i,k]这条最短路径所通过的中间顶点最大不超过k；因此，如果有向权值图G中包含边<0,i>，则c[0,i,k]＝边<0,i>的长度；若节点0＝节点i，则c[0,i,0]＝0；如果G中不包含边<0,i.>，则c(0,i,0)＝+∞；c[0,i,k]则是从节点0到节点i的最短路径的长度；
(6.2)令k＝0时，v0至vi的无中间节点权值矩阵即为步骤(4)中生成的有向权值矩阵，从而得到v0到vi的最短距离
(6.3)当k>0时，通过分析得到：中间顶点不超过k的节点0到节点i的最短路径有两种可能：该路径含或不含中间顶点k；若不含，则该路径长度应为c[0,i,k-1]，否则长度为c[0,i,k-1]+c[k,i,k-1]；c[0,i,k]可取两者中的最小值；根据以上规律，分别计算v0到vi之间，v0经过r个中心节点，到达vr的最短距离和vr到达vi之间的最短距离则经过r个中间节点由v0到达vi的最短距离最短权值矩阵为将加入到v0v1最短距离集合中；
(6.4)调整k的取值，使i>k>0，重复步骤(2)，直到k＝i-1；从v0v1最短距离集合A中取出第一个最小距离即经过的最大节点编号k＝n时，所获得v0v1距离最短，此时所对应的节点顺序即为最适宜的线路拐点顺序。
本发明与现有技术相比具有的有益效果：1、将GIS理论引入电网规划之中，对地理空间数据进行采集、输入、存储、操作、分析和建模，满足电网设计规划对于地理信息的利用需求，尤其当对于大面积的区域的设计规划，人工处理费时费力，对于海量的地理数据，利用计算机进行大规模处理不但能提高规划的速率和准确性，更能减少外业勘察人员的工作量；2、在利用GIS对海量的地理空间数据进行处理的同时，利用动态规划方法，将线路设计的决策问题转化成一系列比较简单的最优化问题，将线路设计的过程进行分解，形成多个阶段，阶段之间相互关联，每一阶段的输出状态就是下一阶段的输入状态，从系统总体出发，以总目标函数达到极值为目的对各阶段的决策进行优化。
附图说明
图1基于网格GIS和Floyd算法的线路设计的流程图。
图2是规划区格网图。
图3是线路设计效果图。
图4是环境路径有向带权图。
图5是有向图的邻接矩阵图。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术解决方案，这些实施例不能理解为是对技术方案的限制。
实施例：以江苏某地电网线路规划为例，通过分析已有的变电站项目，确定线路规划区域，对所需要的数据进行收集整理并进行网格化处理，通过确定评价指标，建立适宜性指标评价模型，对每个网格进行适宜性评价，确定适宜性指标，使格网中每个网格都具有对应的适宜性指标。
一、建立格网：
(1)首先获取和准备相关的图形数据，如生态保护区图层、行政区划图、公路交通图、1：5000地形图和已有电网电路信息图层；
(2)按照规划要求，要在图中T1和T2之间建立一条110KV输电线路，现在需要进行线路的规划，按照设计规范要求，相邻的线路拐点之间距离确定为200米，并且线路不能直接穿越房屋上空；
(3)研究区域如附图2所示，T1为线路设计起点，T2为线路设计终点，在设计区域内以T1T2连线为对角线，网格大小为200米×200米，对网格进行编号，建立研究区域格网，如附图2所示；
二、建立适宜性评价模型：
(1)对规划区域建立评价指标体系，确定如下表所示的四种评价指标
评价指标表
(2)按照评价指标表所示四种影响因子，对因子重要性进行评价，基于专家对因子重要性的打分，得到评价指标重要性判断矩阵表，判断矩阵表是坡度、水域、土地利用类型、房屋之间两两重要性比较的结果，使用复合均权法，形成电网线路建设适宜性程度标准；
矩阵表
(3)对区域内的每个网格基于评价模型进行评价，得到规划区域内的障碍物分布，路径上有O1和O2两个障碍物；
三、以T1T2连线为基础，做垂线m，垂线m与r的交点为Ii，垂线m与网格边沿的交点为Ui；分别选择r两边UiIi距离最大的点vi，纳入节点集合S中。得到节点集S＝{v0,v1,v2,v3,v4,v5}；
四、根据节点位置、障碍物位置和T1T2连线的方向，得到环境路径的有向带权图如图4和有向图的邻接矩阵如图5；
五、步骤四中得到的是该路径中的最大顶点k＝0时的情况；调整k的取值，使k＝1，得到权值矩阵如下表1；使k＝2，得到权值矩阵如下表2；
表1
表2
(1)经过分析，当k＝3，k＝4时，所生成的节点的权值矩阵和经过2个节点时的权值矩阵相同；综合步骤四、五，从v0到v5存在可通达的路径，当k＝2时，并且通过v2和v4，此时v0到v5的路径最短，最短距离为经过以上所述步骤，两个变电站之间存在适宜的线路规划路径，需要经过v0，v2，v4到达v5，此时距离最短，并且符合建设要求。
Claims (6)
1.基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法，其特征在于该输电线路设计方法包括以下步骤：
(1)对线路预计通过区域的环境影响数据进行处理，根据确定的线路电压等级和设计规范，划分相应的指标标准，指标不满足标准的区域为不可建设区域，将预计通过区域网格化，每个网格的大小为a×a，a为两个线路杆塔拐点的间距；
(2)根据线路设计地区的条件，读取每个方格的GIS属性，利用网格GIS技术，对各个网格进行适宜性指标评价，在预计通过区域建立网格评价模型；
(3)在网格中连接起始点v0与终点vi，分析连线与格网中的相交的网格，找出连线所经过的不适宜建设线路的网格，标记为O1、O2；在O1、O2上，以v0vi的连线，简称为m，做垂线r，垂线r与m的交点为Ii，垂线r与网格边沿的交点为Ui；分别选择m两边UiIi距离最大的点v，纳入节点集合S中；
(4)使用Floyd算法，使用步骤(3)中的垂线法得到的节点集合S，根据其中的节点v0、v1……vi所在的位置计算出节点间的权值大小，构建权值矩阵；
(5)计算不经过中间节点，即最大中间节点编号k＝0的情况下的权值矩阵，获得初始状态的权值矩阵；然后调整最大中间节点编号k，k>0，根据步骤(4)，在v0到v1间增加中间节点，计算v0到vi间最多经过k个中间节点的情况下，对经过的节点数目r，k>r>0进行取值，计算v0经过r个中间节点后到达终点vi的权值矩阵；获取形成v0vi之间最短距离时所经过的中间节点，将获得的节点相连，产生的线路就是线路设计所需要的距离最短并且符合设计要求的线路路径。
2.根据权利要求1所述的基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法，其特征在于所述步骤(1)中包括：根据线路设计要求，将线路预计通过区域进行格网化，以现有的发电站或变电站之间的连线为对角线，确定格网区域，以平均杆塔间隔作为单位将预计通过区域划分为若干方格。
3.根据权利要求1所述的基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法，其特征在于所述步骤(2)中包括：
(3.1)确定对于线路设计具有重要影响的因素，选出显著性差异指标参与各模型的计算，构建线路设计可行性指标体系；对于不同指标，具有不同正负指向，即适宜性与不适宜性；不同指标的性质不同，各自具有不同的计算公式，数据表达多样，为了便于评价，将评价指标进行规范化，标准化处理；采用极差标准化方法将评价指标进行归一化处理；其中，正指标公式：
<mrow>
<mi>X</mi>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mo>(</mo>
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<mo>;</mo>
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负指标公式：
<mrow>
<mi>X</mi>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mo>(</mo>
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<mo>-</mo>
<mi>x</mi>
<mi>i</mi>
<mo>)</mo>
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<mrow>
<mi>x</mi>
<mi>m</mi>
<mi>a</mi>
<mi>x</mi>
<mo>-</mo>
<mi>x</mi>
<mi>min</mi>
</mrow>
</mfrac>
<mo>;</mo>
</mrow>
通过标准化即归一化处理后，Xi介于0和1之间；
(3.2)通过综合指标评价法，求解每个指标值和权重值之积的和，每个格网中的网格都具有相应的区域适宜性指数值，
<mrow>
<mi>T</mi>
<mo>=</mo>
<munderover>
<mo>&Sigma;</mo>
<mrow>
<mi>i</mi>
<mo>=</mo>
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</munderover>
<msub>
<mi>X</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
<mo>&times;</mo>
<msub>
<mi>&omega;</mi>
<mi>i</mi>
</msub>
</mrow>
式中n为指标总数，Xi为第i个指标的值，ωi为第i个指标的权重值；
(3.3)参照相应输电线路设计标准和专家评判，将适宜性指数值分为几个区间：适宜、一般和不适宜；同时选择部分指标值制定否定性标准，其中任意指标值超出某一值即为此网格为不适宜网格；
(3.4)对每个网格重复前面步骤3.1、3.2、3.3，直到预计通过区域内每个网格都具有相对应的适宜性指标，包括适宜、一般和不适宜；
(3.5)将预计通过区域格网内的所有适宜性指标为不适宜的网格进行标记，形成具有标记的预计通过区域的网格评价模型。
4.根据权利要求1所述的基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法，其特征在于所述步骤(3)中包括：
(4.1)在已经进行网格化处理的预计通过区域内，连接设计起点和设计终点，设计起点为v0，设计终点为vi，将v0和vi用直线连接，记做m，将直线经过的网格做标记；
(4.2)针对在步骤(1)中形成的连线m，根据步骤(2)中形成的预计通过区域的网格评价模型，将连线m穿过的不适宜网格区域进行编号，标记为区域O1、O2……On；
(4.3)在区域O1上，以v0vi的连线，即m，做垂线r，垂线r与m的交点记为Ii，垂线r与O1边沿的交点记为Ui，分别选择m两边UiIi距离最大的点vi，对于O1，得到在m两侧的两个节点v1、v2；
(4.4)对于O1、O2……On重复步骤(3)，直到每个不适宜网格区域都产生了相应的节点，将所得到的节点放入集合S中，S＝{v0、v1、v2……vi}。
5.根据权利要求1所述的基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法，其特征在于所述步骤(4)中包括：
(5.1)根据步骤(3)获得节点集合后，根据节点v0、v1、v2……vi的位置计算出节点间的权值大小，如w01表示v0和v1之间的权值，权值大小有两点间的移动距离得到，如果两点间不能通达，则两点间的权值为∞；
(5.2)路径的走向是沿着起点和终点的连线方向的，即m的方向，m同一边的节点之间的方向与不同不适宜网格区域的Ii之间的方向相同，在m不同边的点之间不限制相互之间连接的方向；
(5.3)使用Floyd-Warshall算法，简称Floyd算法，求解任意两点间的最短距离，基于步骤(2)的规则，构建预计通过区域路径的有向权值图，和有向权值图的邻接矩阵。
6.根据权利要求1所述的基于网格GIS和Floyd算法的输电线路设计方法，其特征在于所述步骤(5)中包括：
(6.1)令c[0,i,k]表示从节点0到节点i的最短路径的长度，其中k表示该路径中的最大顶点，也就是说c[0,i,k]这条最短路径所通过的中间顶点最大不超过k；因此，如果有向权值图G中包含边<0,i>，则c[0,i,k]等于边<0,i>的长度；若节点0等于节点i，则c[0,i,0]＝0；如果G中不包含边<0,i>，则c(0,i,0)＝+∞；
(6.2)令k＝0时，v0至vi的无中间节点权值矩阵即为步骤(4)中生成的有向权值矩阵，从而得到v0到vi的最短距离
(6.3)当k>0时，通过分析得到：中间顶点不超过k的节点0到节点i的最短路径有两种可能：该路径含或不含中间顶点k；若该路径不包含顶点k，则该最短路径应包含的最大顶点为某一个编号小于k的节点n，0<n<k，则该路径长度应为c[0,i,n]，0<n<k；否则v0到vi的最短距离为v0到vk的距离加上vk到vi的距离；c[0,i,k]可取以上两者中的最小值；分别计算v0到vi之间，v0经过r个中心节点，到达vr的最短距离和vr到达vi之间的最短距离则经过r个中间节点由v0到达vi的最短距离最短权值矩阵为将加入到v0vi最短距离集合中；
(6.4)调整k的取值，使i>k>0，重复步骤(2)，直到k＝i-1；从v0vi最短距离集合A中取出第一个最小距离即经过的最大节点编号k＝n时，所获得v0vi距离最短，此时所对应的节点顺序即为最适宜的线路拐点顺序。
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