CN110674966A - 一种电力电缆巡检路径优化方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电力电缆巡检路径优化方法，用于根据巡检任务规划巡检路径，电力电缆巡检路径优化方法包括以下步骤：步骤1：基于电力电缆分布拓扑和巡检任务建立待巡检的电力电缆对应的必经点集合，必经点集合中包含执行巡检任务的若干个必经节点；步骤2：确定必经点集合中的两个必经节点分别为巡检起点和巡检终点；步骤3：求解一条由巡检起点到巡检终点的最短路径作为当前路径，当前路径由若干段子路径组成；步骤4：针对必经点集合中除巡检起点到巡检终点以外的各个必经节点，循环执行节点插入方法，最终得到所需的巡检路径。本发明能够规划出较为合理的巡检路径，从而使得依据该巡检路径所进行的巡检工作能够高效率、低成本的完成。

Description

一种电力电缆巡检路径优化方法及装置

技术领域

本发明属于电力电缆维护技术领域，具体涉及一种电力电缆巡检路径优化方法以及装置。

背景技术

电力电缆是电力系统安全运行的关键，电力电缆故障是电力系统运行中最常见的故障，电力电缆故障会对电力系统运行的安全性与可靠性造成严重的负面影响。供电企业为保证辖区内输电线路的安全运行，要定期派出巡检人员按照巡检任务对线路及设备进行检查，以便发现隐患，及时进行处理。

电力电缆巡检任务中可能包含一条或者多条电力电缆，对于接到多条电力电缆巡检任务的工作人员，在接到巡检任务后，一般会按照个人的喜好、自行选择交通工具去完成巡检任务，而很少去考率如何提高巡检效率，如何降低巡检成本(如开车的燃油费用)等问题。因此，目前的巡检工作中，由于巡检路径的不合理，存在巡检效率较低、成本较高的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够规划出合理的巡检路径，从而提高电力电缆巡检效率、降低巡检成本的电力电缆巡检路径优化方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种电力电缆巡检路径优化方法，用于根据巡检任务规划巡检路径，所述电力电缆巡检路径优化方法包括以下步骤：

步骤1：基于电力电缆分布拓扑和所述巡检任务建立待巡检的电力电缆对应的必经点集合，所述必经点集合中包含执行所述巡检任务的若干个必经节点；

步骤2：确定所述必经点集合中的两个必经节点分别为巡检起点和巡检终点；

步骤3：求解一条由所述巡检起点到所述巡检终点的最短路径作为当前路径，所述当前路径由若干段子路径组成；

步骤4：针对所述必经点集合中除所述巡检起点到所述巡检终点以外的各个所述必经节点，循环执行节点插入方法，最终得到所需的巡检路径；

所述节点插入方法为：取一个所述必经节点作为当前节点，分别求解所述当前节点到所述当前路径中的各个所述必经节点的最短路径，将各所述最短路径按照长短排列为队列，根据所述队列确定将所述当前节点插入所述当前路径中的插入位置，根据所述插入位置确定所述当前节点插入所述当前路径后与前一个所述必经节点之间的第一段路径、与后一个所述必经节点之间的第二段路径，将所述第一段路径和所述第二段路径合并成为新路径而替换所述当前路径中的所述插入位置所在的所述子路径，从而更新所述当前路径。

所述步骤1中，所述必经点集合中的必经节点包括待巡检的每条电力电缆的始点和终点。

所述步骤1中，采用道路匹配法确定必经节点；所述道路匹配法为：将所述电力电缆埋设所沿道路确定为目标道路；当所述电力电缆的始点和终点位于其埋设所沿道路的始点、中点或转弯点时，将各所述目标道路的始点、终点或转弯点确定为所述必经节点；当所述电力电缆的始点和/或终点未在其埋设所沿道路的始点、中点或转弯点时，将所述电力电缆的始点和/或终点沿所述目标道路的投影点作为所述必经节点。

当采用所述道路匹配法时，预先构建与电力电缆分布拓扑对应的道路拓扑。

所述步骤3中，基于迪杰斯特拉算法求解所述当前路径。

所述步骤4中，基于迪杰斯特拉算法求解所述当前节点到所述当前路径中的各个所述必经节点的最短路径。

本发明还提供一种基于上述电力电缆巡检路径优化方法，能够辅助巡检人员进行高效率、低成本巡检的电力电缆巡检路径优化装置，该电力电缆巡检路径优化装置包括能够接收巡检任务、加载并执行程序的智能设备，所述智能设备中加载有基于上述电力电缆巡检路径优化方法的路径优化程序。

优选的，所述智能设备包括用于接收所述巡检任务的通信模块、用于存储电力电缆分布信息的存储器、分别与所述通信模块和所述存储器相连接而加载和执行所述路径优化程序的处理器、与所述处理器相连接而用于输入信息的输入模块、与所述处理器相连接而用于输出得到的巡检路径的显示器。

优选的，所述智能设备为PDA或手机。

优选的，所述智能设备还包括GPS模块。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的电力电缆巡检路径优化方法能够规划出较为合理的巡检路径，从而使得依据该巡检路径所进行的巡检工作能够高效率、低成本的完成。本发明的电力电缆巡检路径优化装置能够辅助巡检人员完成巡检任务，提高电力电缆巡检效率、降低巡检成本。

附图说明

附图1为电力电缆构建必经点集合的实例示意图。

附图2为Dijstra算法示例示意图。

附图3为节点插入方法的原理示意图。

附图4为一定区域内要巡检的电力电缆分布图。

图5为巡检电力电缆数据样例。

附图6为电力电缆巡检路径重合事例。

具体实施方式

下面结合附图所示的实施例对本发明作进一步描述。

实施例：电力电缆一般埋设在非机动车道下，指定巡检区域内的电力电缆分布拓扑与该区域内的道路拓扑相对应。对电力电缆进行巡检时，巡检人员可以自行选择交通工具，如步行、电动自行车、汽车等，根据系统下发的巡检任务(包括指定的待巡检电缆线路编号(ID)等)，按照规划的巡检路径沿对应道路进行巡检。

一种用于根据巡检任务规划巡检路径的电力电缆巡检路径优化方法，包括以下步骤：

步骤1：基于电力电缆分布拓扑和巡检任务建立待巡检的电力电缆对应的必经点集合，必经点集合中包含执行巡检任务的若干个必经节点。

必经点集合的构建直接影响到巡检人员的巡检轨迹，以及巡检的准确率。通常，必经点集合中的必经节点至少包括待巡检的每条电力电缆的始点和终点。

由于电力电缆一般沿道路铺设，因此可以采用道路匹配法确定必经节点。预先构建与电力电缆分布拓扑对应的道路拓扑。则道路匹配法为：将电力电缆匹配到对应道路，将电力电缆埋设所沿道路确定为目标道路。逐条电力电缆确定其必经节点。当电力电缆的始点和终点位于其埋设所沿道路的始点、中点或转弯点时，将各目标道路的始点、终点或转弯点确定为必经节点，加入必经点集合S。补充必经点集合S，因为有些电力电缆不一定在道路始点、中点或转弯点处终结，如附图1所示，图中深色线条表示电力电缆，浅色线条表示道路，方框中为电力电缆的终点。当电力电缆的始点和/或终点未在其埋设所沿道路的始点、中点或转弯点时，将电力电缆的始点和/或终点沿目标道路的投影点作为必经节点，加入必经点集合S。

此外，对于部分重复的电力电缆线路，在巡检任务中，对重复部分进行判断。对于判定有重复的电力电缆，在同一个巡检任务中，只需包含一次重复部分对应道路的必经节点即可。

步骤2：确定必经点集合中的两个必经节点分别为巡检起点和巡检终点。

步骤3：求解一条由巡检起点到巡检终点的最短路径作为当前路径，当前路径由若干段子路径组成。

该步骤中，基于迪杰斯特拉(Dijkstra)算法求解当前路径。

参考Thomas H.Cormen\Charles E.Leiserson\Ronald L.Rivest\CliffordStein所著算法导论中记载的迪杰斯特拉算法步骤，如下：

1 INITIALIZE-SINGLE-SOURCE(G,s)

2

3 Q＝G.V

4 while

5 u＝EXTRACT-MIN(Q)

6 S＝S∪{u}

7 for each vertex v∈G.Adj[u]

8 RELAX(u,v,w)

Dijstra算法在运行过程中维持的关键信息是一组节点结合S。从起点s到该集合中每个节点的最短路径都已经被找到。算法重复从节点解V-S中选择最短路径估计最小的节点u，将u降入到S，然后对所有从u出发的边进行松弛。在上述代码中，Q为一个最小优先权的队列。

算法的第1行执行的初始化，第2行将集合S初始化为一个空集。算法所维持的不变式为Q＝V-S，该不变式在算法的第4-8行的while循环过程中保持不变。第3行对队列Q进行初始化，将所有的节点都放在了Q中。算法在每次执行第4-8行的while循环时，第5行从Q＝V-S集合中抽取节点u，第6行将该节点加入到集合S里，从而继续保持不变式的成立。节点u是集合V-S中所有节点的最小路径估计。然后，算法的第7～8行对所有从节点u发出的边(u，v)进程松弛操作。如果一条经过u的路径能够使得从源点s到节点v的最短路径比当前的估计值更小，则需要对v的前驱更新(权值和路径的更新)。

如附图2所示，以求v1顶点到其余各个顶点的最短路程为例(数组dis保存源点到各个顶点的最短距离，集合T保存已找到最短路径的顶点)，详细阐述算法执行过程：

使用二维数组Arr表达顶点之间的关系，如表1所示：

表1顶点关系

用一维数组dis来存储v1顶点到其余各个顶点的初始路程，将此时dis数组中的值称为最短路的“估计值”，如下表所示：

步骤一：寻找离v1顶点最近的点。由数组dis可知当前离v1最近的是v2。当确定v2后，dis[2]的值从“估计值”变更为“确定值”，即v1到v2的最短路程就是dis[2]值。

步骤二：既然选了v2，搜寻以v2为始点的边，有v2→v3和v2→v4这两条边。先判定v2→v3这条边是否是v1到v3的最短路程。即比较dis[3]和dis[2]+e[2][3]的大小。dis[3]指v1到v3的路程值。dis[2]指v1到v2的路程值，e[2][3]指v2→v3的路程值。

步骤三：由于dis[3]＝12，dis[2]+e[2][3]＝1+9＝10，dis[3]>dis[2]+e[2][3]，因此dis[3]要更新为10。该过程叫做“松弛”，即v1到v3的路程dis[3]，通过v2→v3这条边松弛成功。Dijkstra算法的主要思想就是通过“边”来松弛v1到其余各个顶点的路程。同理通过v2→v4(e[2][4])，可以将dis[4]的值从∞松弛为4(dis[4]初始为∞，dis[2]+e[2][4]＝1+3＝4，dis[4]>dis[2]+e[2][4]，因此dis[4]要更新为4)。

步骤四：对v2顶点出边进行松弛后，数组dis为：

在剩下的v3、v4、v5、v6中，选出离v1最近的顶点。通过上面更新过dis数组，当前离v1最近的顶点是v4，此时，dis[4]的值已经从“估计值”变为了“确定值”。下面继续对v4的所有出边(v4→v3，v4→v5和v4→v6)用步骤三的方法进行松弛。松弛完毕之后dis数组为：

在剩下的v3、v5、v6中，选出离v1最近的顶点，选择v3。此时，dis[3]的值已经从“估计值”变为了“确定值”。对v3所有出边(v3→v5)进行松弛。松弛后dis数组为：

在剩下的v5和v6中，选出离v1最近的顶点，选择v5。此时，dis[5]的值已经从“估计值”变为了“确定值”。对v5的所有出边(v5→v4)进行松弛。松弛完毕之后dis数组为：

最后对v6所有点出边进行松弛。因为v6没有出边，因此不用处理。到此，dis数组中所有的值都已经从“估计值”变为了“确定值”。最终v1到多有顶点的最短路径如下：

据此，利用迪杰斯特拉算法求解一条由巡检起点到巡检终点的最短路径，并将其作为当前路径，该最短路径中，除巡检起点和巡检终点这两个必经节点以外，还包括若干个普通节点，每相邻两个必经节点之间构成一段子路径。

步骤4：针对必经点集合中除巡检起点到巡检终点以外的各个必经节点，循环执行节点插入方法，最终得到所需的巡检路径。

节点插入方法为：取一个必经节点作为当前节点，分别求解当前节点到当前路径中的各个必经节点的最短路径，将各最短路径按照长短排列为队列，根据队列确定将当前节点插入当前路径中的插入位置，根据插入位置确定当前节点插入当前路径后与前一个必经节点之间的第一段路径、与后一个必经节点之间的第二段路径，将第一段路径和第二段路径合并成为新路径而替换当前路径中的插入位置所在的子路径，从而更新当前路径。当对最后一个必经节点执行完上述节点插入方法后更新的当前路径，即为最终得到所需的巡检路径。以上节点插入方法中，基于迪杰斯特拉算法求解当前节点到当前路径中的各个必经节点的最短路径。

该节点插入方法参见附图3所示，具体如下：

求解一条从巡检起点到巡检终点的最短路路径path(start,end)，如<A>所示。从必经点集合S中任意选择一个剩余的必经节点b，利用Dijkstra求解b到path(start,end)中必经节点和起点、终点的最短路径，并按路径的大小排列形成插入位置优先队列。从插入位置队列中取出插入位置，如<B>，最后求解b和插入位置的前一个关键节点的最短路径path1，和b和插入位置后一个关键节点的最短路径path2。然后把路径合并形成新的路径，如<C>所示：

算法流程伪代码如下：

算法流程基本解释：

第2行是指用Dijkstra实验法求解起点到终点的最短路径path(start,end)。第3行是指创建一个队列last_must。last_must包含路径path(start,end)中不包含的必经节点。第4行是循环的开始，不断的把必经节点插入到路径之中，直到last_must中不再包含必经节点为止。

第5行，从last_must中取出一个必经节点。第6、7行，计算temp应该插入到路径path(start,end)的位置，这个位置是一个序列。第8、9行是指不断从位置序列中选择插入位置插入，直到可以插入为止，因为在插入过程中可能会出现环路，因此这样的插入位置就应该放弃。

第10行是指在插入关键节点后，更新当前的路径。第11行是指在插入关键节点后更新剩下的关键节点，为下一次插入做准备。

与上述基于上述电力电缆巡检路径优化方法配套的电力电缆巡检路径优化装置，其包括一能够加载并执行程序的智能设备，如PDA或手机等，该智能设备中加载基于上述电力电缆巡检路径优化方法的路径优化程序，从而该智能设备能够够接收巡检任务、加载并执行路径优化程序，从而生成巡检任务对应的巡检路径，来辅助巡检人员进行高效率、低成本巡检工作。

智能设备包括用于接收巡检任务的通信模块、用于存储电力电缆分布信息的存储器、分别与通信模块和存储器相连接而加载和执行路径优化程序的处理器、与处理器相连接而用于输入信息的输入模块、与处理器相连接而用于输出得到的巡检路径的显示器。智能设备还可以包括GPS模块，用来跟踪巡检人员的巡检轨迹。

图4是一定区域内要巡检的电力电缆分布图。当需要进行巡检时，管理人员将巡检任务派发到巡检人员所使用的智能设备中，巡检人员携带智能设备并根据巡检任务进行巡检工作。巡检人员通过智能设备获得巡检任务的同时，可以手动添加出发地点和终结地点，之后智能设备执行路径优化程序而计算出完成当前巡检任务的最优巡检路径，从而知道巡检人员进行巡检工作。

实验与分析

随机从已经完成巡检的任务表中选取2个任务路线，进行试验。图5(a)、图5(b)是同一任务的两条要巡检的电力电缆，图5(c)是两条要巡检的电力电缆合成示意图。表2是巡检人员根据自己喜好，进行巡检的路程结果(巡检路径是根据PDA上的GPS轨迹拟合而成，巡检匹配率为巡检过程中有效电缆巡检长度与所述巡检任务中规定的要巡检的电缆长度的比值)。表3是在进行巡检路径优化时，对两条要巡检的电力电缆构建的必经点集合。通过优化后的巡检方案进行巡检，实际巡检路程为5149m，而有效巡检路程达4905m，巡检匹配率达97.09％。实际巡检路程明显减少，降低了不必要的油耗。

表2未做路径优化数据统计结果

表3电力电缆必经点集合

电力电缆	必经点id集合
		图5(a)	{767,869,984,1065,1071,1069,7646,7644,8270,8498,8501}
图5(b)	{353,354,792,799,798,788,781}

有些电力电缆布设位置是重复的，如图6所示，根据表3可知图6(a)、图6(b)、图6(c)中的电缆有899m是重合，所以在进行电力电缆巡检路径规划时，这三条电缆的必经点集合只需取重合电缆部分的一次即可。不考虑电力电缆之间的重合关系，电力电缆巡检路径如表4所示，而考虑电力电缆重合部分后，进行电力电缆路径优化后，巡检结果如表6所示，虽然巡检实际总路程减少了，电力电缆有效巡检路程没有减少。通过对比表5与表6可知，优化后的电力电缆巡检路径长度明显少于优化之前。

表4巡检电缆数据重合分析

	图(a)	图(b)	图(c)
				图(a)	2522	899	1072
图(b)	899	1223	899
				图(c)	1072	899	1574

表5未优化电力电缆巡检路径

表6优化后电力电缆巡检路径

本发明在构建好城市道路拓扑网络的基础之上，通过电力电缆与道路之间的空间拓扑关系构建每一条电力电缆巡检必经点集合，提出了电力电缆巡检最优路径的计算方法，通过该方法计算出来的路径，可指导电力电缆巡检人员更加高效率的完成电力电缆巡检任务，同时最大程度的降低了巡检车辆的油耗成本。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电力电缆巡检路径优化方法，用于根据巡检任务规划巡检路径，其特征在于：所述电力电缆巡检路径优化方法包括以下步骤：

步骤1：基于电力电缆分布拓扑和所述巡检任务建立待巡检的电力电缆对应的必经点集合，所述必经点集合中包含执行所述巡检任务的若干个必经节点；

步骤2：确定所述必经点集合中的两个必经节点分别为巡检起点和巡检终点；

步骤3：求解一条由所述巡检起点到所述巡检终点的最短路径作为当前路径，所述当前路径由若干段子路径组成；

步骤4：针对所述必经点集合中除所述巡检起点到所述巡检终点以外的各个所述必经节点，循环执行节点插入方法，最终得到所需的巡检路径；

所述节点插入方法为：取一个所述必经节点作为当前节点，分别求解所述当前节点到所述当前路径中的各个所述必经节点的最短路径，将各所述最短路径按照长短排列为队列，根据所述队列确定将所述当前节点插入所述当前路径中的插入位置，根据所述插入位置确定所述当前节点插入所述当前路径后与前一个所述必经节点之间的第一段路径、与后一个所述必经节点之间的第二段路径，将所述第一段路径和所述第二段路径合并成为新路径而替换所述当前路径中的所述插入位置所在的所述子路径，从而更新所述当前路径。

2.根据权利要求1所述的一种电力电缆巡检路径优化方法，其特征在于：所述步骤1中，所述必经点集合中的必经节点包括待巡检的每条电力电缆的始点和终点。

3.根据权利要求1或2所述的一种电力电缆巡检路径优化方法，其特征在于：所述步骤1中，采用道路匹配法确定必经节点；所述道路匹配法为：将所述电力电缆埋设所沿道路确定为目标道路；当所述电力电缆的始点和终点位于其埋设所沿道路的始点、中点或转弯点时，将各所述目标道路的始点、终点或转弯点确定为所述必经节点；当所述电力电缆的始点和/或终点未在其埋设所沿道路的始点、中点或转弯点时，将所述电力电缆的始点和/或终点沿所述目标道路的投影点作为所述必经节点。

4.根据权利要求3所述的一种电力电缆巡检路径优化方法，其特征在于：当采用所述道路匹配法时，预先构建与电力电缆分布拓扑对应的道路拓扑。

5.根据权利要求1所述的一种电力电缆巡检路径优化方法，其特征在于：所述步骤3中，基于迪杰斯特拉算法求解所述当前路径。

6.根据权利要求1所述的一种电力电缆巡检路径优化方法，其特征在于：所述步骤4中，基于迪杰斯特拉算法求解所述当前节点到所述当前路径中的各个所述必经节点的最短路径。

7.一种电力电缆巡检路径优化装置，其特征在于：所述电力电缆巡检路径优化装置包括能够接收巡检任务、加载并执行程序的智能设备，所述智能设备中加载有基于如权利要求1至4中任一项所述的电力电缆巡检路径优化方法的路径优化程序。

8.根据权利要求7所述的一种电力电缆巡检路径优化装置，其特征在于：所述智能设备包括用于接收所述巡检任务的通信模块、用于存储电力电缆分布信息的存储器、分别与所述通信模块和所述存储器相连接而加载和执行所述路径优化程序的处理器、与所述处理器相连接而用于输入信息的输入模块、与所述处理器相连接而用于输出得到的巡检路径的显示器。

9.根据权利要求7所述的一种电力电缆巡检路径优化装置，其特征在于：所述智能设备为PDA或手机。

10.根据权利要求8所述的一种电力电缆巡检路径优化装置，其特征在于：所述智能设备还包括GPS模块。

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