CN113256011A - 基于gis多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法，与现有技术相比解决了人工选线效率低、分析主观性强的缺陷。本发明包括以下步骤：输电线路选线栅格地图生成；输电线路选线成本的建模；输电线路进行智能选线。本发明基于地理信息系统，采用动态规划模型进行路径优化，利用地理信息系统的计算能力和可视化表示能力，实现了新的架空电力线路自动优化布线方法。

Description

基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法

技术领域

本发明涉及输电线路技术领域，具体来说是基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法。

背景技术

随着我国电力工业体制改革的深入，电力工程项目管理的体制与方法也在不断探索与改进，但是，由于电力体制改革时间较短，电力工程项目的建设管理模式、方法在很多方面依然很落后。尤其其中的电力输变电工程项目，其科学项目管理思想应用目前还处在探索阶段，因此将优化管理的思想引入到科学管理电力输变电工程中来，将成为电力系统研究所关注的方向。

在现有的输电线路的选线技术中，每条线路的规划很大程度上依赖设计人员的经验，其存在设计周期长、劳动强度大、主观性较强、智能化程度低等缺点。但随着计算机技术和GIS地理信息系统在电力系统中的广泛应用，如何设计一种智能化的输电线路选线方法已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中人工选线效率低、分析主观性强的缺陷，提供一种基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法，包括以下步骤：

11)输电线路选线栅格地图的生成：基于GIS栅格地图将输电线路所规划的地理空间分成一个正方形单元的规则矩阵，每个单元表示一个基本区域和位置；基于GIS栅格地图定义二维坐标系，定义其对应的选线路径位置信息；

12)输电线路选线成本的建模：基于最优选线依据进行选线成本的建模，生成选线成本模型；

13)输电线路进行智能选线：根据选线路径和选线成本模型，利用最优选线方法进行输电线路的智能选线。

所述输电线路选线栅格地图的生成包括以下步骤：

21)对于输电线路所规划的地理空间对应其GIS栅格地图，定义二维坐标系用来定位每个栅格区域，即一个离散的二维空间，M、N分别为GIS栅格地图的长、宽，Ω代表GIS覆盖的地图范围，(i,j)表示选线路径中顶点的基本单元；

22)在二维空间Ω中，假设一条线路经过k+1个基本单元格，则用下面集合来表示：

其中，r_k表示坐标(i_k,j_k)的单元格；

23)定义线段l_k是顶点r_k-1和r_k之间连线，则对于前面的集合R所构成的路径用下面集合表示：

L＝{l₁,..,l_k,...,l_K}；

24)进行选线路径的选择：

对于每个单元格顶点r_k，下一个单元格的选择都有8种可选择的方向，即{(1,2,3,4,5,6,7,8)≡(W,NW,N,NE,E,SE,S,SW)}；

用集合

来表示，亦即有8个坐标顶点供选择。

所述输电线路选线成本的建模步骤为对于最优选线算法实现，选线考虑依据地理环境因素和线路建设成本因素；其包括以下步骤：

31)针对地理环境因素，通过层次分析法建立输电线路路径优化设计的环境因素层次模型，量化各环境因素对线路路径建设的影响程度；

32)针对线路建设成本因素包括以下步骤：

321)建立以建设成本为目标的影响因素的层次结构；

322)根据常用的1～9标度法形成判断矩阵；

323)校验判断矩阵的一致性即校验判断矩阵中权值系数的合理性；

324)求解判断矩阵的权重向量，判断矩阵满足一致性要求后，即利用几何平均法、算术平均法或特征向量法求判断矩阵的权重向量；

325)计算综合权重，在层次结构中计算得到各个相邻层级之间的权重向量后，即按照由底层向顶层的顺序逐层向上计算，直至求解出底层因素对目标层即建设成本的综合权重向量。

所述输电线路进行智能选线包括以下步骤：

41)设定最小成本模型：基于地理环境因素和线路建设成本因素，建立动态规划算法最小成本函数为：

式中，f(r_k-1,r_k)相邻单元格有向路径的权重，

单元格环境因素权重，c₁,c₂为相应的惩罚系数，l有向路径长度，n为有向路径转角数目；

42)初始化累积代价矩阵g₀(r₀)；

43)针对每个单元格r_k，结合动态规划顺序法模型g_t(r_k)＝g_t,t-1(r_k-1)+f(l_k)，计算到达其每个相邻单元格r_k的累积成本，选择最小成本路径，在第t次迭代的最优结果，用^*g_t(r_k)表示：

其中：t表示相应迭代次数，

r_k-1是围绕路径顶点r_k的八个相邻单元之一；g_t,t-1(r_k-1)表示前一个迭代次数t-1时到达顶点r_k-1中的最小累计成本；f(l_k)表示的是从顶点r_k到r_k-1之间线路成本；

44)根据上述公式记录作为最小值的后连接单元格，其表达式如下：

即得到对应最优路径程度和单元格位置信息l_k ^*(t)；

45)找出最小成本的状态点，并输出，此为输电线路的智能选线结果。

有益效果

本发明的基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法，与现有技术相比基于地理信息系统，采用动态规划模型进行路径优化，利用地理信息系统的计算能力和可视化表示能力，实现了新的架空电力线路自动优化布线方法，有助于自动选择最经济的路线以建立新的输电线路。

附图说明

图1为本发明的方法顺序图；

图2为本发明中GIS栅格地图中心单元与八个相邻单元的连接示意图。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

如图1所示，本发明所述的基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法，其中重点是处理了大量相关环境因素，实现了基于GIS地理信息系统的各个地理环境信息的自动获取，技术难点是将GIS地图划分网格，并且量化每个单元格的环境因素的综合权重，建立动态规划算法最小成本搜索模型。其包括以下步骤：

第一步，输电线路选线路径的生成：基于GIS栅格地图将输电线路所规划的地理空间分成一个正方形单元的规则矩阵，每个单元表示一个基本区域和位置；基于GIS栅格地图定义二维坐标系，定义其对应的选线路径。其具体步骤如下：

(1)基于GIS栅格地图将地理空间分成一个正方形单元的规则矩阵,每个单元表示一个基本区域和位置。如图2所示，对于输电线路所规划的地理空间对应其GIS栅格地图，定义二维坐标系用来定位每个栅格区域，即一个离散的二维空间，M、N分别为GIS栅格地图的长、宽，Ω代表GIS覆盖的地图范围，(i,j)表示选线路径中顶点的基本单元(地理位置位置)。

(2)在二维空间Ω中，假设一条线路经过k+1个基本单元格，则用下面集合来表示：

其中，r_k表示坐标(i_k,j_k)的单元格。

(3)定义线段l_k是顶点r_k-1和r_k之间连线，则对于前面的集合R所构成的路径用下面集合表示：

L＝{l₁,..,l_k,...,l_K}。

(4)进行选线路径的选择：

对于每个单元格顶点r_k，下一个单元格的选择都有8种可选择的方向，即{(1,2,3,4,5,6,7,8)≡(W,NW,N,NE,E,SE,S,SW)}；

用集合

来表示，亦即有8个坐标顶点供选择。

第二步，输电线路选线成本的建模：基于最优选线依据进行选线成本的建模，生成选线成本模型。

对于最优的选线，选线的依据是线路成本，对线路的成本进行建模可以根据实际应用的需要从多个方面来综合考虑，主要包括非地理成本、地理成本。

(1)非地理成本：

每公里成本的相关部分与线路设备有关，且与地理特征无关，这种非地理成本分量(NGC)与穿过相邻单元r_k和r_k-1的线路相关联。对于任何单元格r_k的非地理成本函数记为

(2)地理相关成本，与地理信息相关的几种常见成本分析如下：

①“可达性”成本：表示为电网覆盖范围，包括设备运输、安装和维护的额外成本。它们依赖于地理位置，并用最小代价距离空间函数计算。因此，需要GIS覆盖道路和穿越的成本来衡量它们。

②因地理区域的“特定特征”而产生的成本：

基于土地利用、植被覆盖率、城市区域、海岸附近腐蚀性区域和高环境影响区域的特点是网格覆盖而产生的额外成本，由于地形所有权，额外成本取决于土地的实际使用情况和每次使用的土地价格估计。植被覆盖还造成额外的安装和维护费用的削减和修剪。此外，环境限制可被视为外部成本、用架空线代替地下电缆的成本或不可能的位置的极高成本。其他额外成本以网格覆盖为特征，由于地形所有权而产生额外成本，这取决于土地的实际使用和每种使用的土地价格估计。

③“障碍物”造成的成本：公路、铁路、河流、住宅区和其他电力线路可能成为路线设计的障碍。为了机械和电气安全，跨越这些元件需要在两个侧塔中加强绝缘子。此成本与交叉单元元素相关联，表示要考虑的地理成本。靠近其他地理障碍物或基础设施(或其他设施)涉及与信号设备(如机场附近)相关的额外成本或越障(如湖泊或水坝)的增加成本。

大多数这些地理成本在路线模型(在光栅结构下)中被建模为跨越单元的成本。地理成本导致路径不直，从而导致与偏离塔相关的额外成本。在本文的路线选择算法中，对由于方向变化而产生的代价进行了建模。

有关穿过基本单元格r_k，

的成本的信息，其中包括大部分地理成本；

转角成本

存储在一个地理网格中，如果方向在特定点r_k-1发生改变，即在r_k、r_k-2之间，而产生了额外成本的信息；

总的成本函数表示：描述从每个始发地单元出发的位置和费用(出发成本，例如，g₀(r₀)，与原始单元格r₀相关。

但在此，本发明不针对实际应用中线路成本考虑因素进行分析，此为实际应用中行业专家的共同讨论结果，也基于此，输电线路选线成本的建模步骤为对于最优选线算法实现，选线考虑依据地理环境因素和线路建设成本因素；其包括以下步骤：

(1)针对地理环境因素，通过层次分析法建立输电线路路径优化设计的环境因素层次模型，量化各环境因素对线路路径建设的影响程度；

(2)针对线路建设成本因素包括以下步骤：

A1)建立以建设成本为目标的影响因素的层次结构；

A2)根据常用的1～9标度法形成判断矩阵；

A3)校验判断矩阵的一致性即校验判断矩阵中权值系数的合理性；

A4)求解判断矩阵的权重向量，判断矩阵满足一致性要求后，即利用几何平均法、算术平均法或特征向量法求判断矩阵的权重向量；

A5)计算综合权重，在层次结构中计算得到各个相邻层级之间的权重向量后，即按照由底层向顶层的顺序逐层向上计算，直至求解出底层因素对目标层即建设成本的综合权重向量。

第三步，输电线路进行智能选线：根据选线路径和选线成本模型，利用最优选线方法进行输电线路的智能选线。

所述输电线路进行智能选线包括以下步骤：

(1)设定最小成本模型：基于地理环境因素和线路建设成本因素，建立动态规划算法最小成本函数为：

式中，f(r_k-1,r_k)相邻单元格有向路径的权重，

单元格环境因素权重，c₁,c₂为相应的惩罚系数，l有向路径长度，n为有向路径转角数目。

(2)初始化累积代价矩阵g₀(r₀)。

(3)针对每个单元格r_k，结合动态规划顺序法模型g_t(r_k)＝g_t,t-1(r_k-1)+f(l_k)，计算到达其每个相邻单元格r_k的累积成本，选择最小成本路径，在第t次迭代的最优结果，用^*g_t(r_k)表示：

其中：t表示相应迭代次数，

r_k-1是围绕路径顶点r_k的八个相邻单元之一；g_t,t-1(r_k-1)表示前一个迭代次数t-1时到达顶点r_k-1中的最小累计成本；f(l_k)表示的是从顶点r_k到r_k-1之间线路成本。

(4)根据上述公式记录作为最小值的后连接单元格，其表达式如下：

即得到对应最优路径程度和单元格位置信息l_k ^*(t)；

(5)找出最小成本的状态点，并输出，此为输电线路的智能选线结果。

在实际应用中，本发明利用了一个真实的地图信息来选择最小成本路线，其中地理数据(安装、维护、运营成本、土地利用等)和计算结果以栅格格式表示，而不是矢量格式。为了应用动态规划算法获得最优的路线，首先根据GIS网格地图，给出电力线路建设的成本参数(包括地理和非地理成本函数)，即参数

然后，通过DP算法对其进行最优路径规划，采用迭代的方法选择最优路径。具体为：设计了DP算法。

应用于“GIS栅格”线路布线的迭代DP程序的算法如下：

研究区域的分辨率r以分割成尺寸为r的单元格；

(1)初始化：用一个简单的初始状态初始化累积代价矩阵g₀(r₀)(例如，只有“走出”原点的成本，其他单元格中没有“数据”)。可以使用数字地形c^NGC

(2)对于状态t的每个单元格节点(r_k∈Ω)；

(3)对于每个相邻单元

对于状态t(如果更新)，或者对于状态t-1；

(4)计算相邻单元格的地形环境交叉权重成本

转向成本

和过渡成本：

(5)计算累计成本g_t(r_k)＝g_t,t-1(r_k-1)+f(l_k)；

(6)转到八个相邻单元格

循环至3；

(7)选择单元格

及其编码，作为指向g_t(r_k),^*g_t(r_k)最小值的“后”连接单元格；

(8)结合g_t(r_k)的最小值，即^*g_t(r_k)存储最小代价路径，对于状态t和阶段k用于单元格r_k；

(9)转到地图覆盖范围中的以下单元格(r_k)。(循环至2)；

(10)在整个覆盖范围内比较^*g_t(r_k)与^*g_t-1(r_k)；

(11)转到(2)进行新的迭代，直到在整个覆盖范围内没有发现任何更改(在步骤(10)中进行判断)。

首先定义了计算网格的分辨率，并初始化t＝0累计成本网格，并为后续计算安排数据。在步骤(2)和(10)之间，对网格的每个单元执行累积成本网格的计算(仅初始化原点)；然后在每次迭代时从原点到每个单元计算累积成本。对于步骤(3)到步骤(6)，该算法计算一个中心单元和八个相邻单元之间的转移代价，包括所有代价分量。在步骤(7)和(9)中，选择相邻单元之间的转移序列(其定义具有最小代价的路径)作为“后向”连接。在步骤(10)和(11)中，该算法开始下面的迭代，并在没有检测到迭代之间的变化时停止。在以前的迭代中，可以通过使用不导致全局最小成本路径的其他原点来选择成本路径。当连续迭代之间没有检测到任何变化时，我们已经到达覆盖范围内每个单元格的最小累积成本路径，并选择“后”连接单元格，从而得到起点和目的地之间成本最低的路径。

其动态算法过程如表1所示：

表1动态规划算法过程表

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.一种基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法，其特征在于，包括以下步骤：

11)输电线路选线栅格地图的生成：基于GIS栅格地图将输电线路所规划的地理空间分成一个正方形单元的规则矩阵，每个单元表示一个基本区域和位置；基于GIS栅格地图定义二维坐标系，定义其对应的选线路径位置信息；

12)输电线路选线成本的建模：基于最优选线依据进行选线成本的建模，生成选线成本模型；

13)输电线路进行智能选线：根据选线路径和选线成本模型，利用最优选线方法进行输电线路的智能选线。

2.根据权利要求1所述的基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法，其特征在于，所述输电线路选线栅格地图的生成包括以下步骤：

21)对于输电线路所规划的地理空间对应其GIS栅格地图，定义二维坐标系用来定位每个栅格区域，即一个离散的二维空间，M、N分别为GIS栅格地图的长、宽，Ω代表GIS覆盖的地图范围，(i,j)表示选线路径中顶点的基本单元；

22)在二维空间Ω中，假设一条线路经过k+1个基本单元格，则用下面集合来表示：

其中，r_k表示坐标(i_k,j_k)的单元格；

23)定义线段l_k是顶点r_k-1和r_k之间连线，则对于前面的集合R所构成的路径用下面集合表示：

L＝{l₁,..,l_k,...,l_K}；

24)进行选线路径的选择：

对于每个单元格顶点r_k，下一个单元格的选择都有8种可选择的方向，即{(1,2,3,4,5,6,7,8)≡(W,NW,N,NE,E,SE,S,SW)}；

用集合

来表示，亦即有8个坐标顶点供选择。

3.根据权利要求1所述的基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法，其特征在于，所述输电线路选线成本的建模步骤为对于最优选线算法实现，选线考虑依据地理环境因素和线路建设成本因素；其包括以下步骤：

31)针对地理环境因素，通过层次分析法建立输电线路路径优化设计的环境因素层次模型，量化各环境因素对线路路径建设的影响程度；

32)针对线路建设成本因素包括以下步骤：

321)建立以建设成本为目标的影响因素的层次结构；

322)根据常用的1～9标度法形成判断矩阵；

323)校验判断矩阵的一致性即校验判断矩阵中权值系数的合理性；

324)求解判断矩阵的权重向量，判断矩阵满足一致性要求后，即利用几何平均法、算术平均法或特征向量法求判断矩阵的权重向量；

325)计算综合权重，在层次结构中计算得到各个相邻层级之间的权重向量后，即按照由底层向顶层的顺序逐层向上计算，直至求解出底层因素对目标层即建设成本的综合权重向量。

4.根据权利要求1所述的基于GIS多目标动态规划技术的输电线路智能选线方法，其特征在于，所述输电线路进行智能选线包括以下步骤：

41)设定最小成本模型：基于地理环境因素和线路建设成本因素，建立动态规划算法最小成本函数为：

式中，f(r_k-1,r_k)相邻单元格有向路径的权重，

为单元格环境因素权重，c₁,c₂为惩罚系数，l有向路径长度，n为有向路径转角数目；

42)初始化累积代价矩阵g₀(r₀)；

43)针对每个单元格r_k，结合动态规划顺序法模型g_t(r_k)＝g_t,t-1(r_k-1)+f(l_k)，计算到达其每个相邻单元格r_k的累积成本，选择最小成本路径，在第t次迭代的最优结果，用^*g_t(r_k)表示：

其中：t表示相应迭代次数，

r_k-1是围绕路径顶点r_k的八个相邻单元之一；g_t,t-1(r_k-1)表示前一个迭代次数t-1时到达顶点r_k-1中的最小累计成本；f(l_k)表示的是从顶点r_k到r_k-1之间线路成本；

44)根据上述公式记录作为最小值的后连接单元格，其表达式如下：

即得到对应最优路径程度和单元格位置信息l_k ^*(t)；

45)找出最小成本的状态点，并输出，此为输电线路的智能选线结果。

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