CN115048694B - 输电塔体系振型聚类方法、装置以及计算机设备 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及一种输电塔体系振型聚类方法、装置以及计算机设备，其中，该输电塔体系振型聚类方法包括：获取输电塔体系模型、输电塔节点集合以及环境特征；根据所述环境特征对所述输电塔体系模型进行动力特性分析，得到所述输电塔体系模型的振型参数；在所述输电塔体系模型的振型参数中，获取对应所述输电塔节点集合中各节点的振型参数；对所述各节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类。通过环境特征对输电塔体系进行动力特性分析，得到各个节点的振型参数，再通过Q型聚类对振型参数进行分类得到振型分类。基于振型分类能够从动力特性角度，精确的确定耦联效应对输电塔体系的影响。

Description

输电塔体系振型聚类方法、装置以及计算机设备
技术领域
本申请涉及输电网络领域，特别是涉及一种输电塔体系振型聚类方法、装置以及计算机设备。
背景技术
输电塔体系一种用于远程输送电力的系统。输电塔体系包括输电塔以及导线地线。其中，输电塔是用来支撑和架空导线、避雷线和其他附件的塔架结构，使导线与导线、导线与铁塔、导线与避雷线、导线对地面或交叉跨越保持规定的安全距离的高耸式钢结构物。导线地线架设在输电塔上用来传输电力。
输电塔体系中的输电塔的结构安全性直接关系到国家电网和输电线路的正常运行。但输电塔轻质、高柔的特性，使得其在面对超过设计标准的大风时，结构会发生较大的响应，部分构件会出现比较大的变形，甚至断裂，这是许多输电塔倒塌的直接诱因。而输电塔倒塌往往带来巨大的经济损失，该领域学者们通过研究作用于输电塔线体系的风荷载和不同风场下的输电塔风致响应来为输电塔抗风设计和抗连续性倒塌设计提供参考。已有研究表明，输电塔线体系的风致响应功率谱的峰值会随着风速的变化而移动，进行输电塔线体系抗风分析时应考虑耦联效应。
目前的相关技术中，并没有对于输电塔体系的耦联效应相关技术。
发明内容
本申请实施例提供了一种输电塔体系振型聚类方法、装置以及计算机设备，以至少解决相关技术中没有分析输电塔体系的耦联效应的问题。
第一方面，本申请实施例提供了一种输电塔体系振型聚类方法，包括：获取输电塔体系模型、输电塔节点集合以及环境特征；根据所述环境特征对所述输电塔体系模型进行动力特性分析，得到所述输电塔体系模型的振型参数；在所述输电塔体系模型的振型参数中，获取对应所述输电塔节点集合中各节点的振型参数；对所述各节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类。
在其中一个实施例中，所述获取输电塔体系模型包括：获取实际输电线路的输电塔施工图以及导线地线参数；根据所述输电塔施工图，建立输电塔模型；
根据所述导线地线参数，建立导线地线模型；根据所述输电塔模型以及导线地线模型，得到所述输电塔体系模型。
在其中一个实施例中，所述根据所述输电塔模型以及导线地线模型，得到所述输电塔体系模型包括：根据所述输电塔施工图，确定塔线连接方式以及边界约束条件；根据所述塔线连接方式以及边界约束条件，对所述导线地线模型以及输电塔模型进行约束，得到所述输电塔体系模型。
在其中一个实施例中，获取输电塔节点集合包括：对所述输电塔模型中不考虑导线地线的输电塔模型，进行动力特性分析，得到相应单塔的振型参数；所述单塔的振型参数包括固有频率以及振型；在所述单塔的振型参数中提取m个节点的振型位移；对所述m个节点的振型位移进行R型聚类，缩减节点数量为n个，并得到n个节点的节点集合。
在其中一个实施例中，所述根据所述环境特征对所述输电塔体系模型进行动力特性分析，得到所述输电塔体系模型的振型参数；所述环境特征包括地貌特征以及风场特性；将所述环境特征等效为所述输电塔体系模型中各个加风点上的静风力载荷，得到所述输电塔体系模型的平衡状态；根据所述输电塔体系模型中不同导线地线的张力，得到多个所述输电塔体系模型的平衡状态；对多个所述输电塔体系模型的平衡状态进行动力特性分析，得到多组输电塔体系模型的振型参数；所述输电塔体系模型的振型参数包括固有频率以及振型。
在其中一个实施例中，所述在所述输电塔体系模型的振型参数中，获取对应所述输电塔节点集合中各节点的振型参数包括：根据输电塔体系模型的振型参数，确定所述输电塔体系模型中关键节点的振型参数，并进行归一化处理；在归一化处理后的所述输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取对应所述输电塔节点集合中各节点的振型参数。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：在所述输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取塔头节点的振型参数；根据所述塔头节点的振型参数，确定输电塔振型的弯曲数据集以及扭转数据集。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：在所述输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取交叉斜材的振型参数；对所述交叉斜材的振型参数进行状态归纳，得到检验聚类数据；根据所述检验聚类数据对所述振型分类进行校核调整，直至满足预设条件。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：根据所述振型分类，确定振型的分布区间以及主成分频率值。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：对不同所述环境特征的所述输电塔体系模型进行聚类分析，得到不同环境特征下的所述输电塔体系模型对应的振型分类。
第二方面，本申请实施例提供了一种输电塔体系振型聚类装置，包括：获取模块，用于获取输电塔体系模型、输电塔节点集合以及环境特征；分析模块，用于根据所述环境特征对所述输电塔体系模型进行动力特性分析，得到所述输电塔体系模型的振型参数；计算模块，用于在所述输电塔体系模型的振型参数中，获取对应所述输电塔节点集合中各节点的振型参数；聚类模块，用于对所述各节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类。
第三方面，本申请实施例提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述第一方面所述的输电塔体系振型聚类方法。
第四方面，本申请实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现如上述第一方面所述的输电塔体系振型聚类方法。
相比于相关技术，本申请实施例提供的输电塔体系振型聚类方法，通过获取输电塔体系模型、输电塔节点集合以及环境特征。在根据环境特征对输电塔体系模型进行动力特性分析，得到输电塔体系模型的振型参数，在输电塔体系模型的振型参数中，获取对应输电塔节点集合中各个节点的振型参数，最终对各个节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类。通过环境特征对输电塔体系进行动力特性分析，得到各个节点的振型参数，再通过Q型聚类对振型参数进行分类得到振型分类。基于振型分类能够从动力特性角度，精确的确定耦联效应对输电塔体系的影响。
本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例的输电塔体系振型聚类方法的流程图；
图2是根据本申请实施例的建立输电塔体系模型的方法的流程图；
图3是根据本申请实施例的获取输电塔节点集合的方法的流程图；
图4是根据本申请实施例的计算输电塔体系模型振型参数的方法的流程图；
图5是根据本申请实施例的输电塔典型振型示意图；
图6是根据本申请实施例的输电塔线体系中输电塔振型整体弯曲及扭转判断方法的流程图；
图7是根据本申请实施例的交叉斜材的变形状态示意图；
图8是根据本申请实施例的输电塔线体系振型聚类分析方法的流程图；
图9是根据本申请实施例的输电塔体系振型聚类装置的结构框图；
图10为根据本申请实施例的计算机设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行描述和说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。基于本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。此外，还可以理解的是，虽然这种开发过程中所作出的努力可能是复杂并且冗长的，然而对于与本申请公开的内容相关的本领域的普通技术人员而言，在本申请揭露的技术内容的基础上进行的一些设计，制造或者生产等变更只是常规的技术手段，不应当理解为本申请公开的内容不充分。
在本申请中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域普通技术人员显式地和隐式地理解的是，本申请所描述的实施例在不冲突的情况下，可以与其它实施例相结合。
除非另作定义，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应当为本申请所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请所涉及的“一”、“一个”、“一种”、“该”等类似词语并不表示数量限制，可表示单数或复数。本申请所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含；例如包含了一系列步骤或模块(单元)的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可以还包括没有列出的步骤或单元，或可以还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。本申请所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电气的连接，不管是直接的还是间接的。本申请所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。本申请所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序。
在输电塔体系中，输电塔的倒塌往往会带来巨大的经济损失，该领域学者们通过研究作用于输电塔线体系的风荷载和不同风场下的输电塔风致响应来为输电塔抗风设计和抗连续性倒塌设计提供参考。已有研究表明，输电塔线体系的风致响应功率谱的峰值会随着风速的变化而移动，进行输电塔线体系抗风分析时应考虑耦联效应，但其机理与作用机制尚未研究清楚。
在输电塔体系的耦联效应研究过程中，国内外研究人员开展了大量输电塔体系的风致响应动力分析，研究不同工况下的输电塔体系响应特征。由于输电塔线的耦联体系是由刚性的格构式铁塔结构和柔性的索结构共同组成，这一耦联体系在随机风场中的响应极为复杂。有研究人员通过试验分析提出求解输电塔线耦联体系平面内动力特性的计算模型，其中，基于大跨越输电塔线体系气动弹性模型试验发现，塔线耦联作用会改变输电塔的动力特性和风致响应分量。由于输电塔具有干字塔、酒杯塔、猫头塔等多种塔型，线路档距也往往具有较大差异，目前的研究方法仅体现部分塔线体系的动力特征，仍未能定量给出普适性的耦联效应的影响。因此，探究合理的确定输电线路塔线体系耦联效应的方法仍是需要深入研究的主题。
本申请实施例提出了一种用于输电塔线体系振型聚类分析的方法，在建立输电塔线有限元模型的基础上，通过脚本程序自动提取模型中关键节点的振型位移值并进行计算处理，通过判断输电塔振型整体弯曲及扭转程度并对塔线体系振型进行聚类分析，输出各类振型的频率分布区间和主成分频率值，从动力特性角度分析耦联效应对塔线体系的影响。
本实施例提供了一种输电塔体系振型聚类方法。图1是根据本申请实施例的输电塔体系振型聚类方法的流程图，如图1所示，该流程包括如下步骤：
步骤S100，获取输电塔体系模型、输电塔节点集合以及环境特征。
具体的，输电塔体系模型为基于有限元软件构建的输电塔体系的三维模型，有限元软件构建的三维模型能够赋予其力学特性。并且在计算中,对模型进行实验条件仿真，模拟拉伸、弯曲、扭转等力学实验，可以求解在不同条件下任意部位的变形、应力、应变分布、内部能量变化及极限破坏等情况。输电塔节点集合为输电塔体系中采样的多个节点的集合。环境特征包括输电塔体系所在的地貌特征或者输电塔体系所在位置的风场特性。其中，地貌特征是基于结构荷载规范中的地貌类型而言的，主要是考虑地面的树木或建筑物等对风场的影响。风场特性指平均风大小、脉动风大小、湍流度等。
步骤S200，根据环境特征对输电塔体系模型进行动力特性分析，得到输电塔体系模型的振型参数。
具体的，根据输电塔体系所在的地貌特征以及风场特性，将风场等效为各个加风点上的静风力载荷，得到输电塔体系模型的在风场作用下的平衡状态，对相应平衡状态下的输电塔体系模型进行动力特性分析，得到输电塔体系模型的振型参数。其中，动力特性分析为根据输电塔体系模型计算相应结构的固有频露以及相应的振型。振型参数包括固有频率以及振型。其中，振型为当结构以自身某个固有频率振动时，结构各质点的振动位移幅值的比值恒为常数，或者说结构的变形形式保持不变，称此情况下的振动形式为振型。
步骤S300，在输电塔体系模型的振型参数中，获取对应输电塔节点集合中各节点的振型参数。
具体的，根据输电塔体系模型的振型参数，确定输电塔体系模型中关键节点的振型参数，并进行归一化处理。其中关键节点包括塔顶节点、挂线节点、杆件4等分节点等。在输电塔体系的所有节点的振型参数中获取对应上述关键节点的振型参数。并对关键节点的振型参数进行归一化处理。其中，归一化处理为，首先获取所有关键点的振型参数中的最大值，再将每一个关键点的振型参数除以振型参数中的最大值。在归一化处理后的输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取对应输电塔节点集合中各节点的振型参数。
步骤S400，对各节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类。
具体的，Q型聚类，是针对样本的聚类分析，把所有观察对象按一定性质进行分类，使性质相近对象分在同一类，性质差异较大对象分到另一类。基于Q型聚类对上述获取到的输电塔节点集合中各节点的振型参数进行聚类分析，得到输电塔模型中各个节点的振型分类。
本申请实施例提供的输电塔体系振型聚类方法，通过获取输电塔体系模型、输电塔节点集合以及环境特征。在根据环境特征对输电塔体系模型进行动力特性分析，得到输电塔体系模型的振型参数，在输电塔体系模型的振型参数中，获取对应输电塔节点集合中各个节点的振型参数，最终对各个节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类。通过环境特征对输电塔体系进行动力特性分析，得到各个节点的振型参数，再通过Q型聚类对振型参数进行分类得到振型分类。基于振型分类能够从动力特性角度，精确的确定耦联效应对输电塔体系的影响。
本实施例提供了一种建立输电塔体系模型的方法。图2是根据本申请实施例的建立输电塔体系模型的方法的流程图，如图2所示，该流程包括如下步骤：
步骤S111，获取实际输电线路的输电塔施工图以及导线地线参数。
具体的，实际输电线路为实际的输电塔体系。输电塔施工图包括输电塔的样式、尺寸、输电塔各个杆件的截面尺寸、长度、空间定位、连接点形式等。其中，连接点形式有包括：焊接、螺栓连接，以及具体的螺栓数量和相对位置。导线地线参数包括导线地线的截面尺寸、线密度、弹性模型、极限拉断张力、设计的空间几何构型等。
步骤S112，根据输电塔施工图，建立输电塔模型。
具体的，在有限元计算软件ABAQUS软件中，根据输电塔施工图中的各个参数进行行数值模拟，生成相应输电塔模型。
步骤S113，根据导线地线参数，建立导线地线模型。
具体的，在有限元计算软件ABAQUS软件中，根据导线地线参数进行行数值模拟，生成相应导线地线模型。由于，导线地线是柔软的索结构，需要考虑重力对其空间结构的影响，因此，不能直接在数值模型中实现最终模型的构建，需要先找到形状，再在数值模型中进行模型构建。
步骤S114，根据输电塔模型以及导线地线模型，得到输电塔体系模型。
具体的，根据输电塔施工图，确定塔线连接方式以及边界约束条件。其中，输电塔和导线地线之间通过绝缘子串进行连接。塔线连接方式为输电塔和导线地线的连接方式，绝缘子串常使用的有V型、I型等。边界约束条件包括约束输电塔以及导线地线的自由度。根据塔线连接方式以及边界约束条件，对导线地线模型以及输电塔模型进行约束，得到输电塔体系模型。示例的，约束输电塔模型的塔腿与地面接触点的所有自由度，约束导线地线模型在未布置输电塔模型一端的相应自由度，形成整体输电线路数值模型。其中，上述两个自由度均为XYZ三个方向的平移和旋转，共6自由度。约束自由度是指固定约束，使6个自由度在全过程总保持为零。
本申请实施例，通过输电塔施工图以及导线地线参数能够精准的建立输电塔体系的模型。从而进一步的使输电塔体系的聚类分析更加的精准。
本实施例提供了一种获取输电塔节点集合的方法。图3是根据本申请实施例的获取输电塔节点集合的方法的流程图，如图3所示，该流程包括如下步骤：
步骤S121，对输电塔模型中不考虑导线地线的输电塔模型，进行动力特性分析，得到相应单塔的振型参数。
具体的，单塔的振型参数包括固有频率以及振型。输电塔体系中存在多种类型的输电塔，例如干字塔、酒杯塔、猫头塔等多种塔形。在所有输电塔模型中获取不考虑导线地线的输电塔模型。由于在本领域中不考虑导线地线的输电塔早期使用较多，目前研究更加深入且精细。在获取到不考虑导线地线的输电塔模型之后，在对相应的模型进行动力特性分析，得到相应单塔的振型参数。
步骤S122，在单塔的振型参数中提取m个节点的振型位移。
步骤S123，对m个节点的振型位移进行R型聚类，缩减节点数量为n个，并得到n个节点的节点集合。
具体的，在得到m个节点的振型位移之后，对获取到的所有振型位移进行R型聚类，将m个节点缩减至n个节点，将n个节点作为节点集合。R型聚类是聚类分析方法的一种。根据不同变量之间相关程度高低进行分类。若变量较多且相关较强时，可以使用R型聚类法把变量聚为几个大类，同一类变量之间有较强相关性，不同类变量之间相关程度低，并可以从同类变量中找出一典型性变量作为代表，最终减少变量个数达到降维目的。
本实施例提供了一种计算输电塔体系模型振型参数的方法。图4是根据本申请实施例的计算输电塔体系模型振型参数的方法的流程图，如图4所示，步骤S200又包括如下步骤：
步骤S210，将环境特征等效为输电塔体系模型中各个加风点上的静风力载荷，得到输电塔体系模型的平衡状态。
具体的，将环境特征根据架空输电线路设计规范或者建筑结构等效为输电塔体系模型中各个加风点上的静风力载荷；或者将环境特征根据载荷规范中的风荷载计算方法等效为输电塔体系模型中各个加风点上的静风力载荷。最终得到输电塔体系模型的平衡状态。其中，平衡状态为输电塔体系在受到静风力作用后响应保持恒定的状态。
步骤S220，根据输电塔体系模型中不同导线地线的张力，得到多个输电塔体系模型的平衡状态。
具体的，通过改变输电塔体系模型中不同导线地线的张力，对于每一种张力的输电塔体系模型，均通过步骤210中的方式计算对应张力输电塔体系模型的平衡状态。由此，可以得到多个输电塔体系的平衡状态。
步骤S230，对多个输电塔体系模型的平衡状态进行动力特性分析，得到多组输电塔体系模型的振型参数。
具体的，输电塔体系模型的振型参数包括固有频率以及振型。
在其中一个实施例中，还包括：在输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取塔头节点的振型参数。其中，塔头节点包括：塔顶中心节点、两个地线支架挂线节点、两个边导线挂线节点。在关键节点的振型参数中获取上述五个塔头节点的振型位移数据。其中，振型位移数据为节点位移。在根据塔头节点的振型参数，确定输电塔振型的弯曲数据集以及扭转数据集。其中，根据塔头节点的振型位移，来确定输电塔振型的弯曲数据集以及扭转数据集。整体弯曲判断方法为在一个方向上振型位移值显著大于另一方向时，认为此输电塔振型存在整体弯曲。整体扭转判断方法为当两个地线支架挂线点的振型位移值或两个边导线挂线点的振型位移值在顺线路方向上的分量的乘积小于零，及两点变形方向相反时，认为此输电塔振型存在整体扭转。
在其中一个实施例中，还包括：在输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取交叉斜材的振型参数；对交叉斜材的振型参数进行状态归纳，得到检验聚类数据。具体的，将交叉斜材的状态归纳为in1，in2，out1，out2四类，再将这四类作为振型聚类的检验数据，对上述聚类后得到的振型分类进行验证。其中，ini，outi分别是指交叉斜材振型位移是相对于塔身立面向内侧或外侧，其中i是指交叉斜材振型的杆件变形呈i阶弯曲。根据检验聚类数据对振型分类进行校核调整，直至满足预设条件。其中，校核调整为通过计算变形状态形成的向量间的相似度进行校核调整，当相似度达到相似度阈值时，满足预设条件。具体的相似度阈值可根据分析精度的需要自行确定。
在其中一个实施例中，还包括：根据振型分类，确定振型的分布区间以及主成分频率值。
在其中一个实施例中，还包括：对不同环境特征的输电塔体系模型进行聚类分析，得到不同环境特征下的输电塔体系模型对应的振型分类。
在其中一个实施例中，上述确定输电塔体系模型中关键节点的振型参数为通过编程脚本自动化确定。确定输电塔振型的弯曲数据集以及扭转数据集为通过编程脚本自动化确定。对各节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类为通过编程脚本自动化确定。对振型分类进行校核调整为通过编程脚本自动化确定。
在其中一个实施例中，上述输电塔体系模型中，输电塔模型以及导线地线模型为输电塔体系模型的基本元素，对于输电塔体系模型中的输电塔数量和类型，本申请实施例不做具体限定，塔型包括但不限于干字塔、猫头塔、酒杯塔等类别的多杆件空间塔架。
在其中一个实施例中，导线地线模型为考虑重力影响下导线地线模型。考虑重力建立初始导线地线模型的方法包括但不限于抛物线形坐标定位法、悬链线形坐标定位法等方式进行建立。
在其中一个实施例中，上述输电塔模型以及输电塔体系模型中的输电塔模型包括但不限于角钢构件、圆管构件和常见于原位加固方案中的T字形组合构件、Y字形组合构件、十字形组合构件、双L形组合构件等。
在其中一个实施例中，上述输电塔体系模型包括但不限于常见的单塔两跨线模型、三塔两跨线模型、三塔五跨线模型、五塔四跨线模型等。
在其中一个实施例中，上述导线地线模型包括但不限于地线模型和导线模型；导线模型包括但不限于常用的双分裂导线模型、四分裂导线模型、八分裂导线模型等。
在其中一个实施例中，上述输电塔模型和导线地线模型的连接方案，包括但不限于多点铰接连接件连接、绝缘子数值模型连接等。
本申请实施例普适性强，对于不同塔型不同档距的输电线路均能进行模拟；能得到输电塔线体系动力特性变化的定量分析结果并以此衡量塔线耦联效应的影响。
本申请实施例提供了一种用于输电塔线体系振型聚类分析的方法，实现步骤如下：
步骤一：根据实际输电线路的输电塔施工图，建立输电塔线有限元数值分析模型；对不考虑导线地线的输电塔单塔数值模型进行动力特性分析，计算输电塔单塔在需求范围内的Nt阶固有频率及振型。请参阅图5，图5是根据本申请实施例的输电塔典型振型示意图。
步骤二：建立导线地线数值模型，确定实际输电线路的塔线连接方式及边界约束条件，约束输电塔数值模型的塔腿与地面接触点的所有自由度，约束导线地线数值模型在未布置输电塔数值模型一端的相应自由度，形成整体输电线路数值模型。
步骤三：根据实际输电线路所在地貌特征及风场特性，将随机风场等效为各个加风点上的静力风荷载，形成具有不同导线地线张力的输电塔线的平衡状态。
步骤四：将步骤三中的不同导线地线张力的输电塔线的平衡状态视为不同的塔线结构，进行动力特性分析，计算塔线结构需求范围内的固有频率及振型；通过编程脚本自动提取有限元模型中关键节点的振型位移值并进行标准化处理。
步骤五：考虑垂线路方向和顺线路方向，提取一个塔顶中心点、两个地线支架挂线点、两个边导线挂线点这五个塔头节点的振型位移数据，通过编程脚本判断输电塔振型整体弯曲及扭转程度，形成数据集Bend和Tor。请参阅图6，图6是根据本申请实施例的输电塔线体系中输电塔振型整体弯曲及扭转判断方法的流程图。首先，定义a为X方向和Y方向上形变的比例，也即a＝|Top1x|/|Top1y|，用于判断弯曲变形程度。当满足a<0.1或者a>10，则将Bendi＝1，也即此时X方向和Y方向上的变形相差了一个数量级，视为存在单方向上的弯曲。当不满足a<0.1或者a>10，则将Bendi＝0，视为不存在单方向上的弯曲。定义b和c，b和c代表塔头节点的变形方向，b＝sign|Top2x|*sign|Top3x|，c＝sign|Top4x|*sign|Top5x|；当Top2x和Top3x变形方向不同时，b<0，视为存在扭转。当Top4x和Top5x变形方向不同时，c<0，视为存在扭转，则将Tori＝1；当不满足b<0并且c<0，则将Tori＝0。最终输出数据集Bend和Tor。Top1x、Top2x、Top3x、Top4x、Top5x分别代表五个塔头节点X方向的振型位移。Top1y代表第一个塔头节点在Y方向的振型位移。
步骤六：采用Q型聚类方法，通过编程脚本对塔线体系振型进行聚类分析，按照单塔的振型分为Nt+Na类。
步骤七：通过编程脚本随机抽取Ns阶振型的关键交叉斜材的振型位移值，将关键交叉斜材的变形状态归纳为in1，in2，out1，out2四类，作为振型聚类的检验数据，对步骤六中的聚类结果进行校核调整至满足分类需求。请参阅图7，图7是根据本申请实施例的交叉斜材的变形状态示意图。图7中1为in1状态；2为in2状态；3为out1状态；4为out2状态。
步骤八：计算并输出Nt+Na类振型的分布区间Zonei和主成分Frei频率值。
步骤九：重复步骤四至步骤八至完成每个风场工况的振型聚类分析，形成数据集Zone和Fre，输出分类数Nt、Nn、Ntl、Na和数据集Bend,Tor,Zone,Fre等关键变量。
上述实施例中包括输电塔有限元模型和导线地线有限元模型、可自动提取有限元模型中关键节点的振型位移值的编程脚本、可自动判断输电塔振型整体弯曲及扭转程度的编程脚本、可对塔线体系振型进行聚类分析的编程脚本、可对振型分类进行随机抽取校核的编程脚本。
上述实施例中输电塔有限元模型和导线地线有限元模型为此方案的主体结构，不限制数量和塔型；塔型包括但不限于干字塔、猫头塔、酒杯塔等类别的多杆件空间塔架。
上述实施例中导线地线有限元模型考虑重力作用下的变形；建立初始导线地线数值模型的方法包括但不限于抛物线形坐标定位法、悬链线形坐标定位法等。
上述实施例中输电塔有限元模型的杆件类型包括但不限于角钢构件、圆管构件和常见于原位加固方案中的T字形组合构件、Y字形组合构件、十字形组合构件、双L形组合构件等。
上述实施例中输电塔有限元模型在输电线路数值模型中的数量无限制，包括但不限于常见的单塔两跨线模型、三塔两跨线模型、三塔五跨线模型、五塔四跨线模型等。
上述实施例中导线地线有限元模型包括但不限于地线有限元模型和导线有限元模型；导线有限元模型包括但不限于常用的双分裂导线模型、四分裂导线模型、八分裂导线模型等。
上述实施例中输电塔有限元模型和导线地线有限元模型的连接方案，包括但不限于多点铰接连接件连接、绝缘子数值模型连接等。
上述实施例中通过编程脚本自动提取有限元模型中关键节点的振型位移值并进行标准化处理时，标准化处理是指以输电塔所有节点集内的最大振型位移值为基准，排除导线地线的大变形对输电塔振型相对变形值的影响。
上述实施例中通过编程脚本判断输电塔振型整体弯曲及扭转程度时，五个塔头节点是指一个输电塔中心最高点，两个同高度的地线支架挂线点以及两个同高度的边导线挂线点。
上述实施例中通过编程脚本判断输电塔振型整体弯曲及扭转程度时，整体弯曲判断方法为在一个方向上振型位移值显著大于另一方向时，认为此输电塔振型存在整体弯曲。
上述实施例中通过编程脚本判断输电塔振型整体弯曲及扭转程度时，整体扭转判断方法为当两个地线支架挂线点的振型位移值或两个边导线挂线点的振型位移值在顺线路方向上的分量的乘积小于零，及两点变形方向相反时，认为此输电塔振型存在整体扭转。
上述实施例中通过编程脚本对塔线体系振型进行聚类分析时，其中Nt类振型集合与单塔的Nt阶振型相对应，其中Na类振型集合为Nt阶振型之外的塔线体系特有的振型。
上述实施例中通过编程脚本将关键交叉斜材的变形状态归纳为in1，in2，out1，out2四类时，其中ini，outi分别是指交叉斜材振型位移是相对于塔身立面向内侧或外侧，其中i是指交叉斜材振型的杆件变形呈i阶弯曲。
请参阅图8，图8是根据本申请实施例的输电塔线体系振型聚类分析方法的流程图。输电塔线体系振型聚类分析方法包括：
步骤一：建立输电塔数值模型，对输电塔数值模型进行动力特性分析，提取目标频率范围内的Nt阶振型，提取m个节点振型位移，对m个节点振型位移进行R型聚类缩减节点数到n，确定缩减节点集Nn。
步骤二：建立导线地线数值模型，根据导线地线模型以及输电塔数值模型，得到整体输电线路数值模型。
步骤三：建立Nw个等效风场，生成对应整体输电线路书纸模型加风点风荷载。
步骤四：对塔线体系进行动力特性分析，提取目标频率范围内的Ntl阶振型，对得到的数据进行标准化处理。
步骤五：提取塔头的TOPj振型位移j＝1,2，...5，判断整体弯曲/扭转，形成变量集Bend，Tor。
步骤六：调提取节点Nodek的振型位移，k∈Nn，再进行Q型聚类，将Ntl个振型分类至Nt+Na个。
步骤七：判断分类的准确性，修正分类，确定各振型分类的分布频率区间Zoneni和主成分频率值Freni，最终输出：Nt、Nn、Ntl、Na、Zoneni、Freni、Bend以及Tor。
本申请实施例提供一种用于输电塔线体系振型聚类分析的方法，在建立输电塔线有限元模型的基础上，通过脚本程序自动提取模型中关键节点的振型位移值并进行计算处理，通过判断输电塔振型整体弯曲及扭转程度并对塔线体系振型进行聚类分析，输出各类振型的频率分布区间和主成分频率值，从动力特性角度分析耦联效应对塔线体系的影响。
需要说明的是，在上述流程中或者附图的流程图中示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本实施例还提供了一种输电塔体系振型聚类装置，该装置用于实现上述实施例及优选实施方式，已经进行过说明的不再赘述。如以下所使用的，术语“模块”、“单元”、“子单元”等可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。
图9是根据本申请实施例的输电塔体系振型聚类装置的结构框图，如图9所示，该装置包括：获取模块100、分析模块200、计算模块300以及聚类模块400。
获取模块100，用于获取输电塔体系模型、输电塔节点集合以及环境特征；
分析模块200，用于根据环境特征对输电塔体系模型进行动力特性分析，得到输电塔体系模型的振型参数；
计算模块300，用于在输电塔体系模型的振型参数中，获取对应输电塔节点集合中各节点的振型参数；
聚类模块400，用于对各节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类。
获取模块100，还用于获取实际输电线路的输电塔施工图以及导线地线参数；根据输电塔施工图，建立输电塔模型；根据导线地线参数，建立导线地线模型；根据输电塔模型以及导线地线模型，得到输电塔体系模型。
获取模块100，还用于根据输电塔施工图，确定塔线连接方式以及边界约束条件；根据塔线连接方式以及边界约束条件，对导线地线模型以及输电塔模型进行约束，得到输电塔体系模型。
获取模块100，还用于对输电塔模型中不考虑导线地线的输电塔模型，进行动力特性分析，得到相应单塔的振型参数；单塔的振型参数包括固有频率以及振型；在单塔的振型参数中提取m个节点的振型位移；对m个节点的振型位移进行R型聚类，缩减节点数量为n个，并得到n个节点的节点集合。
分析模块200，还用于将环境特征等效为输电塔体系模型中各个加风点上的静风力载荷，得到输电塔体系模型的平衡状态；根据输电塔体系模型中不同导线地线的张力，得到多个输电塔体系模型的平衡状态；对多个输电塔体系模型的平衡状态进行动力特性分析，得到多组输电塔体系模型的振型参数；输电塔体系模型的振型参数包括固有频率以及振型。
计算模块300，还用于根据输电塔体系模型的振型参数，确定输电塔体系模型中关键节点的振型参数，并进行归一化处理；在归一化处理后的输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取对应输电塔节点集合中各节点的振型参数。
计算模块300，还用于在输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取塔头节点的振型参数；根据塔头节点的振型参数，确定输电塔振型的弯曲数据集以及扭转数据集。
输电塔体系振型聚类装置还包括：校核模块。
校核模块，用于在输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取交叉斜材的振型参数；对交叉斜材的振型参数进行状态归纳，得到检验聚类数据；根据检验聚类数据对振型分类进行校核调整，直至满足预设条件。
计算模块300，还用于根据振型分类，确定振型的分布区间以及主成分频率值。
计算模块300，还用于对不同环境特征的输电塔体系模型进行聚类分析，得到不同环境特征下的输电塔体系模型对应的振型分类。
需要说明的是，上述各个模块可以是功能模块也可以是程序模块，既可以通过软件来实现，也可以通过硬件来实现。对于通过硬件来实现的模块而言，上述各个模块可以位于同一处理器中；或者上述各个模块还可以按照任意组合的形式分别位于不同的处理器中。
另外，结合图1描述的本申请实施例输电塔体系振型聚类方法可以由计算机设备来实现。图10为根据本申请实施例的计算机设备的硬件结构示意图。
计算机设备可以包括处理器91以及存储有计算机程序指令的存储器92。
具体地，上述处理器91可以包括中央处理器(CPU)，或者特定集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称为ASIC)，或者可以被配置成实施本申请实施例的一个或多个集成电路。
其中，存储器92可以包括用于数据或指令的大容量存储器。举例来说而非限制，存储器92可包括硬盘驱动器(Hard Disk Drive，简称为HDD)、软盘驱动器、固态驱动器(SolidState Drive，简称为SSD)、闪存、光盘、磁光盘、磁带或通用串行总线(Universal SerialBus，简称为USB)驱动器或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，存储器92可包括可移除或不可移除(或固定)的介质。在合适的情况下，存储器92可在数据处理装置的内部或外部。在特定实施例中，存储器92是非易失性(Non-Volatile)存储器。在特定实施例中，存储器92包括只读存储器(Read-Only Memory，简称为ROM)和随机存取存储器(RandomAccess Memory，简称为RAM)。在合适的情况下，该ROM可以是掩模编程的ROM、可编程ROM(Programmable Read-Only Memory，简称为PROM)、可擦除PROM(Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EPROM)、电可擦除PROM(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，简称为EEPROM)、电可改写ROM(Electrically Alterable Read-OnlyMemory，简称为EAROM)或闪存(FLASH)或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，该RAM可以是静态随机存取存储器(Static Random-Access Memory，简称为SRAM)或动态随机存取存储器(Dynamic Random Access Memory，简称为DRAM)，其中，DRAM可以是快速页模式动态随机存取存储器(Fast Page Mode Dynamic Random Access Memory，简称为FPMDRAM)、扩展数据输出动态随机存取存储器(Extended Date Out Dynamic RandomAccess Memory，简称为EDODRAM)、同步动态随机存取内存(Synchronous Dynamic Random-Access Memory，简称SDRAM)等。
存储器92可以用来存储或者缓存需要处理和/或通信使用的各种数据文件，以及处理器91所执行的可能的计算机程序指令。
处理器91通过读取并执行存储器92中存储的计算机程序指令，以实现上述实施例中的任意一种输电塔体系振型聚类方法。
在其中一些实施例中，计算机设备还可包括通信接口93和总线90。其中，如图9所示，处理器91、存储器92、通信接口93通过总线90连接并完成相互间的通信。
通信接口93用于实现本申请实施例中各模块、装置、单元和/或设备之间的通信。通信端口93还可以实现与其他部件例如：外接设备、图像/数据采集设备、数据库、外部存储以及图像/数据处理工作站等之间进行数据通信。
总线90包括硬件、软件或两者，将计算机设备的部件彼此耦接在一起。总线90包括但不限于以下至少之一：数据总线(Data Bus)、地址总线(Address Bus)、控制总线(Control Bus)、扩展总线(Expansion Bus)、局部总线(Local Bus)。举例来说而非限制，总线90可包括图形加速接口(Accelerated Graphics Port，简称为AGP)或其他图形总线、增强工业标准架构(Extended Industry Standard Architecture，简称为EISA)总线、前端总线(Front Side Bus，简称为FSB)、超传输(Hyper Transport，简称为HT)互连、工业标准架构(Industry Standard Architecture，简称为ISA)总线、无线带宽(InfiniBand)互连、低引脚数(Low Pin Count，简称为LPC)总线、存储器总线、微信道架构(Micro ChannelArchitecture，简称为MCA)总线、外围组件互连(Peripheral Component Interconnect，简称为PCI)总线、PCI-Express(PCI-X)总线、串行高级技术附件(Serial AdvancedTechnology Attachment，简称为SATA)总线、视频电子标准协会局部(Video ElectronicsStandards Association Local Bus，简称为VLB)总线或其他合适的总线或者两个或更多个以上这些的组合。在合适的情况下，总线90可包括一个或多个总线。尽管本申请实施例描述和示出了特定的总线，但本申请考虑任何合适的总线或互连。
该计算机设备可以基于获取到的计算机指令，执行本申请实施例中的输电塔体系振型聚类方法，从而实现结合图1描述的输电塔体系振型聚类方法。
另外，结合上述实施例中的输电塔体系振型聚类方法，本申请实施例可提供一种计算机可读存储介质来实现。该计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令；该计算机程序指令被处理器执行时实现上述实施例中的任意一种输电塔体系振型聚类方法。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (12)

1.一种输电塔体系振型聚类方法，其特征在于，包括：
获取输电塔体系模型、输电塔节点集合以及环境特征；
根据所述环境特征对所述输电塔体系模型进行动力特性分析，得到所述输电塔体系模型的振型参数；
在所述输电塔体系模型的振型参数中，获取对应所述输电塔节点集合中各节点的振型参数；
对所述各节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类；
获取输电塔节点集合包括：
对输电塔模型中不考虑导线地线的输电塔模型，进行动力特性分析，得到相应单塔的振型参数；所述单塔的振型参数包括固有频率以及振型；
在所述单塔的振型参数中提取m个节点的振型位移；
对所述m个节点的振型位移进行R型聚类，缩减节点数量为n个，并得到n个节点的节点集合。
2.根据权利要求1所述的输电塔体系振型聚类方法，其特征在于，所述获取输电塔体系模型包括：
获取实际输电线路的输电塔施工图以及导线地线参数；
根据所述输电塔施工图，建立输电塔模型；
根据所述导线地线参数，建立导线地线模型；
根据所述输电塔模型以及导线地线模型，得到所述输电塔体系模型。
3.根据权利要求2所述的输电塔体系振型聚类方法，其特征在于，所述根据所述输电塔模型以及导线地线模型，得到所述输电塔体系模型包括：
根据所述输电塔施工图，确定塔线连接方式以及边界约束条件；
根据所述塔线连接方式以及边界约束条件，对所述导线地线模型以及输电塔模型进行约束，得到所述输电塔体系模型。
4.根据权利要求1所述的输电塔体系振型聚类方法，其特征在于，所述根据所述环境特征对所述输电塔体系模型进行动力特性分析，得到所述输电塔体系模型的振型参数；所述环境特征包括地貌特征以及风场特性；
将所述环境特征等效为所述输电塔体系模型中各个加风点上的静风力载荷，得到所述输电塔体系模型的平衡状态；
根据所述输电塔体系模型中不同导线地线的张力，得到多个所述输电塔体系模型的平衡状态；
对多个所述输电塔体系模型的平衡状态进行动力特性分析，得到多组输电塔体系模型的振型参数；所述输电塔体系模型的振型参数包括固有频率以及振型。
5.根据权利要求1所述的输电塔体系振型聚类方法，其特征在于，所述在所述输电塔体系模型的振型参数中，获取对应所述输电塔节点集合中各节点的振型参数包括：
根据输电塔体系模型的振型参数，确定所述输电塔体系模型中关键节点的振型参数，并进行归一化处理；
在归一化处理后的所述输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取对应所述输电塔节点集合中各节点的振型参数。
6.根据权利要求1所述的输电塔体系振型聚类方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取塔头节点的振型参数；
根据所述塔头节点的振型参数，确定输电塔振型的弯曲数据集以及扭转数据集。
7.根据权利要求1所述的输电塔体系振型聚类方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述输电塔体系模型的关键节点的振型参数中，获取交叉斜材的振型参数；
对所述交叉斜材的振型参数进行状态归纳，得到检验聚类数据；
根据所述检验聚类数据对所述振型分类进行校核调整，直至满足预设条件。
8.根据权利要求1所述的输电塔体系振型聚类方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据所述振型分类，确定振型的分布区间以及主成分频率值。
9.根据权利要求1所述的输电塔体系振型聚类方法，其特征在于，所述方法还包括：
对不同所述环境特征的所述输电塔体系模型进行聚类分析，得到不同环境特征下的所述输电塔体系模型对应的振型分类。
10.一种输电塔体系振型聚类装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取输电塔体系模型、输电塔节点集合以及环境特征；
分析模块，用于根据所述环境特征对所述输电塔体系模型进行动力特性分析，得到所述输电塔体系模型的振型参数；
计算模块，用于在所述输电塔体系模型的振型参数中，获取对应所述输电塔节点集合中各节点的振型参数；
聚类模块，用于对所述各节点的振型参数进行Q型聚类，得到振型分类；
获取模块，还用于对输电塔模型中不考虑导线地线的输电塔模型，进行动力特性分析，得到相应单塔的振型参数；单塔的振型参数包括固有频率以及振型；在单塔的振型参数中提取m个节点的振型位移；对m个节点的振型位移进行R型聚类，缩减节点数量为n个，并得到n个节点的节点集合。
11.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至9中任一项所述的输电塔体系振型聚类方法。
12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1至9中任一项所述的输电塔体系振型聚类方法。
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