CN117473756A - 一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法，包括如下步骤：步骤1：确定风电场内电缆集电线路连接方式；步骤2：电缆路径避障以及地形寻优；利用A*算法搜索加权最短路径；步骤3：电缆参数化建模：电缆设备三维建模平台，整个三维建模平台分为电缆敷设通道、附件及金具、电缆本体及其他三个建模模块；步骤4：电缆工程量统计。本方法充分考虑地形条件、地物条件，将数字高程、地物分布与新能源电缆敷设选线相结合，实现全面的地形分析和路径规划；同时充分利用现有设计经验，把设计经验算法化、数字化，解决传统设计方法设计质量严重依赖人工经验设计余量不一的问题。

Description

一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法

技术领域

本发明涉及电缆铺设技术领域，具体涉及一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法。

背景技术

新能源场站内集电线路积累了大量项目经验，现阶段集电线路电缆敷设选线、工程量统计工作主要还是依赖于设计人员经验，这种方式相比较于计算机自动设计存在效率低，设计精度无法保障，同时多年来设计方法和设计工具没有明显改进，导致工作效率和成果质量无法得到明显提升。而在整个工程设计领域，传统设计方法的智能化、信息化、数字化升级早已进入全面铺开，以辅助提升设计效率和质量。

其次，新能源设计领域对可持续性和环境影响的要求越来越高，需要综合考虑能源效率、环境保护、资源利用等方面的因素。因此，如何利用大数据、数字孪生、地理信息等技术，对新能源电缆设计进行全面的评估和优化，以实现电缆的标准化快速设计，是一个具有挑战性的任务。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法，该方法基于数字高程以及地物信息，实现新能源场站内集电线路电缆敷设自动选线以及三维建模，自动完成电缆工程量统计，有效提高新能源工程设计中集电线路电缆的效率和准确性。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定风电场内电缆集电线路连接方式；

以升压站为中心，以需要接入升压站的风机分布范围为扇形或者圆形进行扇区内离散趋势程度和容量限制为指标进行风机扇形分组；

在单个扇形分组内采用Dijkstra算法进行组内电缆线路连接方式确定，Dijkstra算法采用的是一种贪心的策略，声明一个数组dis来保存原点到各个顶点的最短距离和一个保存已经找到了最短路径的顶点的集合：T＝{}，初始时，原点s的路径权重被赋为0,dis[s]＝0；若对于顶点s存在能直接到达的边(s,m)，则把dis[m]设为w(s,m),同时把其他所有s不能直接到达的顶点的路径长度设为无穷大；初始时，集合T只有顶点s；

然后，从dis数组选择最小值，则该值就是原点s到该值对应的顶点的最短路径，并且把该点加入到T中，此时完成一个顶点；

然后，需要看看新加入的顶点是否可以到达其他顶点并且看看通过该顶点到达其他点的路径长度是否比源点直接到达短，如果是，那么就替换这些顶点在dis中的值；然后，又从dis中找出最小值，重复上述动作，直到T中包含了图的所有顶点；

步骤2：电缆路径避障以及地形寻优；

在风电场区域划分成有限个矩形方格区域，生成有限个网格区域，每一个网格区域根据地物、地物赋予经过成本；

利用A*算法搜索加权最短路径；

步骤3：电缆参数化建模：

电缆设备三维建模平台，整个三维建模平台分为电缆敷设通道、附件及金具、电缆本体及其他三个建模模块；不同的电缆设备按照一定的规则，利用参数化、图形化、参数化和图形化相结合的方法，对各类电缆设备构建三维模型，输出标准化成果，最终建设成完整的电缆设备模型库；

步骤4：电缆工程量统计：

提取电缆型号、长度以及其它附属设施进行工程量汇总统计。

进一步的，所述步骤2中A*算法原理如下：

从图的特定起始节点开始，A*旨在找到从起始节点到目标节点见具有最小代价的路径；A*算法维护源自起始节点的路径树，并且一次一个地延伸这些路径直到满足其终止标准；

在A*算法主循环的每次迭代中，需要确定对哪条路径进行扩展，A*算法根据路径的成本和评估点到目标点的的成本的估计来选择，具体来说，A*算法选择待评估集合中能使下式最小的点作为扩展路径的点：

f(n)＝g(n)+h(n)；

其中n是路径上的下一个点，g(n)是从起始点到节点n的路径代价，h(n)是一个启发式函数，它是节点n到目标点的估算代价；

A*的典型实现使用优先级队列来重复选择的最小成本(即f(n))节点以进行扩展；此优先级队列称为open set或fringe；在算法的每个步骤中，从队列中移除具有最低f(n)值的节点，相应地更新其邻居的f和g值，并且将这些邻居添加到队列中；

循环执行以上步骤，直到目标点被扩展或者队列为空；目标点的f值是即为最短路径的成本，因为目标处的h值为零；

为了找到最短路径的节点序列，可以使路径上的每个节点指向其前趋；运行此算法后，结束节点将指向其前趋，依此类推，直到某个节点的前趋为起始节点。

进一步的，所述步骤3中电缆设备三维建模平台由7个主要部分组成，分别为标准规范体系、安全保证体系、数据采集层、数据存储层、数据服务层、应用业务层、用户展示层；

标准规范体系保证平台的建设是在行业标准规范基础上进行相关应用的设计和开发；

安全保证体系采用统一的用户登录认证管理、角色权限管理、数据库备份管理；

数据采集层用于电缆设备相关的属性数据的采集和管理以及大量设施设备三维模型及其他格式三维模型的收集和管理；

数据存储层包括文件型数据库和应用业务数据库两个组成部分；文件型数据库主要是用于三维模型数据、CAD设计图；应用业务数据库存储与电缆设备相关的三维模型参数、属性数据。

GIS平台层用于将存储的各类数据进行发布；其中地理空间数据采用EV-Server进行数据发布；文件型数据中的三维模型数据采用IIS进行数据发布；应用业务数据采用三维插件进行数据的交互；

应用业务层用于整合地理空间数据、三维模型数据和业务数据，根据用户需求，开发相关的应用；

用户展示层用于系统管理员通过平台进行管理，应用业务人员通过平台进行电缆设备的三维建模设计操作。

本发明的有益效果在于：

1、本方法充分考虑地形条件、地物条件，将数字高程、地物分布与新能源电缆敷设选线相结合，实现全面的地形分析和路径规划；同时充分利用现有设计经验，把设计经验算法化、数字化，解决传统设计方法设计质量严重依赖人工经验设计余量不一的问题。

2、本方法带来了多方面的有益效果，包括经济、社会和技术方面的；

①经济效益：

节约成本：节约成本：兼顾设计质量和效率，在以往设计工程中通常依靠设计师经验来完成电缆选线与敷设，因为设计质量因人而异，通过基于复杂地形电缆铺设优化设计方法根据设计经验形成自动化算法避免了因设计人员经验不同而设计成果质量不同的问题为设计方案成果提供了一个基本成果保障，提高了设计质量；通过基于复杂地形电缆铺设优化设计方法自动推荐电缆路径，生成三维模型成果，自动统计工程量大大提高了风电场内电缆设计效率。

②社会效益：

传统的基于二维平面设计手段在风电电缆设计中驰骋了数十年，目前已不能满足“精细化”设计的要求。基于复杂地形电缆铺设优化设计方法基于三维GIS技术由此进入到传统的风电场工程设计中来。对比传统设计手段，使工程方案更加准确、成果表达更加直观，极大的促进了三维数字化、自动化设计手段在风电场领域的运用，推动了风电场建设的发展。

③技术效益：

该方法融合了GIS系统理论、三维参数化建模、数学图论等技术完成了风电场内电缆的选线与敷设。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电缆设备三维建模技术的流程示意图；

图2为本发明电缆设备三维建模技术的架构图；

图3为敏感要素分布图；

图4为确定连接方式应用示意图；

图5为A*算法避让敏感区域示意图；

图6为电缆通道参数化建模示意图；

图7为通道参数化建模示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法，包括如下步骤：

步骤1：确定风电场内电缆集电线路连接方式；

以升压站为中心，以需要接入升压站的风机分布范围为扇形或者圆形进行扇区内离散趋势程度和容量限制为指标进行风机扇形分组。

分组的目的：(1)实现线路容量限制；(2)避免不同分组电缆路径出现交叉。

在单个扇形分组内采用Dijkstra算法进行组内电缆线路连接方式确定，Dijkstra算法采用的是一种贪心的策略，声明一个数组dis来保存原点到各个顶点的最短距离和一个保存已经找到了最短路径的顶点的集合：T＝{}，初始时，原点s的路径权重被赋为0(dis[s]＝0)。若对于顶点s存在能直接到达的边(s,m)，则把dis[m]设为w(s,m),同时把其他所有s不能直接到达的顶点的路径长度设为无穷大。初始时，集合T只有顶点s。

然后，从dis数组选择最小值，则该值就是原点s到该值对应的顶点的最短路径，并且把该点加入到T中，此时完成一个顶点。

然后，我们需要看看新加入的顶点是否可以到达其他顶点并且看看通过该顶点到达其他点的路径长度是否比源点直接到达短，如果是，那么就替换这些顶点在dis中的值。然后，又从dis中找出最小值，重复上述动作，直到T中包含了图的所有顶点。

步骤2：电缆路径避障以及地形寻优；

在风电场区域划分成有限个矩形方格区域，生成有限个网格区域，每一个网格区域根据地物(需要避让的区域成本设置为无限大)、地物赋予经过成本；

利用A*算法搜索加权最短路径。

A*算法解决加权图的最短路径问题，在线路选线的过程中起到了避让敏感要素(村庄)和路径成本加权最短作用。

A*算法原理：

从图的特定起始节点开始，A*旨在找到从起始节点到目标节点见具有最小代价的路径(最少行驶距离、最短时间等)。A*算法维护源自起始节点的路径树，并且一次一个地延伸这些路径直到满足其终止标准。

在A*算法主循环的每次迭代中，需要确定对哪条路径进行扩展，A*算法根据路径的成本和评估点到目标点的的成本的估计来选择，具体来说，A*算法选择待评估集合中能使下式最小的点作为扩展路径的点：f(n)＝g(n)+h(n)；

其中n是路径上的下一个点，g(n)是从起始点到节点n的路径代价，h(n)是一个启发式函数，它是节点n到目标点的估算代价。

A*的典型实现使用优先级队列来重复选择的最小成本(即f(n))节点以进行扩展。此优先级队列称为open set或fringe。在算法的每个步骤中，从队列中移除具有最低f(n)值的节点，相应地更新其邻居的f和g值，并且将这些邻居添加到队列中。循环执行以上步骤，直到目标点被扩展，或者队列为空。目标点的f值是即为最短路径的成本，因为目标处的h值为零。

为了找到最短路径的节点序列，可以使路径上的每个节点指向其前趋。运行此算法后，结束节点将指向其前趋，依此类推，直到某个节点的前趋为起始节点。

步骤3：电缆参数化建模；

电缆设备三维建模平台，整个三维建模平台分为电缆敷设通道、附件及金具、电缆本体及其他三个建模模块。主要涉及到直埋、排管、电缆沟、电缆隧道、桥梁(桥架)、电缆工作井、附件及金具、电缆本体及其他等电缆设备。不同的电缆设备按照一定的规则，利用参数化、图形化、参数化和图形化相结合的方法，对各类电缆设备构建三维模型，输出标准化成果，最终建设成完整的电缆设备模型库。

在常规的三维场景中，三维模型实体都是通过美工人员通过建模软件人工构建，然后加载到三维场景中渲染。电缆敷设通道有着结构复杂，数据量大，变化频繁的特点。如果采用传统人工建模的方式构建三维模型，开发维护的时间和成本难以估量，而且无法做到准确无误。因此在本项目中，设计实现了基于组件模型的三维参数化自动建模技术，解决了工程数据三维化的时间、成本、效率、准确性问题以及后期数据的维护更新问题。

目前，三维虚拟地理环境重构的主要方法是将三维设计成果作为虚拟模型库导入三维GIS统，实现三维模型与地形、地貌无缝集成。这种方式可逼真表示几何物体的精细结构和材质特征，但此类模型构建耗时、费力、效率低，缺乏灵活性和可复用性，并且只能表现模型的几何特性，难以实现模型的动态更新和语义增强。而在工程项目建设的施工管理阶段和项目完成后的养护维护过程中，各种设施的结构都可能随着项目的进展而发生变化，要求三维模型具有易于修改的“柔性”，相应地，三维GIS数据库要具有同步动态更新等能力，而这种能力在复杂工程设施的交互式设计过程中尤为重要，复杂工程设施的三维参数化建模方法，通过语义建模实现工程设施设计信息在设施信息模型中的表达、存储、修改和应用，扩展了三GIS数据模型，同步记录工程设施的三维几何模型和相应的参数，并能联动更新，以实现模型的最优化。

在三维参数化模型中，简单地物往往只需要对单个模型依算法进行图元的构建，不涉及复杂的特征操作；复杂地物属于组件式模型，此类模型参数繁多，需经过一系列的特征操作才能实现模型的构建。电缆敷设通道的设计实现三维参数化模型与三维几何模型之间有机集成的方法。

构建基于GIS电缆设备三维建模设计平台，并且无缝集成三维GIS平台，为三维虚拟地理环境构建城市电缆工程提供数据支持。通过梳理电缆设备三维建模平台的技术方案，根据三维建模需求，结合数字化设计技术、参数化设计技术，提出了综合三维GIS平台的电缆设备三维建模技术架构，如图2所示。

技术方案主要有7个主要部分组成，主要包括标准规范体系、安全保证体系、数据采集层、数据存储层、数据服务层、应用业务层、用户展示层。

(1)标准规范体系

平台的建设是在行业标准规范基础上进行相关应用的设计和开发。

(2)安全保证体系

平台采用统一的用户登录认证管理、角色权限管理、数据库备份管理等，确保系统和数据的安全稳定运行。

(3)数据采集层

数据采集层主要包括电缆设备相关的属性数据的采集和管理以及大量设施设备三维模型及其他格式三维模型的收集和管理。

(4)数据存储层

数据存储层主要包括文件型数据库和应用业务数据库两个组成部分。文件型数据库主要是用于三维模型数据、CAD设计图等；应用业务数据主要包括与电缆设备相关的三维模型参数、属性数据等。

(5)GIS平台层

GIS平台层主要是将存储的各类数据进行发布。其中地理空间数据采用EV-Server进行数据发布；文件型数据中的三维模型数据采用IIS进行数据发布；应用业务数据采用三维插件进行数据的交互。

(6)应用业务层

应用业务层主要是整合地理空间数据、三维模型数据和业务数据，根据用户需求，开发相关的应用。

(7)用户展示层

用户展示层主要包括系统管理员通过平台进行管理，应用业务人员通过平台进行电缆设备的三维建模设计等操作。

步骤4：电缆工程量统计；

提取电缆型号、长度以及其它附属设施进行工程量汇总统计。

电缆设备三维建模平台运行硬件软件环境：

(1)系统环境：客户端：Window7及以上，服务端：Centos7.9或Window Server2012；

(2)中间件tomcat8.5以上；

(3)数据库Postgresql 12以上；

(4)EV-Server7。

2、客户端配置要求：

(1)主板:主流主板；

(2)CPU 4核主频2.5GHz以上；

(3)内存:16G；

(4)显示卡独立显卡、显存2G；

(5)硬盘:300G以上；

(6)网卡:1000M及以上.

3、参数输入：

敏感点要素、数字高程(DEM)、单风机容量、单回路容量限制、双回路容量限制。

4、数据输出：

电缆路径、电缆三维模型、电缆工程量统计。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (3)

1.一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：确定风电场内电缆集电线路连接方式；

以升压站为中心，以需要接入升压站的风机分布范围为扇形或者圆形进行扇区内离散趋势程度和容量限制为指标进行风机扇形分组；

在单个扇形分组内采用Dijkstra算法进行组内电缆线路连接方式确定，Dijkstra算法采用的是一种贪心的策略，声明一个数组dis来保存原点到各个顶点的最短距离和一个保存已经找到了最短路径的顶点的集合：T＝{}，初始时，原点s的路径权重被赋为0，dis[s]＝0；若对于顶点s存在能直接到达的边(s,m)，则把dis[m]设为w(s,m),同时把其他所有s不能直接到达的顶点的路径长度设为无穷大；初始时，集合T只有顶点s；

然后，从dis数组选择最小值，则该值就是原点s到该值对应的顶点的最短路径，并且把该点加入到T中，此时完成一个顶点；

然后，需要看看新加入的顶点是否可以到达其他顶点并且看看通过该顶点到达其他点的路径长度是否比源点直接到达短，如果是，那么就替换这些顶点在dis中的值；然后，又从dis中找出最小值，重复上述动作，直到T中包含了图的所有顶点；

步骤2：电缆路径避障以及地形寻优；

在风电场区域划分成有限个矩形方格区域，生成有限个网格区域，每一个网格区域根据地物、地物赋予经过成本；

利用A*算法搜索加权最短路径；

步骤3：电缆参数化建模：

电缆设备三维建模平台，整个三维建模平台分为电缆敷设通道、附件及金具、电缆本体及其他三个建模模块；不同的电缆设备按照一定的规则，利用参数化、图形化、参数化和图形化相结合的方法，对各类电缆设备构建三维模型，输出标准化成果，最终建设成完整的电缆设备模型库；

步骤4：电缆工程量统计：

提取电缆型号、长度以及其它附属设施进行工程量汇总统计。

2.根据权利要求1所述一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法，其特征在于，所述步骤2中A*算法原理如下：

从图的特定起始节点开始，A*旨在找到从起始节点到目标节点见具有最小代价的路径；A*算法维护源自起始节点的路径树，并且一次一个地延伸这些路径直到满足其终止标准；

在A*算法主循环的每次迭代中，需要确定对哪条路径进行扩展，A*算法根据路径的成本和评估点到目标点的的成本的估计来选择，具体来说，A*算法选择待评估集合中能使下式最小的点作为扩展路径的点：

f(n)＝g(n)+h(n)；

其中n是路径上的下一个点，g(n)是从起始点到节点n的路径代价，h(n)是一个启发式函数，它是节点n到目标点的估算代价；

A*的典型实现使用优先级队列来重复选择的最小成本(即f(n))节点以进行扩展；此优先级队列称为open set或fringe；在算法的每个步骤中，从队列中移除具有最低f(n)值的节点，相应地更新其邻居的f和g值，并且将这些邻居添加到队列中；

循环执行以上步骤，直到目标点被扩展或者队列为空；目标点的f值是即为最短路径的成本，因为目标处的h值为零；

为了找到最短路径的节点序列，可以使路径上的每个节点指向其前趋；运行此算法后，结束节点将指向其前趋，依此类推，直到某个节点的前趋为起始节点。

3.根据权利要求1或2所述一种基于复杂地形电缆铺设优化设计方法，其特征在于，所述步骤3中电缆设备三维建模平台由7个主要部分组成，分别为标准规范体系、安全保证体系、数据采集层、数据存储层、数据服务层、应用业务层、用户展示层；

标准规范体系保证平台的建设是在行业标准规范基础上进行相关应用的设计和开发；

安全保证体系采用统一的用户登录认证管理、角色权限管理、数据库备份管理；

数据采集层用于电缆设备相关的属性数据的采集和管理以及大量设施设备三维模型及其他格式三维模型的收集和管理；

数据存储层包括文件型数据库和应用业务数据库两个组成部分；文件型数据库主要是用于三维模型数据、CAD设计图；应用业务数据库存储与电缆设备相关的三维模型参数、属性数据。

GIS平台层用于将存储的各类数据进行发布；其中地理空间数据采用EV-Server进行数据发布；文件型数据中的三维模型数据采用IIS进行数据发布；应用业务数据采用三维插件进行数据的交互；

应用业务层用于整合地理空间数据、三维模型数据和业务数据，根据用户需求，开发相关的应用；

用户展示层用于系统管理员通过平台进行管理，应用业务人员通过平台进行电缆设备的三维建模设计操作。