輸電線路帶電跨越施工方案輔助決策系統(tǒng)的研發(fā)

陳 亦，李曉斌，林光龍，葉華為，周 方，馬 池

（1.廣東電網(wǎng)有限公司江門供電局，廣東 江門 529000；2.廣東省輸變電工程有限公司，廣東 江門 529000）

0 引 言

目前，對于跨越施工方案的決策主要依靠相關(guān)規(guī)程文件、專家建議和現(xiàn)場施工人員經(jīng)驗[1-5]。這種決策方法雖然能在一定程度上保證輸電線路的安全施工，但缺乏理論依據(jù)，具有主觀性，造成施工安全冗余或不足，甚至出現(xiàn)斷線事故，造成人員傷亡[3-5]。

當(dāng)前，國內(nèi)外已經(jīng)提出了一些針對架空輸電線路跨越施工方案選取的決策模型，但它們都是以輸電線路帶電跨越施工中經(jīng)濟性或安全性為主要指標來考慮，還未開發(fā)出一種能夠?qū)ｉT針對輸電線路跨越施工方案輔助決策的軟件系統(tǒng)。文獻[6]在研究施工方案選取時，提出了決策模型的概念，解決了跨越施工方案的決策選取；文獻[7]在研究施工方案的選取時，最早提出了使用計算機輔助決策系統(tǒng)的思想，實現(xiàn)了施工方案的定性優(yōu)化抉擇。后續(xù)研究中，文獻[8-9]將模糊綜合評價法運用于跨越施工方案的輔助決策，驗證了該輔助決策方法的可靠性；文獻[10]在基于層次分析法和模糊數(shù)學(xué)評價法上，對跨越施工方案進行定量抉擇。上述文獻中由于都是采用專家指派法確定權(quán)重，很大程度上取決于他們的主觀經(jīng)驗，導(dǎo)致跨越施工方案的選取不夠精確。

針對現(xiàn)有的輸電線路跨越施工方案輔助決策系統(tǒng)受影響因素權(quán)重值的制約無法準確決策出最優(yōu)跨越施工方案的情況，本文采用熵權(quán)法解決權(quán)重值的不準確性，構(gòu)建了基于熵權(quán)法的模糊綜合評價模型，開發(fā)了輸電線路跨越施工方案的輔助決策系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了跨越施工方案的輔助決策。

1 輔助決策系統(tǒng)技術(shù)路線及算法模型

1.1 輔助決策系統(tǒng)技術(shù)路線

跨越施工方案輔助決策系統(tǒng)的主要功能是協(xié)助現(xiàn)場施工人員，根據(jù)輸電線路施工現(xiàn)場的12個影響因素，對施工方案作出抉擇，從而對跨越施工方案起到輔助決策的作用。輔助決策系統(tǒng)的技術(shù)路線圖，如圖1所示。

1.2 輔助決策系統(tǒng)算法模型

1.2.1 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是將影響事物的多個因素根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的隸屬度理論由定性評價轉(zhuǎn)變?yōu)槎吭u價，從而對該事物做出綜合評價[8]。具體求解過程為：先選取合適的評價指標組成指標集，設(shè)定指標集各項指標的評價等級，利用決策評語組成評價集，再分別求解各指標對各評價等級的隸屬度函數(shù)，最后使用各指標的相應(yīng)權(quán)重值通過合成隸屬度函數(shù)求出各指標的定量解[8-9]。

圖1 技術(shù)路線圖

假定 1。設(shè) X={x1,x2,…,xn}，Y={y1,y2,…,ym}，給定的模糊映射為：

式中，i=1，2，…，n。以 (ri1,ri2,…,rim)(i=1~n)為行向量建立一個模糊矩陣：

式中，ri1為第i個指標對第j評價等級vj的隸屬度。

由式（2）可確定唯一的模糊關(guān)系，即：

設(shè) X={x1,x2,…,xn}，Y={y1,y2,…,ym}，給定的模糊關(guān)系矩陣為：

式中，B={b1,b2,…,bn}，其中的元素為 bj=(ai∧rij)。此時，稱T是由模糊關(guān)系R誘導(dǎo)出來的。

設(shè)定U={u1,u2,…,un}為指標集，V={v1,v2,…,vm}為評價集。由于各指標的作用、地位等不同，因此綜合評價是V上的一個模糊集，即：

式中，bj=( j=1~m)反映了第j種評價vj對模糊集B的隸屬度。綜合評價B依賴于各指標的權(quán)重，應(yīng)該是U上的模糊子集A={a1,a2,…,an}∈ ζ(U)，且=1，其中ai表示第i個指標的權(quán)重[9]。

由上述兩個假定，建立一個從U到V的模糊線性變換，即：

1.2.2 熵權(quán)法

按照信息論的基本原理解釋，熵是系統(tǒng)無序程序的一個量度，可以確定多指標綜合評價問題中各指標的權(quán)系數(shù)。在所有決策者對n個指標進行多目標決策后得到的模糊綜合評價矩陣中，第i個指標的熵定義為[11]：

在評價問題中，第i個指標的熵權(quán)為：

熵權(quán)模型可以表示出各評價指標的客觀權(quán)重，且該模型依賴客觀數(shù)據(jù)，理論基礎(chǔ)性強。

1.2.3 基于熵權(quán)法的模糊綜合評價法

由式（11）得到指標集的各項指標的權(quán)重A=(a1,a2,…,an)，代入式（12）：

可得模糊綜合評價，式中“ο”為合成算子。

為確保各項指標在計算過程中均起作用，選用模型M（∧∨）（max-min合成運算）中的加權(quán)平均模型M（●，＋）對所有指標依權(quán)重大小均衡兼顧[12]。定義：

2 輔助決策系統(tǒng)設(shè)計

采用MATLAB GUI命令創(chuàng)建跨越施工方案的輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)共分為三大部分：系統(tǒng)主窗口、數(shù)據(jù)庫窗口和歷史信息窗口。

2.1 系統(tǒng)主窗口設(shè)計

系統(tǒng)主窗口共包括三個模塊，即信息輸入模塊、決策結(jié)果輸出模塊和施工方式示意圖模塊。

2.1.1 信息輸入模塊

模糊綜合評價指標體系的搭建是進行綜合評價的第一步。評價指標將直接影響評價方案的準確性，因此指標選取應(yīng)結(jié)合該系統(tǒng)相關(guān)的行業(yè)標準及國標。本文根據(jù)輸電線路跨越施工的要求和特點，將影響因素劃分為安全性、經(jīng)濟性和技術(shù)性三個方面[2,6,8]，然后對各個方面進行細化，如圖2所示。

由圖2建立跨越施工方案的指標集即U={u1,u2,…,u12}，再對指標集中的各項指標按施工現(xiàn)場實測物理量按等級評價組成評價集V=(v1,v2,v3,v4,v5)。由于指標過多，下面以保護范圍為例進行說明，如表1所示。

創(chuàng)建完成后的信息輸入模塊如圖3所示。

2.1.2 決策結(jié)果輸出模塊

根據(jù)圖2的指標集和表1的評價集，咨詢跨越施工行業(yè)的專家和有豐富施工經(jīng)驗的施工人員，得到各項指標對輸電線路跨越施工方案輔助決策的影響得分，進而可以得到各項指標的模糊映射。將所有指標的模糊映射匯總，即可得到模糊綜合評價矩陣R：

圖2 跨越施工方案評價指標

表1 指標評價等級細則

使用熵權(quán)法，依照式（10）和式（11）得到最優(yōu)權(quán)重向量A={a1,a2,…,a12}；選擇合適的合成算子“ο”，結(jié)合式（12），即可進行模糊綜合評價，進而依照最大隸屬度原則得到最優(yōu)的跨越施工方案[14]。決策結(jié)果輸出模塊見圖3。

2.1.3 施工方案示意圖模塊

根據(jù)相關(guān)國標和行業(yè)標準，結(jié)合相關(guān)文獻，本文將輸電線路跨越施工方案分為“雙柱并聯(lián)跨越架”“提升式帶電跨越架”“張力不停電跨越架”“索道跨越”和“封網(wǎng)跨越”五大類。該模塊與決策結(jié)果輸出模塊保持一致[1-5]，施工方案示意圖模塊如圖3所示。

2.2 數(shù)據(jù)庫窗口設(shè)計

采用MATLAB GUI的自帶程序建立指標評價等級細則。系統(tǒng)要求建立高智能化的數(shù)據(jù)庫引擎，快速、方便、準確地調(diào)用、擴充數(shù)據(jù)庫資料。它的核心作用是將施工現(xiàn)場實測量與評價得分聯(lián)系起來，現(xiàn)場施工人員只需要將實測數(shù)據(jù)填入信息輸入模塊的相應(yīng)位置，而不用再去查找評分細則表，極大地節(jié)省了人力和物力。它包含了輸電線路跨越施工方案輔助決策的12個指標的評價得分細則，如圖4所示。

2.3 歷史信息窗口設(shè)計

該系統(tǒng)可以儲存近期的施工方案決策記錄。歷史信息窗口可直接調(diào)用和瀏覽之前的決策記錄，為大工作量的決策作業(yè)提供便利。

圖3 系統(tǒng)主窗口

圖4 數(shù)據(jù)庫窗口

3 工程實例分析

3.1 500 kV線路跨越110 kV線路

由500 kV新建柳桂線280#～281#跨越110 kV大日線15#～16#項目的施工資料，可以提取并獲得如下信息[15]：新建線路的電壓等級為500 kV，被跨越線路的電壓等級為110 kV；跨越線路兩側(cè)鐵塔不等高，280#塔型為耐張塔，全高為63.2 m，281#塔型為直線塔，全高為78.5 m，相差高度約為15 m；交叉跨越點與281#鐵塔的直線距離約為50 m；跨越線路與被跨越線路之間約有16 m的距離，被跨越線路的導(dǎo)、地線與地面間的垂直距離分別15.2 m和20.6 m；施工跨越架采用安裝地錨并使用專用拉線繩的方式，架體整體高度36 m，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；跨越交叉角90°；地形地貌條件良好，施工對場地破壞較小，恢復(fù)較簡便；施工工器具性能良好，交通較為便利，施工人員的施工經(jīng)驗較豐富。輔助決策系統(tǒng)輸出的結(jié)果為“提升式帶電跨越架”，如圖5所示，結(jié)果與此項目的施工方案可行性研究報告和實際施工所采用的鋁合金提升式跨越架一致。

3.2 220 kV線路跨越220 kV線路

由220 kV新建東桂線270#～271#跨越220 kV茅海甲乙線18#～20#項目的施工資料，可以提取并獲得以下信息：新建線路檔距為659 m，新建線路電壓等級為220 kV，被跨越線路電壓等級為220 kV；270#塔高34 m，271#塔高24 m，兩塔處地形高差為34 m；交叉跨越點與270#鐵塔的直線距離為273 m，跨越線路與被跨越線路之間約有11 m的距離；兩線路之間交叉跨越角為66.6°；施工方案采用半檔封網(wǎng)跨越，跨越架體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；施工地形條件較差，有一定坡度，施工對現(xiàn)場破壞較大，恢復(fù)較困難；施工工器具性能良好，交通不太便利，施工人員長期從事輸電網(wǎng)架線工作，經(jīng)驗很豐富。輔助決策系統(tǒng)輸出的結(jié)果為“封網(wǎng)跨越”，如圖6所示。

圖5 500 kV線路跨越110 kV線路

圖6 220 kV線路跨越220 kV線路

4 結(jié) 論

（1）輸電線路帶電跨越施工方案的決策由于影響因素和技術(shù)方案種類眾多，技術(shù)評價標準不夠完善，造成了施工人員無法準確得到最優(yōu)的跨越施工方案。為此，研發(fā)了基于熵權(quán)法的跨越施工方案輔助決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)對實際施工中的影響因素根據(jù)數(shù)據(jù)庫轉(zhuǎn)換為定量計算，通過熵權(quán)法和模糊數(shù)學(xué)綜合評價計算出綜合評判結(jié)果，從而輔助決策出最優(yōu)的跨越施工方案。

（2）以500 kV柳桂線跨越110 kV大日線和220 kV東桂線跨越220 kV茅海甲乙線兩個實際工程的施工方案輔助決策為例，采用輸電線路跨越施工方案輔助決策系統(tǒng)得到的跨越施工方案與實際一致，證實了該系統(tǒng)的工程實用性，具有一定的實際工程應(yīng)用前景。