基于GIS的輸電線路路徑智能優(yōu)選研究

于 躍，王彥峰，許 亮，瞿海旺

（1. 廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510075；2. 北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京100120）

基于GIS的輸電線路路徑智能優(yōu)選研究

于 躍1，王彥峰1，許 亮1，瞿海旺2

（1. 廣東電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣東 廣州 510075；2. 北京洛斯達(dá)科技發(fā)展有限公司，北京100120）

在研究輸電線路選線原則的基礎(chǔ)上，以電力走廊多源空間信息為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以成本最優(yōu)和敏感區(qū)避讓為基本原則，利用GIS空間建模的方法，在地理空間位置上綜合分析得出線路路徑，實(shí)現(xiàn)了輸電線路的智能優(yōu)選，為輸電線路選線提供了科學(xué)的依據(jù)，為輸電線路設(shè)計(jì)人員提供了路徑參考。

GIS；線路選線；空間建模；智能優(yōu)選；路徑參考

傳統(tǒng)的以方案比較為基礎(chǔ)的電網(wǎng)規(guī)劃方法一般是從幾個(gè)給定的可行方案中，通過技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，選擇較好的方案。然而，由于參與比較的方案往往是規(guī)劃設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)提出的，不可避免地包含人為因素和局限性，易造成決策混亂。因此，需要找尋科學(xué)、合理的方法來(lái)確定可行方案。本文以GIS作為獲取和管理空間數(shù)據(jù)的主要手段，將選線[1-2]的影響因素進(jìn)行計(jì)算機(jī)量化和空間表達(dá)，并通過空間分析和最優(yōu)路徑算法實(shí)現(xiàn)了輸電線路的智能優(yōu)選[3-4]，從而更好地輔助輸電線路優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 線路選線的主要影響因素

可研、初設(shè)階段的選線通常在1∶50 000地形圖上進(jìn)行。隨著衛(wèi)星遙感、航空攝影技術(shù)的不斷發(fā)展，目前在可研階段通常以地面分辨率為2.5 m的衛(wèi)星影像和30 m DEM為基礎(chǔ)進(jìn)行選線，在初設(shè)階段以地面分辨率為0.4 m的衛(wèi)星影像和10 m DEM為基礎(chǔ)進(jìn)行選線，其數(shù)據(jù)精度優(yōu)于1∶50 000地形圖。在選線時(shí)，同時(shí)收集專題數(shù)據(jù)（冰區(qū)分布、污區(qū)分布、地震烈度等）以及工程信息（自然保護(hù)區(qū)、機(jī)場(chǎng)、軍事禁區(qū)等），這些數(shù)據(jù)的比例尺大于1∶25 000，可以滿足可研、初設(shè)的設(shè)計(jì)要求。

1.1 影響因素分類

選線時(shí)要盡可能選擇路徑短、特殊跨越少的路徑；盡可能避開森林密集區(qū)、房屋等，若必須穿越，則應(yīng)選取最窄或最少處通過，以減少樹木的砍伐和房屋的拆遷，從而滿足環(huán)境保護(hù)的要求。通過對(duì)線路設(shè)計(jì)的專家調(diào)研和輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)程的歸納，本文將路徑選線[5]的影響因素歸為禁止通過區(qū)和成本計(jì)算區(qū)兩類[6]。禁止通過區(qū)包括斷裂帶、地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)、重冰區(qū)、自然保護(hù)區(qū)、軍事區(qū)、礦區(qū)等；成本計(jì)算區(qū)包括覆冰[7]條件、地震烈度、污穢條件、坡度條件、交通運(yùn)輸、土地利用、線路轉(zhuǎn)角、線路長(zhǎng)度、高程因素、交叉跨越、居民點(diǎn)等11類要素（表1）。

表1 影響因素等級(jí)劃分

1.2 影響因素空間量化表達(dá)

影響因素分級(jí)要考慮兩方面內(nèi)容：在影響因素內(nèi)部進(jìn)行合理分級(jí)和確定因子之間權(quán)重。

1.2.1 影響因素內(nèi)部分級(jí)構(gòu)建

采用專家打分法將各影響因素對(duì)路徑選擇的適宜程度劃分為適宜、較適宜、中等、較不適宜和不適宜5 個(gè)等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)賦值為1～5分。禁止通過區(qū)不需要進(jìn)行等級(jí)劃分。成本計(jì)算區(qū)的11類要素進(jìn)行等級(jí)劃分后如表1所示。

1.2.2 影響因素層次構(gòu)建與權(quán)重關(guān)系確定

采用層次分析法[8-10]進(jìn)行各因素權(quán)重賦值。

1）層次構(gòu)建。根據(jù)影響因素構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型，如圖1所示。

圖1 輸電線路優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)圖

2）構(gòu)造判斷矩陣。通過專家調(diào)研的方式確定因素間兩兩重要性的關(guān)系，將重要性以數(shù)值量化表示，如表2所示。根據(jù)表2構(gòu)建判斷矩陣P（對(duì)稱矩陣），其中Pij>0。

表2 各因素重要性對(duì)比程度表

3）權(quán)重計(jì)算。求解特征方程PW=λmaxW，λmax是P的唯一最大特征值；W是對(duì)應(yīng)于λmax的正規(guī)化特征向量，W的分量即是相應(yīng)元素排序的權(quán)值。

式中，Pij為判斷矩陣；wj為歸一化后的權(quán)向量；n為權(quán)向量數(shù)。

4）一致性檢驗(yàn)。檢驗(yàn)公式為：

式中，CI為一致性指標(biāo)；n為矩陣階數(shù)；RI為平均一致性指標(biāo)，取值可查表取得。CR是隨機(jī)一致性比例，當(dāng)CR<0.1時(shí)，認(rèn)為判斷矩陣滿足一致性檢驗(yàn)，權(quán)重可接受。

2 路徑智能優(yōu)選系統(tǒng)的建立與實(shí)驗(yàn)分析

2.1 路徑智能優(yōu)選系統(tǒng)的建立

本文在建立路徑智能優(yōu)選模型時(shí)，對(duì)區(qū)域進(jìn)行了格網(wǎng)化處理，并將各類因素量化信息賦值給格網(wǎng)，即在格網(wǎng)中存儲(chǔ)線路通過的成本。在求得了需要進(jìn)行路徑優(yōu)選區(qū)域的每個(gè)格網(wǎng)的成本后，利用A*算法實(shí)現(xiàn)了路徑的找尋。系統(tǒng)采用插件式[11]方式構(gòu)建，系統(tǒng)主界面如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主界面

2.2 實(shí)例驗(yàn)證

本文選取酒泉—湖南±800 kV直流輸電工程湖南段進(jìn)行路徑優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。將初步設(shè)計(jì)路徑與利用智能優(yōu)選系統(tǒng)得出的路徑進(jìn)行對(duì)比分析，從而驗(yàn)證智能優(yōu)選理論方法以及系統(tǒng)的正確性。路徑智能優(yōu)選結(jié)果如圖3所示，其中，藍(lán)色線為智能優(yōu)選路徑，紅色線表示初步設(shè)計(jì)路徑。

圖3 智能優(yōu)選路徑

2.3 結(jié)果分析與統(tǒng)計(jì)

利用智能優(yōu)選系統(tǒng)得出的線路可有效避讓煤礦、工業(yè)園區(qū)等工程信息，以及湖泊、居民地等敏感信息。對(duì)于冰區(qū)，優(yōu)選路徑主要從覆冰厚度低的區(qū)域通過，如圖4所示；對(duì)于高程因素，優(yōu)選路徑主要從地勢(shì)較低的區(qū)域通過，如圖5所示，符合線路規(guī)劃的要求。通過系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)功能對(duì)兩條線路進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，主要包括線路總長(zhǎng)、規(guī)劃線路與初設(shè)路徑的覆冰條件、地震烈度、污穢等級(jí)和高程因素。其詳細(xì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

圖4 冰區(qū)避讓結(jié)果

圖5 高程避讓結(jié)果

表3 計(jì)算結(jié)果對(duì)照表

湖南段初設(shè)路徑總長(zhǎng)為366.40 km，系統(tǒng)優(yōu)選路徑總長(zhǎng)為367.51 km，兩條路徑的總長(zhǎng)差異較小。優(yōu)選線路與初設(shè)線路走向基本保持一致，擬合度較好；通過的專題區(qū)域長(zhǎng)度基本保持一致，能有效避讓重冰區(qū)、重污區(qū)等區(qū)域；優(yōu)選路徑與初設(shè)路徑都經(jīng)過地勢(shì)較低區(qū)域，主要集中在0～300 m范圍；且能有效避讓礦區(qū)、大型水庫(kù)、城鎮(zhèn)等區(qū)域，達(dá)到合理避讓的目的。

湖南段優(yōu)選路徑實(shí)驗(yàn)中，在進(jìn)行格網(wǎng)劃分時(shí)，采用50 m×50 m的格網(wǎng)，可滿足初步設(shè)計(jì)階段對(duì)1∶50 000比例尺地形圖的要求，說(shuō)明利用該系統(tǒng)進(jìn)行路徑智能優(yōu)選能夠滿足可研和初步設(shè)計(jì)階段的精度要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

隨著我國(guó)特高壓工程建設(shè)的力度加大，通道資源緊張的趨勢(shì)越來(lái)越明顯，如何合理、高效地進(jìn)行路徑設(shè)計(jì)是擺在電力設(shè)計(jì)人員面前的新課題。本文通過對(duì)影響線路走向的各類影響因素以及最短路徑算法等的研究，利用A*算法、層次分析法、專家打分法、GIS技術(shù)等方法進(jìn)行空間建模，解決了電力輸電線路擇優(yōu)問題，構(gòu)建了路徑優(yōu)選的算法模型；并與實(shí)際的選線路徑進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，路徑優(yōu)選結(jié)果與實(shí)際選線結(jié)果吻合，可用于可研、初步設(shè)計(jì)階段路徑的選擇和優(yōu)化，為線路設(shè)計(jì)人員提供輔助參考。

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：1672-4623（2016）11-0044-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.016

于躍，高級(jí)工程師，主要從事高壓輸電線路的設(shè)計(jì)及設(shè)計(jì)評(píng)審工作。

2015-06-09。