输电线路带电跨越施工方案辅助决策系统的研发

陈 亦，李晓斌，林光龙，叶华为，周 方，马 池

（1.广东电网有限公司江门供电局，广东 江门 529000；2.广东省输变电工程有限公司，广东 江门 529000）

0 引 言

目前，对于跨越施工方案的决策主要依靠相关规程文件、专家建议和现场施工人员经验[1-5]。这种决策方法虽然能在一定程度上保证输电线路的安全施工，但缺乏理论依据，具有主观性，造成施工安全冗余或不足，甚至出现断线事故，造成人员伤亡[3-5]。

当前，国内外已经提出了一些针对架空输电线路跨越施工方案选取的决策模型，但它们都是以输电线路带电跨越施工中经济性或安全性为主要指标来考虑，还未开发出一种能够专门针对输电线路跨越施工方案辅助决策的软件系统。文献[6]在研究施工方案选取时，提出了决策模型的概念，解决了跨越施工方案的决策选取；文献[7]在研究施工方案的选取时，最早提出了使用计算机辅助决策系统的思想，实现了施工方案的定性优化抉择。后续研究中，文献[8-9]将模糊综合评价法运用于跨越施工方案的辅助决策，验证了该辅助决策方法的可靠性；文献[10]在基于层次分析法和模糊数学评价法上，对跨越施工方案进行定量抉择。上述文献中由于都是采用专家指派法确定权重，很大程度上取决于他们的主观经验，导致跨越施工方案的选取不够精确。

针对现有的输电线路跨越施工方案辅助决策系统受影响因素权重值的制约无法准确决策出最优跨越施工方案的情况，本文采用熵权法解决权重值的不准确性，构建了基于熵权法的模糊综合评价模型，开发了输电线路跨越施工方案的辅助决策系统，从而实现了跨越施工方案的辅助决策。

1 辅助决策系统技术路线及算法模型

1.1 辅助决策系统技术路线

跨越施工方案辅助决策系统的主要功能是协助现场施工人员，根据输电线路施工现场的12个影响因素，对施工方案作出抉择，从而对跨越施工方案起到辅助决策的作用。辅助决策系统的技术路线图，如图1所示。

1.2 辅助决策系统算法模型

1.2.1 模糊综合评价法

模糊综合评价法是将影响事物的多个因素根据模糊数学的隶属度理论由定性评价转变为定量评价，从而对该事物做出综合评价[8]。具体求解过程为：先选取合适的评价指标组成指标集，设定指标集各项指标的评价等级，利用决策评语组成评价集，再分别求解各指标对各评价等级的隶属度函数，最后使用各指标的相应权重值通过合成隶属度函数求出各指标的定量解[8-9]。

图1 技术路线图

假定 1。设 X={x1,x2,…,xn}，Y={y1,y2,…,ym}，给定的模糊映射为：

式中，i=1，2，…，n。以 (ri1,ri2,…,rim)(i=1~n)为行向量建立一个模糊矩阵：

式中，ri1为第i个指标对第j评价等级vj的隶属度。

由式（2）可确定唯一的模糊关系，即：

设 X={x1,x2,…,xn}，Y={y1,y2,…,ym}，给定的模糊关系矩阵为：

式中，B={b1,b2,…,bn}，其中的元素为 bj=(ai∧rij)。此时，称T是由模糊关系R诱导出来的。

设定U={u1,u2,…,un}为指标集，V={v1,v2,…,vm}为评价集。由于各指标的作用、地位等不同，因此综合评价是V上的一个模糊集，即：

式中，bj=( j=1~m)反映了第j种评价vj对模糊集B的隶属度。综合评价B依赖于各指标的权重，应该是U上的模糊子集A={a1,a2,…,an}∈ ζ(U)，且=1，其中ai表示第i个指标的权重[9]。

由上述两个假定，建立一个从U到V的模糊线性变换，即：

1.2.2 熵权法

按照信息论的基本原理解释，熵是系统无序程序的一个量度，可以确定多指标综合评价问题中各指标的权系数。在所有决策者对n个指标进行多目标决策后得到的模糊综合评价矩阵中，第i个指标的熵定义为[11]：

在评价问题中，第i个指标的熵权为：

熵权模型可以表示出各评价指标的客观权重，且该模型依赖客观数据，理论基础性强。

1.2.3 基于熵权法的模糊综合评价法

由式（11）得到指标集的各项指标的权重A=(a1,a2,…,an)，代入式（12）：

可得模糊综合评价，式中“ο”为合成算子。

为确保各项指标在计算过程中均起作用，选用模型M（∧∨）（max-min合成运算）中的加权平均模型M（●，＋）对所有指标依权重大小均衡兼顾[12]。定义：

2 辅助决策系统设计

采用MATLAB GUI命令创建跨越施工方案的辅助决策系统。该系统共分为三大部分：系统主窗口、数据库窗口和历史信息窗口。

2.1 系统主窗口设计

系统主窗口共包括三个模块，即信息输入模块、决策结果输出模块和施工方式示意图模块。

2.1.1 信息输入模块

模糊综合评价指标体系的搭建是进行综合评价的第一步。评价指标将直接影响评价方案的准确性，因此指标选取应结合该系统相关的行业标准及国标。本文根据输电线路跨越施工的要求和特点，将影响因素划分为安全性、经济性和技术性三个方面[2,6,8]，然后对各个方面进行细化，如图2所示。

由图2建立跨越施工方案的指标集即U={u1,u2,…,u12}，再对指标集中的各项指标按施工现场实测物理量按等级评价组成评价集V=(v1,v2,v3,v4,v5)。由于指标过多，下面以保护范围为例进行说明，如表1所示。

创建完成后的信息输入模块如图3所示。

2.1.2 决策结果输出模块

根据图2的指标集和表1的评价集，咨询跨越施工行业的专家和有丰富施工经验的施工人员，得到各项指标对输电线路跨越施工方案辅助决策的影响得分，进而可以得到各项指标的模糊映射。将所有指标的模糊映射汇总，即可得到模糊综合评价矩阵R：

图2 跨越施工方案评价指标

表1 指标评价等级细则

使用熵权法，依照式（10）和式（11）得到最优权重向量A={a1,a2,…,a12}；选择合适的合成算子“ο”，结合式（12），即可进行模糊综合评价，进而依照最大隶属度原则得到最优的跨越施工方案[14]。决策结果输出模块见图3。

2.1.3 施工方案示意图模块

根据相关国标和行业标准，结合相关文献，本文将输电线路跨越施工方案分为“双柱并联跨越架”“提升式带电跨越架”“张力不停电跨越架”“索道跨越”和“封网跨越”五大类。该模块与决策结果输出模块保持一致[1-5]，施工方案示意图模块如图3所示。

2.2 数据库窗口设计

采用MATLAB GUI的自带程序建立指标评价等级细则。系统要求建立高智能化的数据库引擎，快速、方便、准确地调用、扩充数据库资料。它的核心作用是将施工现场实测量与评价得分联系起来，现场施工人员只需要将实测数据填入信息输入模块的相应位置，而不用再去查找评分细则表，极大地节省了人力和物力。它包含了输电线路跨越施工方案辅助决策的12个指标的评价得分细则，如图4所示。

2.3 历史信息窗口设计

该系统可以储存近期的施工方案决策记录。历史信息窗口可直接调用和浏览之前的决策记录，为大工作量的决策作业提供便利。

图3 系统主窗口

图4 数据库窗口

3 工程实例分析

3.1 500 kV线路跨越110 kV线路

由500 kV新建柳桂线280#～281#跨越110 kV大日线15#～16#项目的施工资料，可以提取并获得如下信息[15]：新建线路的电压等级为500 kV，被跨越线路的电压等级为110 kV；跨越线路两侧铁塔不等高，280#塔型为耐张塔，全高为63.2 m，281#塔型为直线塔，全高为78.5 m，相差高度约为15 m；交叉跨越点与281#铁塔的直线距离约为50 m；跨越线路与被跨越线路之间约有16 m的距离，被跨越线路的导、地线与地面间的垂直距离分别15.2 m和20.6 m；施工跨越架采用安装地锚并使用专用拉线绳的方式，架体整体高度36 m，结构稳定；跨越交叉角90°；地形地貌条件良好，施工对场地破坏较小，恢复较简便；施工工器具性能良好，交通较为便利，施工人员的施工经验较丰富。辅助决策系统输出的结果为“提升式带电跨越架”，如图5所示，结果与此项目的施工方案可行性研究报告和实际施工所采用的铝合金提升式跨越架一致。

3.2 220 kV线路跨越220 kV线路

由220 kV新建东桂线270#～271#跨越220 kV茅海甲乙线18#～20#项目的施工资料，可以提取并获得以下信息：新建线路档距为659 m，新建线路电压等级为220 kV，被跨越线路电压等级为220 kV；270#塔高34 m，271#塔高24 m，两塔处地形高差为34 m；交叉跨越点与270#铁塔的直线距离为273 m，跨越线路与被跨越线路之间约有11 m的距离；两线路之间交叉跨越角为66.6°；施工方案采用半档封网跨越，跨越架体结构稳定；施工地形条件较差，有一定坡度，施工对现场破坏较大，恢复较困难；施工工器具性能良好，交通不太便利，施工人员长期从事输电网架线工作，经验很丰富。辅助决策系统输出的结果为“封网跨越”，如图6所示。

图5 500 kV线路跨越110 kV线路

图6 220 kV线路跨越220 kV线路

4 结 论

（1）输电线路带电跨越施工方案的决策由于影响因素和技术方案种类众多，技术评价标准不够完善，造成了施工人员无法准确得到最优的跨越施工方案。为此，研发了基于熵权法的跨越施工方案辅助决策系统。该系统对实际施工中的影响因素根据数据库转换为定量计算，通过熵权法和模糊数学综合评价计算出综合评判结果，从而辅助决策出最优的跨越施工方案。

（2）以500 kV柳桂线跨越110 kV大日线和220 kV东桂线跨越220 kV茅海甲乙线两个实际工程的施工方案辅助决策为例，采用输电线路跨越施工方案辅助决策系统得到的跨越施工方案与实际一致，证实了该系统的工程实用性，具有一定的实际工程应用前景。