袁敬中，于 泓，蔣榮安，婁書榮，趙俊生

(1.華北電網(wǎng)有限公司，北京 100120；2.北京洛斯達科技發(fā)展有限公司，北京 100120；3.武漢大學(xué)，湖北 武漢 430072)

1 背景

輸電線路的選線工作是輸電線路設(shè)計的主要內(nèi)容之一，選線需要綜合考慮地貌、地物、地形和地質(zhì)等諸多因素。傳統(tǒng)的主要通過專家經(jīng)驗和人工主觀判讀的電力選線方法需要花費大量的人力和時間，選擇的線路的好壞與選線人員的經(jīng)驗和主觀判讀能力有密切的關(guān)系，難以確保選線的合理性。因此，計算機自動選線的需求日益增加。

GIS作為空間數(shù)據(jù)的主要獲取和管理手段，可以將影響選線的因素進行計算機量化和空間表達，并通過空間分析和最優(yōu)路徑算法實現(xiàn)電力的自動選線。要實現(xiàn)計算機自動選線，設(shè)計合理的針對電力選線特點的空間數(shù)據(jù)模型是需要考慮的關(guān)鍵問題。

當(dāng)前，諸多學(xué)者利用柵格數(shù)據(jù)模型將選線區(qū)域劃分為網(wǎng)格單元， Monteiro利用柵格數(shù)據(jù)模型對各種影響因素進行計算，將各種影響因素轉(zhuǎn)化為通過網(wǎng)格時的花費代價，然后利用動態(tài)規(guī)劃算法進行電力線路通道選擇。Ahmadi和Schmidt等在柵格模型的基礎(chǔ)上利用ArcGIS的工具和空間分析功能設(shè)計電力線路；Beazer1和Beazer等針對柵格數(shù)據(jù)模型設(shè)計了軟件工具用于計算選線影響因素代價。這些研究都在一定程度上提高了選線的智能性，然而，這些方法使用柵格數(shù)據(jù)模型主要是基于柵格數(shù)據(jù)格式，模型中使用的網(wǎng)格大小相同，模型的設(shè)計沒有考慮具體空間區(qū)域的地形、地物的復(fù)雜情況，并且選線的各個影響因素對選線影響方式的不同，使得選擇的線路難以達到較高的精確性。

華北電網(wǎng)有限公司以多年實際選線的經(jīng)驗為基礎(chǔ)，針對管理區(qū)域地形復(fù)雜的狀況，針對當(dāng)前研究存在的問題，提出一種新的自適應(yīng)多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型，根據(jù)網(wǎng)格覆蓋區(qū)域的和影響因素的不同，自動選擇不同分辨率的網(wǎng)格計算各個影響因子的值，然后自動選擇不同層次的網(wǎng)格參與最優(yōu)路徑運算，并通過A*算法進行實際線路設(shè)計，結(jié)果表明該數(shù)據(jù)模型能夠提高選線策略的合理性。

2 多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型設(shè)計

在電力自動選線中，當(dāng)前研究和使用較多的柵格數(shù)據(jù)模型，是通過將選線的備選區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，形成規(guī)則的網(wǎng)格單元，每個網(wǎng)格的值代表通過網(wǎng)格時或者從鄰近網(wǎng)格到該網(wǎng)格所需要花費的代價。網(wǎng)格的值主要是通過綜合與其他影響選線因素的空間數(shù)據(jù)疊加分析來獲取，然后為每個影響因素賦予不同的權(quán)重，計算出最終的網(wǎng)格單元的通過代價值。該方法中可以使用多個級別的網(wǎng)格，每個級別的網(wǎng)格單元大小相等，例如：2km×2km 、1km×1km和500m×500m的網(wǎng)格。然而，一種網(wǎng)格層次的柵格數(shù)據(jù)難以滿足不同的地理區(qū)域的不同影響因素的信息提取。本節(jié)首先分析電力選線的諸多影響因素，及其空間數(shù)據(jù)表示方法；然后根據(jù)影響因素在不同分辨率層次上的作用大小，設(shè)計自動適應(yīng)影響因素復(fù)雜變化的多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型；最后，對各種影響因素的提取方法進行論述。

2.1 電力選線影響因素分析

輸電線路設(shè)計的好壞與電網(wǎng)的施工、運行與維護的成本和工作效率有密切關(guān)系。高質(zhì)量的線路的設(shè)計需要充分了解輸電線路的特點和選線區(qū)域的地形、地貌、地質(zhì)和地物的現(xiàn)狀。輸電線路通常具有明顯的地理特征，需要綜合考慮四大類因素，地形地質(zhì)因素：高程、坡度、坡向、地震、風(fēng)、雪、雷電等；地貌因素：軍事區(qū)域、森林、自然風(fēng)景區(qū)、礦區(qū)、水資源，河流跨越，野生物；社會經(jīng)濟因素：農(nóng)業(yè)區(qū)、居民區(qū)等；技術(shù)因素：道路、鐵路、管線、電線等跨越信息。

這些影響因素來源分散，種類繁雜，衡量的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，即有定量的因素，也包括大量定性的因素。如何有效的將多個因素進行數(shù)字化表達，并將定性的因素定量化表達，形成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)，并統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，對各個影響因素進行綜合分析形成某一地理位置的影響因素的綜合評定，形成有效的數(shù)據(jù)模型，是實現(xiàn)計算機自動選線的前提條件。本文根據(jù)各個影響因素對選線所起的作用不同，將影響因素分為以下幾種類型：①禁止通過區(qū)域，例如軍事區(qū)域、自然風(fēng)景區(qū)的核心區(qū)域、礦區(qū)和野生物區(qū)域等；②盡量避免通過區(qū)域，森林、居民區(qū)等；③限制通過方式的區(qū)域，例如、跨越河流、鐵路和高速公路等；④方便通過區(qū)域，地形平坦、距離公路較近等區(qū)域。

GIS作為一種有效的空間數(shù)據(jù)表達技術(shù)，可以利用不同的方式對各種類型的數(shù)據(jù)進行表示?？梢杂肈EM表達研究區(qū)域的高程信息，然后根據(jù)DEM，利用空間分析功能，計算出區(qū)域的坡度和坡向信息；用線矢量數(shù)據(jù)表達鐵路、電線等數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)比例尺大小的不同選擇用線或者用面來表達道路、管線等數(shù)據(jù)；用面矢量數(shù)據(jù)表達軍事區(qū)域、自然風(fēng)景區(qū)、居民地等信息。DEM和柵格格式的數(shù)據(jù)有利于與柵格格式的網(wǎng)格疊加和統(tǒng)計分析，矢量格式的影響因素數(shù)據(jù)有利于與矢量格式的網(wǎng)格進行各種空間分析。因此，本文將綜合利用柵格和矢量模式的網(wǎng)格作為基礎(chǔ)，設(shè)計多級網(wǎng)格模型。

2.2 多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型

利用較多的柵格數(shù)據(jù)模型，可以利用網(wǎng)格單元行列號計算出網(wǎng)格的位置信息和鄰近網(wǎng)格的信息，見圖1，柵格數(shù)據(jù)的網(wǎng)格關(guān)系示意圖，每個網(wǎng)格都與八個方向上的鄰近網(wǎng)格相連通，在最優(yōu)路徑設(shè)計時，可以計算通過不同鄰近網(wǎng)格需要消耗的代價，然后選擇總體代價較小的網(wǎng)格通行。在進行每個網(wǎng)格的影響因素值計算時，首先將影響因素的數(shù)據(jù)進行柵格化處理；化為柵格格式的數(shù)據(jù)；然后與網(wǎng)格進行疊加分析，計算出每個網(wǎng)格的單個影響因素的值；最后，根據(jù)各個影響因素的權(quán)重計算出網(wǎng)格內(nèi)的綜合通過代價。單一的柵格數(shù)據(jù)模型影響因素值統(tǒng)計時，需要將影響因素圖層轉(zhuǎn)換成柵格數(shù)據(jù)，這樣會在增加計算復(fù)雜性的同時，降低數(shù)據(jù)的精度。

圖1 柵格數(shù)據(jù)網(wǎng)格關(guān)系示意圖

本文提出的多級網(wǎng)格模型，在柵格網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上，為每個柵格單元同時建立對應(yīng)的矢量網(wǎng)格單元。在影響因素值提取時，采用柵格數(shù)據(jù)與DEM、坡度圖和各種柵格數(shù)據(jù)格式的影響因素進行疊加分析，得出這個影響因素的影響值。同時，不需要將各種矢量數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為柵格數(shù)據(jù)，例如河流、道路圖、居民地等數(shù)據(jù)，而是利用柵格單元所對應(yīng)的矢量柵格數(shù)據(jù)與這些影響因素進行疊加和各種空間分析，提取各個影響因素在網(wǎng)格中通過時的影響值。然后將柵格網(wǎng)格統(tǒng)計的各種值并入到矢量格式所表達的網(wǎng)格模型中，最后，利用矢量網(wǎng)格進行最優(yōu)路徑選擇。

可以對區(qū)域進行多種網(wǎng)格等級的劃分，可以創(chuàng)建4km×4km 、2km×2km、500m×500m、250m×250m和125m×125m等。網(wǎng)格單元的大小對選線的結(jié)果具有重大影響，較大的網(wǎng)格單元計算速度快，可以選出粗略的線路通道，但是單個網(wǎng)格難以準(zhǔn)確表達網(wǎng)格內(nèi)所有區(qū)域的信息，使得部分復(fù)雜區(qū)域的數(shù)據(jù)代表了整個網(wǎng)格單元的影響代價值，使得計算難以精確，并且由于單個網(wǎng)格覆蓋區(qū)域內(nèi)部分禁止通過區(qū)域會影響到整個網(wǎng)格的通行，使得最終選擇的通道會繞過該網(wǎng)格區(qū)域，進而增加了選線的不合理性；較小的網(wǎng)格單元，計算需要花費的時間較長，線路較為具體，但是較細(xì)的網(wǎng)格難以表達較大范圍的影響因素，使得難以統(tǒng)計部分影響因素的值。因此，本文設(shè)計了多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型，根據(jù)網(wǎng)格覆蓋區(qū)域的影響因素的復(fù)雜層度自動選擇不同等級的網(wǎng)格進行影響因素代價值統(tǒng)計，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

在較粗層次的網(wǎng)格中，根據(jù)每個網(wǎng)格內(nèi)的影響因素的復(fù)雜層度，可以選擇較細(xì)層次的分割方法，在線路選擇時，首先在較粗層次上選擇較粗的選線范圍，并建立緩沖區(qū)，形成一個選線粗級通道；然后，在粗級通道內(nèi)選擇較細(xì)的通道，再在較細(xì)的通道上選擇更細(xì)的通道，以此類推逐級選擇，直到在最細(xì)的網(wǎng)格層次上選出線路為止。見圖2，首先在第1層的網(wǎng)格劃分方法中選擇通道，然后在第2層和第3層進行，直到最底層為止。

圖2 逐層選線圖

2.3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工具功能設(shè)計

智能選線需要網(wǎng)格數(shù)據(jù)和影響選線的因子信息的圖形化，數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換的目標(biāo)是把各種定性及定量的影響因子定量化和圖形化。

確定選線區(qū)域范圍，定義和獲取各個影響因素的數(shù)據(jù)，并根據(jù)范圍生成不同層次的網(wǎng)格，并對網(wǎng)格進行編碼和中心坐標(biāo)提??；其次，利用DEM數(shù)據(jù)計算坡度和等高線，利用疊加分析和統(tǒng)計分析功能，提取每個網(wǎng)格內(nèi)的平均高程值和平均坡度值；再次，根據(jù)不同類型的影響因子生成不同種類的矢量圖層，例如城鎮(zhèn)、村莊、河流、道路、風(fēng)景區(qū)、礦區(qū)和土地利用等多種數(shù)據(jù)；將各類影響因子數(shù)據(jù)包括禁止區(qū)域通過數(shù)據(jù)融合和各種空間分析，提取出各種影響因子在網(wǎng)格內(nèi)的影響等級；最后，為每個網(wǎng)格單元中的每個屬性設(shè)置相應(yīng)的屬性等級。圖3為數(shù)據(jù)處理的流程圖。

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

針對某些影響因素的數(shù)據(jù)，在較粗的網(wǎng)格中對網(wǎng)格的代價影響較大，而該網(wǎng)格下層網(wǎng)格中形成的多個子網(wǎng)格的影響值差別過大，則利用該網(wǎng)格的下層網(wǎng)格數(shù)據(jù)取代該網(wǎng)格，來計算各個子網(wǎng)的通過代價值，圖4為疊加分析的示意圖。

圖4 影響因素提取示意圖

3 實驗與分析

圖5為100km×40km的研究區(qū)域的DEM、坡度圖、和1km×1km的網(wǎng)格圖和影響因子提取的屬性表。本文利用A*算法選擇電力線路，圖6是選線結(jié)果的對比圖，圖中紅色線是利用單層網(wǎng)格模型選線，首先在1km×1km的網(wǎng)格劃分層次上選出較粗通道，然后再在500km×500km和250km×250km的層次上選擇電力線路的最終結(jié)果，從圖中可以看出，該方法首先在1km×1km選擇通道，難以從兩個禁止通過區(qū)域公園和礦區(qū)中間的較窄的通道里通過。圖中藍色的線為利用多級網(wǎng)格選線的結(jié)果，多級網(wǎng)格可以根據(jù)地形和影響因素的復(fù)雜層度自動組合不同層次的網(wǎng)格參與線路選擇，因此，在1km×1km級別的粗選時，在通過公園和礦區(qū)區(qū)域時，調(diào)用較低層次的網(wǎng)格層的數(shù)據(jù)參與計算，使得線路可以通過該區(qū)域，然后再在500km×500km和250km×250km的層次上選擇更細(xì)的線路。

圖6 選線結(jié)果對比圖

4 總結(jié)

輸電線路的選線受到多種因素的影響，數(shù)據(jù)模型的設(shè)計和選擇是實現(xiàn)高效和合理選線的關(guān)鍵問題，當(dāng)前的研究和利用較多的是柵格數(shù)據(jù)模型。本文針對柵格數(shù)據(jù)模型存在的問題，提出了一種多級網(wǎng)格數(shù)據(jù)模型，該模型可以根據(jù)空間區(qū)域的地形、地物的復(fù)雜層度選擇不同層次的網(wǎng)格參與電力選線的運算。實驗結(jié)果表明，該模型具有較好的適應(yīng)復(fù)雜地形和地物的能力。

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