一种考虑通行时间的大量变电站巡视路线两阶段规划方法与流程

本发明属于变电站巡视路径规划领域，尤其涉及一种考虑通行时间的大量变电站巡视路线两阶段规划方法。

背景技术：

1、变电站巡视是电力企业运维人员的重要工作内容，按照路径合理地将每个变电站分配给各组巡视人员将大幅减少站与站之间的车程，节省运维人员路程时间，提高巡视工作质量。

2、授权公告日为2022.04.19，授权公告号为cn 109118015 b的发明专利，公开了一种通信站点巡视路线优化系统及方法，包括：电源模块，用于为所述通信站点巡视路线优化系统供电；通信站点管理模块，用于录入各所述通信站点的评估信息；信息采集模块和云存储模块，所述信息采集模块能通过所述北向接口将采集到的评估信息发送至所述云存储模块，所述云存储模块用于存储所述评估信息；显示模块，能够显示同一巡视批次中的各所述通信站点之间的最短巡视路径。一种通信站点巡视路线优化方法,用于规划最短巡视路径和确定巡视周期。该技术方案能够提高对通信站点巡视工作的工作效率。但是，其没有涉及到巡视路程上的地理条件约束，只是侧重于最短巡视路径的规划。

3、申请公布日为2021.03.26，申请公布号为cn 112562111 a的发明专利申请，公开了一种电网线路巡视路径管控系统及方法，包括管控后台：根据线路巡视参数设计最优巡视路线，并生成巡视地图发送至手持终端；手持终端：接收巡视地图，并监测自身行动轨迹，当自身行动轨迹与巡视地图有差异时，发出提示，并记录实际运行轨迹。该技术方案为巡视人员规划合理路径，并及时通知到巡视人员，节省巡视人员工作量，提高巡视效率，保障巡视质量。其通过蚂蚁算法根据线路巡视参数设计最优巡视路线，同样未涉及到巡视路程上的地理条件约束问题，以及实际多个变电站中各个变电站之间的站间通行时间的影响。

4、变电站巡视划分问题不仅仅考虑各变电站之间的直线距离，还要考虑河流、山川等地理条件约束，同时还要考虑火车路径、高速公路对地面通行的不利影响。跨越火车路径、高速公路的高架或者下穿隧道往往由于建造成本高而较少，这些地点往往是交通堵塞点，对于变电站巡视路径规划结果有较大影响。因此变电站巡视路径规划应充分考虑实际站间通行时间的影响。

5、目前已开展的变电站巡视路径规划，主要集中在单一站内各设备的巡视路径规划，对于大量变电站站间巡视路径规划的研究较少。

6、由于站内巡视不需要考虑实际交通情况，所以路径规划以考虑总路程数最小为目标。但对于大量变电站巡视路径规划则以总通行时间最小为目标函数更加合理。同时考虑到大量变电站巡视需要多组巡视人员分工完成，因此大量变电站巡视规划应重点解决考虑通行时间最短的巡视范围划分，接着对各个范围内变电站形成最优巡视路径。

7、路径规划算法问题是典型的旅行商问题(travelling salesman problem,tsp)，当巡视点较多时可以采用粒子群算法等智能算法求解最优巡视路径，有关研究对比了遗传算法、模拟退火算法和蚁群算法求解最短巡视路径的效率，在变电站数量增多时蚁群算法的寻优能力强于遗传算法和模拟退火算法。对于大量变电站巡视范围划分可以采用k-means聚类算法，但是该算法中两点之间采用直线距离来衡量，需要对该算法进行改进，以满足实际需求。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一考虑通行时间的大量变电站巡视路线两阶段规划方法。其针对整个管辖区域内众多变电站(亦称大量变电站)需要多组巡视人员分工完成的情况，采用两阶段巡视路径规划算法，第一阶段首先将所有变电站划分给各个小组，第二阶段针对各个小组生成最优巡视路径；首先建立了基于总通行时间最短的变电站巡视范围划分模型，约束条件考虑了各个巡视小组的巡视站点数量限制，同时建立了考虑通行时间最短的各小组巡视路径规划模型；接着分别采用改进k-means聚类算法和多起点贪心算法求解两阶段的模型；具有较好的收敛性和寻优能力，以通行时间最短为目标，将大幅节省巡视人员路程时间，具有较好的实用价值，能够有效减少变电站巡视人员每轮的通行时间，提高工作效率。

2、本发明的技术方案是：提供一种考虑通行时间的大量变电站巡视路线两阶段规划方法，其特征是：

3、1)获取辖区内各个变电站的坐标与各个变电站站之间的通行时间；

4、2)针对大量变电站需要多组巡视人员分工完成的情况，首先将所有变电站划分给各个小组，然后对各个小组生成最优巡视路径；

5、3)根据各个变电站之间通行时间较短的变电站尽量分给同一巡视小组的原则，以各巡视小组所分配站到其巡视范围中心点的通行时间最短为目标函数，建立基于总通行时间最短的变电站巡视范围划分模型，其约束条件为各个巡视小组的巡视变电站数量上下限约束；

6、4)对于各个巡视小组，以考虑通行时间最短为巡视路径规划目标，构建各小组巡视路径模型，其约束条件为任意变电站都被巡视且只巡视一次；

7、5)对变电站巡视范围划分模型和各小组巡视路径模型，采用两阶段规划求解，第一阶段采用基于通行时间最短的k-means算法求解最优巡视范围划分方案，第二阶段采用多起点贪心算法求解中量数量的变电站巡视路径规划问题；

8、6)以各个变电站之间的通行时间最短为目标，来节省巡视人员路程时间，有效减少变电站巡视人员每轮的通行时间，提高工作效率。

9、具体的，所述各个变电站站之间的通行时间，采用地图导航软件，基于同一时刻所计算得到的时间为依据。

10、进一步的，所述的基于总通行时间最短的变电站巡视范围划分模型，采用如下表达公式：

11、

12、式中，k为巡视小组的数量，ji为划分给第i巡视小组的变电站集合，pj为ji中的第j个变电站，zi为ji中的通行中心变电站，即以该变电站为中心到集合中各变电站的通行时间之和最小，t(pj,zi)函数为变电站pj到通行中心变电站zi之间的通行时间；

13、其约束条件为各个巡视小组的巡视变电站数量上下限约束，且各小组巡视的变电站数量之和等于总变电站数量，具体表达如下：

14、nmin≤ni≤nmax

15、

16、式中，ni为第i巡视小组的巡视变电站数量，nmin和nmax为各小组巡视变电站数量的下限与上限，nsub为所有变电站数量。

17、进一步的，所述的各小组巡视路径模型，采用如下表达公式：

18、

19、式中，pj和qj为该巡视小组所分配的变电站集合ji中的变电站，t(pj,qj)为变电站pj到变电站qj的通行时间；

20、其约束条件为任意变电站都被巡视且只巡视一次，具体表达如下：

21、

22、式中，x(pj)为变电站pj的巡视次数。

23、具体的，在采用基于通行时间最短的k-means算法求解最优巡视范围划分方案时，对传统k-means聚类算法进行如下改进：

24、1)考虑变电站之间通行时间约束，坐标上直线距离近的两个变电站可能由于地形或火车线路等因素导致通行较长，将传统算法以距离为划分标准改为以实际通行时间为标准；

25、2)考虑各个巡视小组所分配的变电站数量的上下限约束，设置聚类中变电站数量约束；在聚类迭代过程中若某聚类中变电站数量已经达到上限，则将剩余的变电站到该聚类中心的通行时间临时设置为无穷大，使剩余变电站分配至其他聚类；

26、3)每次迭代过程中，变电站计算顺序对于聚类结果有较大影响，为了提高全局最优寻优能力，新生成聚类中心后对变电站顺序随机打乱。

27、具体的，在采用多起点贪心算法求解中量数量的变电站巡视路径规划问题时，对贪心算法求解tsp问题如下改进：

28、1)采用两点之间通行时间来取代两点之间的距离；

29、2)贪心算法分别以各个变电站作为起始站点生成巡视路径，然后对比选取总通行时间最短的路径作为最优巡视路径。

30、进一步的，所述考虑通行时间的大量变电站巡视路线两阶段规划方法，按照如下步骤进行：

31、1)开始第一阶段生成最优巡视范围划分。设置巡视小组数量k和各个小组巡视变电站数量的下限nmin和上限nmax，设置各个变电站的坐标和相互之间的通行时间t(pj,qj)；

32、2)从变电站集合中p＝{p1,p2,…pnsub}中初始选择k个变电站作为初始通行中心变电站位置。设置聚类评价函数初值f1为无穷大，确定评价函数收敛精度ε；设c和cmax分别为迭代次数和迭代次数上限，令c＝1；

33、3)分别对于j＝1,2,…,nsub，如果某变电站pj到通行中心变电站zi*通行时间小于到其原通行中心变电站zi，即t(pj,zi*)<t(pj,zi)，i＝1,2,…,k且i≠i*，那么将变电站pj分配到第i*个变电站聚类中；

34、4)经过上述步骤，nsub个变电站都已经分配到各个巡视范围中，按照如下公式计算评价函数值f1：

35、

36、式中，k为巡视小组的数量，ji为划分给第i巡视小组的变电站集合，pj为ji中的第j个变电站，zi为ji中的通行中心变电站，即以该变电站为中心到集合中各变电站的通行时间之和最小，t(pj,zi)函数为变电站pj到通行中心变电站zi之间的通行时间；

37、5)如果δf1<ε或者c＝cmax，则算法收敛或迭代结束，k个巡视范围划分完成，并转向步骤8；否则转向步骤6；

38、6)重新计算k个变电站聚类的中心坐标，选取与该聚类中心最近的变电站作为新的通行中心变电站zi；

39、7)为跳出局部最优解，对nsub个变电站节点的顺序随机打乱；令c＝c+1，转到步骤3；

40、8)开始第二阶段生成最优巡视路径，令i＝1；

41、9)对第i个巡视范围中的变电站采用基于评价函数f2的多起点贪心算法求解最优巡视路径；以各个变电站为起点，每次寻找通行时间最近的变电站为下一巡视点，直到遍历所有变电站，再比较不同起点生成的巡视路径，选取总通行时间最短的路径为该巡视范围最优路径；

42、10)如果i<k，令i＝i+1，返回步骤9，否则转步骤11；

43、11)输出各个巡视划分范围内的最优巡视路径。

44、本发明所述考虑通行时间的大量变电站巡视路线两阶段规划方法，针对大量变电站巡视路径规划问题，首先建立巡视范围划分模型和各小组路径规划模型，然后采用两阶段规划求解最优巡视路径；

45、其中，以通行时间最短为目标，第一阶段基于通行时间最短采用改进k-means算法将大量变电站划分给各个巡视小组，第二阶段对各个巡视小组的变电站基于多起点贪心算法求解最优巡视路径；进而得到基于总通行时间最小的巡视范围划分和各范围内最优巡视路径的规划方案；能够有效减少变电站巡视人员每轮的通行时间，提高工作效率。

46、与现有技术比较，本发明的优点是：

47、1.本发明的技术方案，针对大量变电站巡视路径规划问题，考虑实际工作中往往先划分巡视范围给各个巡视小组，同时巡视路径应充分考虑通行时间的影响，建立了巡视范围划分模型和巡视线路模型；

48、2.针对以上两个模型采用两阶段规划求解，第一阶段采用基于通行时间最短的k-means算法求解最优巡视范围划分方案，第二阶段采用多起点贪心算法求解中量数量的变电站巡视路径规划问题，提出了多项提高算法收敛性和寻优能力的措施；3.本发明的技术方案，具有较强的实际意义，能够大幅减少每轮巡视时间。