摘 要：本文針對現(xiàn)有設計方法在電力線路敷設規(guī)劃過程中存在的障礙物碰撞、規(guī)劃路徑等問題，引入模糊邏輯算法，進行電力線路敷設規(guī)劃設計。綜合成本、可靠性和環(huán)境等因素，構建電力線路敷設規(guī)劃目標函數(shù)模型。利用模糊邏輯算法，進行電力線路障礙物避讓控制。采用蟻群算法訓練模型，并生成最優(yōu)敷設規(guī)劃路徑。對比試驗證明，本文規(guī)劃設計方法不會出現(xiàn)障礙物碰撞問題且規(guī)劃路徑最短、最合理。

關鍵詞：模糊邏輯算法；電力線路；規(guī)劃；敷設

中圖分類號：TP 242.6" " " " 文獻標志碼：A

電力線路敷設不僅會影響電力供應可靠性，還會影響城市建設和經(jīng)濟發(fā)展的可持續(xù)性。因此，如何科學、高效地進行電力線路敷設規(guī)劃設計一直是研究的熱點。韓帥[1]等提出了基于三階段模糊層次比選方法的城市軌道交通線路敷設方式。雖然在一定程度上能夠滿足工程需求，但是存在效率低、誤差大和難以應對復雜多變的環(huán)境條件等問題。劉增玲[2]也對光纖通信工程施工中光纜線路的敷設要點進行了分析，但是基于經(jīng)驗法則和手工計算的規(guī)劃設計方法已難以滿足實際需求。本文旨在探索基于模糊邏輯算法的電力線路敷設規(guī)劃設計方法，優(yōu)化選擇敷設方案，為電力線路敷設規(guī)劃設計提供新思路和方法，支持電力工程的科學決策。

1 建立電力線路敷設規(guī)劃目標函數(shù)模型

在綜合成本、可靠性和環(huán)境等多種因素的基礎上，構建電力線路敷設規(guī)劃目標函數(shù)模型。為了有效運用蟻群算法進行電纜敷設優(yōu)化，需要對變電站的電纜通道進行抽象化描述[3]。將復雜的電纜敷設問題轉化為圖論中的路徑優(yōu)化問題，進而利用蟻群算法進行高效求解[4]。假設存在2個點，坐標分別為P1=（x1，y1，z1）、P2=（x2，y2，z2），這2個點的歐式距離，即2個節(jié)點實際距離如公式（1）所示。

（1）

式中：D1為P1和P2間的歐氏距離。

電力線路需要沿著纜道敷設，因此用曼哈頓距離表示2個點間的電力線路長度，如公式（2）所示。

D2=|x1-x2|+|y1-y2|+|z1-z2| （2）

式中：D2為P1和P2間在xyz軸上的絕對值距離之和。

將上述公式代入電力線路敷設規(guī)劃，構建目標函數(shù)模型，如公式（3）所示。

Zmin=C1?L+C2?L-a?R+b?E （3）

式中：Zmin為總成本；a和b為權重系數(shù)；C1為單位長度線路建設成本；C2為單位長度線路維護成本；L為電力線路的總長度；R為線路的可靠性指標，取值范圍為[0～1，1]，表示完全可靠；E為線路建設對環(huán)境的影響指標，取值范圍為[0～1，1]，表示最大影響。

電力線路敷設規(guī)劃的目標函數(shù)模型包括以下5個相關約束條件。1） 路長度約束?？偩€路長度不應超過某個上限值，即L≤Lmax，其中Lmax為允許的最大線路長度。2） 成本約束。總成本不應超過預算，即C1?L+C2?L≤Cbudget，其中Cbudget為總預算。3） 可靠性約束。線路的可靠性應滿足最低要求，即R≥Rmin，其中Rmin為可靠性的最低要求。4） 環(huán)境影響約束。線路建設對環(huán)境的影響應控制在一定范圍內，即E≤Emax，其中Emax為環(huán)境影響的最大允許值。5） 地形與障礙物約束。線路應避免穿越地形復雜或存在障礙物的區(qū)域。通常需要根據(jù)地理信息系統(tǒng)（GIS）數(shù)據(jù)來識別并排除這些區(qū)域，并在優(yōu)化過程中將其作為不可行區(qū)域進行處理[5]。

2 基于模糊邏輯算法的電力線路障礙物避讓控制

基于模糊邏輯算法的電力線路障礙物避讓控制是一種先進的控制策略，旨在提高電力線路在復雜環(huán)境中的安全性和可靠性。模糊邏輯算法特別適合處理難以精確描述或具有不確定性的情況，例如電力線路在運行過程中遇到的障礙物檢測和避讓問題[6]。進行電力線路障礙物避讓控制時，假設模糊集合為A，隸屬度函數(shù)可表示為mA（x），其中x為集合A中的元素，隸屬度函數(shù)的值在0～1，表示元素x屬于集合A的程度。在模糊邏輯中，推理過程通?；谀：龡l件語句。確定隸屬度函數(shù)時，設置電力線路敷設到障礙物碰撞距離的模糊語言值[7]，即{S，M，L}，其中A為短距離，M為中等距離，L為長距離。碰撞點位置P的模糊語言值可表示為{RE，MRE，CE，MHE，HE}，其中RE為后部，MRE為中后部，CE為中部，MHE為中前部，HE為前部。集合中各個元素的論域取值范圍均在-1～1。再將障礙物與電力線路敷設的運動方向夾角的模糊語言值寫作{VS，MS，MZ，MB，VB}，其中VS為夾角很小，MS為夾角較小，MZ為夾角中等，MB為夾角較大，VB為夾角很小。該集合中的各元素論域取值為0°～180°。在電力線路敷設中，線路與障礙物間的接觸情況可根據(jù)方向角度分為3類，即正面碰撞、逆向碰撞和順向碰撞。當夾角為鈍角時，為逆向碰撞；當夾角近垂直，為正面碰撞；夾角為銳角時，稱為順向碰撞[8]。這種分類有助于精確描述線路與障礙物的相互作用，為制定避讓策略提供依據(jù)。研究電力線路與障礙物碰撞時，需要關注不同碰撞位置和方式，并采取相應的避障策略。電力線路障礙物避讓的部分模糊控制規(guī)則見表1。

表1中，角度變化的模糊語言為{NB，NS，ZE，PS，PB}，其中NB為負大，NS為負小，ZE為0，PS為正小，PB為正大。速度變化模糊語言值為{NB，NS，ZE，PS，PB}，對應解釋與角度變化相同。當前部發(fā)生正碰時，可通過加速來避開障礙物。而當前部發(fā)生逆碰時，避障策略需要結合加速、減速和轉角調整等多種手段[9]。對于前部順碰的情況，如果碰撞時間緊迫，同樣可以通過加速來迅速避開；如果碰撞時間相對寬裕，就可以先以較小的速度調整線路方向，使其與障礙物的運動方向趨于一致，隨后加速避開，最終恢復到原來的速度。

該策略選擇旨在根據(jù)具體的碰撞位置和方式，靈活應對不同情況，保證電力線路在敷設過程中能夠高效避開障礙物。

3 模型訓練與最優(yōu)敷設規(guī)劃路徑生成

對電力線路障礙物進行避讓后，結合蟻群算法對模型進行優(yōu)化訓練，從而得到最優(yōu)敷設規(guī)劃路徑。本文引入2個信息素界限條件，分別為tmin和tmax，其中tmin為信息素最小限定值，tmax為信息素最大限定值。在模型優(yōu)化訓練的過程中，信息素限定在該范圍內，以此可以有效解決停滯問題。在傳統(tǒng)蟻群算法中，信息素具有重要作用，而揮發(fā)因子r的大小對信息素的動態(tài)變化具有顯著影響。當揮發(fā)因子設置較小時，前期各路徑上的信息素濃度差異不明顯，導致螞蟻在選擇支路時缺乏明確指導，從而降低了選擇的可靠性。

本文引入Gompertz增長函數(shù)來自適應調整揮發(fā)因子的值。該方法能夠根據(jù)實際搜索情況動態(tài)調節(jié)信息素的揮發(fā)速率，更有效地平衡算法的探索和利用能力，提高蟻群算法解決復雜路徑優(yōu)化問題的性能。r值會逐漸趨近某個極限值g，Gompertz函數(shù)r=ge-eu-d，其中u為生長速度，d為生長速率，二者與函數(shù)因變量變化快慢相關。

模型訓練與最優(yōu)電力線路敷設規(guī)劃路徑生成的基本流程包括以下6步。1） 進行數(shù)據(jù)預處理，收集、清洗和整理變電站設備信息和節(jié)點坐標數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)質量。2） 參數(shù)初始化，設定蟻群算法的關鍵參數(shù)，例如螞蟻數(shù)量、迭代次數(shù)和信息素影響因子等。3） 啟動蟻群算法，在搜索空間中，使螞蟻群體根據(jù)信息素和啟發(fā)式信息尋找路徑，并記錄初始節(jié)點路徑。4） 根據(jù)位置、已走路徑和信息素濃度等因素，計算并更新螞蟻選擇下一節(jié)點的概率。如果螞蟻選擇不同路徑，就更新信息素濃度并重新計算概率。5） 迭代更新信息素濃度和算法參數(shù)，根據(jù)搜索結果和路徑選擇情況引導螞蟻搜索更優(yōu)路徑。6） 輸出最優(yōu)路徑解，當算法滿足終止條件時，確定最優(yōu)電力線路敷設規(guī)劃路徑并輸出。

根據(jù)此流程完成模型訓練并生成最優(yōu)路徑，充分利用蟻群算法優(yōu)勢，提高效率和準確性。

4 對比試驗

本文對上述基于模糊邏輯算法的規(guī)劃設計方法進行了對比試驗，將基于模糊邏輯算法的規(guī)劃設計方法設置為對照A組，將基于FPGA的規(guī)劃設計方法設置為對照B組，將本文方法設置為試驗組。針對同一變電站三維電纜路徑，對其電力線路敷設進行規(guī)劃設計。變電站中各設備安裝位置如圖1所示。

從圖1可知，變電站內有9組電力設備，分布于不同位置，并存在3個障礙物。針對該結構，采用3種規(guī)劃方法設計電力線路敷設路徑。評價規(guī)劃效果時，主要考量能否避開障礙物和路徑長度。能避開障礙物且路徑最短，表明規(guī)劃效果最佳。設計前，設定5組規(guī)劃任務，具體要求見表2。

為方便比較，將3種設計方法的設計結果如圖2～圖4所示。

圖2中，試驗組規(guī)劃設計結果成功連接了所有設備且避開了障礙物，路徑相對較短。圖3中，對照A組雖然連接了設備，但是存在障礙物碰撞問題，影響設備使用和安全。圖4中，對照B組雖然無碰撞，但是路徑過長，影響設備效率和整個電力線路運行。因此，試驗組規(guī)劃設計方法最合理，具有實際應用價值。

5 結語

本文基于模糊邏輯算法深入研究了電力線路敷設規(guī)劃設計，優(yōu)化了敷設方案。研究結果表明，該規(guī)劃設計方法能充分考慮不確定性和模糊性因素，提高了規(guī)劃設計的科學性和實用性。綜上所述，本文研究具有重要的理論價值和實踐意義，隨著研究深入和技術進步，該領域將迎來更廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

[1]韓帥，孫捷城，路林海，等.基于三階段模糊層次比選方法的城市軌道交通線路敷設方式研究[J].科技和產(chǎn)業(yè)，2022，22（5）：332-340.

[2]劉增玲.光纖通信工程施工中光纜線路的敷設要點分析[J].中國高新科技，2023（5）：116-118.

[3]章先杰，劉培鎮(zhèn)，劉曉東.交聯(lián)聚乙烯絕緣焊接皺紋鋼套電力電纜設計與驗證[J].機電工程技術，2023，52（10）：227-229，246.

[4]叢贇，王根成，閆循平，等.橋梁敷設電纜線路在臺風環(huán)境下的動力學分析與負荷能力評估[J].高電壓技術，2023，49（增刊1）：85-89.

[5]袁博洋，鐘建偉，楊永超，等.基于FPGA和AD9481的寬頻帶電力電纜局部放電采集系統(tǒng)設計[J].機電工程技術，2023，52（9）：192-196，219.

[6]齊金龍，何光華，張志堅，等.高壓電纜線路高、寬度適位調節(jié)敷設方法[J].電工技術，2023（13）：204-206.

[7]張臨輝，胡志暉.日本都市圈市域鐵路敷設方式和線路類型淺析及對我國的啟示[J].交通與港航，2024，11（1）：16-21.

[8]許國飛.海外光纖通信工程施工中光纜線路的敷設分析[J].中國新通信，2022，24（10）：10-12.

[9]鐘佳麗，王志文，曾偉鵬，等.一種接觸軌線路電力蓄電池工程車強迫緩解應急操作方法[J].機電工程技術，2021，50（5）：259-261.