周強輔，廖如超，廖建東，李成功

(1.廣東電網有限責任公司機巡管理中心，廣州 510160； 2.華北計算技術研究所，北京 100083)

0 引言

定期對輸電線路進行巡檢能夠維持電網整體長期平穩(wěn)運行。隨著國民經濟的不斷發(fā)展，輸電線路快速增長，輸電網絡大幅增加，電力網絡巡檢的復雜度以及工作強度也隨之增大，單純依靠人工巡視線路已經無法滿足實際工作需求。因此，我國積極引進新技術，開拓新思路，將越來越多的人工操作改為機械化工作，提高了整體線路巡檢的自動化程度，降低了工作強度以及安全風險。

文獻[1]在求解不確定環(huán)境下物流配送車輛路徑問題時提出了一種基于插入啟發(fā)式的混合遺傳算法。該算法采用改進的推入-碰撞-拋出算法來處理問題的模糊性。并通過對比其他算法，證明了遺傳算法在求解這一問題上的優(yōu)越性。文獻[2]提出了基于裝卸過程問題分析的數學模型，建立了基于運動路徑簡潔性、集裝箱之間安全距離等要求的最優(yōu)路徑目標。最后，通過采用遺傳算法進行了求解。

本文在上述研究的基礎上，設計了電力網絡機巡智能調度編排系統(tǒng)。

1 機巡計劃智能調度編排研究現狀

1.1 國外發(fā)展現狀

美國Entergy電力公司基于視頻以及數據監(jiān)控采集系統(tǒng)在線監(jiān)測輸電線路，監(jiān)控系統(tǒng)終端設備安裝在輸電線路的桿塔或輸電線路上。通過該系統(tǒng)持續(xù)返回線路自身運行狀態(tài)以及周圍環(huán)境狀況，例如溫度、風速數據等，并將采集到的數據上傳至服務器端，由服務器端負責分析當前輸電線路的狀態(tài)以及可能存在的問題，然后轉發(fā)至上層系統(tǒng)處理。

澳大利亞電力公司設有對口部門負責整體輸電網絡的運行維護，采用一體化管控、分別控制的兩級管理模式。根據自身實際情況，加強基層電網自主控制，降低整體管控負荷，提高運行效率。澳大利亞電力公司采用輸電線路防盜報警監(jiān)控系統(tǒng)，完成了線路監(jiān)測的實時化、智能化、自動化，大幅提升了運維人員的工作效率，且降低了出錯幾率。

英國國家電網公司通過在線監(jiān)測系統(tǒng)實施輸電線路環(huán)境管控、預防性檢修、輸電線路改造、輸電裝置更新等方式保障輸電線路的高可用性。在提高監(jiān)測系統(tǒng)自動化程度的同時，首先在人員管理考核機制上，將關鍵運維參數納入績效指標考核來提高管理水平，例如輸電線路故障率、事故處理響應時長等。其次，采用定期巡檢方式，及時發(fā)現問題，預防性地對線路進行維護。

文獻[3]在解決印刷和制版行業(yè)車間調度問題時。提出了基于 NSGA-II 的快速最優(yōu)遺傳算法。為避免陷入局部最優(yōu)解，該算法的初始種群一部分隨機生成，一部分使用禁忌搜索算法生成的部分種群，最后經過實驗證明對這種算法求解效率的可用性及高效性。文獻[4]提出了基于遺傳算法的路徑選擇和通行能力分配問題的綜合優(yōu)化算法，并將該算法用于解決當前大規(guī)模計算機通信網絡中鏈路容量的分配和路由的選擇問題，并通過實驗證明了基于該算法可以節(jié)省大量的帶寬并降低信號延遲。文獻[5]提出了在移動范圍和時間雙重約束下靈活作業(yè)車間調度問題求解模型。采用基于禁忌搜索的遺傳算法，解決了資源分配和資源排序問題。

1.2 國內發(fā)展現狀

我國南方電網自2004年開始首先采用直升機巡線，開創(chuàng)了輸電線路巡檢的新局面。此后隨著無人機技術的發(fā)展與進步，我國低空空域的不斷開放，無人機巡檢逐步應用到實際工作當中。2013年，國家電網開始在多個省份試點運行直升機、無人機以及人工相結合巡檢工作模式，從中總結經驗教訓，完善電力巡線標準體系。由此開始，“人巡為主，機巡為輔”逐漸向“機巡為主，人巡為輔”轉變。2020年南方電網公司依據各地市供電局提供的待巡線路需求，結合線路運維策略、人機資源、機巡區(qū)域天氣數據以及地理特征等信息，規(guī)劃出直升機+固定翼飛機相結合的機巡計劃方案?；就瓿闪恕皺C巡為主，人巡為輔”的輸電線路協(xié)同巡檢目標。

文獻[6]提出了基于多種群連續(xù)遺傳算法的機器人逆運動學算法。使用多種群算法避免了遺傳算法容易陷入局部最優(yōu)值的缺陷，提高了收斂精度；通過連續(xù)遺傳算法，加快了收斂速度。文獻[7]采用改進布谷鳥搜索算法求解多任務分配及路徑規(guī)劃問題。改進的策略中融合了遺傳算子、2-opt、模擬退火算法。文獻[8]通過選擇和變異操作采用自適應調整的方法對傳統(tǒng)的遺傳算法進行了改進，提高了遺傳算法的尋優(yōu)效率。通過引入模擬退火算法的Metropolis 準則，避免了陷入局部最優(yōu)值的問題。文獻[9-12]針對不同的問題，在傳統(tǒng)遺傳算法的基礎上引入其他算法，通過對問題的建模與求解，均證實了遺傳算法在解決NP問題上的可行性。

人工編排機巡調度計劃的方式已逐漸無法滿足中心未來的機巡作業(yè)管理需求，迫切需要機巡作業(yè)計劃管理向著自動化、智能化方向發(fā)展。本文將通過研究機巡計劃智能調度和風險管理技術，引入多目標多約束規(guī)劃方法，實現機巡計劃編排的自動化、智能化，以減輕人員工作負荷，提升機巡資源使用效率以及機巡作業(yè)效果。

2 電力網絡機巡智能調度編排系統(tǒng)原理及結構

按照《2019版廣東電網有限責任公司-輸電線路運維策略及管控機制實施細則》，年度計劃中，運維策略主要考慮日常巡維。

日常運維是指按照日常巡視計劃定期對輸電線路開展的檢查及維護工作。與機巡相關的運維策略如表1所示。具體的，直升機精細化巡視周期是一年一次，通道巡視周期是三月一次。實施細則中對“通道巡視”的工作要求中有“在通道巡視周期內完成一次直升機精細化巡視可代替一次通道巡視”，說明年度計劃中通過合理的規(guī)劃“直升機精細化巡視”和“通道巡視”周期，能利用直升機精細化巡視代替一次通道巡視，輸電線路的年度巡視次數應為四次。

表1 輸電線路日常巡視運維策略表

在年度計劃編排方案中，按照要求：

1)在每一地市輸電線路需完成1次直升機精細化巡視，1次直升機通道巡視，2次固定翼通道巡視；

2)直升機在地市之間的調機作業(yè)距離最短；

3)滿足時間約束：指定運維時間約束和禁止運維的時間約束；

(1)指定運維時間：某一地市要求在指定的時間段內進行一次直升機精細化巡視；

(2)禁止運維時間：某一地市禁止在指定的時間段有巡視作業(yè)。

4)同一地市不同巡視任務應在這一年度計劃中均勻分布。

5)同一地市相鄰巡視任務時間間隔應滿足最小時間間隔；

6)直升機精細化機隊之間總工作時長盡量均衡。

7)應考慮到季節(jié)對巡視作業(yè)的影響，即不同地區(qū)在不同的季節(jié)可用于巡視的天數不同。

綜上，設計電力網絡機巡智能調度編排系統(tǒng)整體結構，如圖1所示。

圖1 電力網絡機巡智能調度編排系統(tǒng)整體結構

3 機巡計劃模型搭建

在上述電力網絡機巡智能調度編排系統(tǒng)整體結構下，搭建機巡計劃模型。主要設計了直升機精細化作業(yè)工作量模型，整體巡視作業(yè)總量模型及直升機i在地級市之間調機作業(yè)距離模型，得到其目標函數，并基于遺傳算法的實現目標模型尋優(yōu)。

3.1 符號說明

w

:子目標函數

i

的權重比例。

HFL

:地市

i

需要直升機精細化巡視作業(yè)的線路長度。

HTL

:地市

i

需要直升機通道巡視作業(yè)的線路長度。

FTL

:地市

i

需要固定翼通道巡視作業(yè)的線路長度。

HFSt

:直升機精細化巡視在地市

i

開始作業(yè)的時刻。

HTSt

:直升機通道巡視在地市

i

開始作業(yè)的時刻。

HR

:直升機

i

作業(yè)任務地市順序集合。

FR

:固定翼作業(yè)任務地市順序集合。

HFE

:直升機精細化巡視作業(yè)效率(千米

/

天)。

HTE

:直升機通道巡視作業(yè)效率(千米

/

天)。

FTE

:固定翼通道巡視作業(yè)效率(千米

/

天)。

AppDay

:地市

i

指定運維時間段，在該時段內需完成一次精細化巡視。

ForbidDay

:地市

i

禁止運維時間段，在該時段內不得有運維任務。

TMinInvl

:最小機巡時間間隔。

f

(

x

):布爾函數表達式，當

x

為真時

f

(

x

)=0，否則

f

(

x

)=1。

3.2 目標函數的確定

直升機

i

精細化作業(yè)工作量:

(1)

直升機

i

通道作業(yè)工作量:

(2)

固定翼通道作業(yè)工作量:

(3)

整體巡視作業(yè)總量:

WorkLoad

=∑=1

HFWl

+∑=1

HFWl

+

FTWl

(4)

直升機

i

在地級市之間調機作業(yè)距離:

(5)

直升機總調機作業(yè)距離目標函數:

(6)

直升機精細化巡視工作量方差:

(7)

直升機通道巡視工作量方差:

(8)

地市

i

相鄰巡視任務開始時間的差值總和:

(9)

所有地市巡視任務之間均勻分布目標函數:

(10)

地市

i

指定運維時間目標函數:

f

(

HFSt

∈

AppDay

)

(11)

地市

i

禁止運維時間目標函數:

f

((

HFSt

∪

HTSt

∪

FTSt

)?

ForbidDay

(12)

運維時間約束函數:

OperT

=∑=1

f

(

HFSt

)∈

AppDay

)+

f

((

HFSt

∪

HTSt

∪

FTSt

)?

ForbidDay

)

(13)

地市運維最小時間間隔目標函數:

TMinInvl

)

(14)

總體目標函數為:

Z

=

min

·(

w

HDis

+

w

HFS

+

w

HTS

+

w

StD

+

w

OperT

+

w

Tinvl

)

(15)

4 基于遺傳算法的機巡智能調度編排系統(tǒng)設計

因考慮到固定翼飛機數量足夠，因此在設計遺傳算法時，只考慮數量有限的用于精細化作業(yè)的直升機以及通道作業(yè)的直升機。在完成上述兩種作業(yè)直升機的編排后，根據直升機作業(yè)任務的間隔，補充固定翼飛機完成剩余的通道巡視作業(yè)。

在進行遺傳算法的迭代過程中，因作業(yè)性質不同，只有同類的編碼可以進行交叉、變異互換，即對于作業(yè)地市順序編碼，某地市的精細化巡視只能與其他地市的精細化巡視互操作，某地市的通道巡視只能與其他地市的通道化巡視互操作；直升機選擇編碼中用于精細化的直升機只能與其他精細化直升機互操作，通道作業(yè)直升機只能與其他通道作業(yè)直升機互操作。

表2 作業(yè)地市順序編碼

表3 直升機選擇編碼

4.1 種群示例

表4 作業(yè)地市順序種群

表5 直升機選擇種群

4.2 交叉操作

作業(yè)地市順序：采用兩點交叉，隨機生成兩個位置，交叉兩個基因在這個位置之間的基因，并刪去重復，補全缺失。

直升機選擇：互換任務基因的執(zhí)行機器編碼。

4.3 變異操作

作業(yè)地市順序：隨機生成兩個位置，交換兩個位置的任務編碼。

直升機選擇：隨機生成位置，如果該任務編碼可由多個機隊中的任意一個執(zhí)行，隨機生成新的機器編碼。

4.4 禁忌搜索

在年度計劃優(yōu)化中，可選參數多，搜索空間大，容易導致算法執(zhí)行時間長，優(yōu)化效率低，甚至陷入局部最優(yōu)解。故進一步采用禁忌搜索算法，對個體進行搜索改進，以種群進化結合個體進化的方式，提升算法的求解性能。

禁忌搜索算法采用鄰域選優(yōu)的搜索方法，為了避免循環(huán)，算法將最近接受的一些移動放在禁忌表中，在以后的迭代中加以禁止。即只有不再禁忌表中的較好解(可能比當前解差)才能接受作為下一代迭代的初始解。隨著迭代的進行，禁忌表不斷更新，經過一定的迭代次數后，最早進入禁忌表的移動就從禁忌表中解禁退出，迭代直至得到符合條件的可行解或者達到結束條件。

4.5 整體算法流程

如圖2所示。

圖2 算法流程

5 實驗結果與分析

5.1 實驗對象

廣東各地市的2019年輸電線路運維需求如表6所示。

在制定的2019年年度計劃中，共使用了2架直升機精細化巡視，1架直升機快巡。

以百度地圖為數據來源，以韶關市為原點，建立19個地市的相對坐標如表7所示。

表6 2019年地市輸電線路運維需求 (單位：千米)

以表7中的相對坐標數據，畫出各地市的分布圖如圖3所示。

機巡任務受天氣影響明顯，在雨雪等天氣無法正常執(zhí)行任務。以下為各地市近年的歷史天氣數據，以月為單位，計算每個月中適合執(zhí)行機巡任務的天氣所在的天數，部分統(tǒng)計結果如表 8所示。

根據歷史運維經驗，本文做如下假定：

1)直升機精細化巡視的效率為150千米/天；

表7 地市相對坐標 千米

圖3 各地市相對位置

表8 各月份適合執(zhí)行機巡任務天數所占的比例

2)直升機通道巡視效率為450千米/天；

3)固定翼通道巡視的效率為90千米/天；

4)受軍事活動等其他用戶占用空域影響，一個月有15天能申請到空域，執(zhí)行巡視任務；

其他要求：

1)湛江、茂名、陽江、江門中應該有一個地市的直升機精細化巡視是在7～9月；惠州、汕尾、揭陽、汕頭中應該有一個地市的直升機精細化巡視是在7～9月。

2)禁止運維時間：湛江3～4月禁止執(zhí)行直升機巡視。

5.2 實驗結果

本文采用Matlab編制求解算法，迭代情況如圖4所示。

圖4 算法迭代結果

由圖中可以看出在迭代大約60次之后，遺傳算法已經穩(wěn)定找到最優(yōu)解。

2架精細化作業(yè)直升機以及1架通道作業(yè)直升機工作量分布圖如圖5所示，各機隊的巡視工作量如表 9所示。

圖5 最優(yōu)結果

表9 各機隊工作量

分析上述實驗結果可知，其中精細化作業(yè)直升機工作量分別為136天,150天。精細化作業(yè)直升機1工作量達到了精細化作業(yè)直升機2工作量的90.67%，同類型機型之間，工作量比較均衡。本文采用禁忌搜索算法結合遺傳算法智能調度年檢計劃的實施，能夠通過最小迭代次數得出最優(yōu)調度結果。

各地市機巡計劃甘特圖如圖6所示。

圖6 各地市機巡計劃甘特圖

如圖6所示，每一地市輸電線路均包含1次直升機精細化巡視，1次直升機通道巡視，2次固定翼通道巡視，且不同巡視任務應在這一年度計劃中均勻分布。其中，陽江的直升機精細化巡視是在7～9月；揭陽的直升機精細化巡視是在7～9月，滿足指定運維時間需求。湛江3～4月無直升機巡視計劃，滿足禁止運維時間需求。

本文所設計系統(tǒng)采用遺傳算法時對直升機進行編排后，采用禁忌搜索算法求解符合各地巡視條件的最優(yōu)機巡計劃。為此所設計電力網絡機巡智能調度編排系統(tǒng)能夠滿足各城市年檢的個性化需求，具有一定的實際應用性。

6 結束語

在實際的機巡作業(yè)編排過程中，實際工作需求要比常規(guī)的NP問題更加多樣化，各變量之間的關系也更復雜。而且隨著輸電網絡不斷擴展，人工編排已經完全不能滿足機巡計劃的要求。此時需通過借助算法將計劃編排轉化為NP問題，并在NP問題的基礎上增加特性需求，例如指定運維時間、禁止運維時間等。傳統(tǒng)算法通過枚舉或者分支定界法理論上可以得出全局最優(yōu)解，但是隨著機隊數量的增加，求解時間會呈現指數級增長，因此不能采用傳統(tǒng)算法進行求解。遺傳算法根據大自然的演變規(guī)律提出，用目標函數來體現優(yōu)勝劣汰機制，在解決復雜的組合優(yōu)化問題時，通常能夠比傳統(tǒng)算法更快地獲得較好的優(yōu)化結果。而禁忌搜索算法的引入，通過維護禁忌表，避免了遺傳算法容易陷入局部最優(yōu)解情況的發(fā)生。兩者相結合達到了很好的收斂精度以及收斂速度。