一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算系统及估算方法技术方案

本发明专利技术提供一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算系统，包括：(1)数据采集器，采集风电场场内道路地理场景的完备三维地形数据；(2)数字地形模型生成器，建立基于地形模型无缝套合的风电场三维场模型；(3)路径规划器，基于A*寻径算法，综合距离最短、坡度最优、升压站建设道路填挖方最少三个参数，自适应的生成施工线路设计方案；(4)升压站位置计算器，用于在获得最短的施工道路设计方案基础之上，计算通达各风机位点的平均最短距离，应用最小平均距离算法，以确定升压站的最优选址；(5)施工土方量计算器，用于施工道路和升压站建设的施工土方量的智能估算。还公开了相应的施工道路和升压站建设土方量估算方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算系统及估算方法
本专利技术涉及一种风电开发
，特别是风力发电行业风电场道路建设施工过程中升压站选址，属于风电市场精益开发

技术介绍
风电场是风电企业的基本运行管理单位，风电场的运行管理直接影响风电企业的效益。随着各风电企业装机容量的不断扩展，风电场数量的不断增加，原有的风电场诸如被动型、间断型和粗放型运维方式已经慢慢转变为主动、持续和精益化运维方式。在转变过程中，各具特色的数字化风电场概念被提出，并建立了一些示范工程，取得了一定的创新和效果，然而，这些数字化风电场都是侧重于风电场侧的风机监控、运维和检修方面，更多的是实现对风电机组的自动化管控，而在风电项目开发初期的一些很重要的步骤关注不多，从而带来更多的风电项目风险和项目实施的实际难度。如风电场建设初期道路的选线和升压站的选址，这些建设都涉及很多填挖工程，现在风电场建设初期选线和选址最为常见的算法是A*算法。A*算法与状态空间搜索结合的相当紧密。状态空间搜索，就是将问题求解的过程表现为从初始状态到目标状态寻找这个路径的过程，通俗的说就是在解一个问题的时候找到一条解题过程可以从求解的开始到问题的结束。由于求解过程中求解条件的不确定与不完备性使得问题的求解过冲中的分支有很多，这就产生了多条求解的路径，这些路径过程一个图这个图就是状态空间。问题的求解时机上就是在这个图中找个一个路径可以从开始到结束，这个过程就是状态空间搜索。常用的状态空间搜索有深度优先和广度优先，广度优先是从初始状态一层一层的向下找，直到找到结果目标为止，深度优先是按照一定的顺序先查找完一个分支再查找另一个分支，直到找到目标结果为止。这两种搜索方法有的很大缺陷是它们都是在一个给定的状态空间中穷举，这在状态空间不大的情况下是很适合的算法，但是当空间很大并且不可预测的情况下就不可取，这两种算法的效率太低甚至有时是无法完成，所以要用到另一种算法，即启发式搜索。启发式搜索就是在状态空间中对每一个搜索为止进行评估，直到找到最好的为止，再从这个位置进行搜索直到目标位置为止，在启发式搜索中对为止的评估是十分重要的，采用不同的估价可能有不同的结果。启发式搜索其实也有很多算法，比如局部择优搜索，最好优先搜索，A*等，这些算法在目前风电场建设施工过程中升压站选址中都有所涉及，这些算法都启用了启发函数，但在具体的选取最佳搜索节点时的策略不同。比如局部择优算法就是在搜索的过程中选取了最佳节点候舍弃了其他的兄弟节点，父亲节点并且一直搜索下去。这种搜索结果很明显，由于舍弃了其他的节点因此可能也把最佳的节点舍去。A*算法在搜索的时候并没有舍去节点，除非该节点是死节点。在每一步的估价中都把当前的节点和以前的节点的估价值进行比较从而得到最佳节点，这样防止了最佳节点的丢失。A*算法属于一种最好优先的算法，然而由于其加上了一些特定的约束条件，而如果希望用最快的方法求解出风电场状态空间搜索的最短路径和最优路径，该算法就不能完全满足寻径要求了。风电场场内施工道路需要选择交通相对便利的区域，有利于施工的设备材料、大型设备的运输以及减少进站道路投资，在目前风电场建设升压站位置的选取过程中，三维地形数据的应用较少，而基于风电场场内施工道路自动选线获得施工土方量的估算值更未见报道。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题提出本专利技术，本专利技术的基本设计思路在于：结合三维地理信息系统技术在空间信息定量分析与可视化方面的巨大优势，基于无人机航空摄影测量采集到的大范围地形影像数据，利用A*寻径算法和最小平均距离算法，综合考虑坡度最优、土石方量最小、线路最短等因素，自适应的生成施工道路最优线路设计方案，同时获得道路最短的线路设计方案基础之上，计算通达各风机位点的平均最短距离，应用最小平均距离算法，以确定升压站的最优选址，最后综合估算施工道路和升压站建设的施工土方量。在风力发电行业有着广泛的应用范围和前景，是未来“数字风电场”建设和发展的方向。本专利技术提供一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算系统，该系统包括：(1)数据采集器，用于采集风电场场内道路地理场景的完备三维地形数据；(2)数字地形模型生成器，用于建立基于地形模型无缝套合的风电场三维场模型；(3)路径规划器，基于A*寻径算法，综合距离最短、坡度最优、升压站建设道路填挖方最少三个参数，自适应的生成相应的成本最优、坡度符合要求而距离最短的施工线路设计方案；(4)升压站位置计算器，用于在获得最短的施工道路设计方案基础之上，计算通达各风机位点的平均最短距离，应用最小平均距离算法，以确定升压站的最优选址；(5)施工土方量计算器，用于施工道路和升压站建设的施工土方量的智能估算。优选的，所述系统还包括：(6)交互设备，用户使用所述交互设备提供升压站施工道路路宽、坡度和/或转弯半径阈值的交互式输入作为约束条件，从而在施工道路设计升压站选址中规避超过上述阈值的弯道，在保证安全性和通达性的前提下选取符合路宽、坡度要求和/或弯道最少的施工线路和升压站选址。优选的，所述系统还包括：(7)显示器及接口，用于显示风电场场内施工道路自动选线、升压站的二维施工图以及备选方案施工土方量的估算值。优选的，所述数据采集器采用无人机，利用航空摄影测量技术，实现由点到面、由面到带的风电场高精度地形影像数据获取。本专利技术的目的还在于提供一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算方法，包括如下步骤：(1)数据采集，采集风电场场内道路地理场景的完备三维地形数据，利用无人机航空摄影测量技术，实现由点到面、由面到带的风电场高精度地形影像数据获取；(2)建立基于地形模型无缝套合的风电场三维场模型；(3)根据风电行业不同需求来动态调整影响施工道路和升压站建设因子的成本函数，引入成本函数把不同影响施工道路和升压站建设因子对线路规划的影响程度进行量化；(4)基于A*寻径算法，综合距离最短、坡度最优、升压站建设填挖方最少三个参数，自适应的生成相应的成本最优、坡度符合要求而距离最短的施工道路设计方案；(5)在最优施工道路设计基础之上，计算通达各风机位点的平均最短距离，应用最小平均距离算法，以确定升压站的最优选址；(6)估算施工道路和升压站建设的施工土方量。优选的，所述步骤(2)包括：对风电场地形影像数据进行一体化建库管理，采用“均匀分块+金字塔分层”技术对地形数据进行组织划分，快速建立风电场三维场景。优选的，所述步骤(3)成本函数的计算方法如下：(3.1)使用欧几里得距离来计算三维空间中i(xi,yi.zi)，j(xj,yj.zj)两节点的距离(3.2)设fslope_1(dis)表示纵坡的成本函数，起始点到风机位点的坡度为α，节点间的坡度为βn，其中n∈V，则纵坡的成本函数：(3.3)设fslope_c(dis)表示横坡的成本函数，横向坡度为γ，则横坡的成本函数：(3.4)设fearthwork(dis)表示升压站土石填挖方的成本函数，连接节点i，j之间的直线为Lij，令每次搜索线所在的地形剖面线为Dij，其高于Lij的部分为挖方量(记为Δ挖)，低于Lij的部分为填方量(记为Δ填)，用节点i，j连接所得的直线剖面线构成的三角形SLij来衡量多余的工程量，即升压站建设道路土石填挖方的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算系统，其特征在于包括：(1)数据采集器，用于采集风电场场内道路地理场景的完备三维地形数据；(2)数字地形模型生成器，用于建立基于地形模型无缝套合的风电场三维场模型；(3)路径规划器，基于A*寻径算法，综合距离最短、坡度最优、升压站建设道路填挖方最少三个参数，自适应的生成相应的成本最优、坡度符合要求而距离最短的升压站建设线路设计方案；(4)升压站位置计算器，用于在获得最短的升压站建设道路设计方案基础之上，计算通达各风机位点的平均最短距离，应用最小平均距离算法，以确定升压站的最优选址；(5)施工土方量计算器，用于施工道路和升压站建设的施工土方量的智能估算。

【技术特征摘要】
1.一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算系统，其特征在于包括：(1)数据采集器，用于采集风电场场内道路地理场景的完备三维地形数据；(2)数字地形模型生成器，用于建立基于地形模型无缝套合的风电场三维场模型；(3)路径规划器，基于A*寻径算法，综合距离最短、坡度最优、升压站建设道路填挖方最少三个参数，自适应的生成相应的成本最优、坡度符合要求而距离最短的升压站建设线路设计方案；(4)升压站位置计算器，用于在获得最短的升压站建设道路设计方案基础之上，计算通达各风机位点的平均最短距离，应用最小平均距离算法，以确定升压站的最优选址；(5)施工土方量计算器，用于施工道路和升压站建设的施工土方量的智能估算。2.根据权利要求1所述的一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算系统，其特征在于还包括：(6)交互设备，用户使用所述交互设备提供升压站施工道路路宽、坡度和/或转弯半径阈值的交互式输入作为约束条件，从而在施工道路设计和升压站选址中规避超过上述阈值的弯道，在保证安全性和通达性的前提下选取符合路宽、坡度要求和/或弯道最少的施工线路和升压站选址。3.根据权利要求1所述的一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算系统，其特征在于还包括：(7)显示器及接口，用于显示风电场场内施工道路自动选线、升压站的二维施工图以及备选方案施工土方量的估算值。4.根据权利要求1所述的一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算系统，其特征在于：所述数据采集器采用无人机，利用航空摄影测量技术，实现由点到面、由面到带的风电场高精度地形影像数据获取。5.一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算方法，使用根据权利要求1-4任一所述的一种基于风电场场内施工道路自动选选线的土方量估算系统，其特征在于包括如下步骤：(1)数据采集，采集风电场场内道路地理场景的完备三维地形数据，利用无人机航空摄影测量技术，实现由点到面、由面到带的风电场高精度地形影像数据获取；(2)建立基于地形模型无缝套合的风电场三维场模型；(3)根据风电行业不同需求来动态调整影响施工道路和升压站建设因子的成本函数，引入成本函数把不同影响施工道路和升压站建设因子对线路规划的影响程度进行量化；(4)基于A*寻径算法，综合距离最短、坡度最优、升压站建设填挖方最少三个参数，自适应的生成相应的成本最优、坡度符合要求而距离最短的施工道路设计方案；(5)在最优施工道路设计基础之上，计算通达各风机位点的平均最短距离，应用最小平均距离算法，以确定升压站的最优选址；(6)估算施工道路和升压站建设的施工土方量。6.根据权利要求5所述的一种基于风电场场内施工道路自动选线的土方量估算方法，其特征在于所述步骤(2)包括：对风电场地形影像数据进行一体化建库管理，采用“均匀分块+金字塔分层”技术对地形数据进行组织划分...

【专利技术属性】
技术研发人员：张越，牛清华，谢潇，王鸿田，王乾坤，朱庆，许洪基，
申请(专利权)人：北京天润新能投资有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11