一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方法

一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方法，應用粗糙集理論對指標集進行約簡；采用主觀權重和客觀權重相結合的方法，確定評價指標權重；根據建立的評價等級集，運用模糊數學方法綜合評價計算塔材實際強度，可解決演化過程中影響塔材強度因素效度不清晰這一典型不確定性問題。該方法可為鐵塔結構安全評估提供重要的科學判據。
【專利說明】一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及輸電桿塔結構強度評價計算領域，特別適用于在復雜自然環境下長期 運行的輸電桿塔結構安全評價。

【背景技術】
[0002] 線路結構安全的本質是一個不確定性狀態空間的演化過程，狀態的演化（轉移） 過程具有隨機性，其中表征桿塔塔材實際機械強度的特征信息具有不精確性，影響因素的 作用效度也不清晰，運行狀態的定義及外延具有模糊性，狀態評判的專家知識具有不完備 性，所以對線路塔材強度的評價與計算是一個復雜的不確定性問題。
[0003] 模糊綜合評價以模糊數學為基礎，其基本思想是利用模糊轉換原理，通過隸屬度 理論把定性評價轉化為定量評價，考慮各個相關因素，從最低級層次的各個因素進行綜合 評價，依次向上，直到最高的目標層，從而對受到多種因素制約的事物或對象做出一個相對 客觀、正確、符合實際的評價，進而解決具有模糊性的實際問題。它具有結果清晰、系統性強 的特點，能較好地解決模糊、難以量化的問題，適合多種非確定性問題的解決。
[0004] 模糊綜合評價應用于桿塔塔材強度評估上也存在一些缺點：首先，影響塔材強度 的因素很多，而傳統的模糊綜合評價需要對全部評價指標進行計算，所以計算較復雜，而且 可能因為各因素權重小而造成的嚴重失真現象或多峰值現象；其次，對于指標權重確定的 確定，由于各專家的評判標準等有不同，最終結果也會有差異，所以主觀性較強。本發明基 于粗糙集理論對指標集進行約簡，約簡后結合層次分析法和模糊集方法進行綜合評價，避 免了傳統的模糊綜合評價存在的一些缺點。所提方法有效的解決了在復雜自然環境下長期 運行的輸電桿塔結構安全評價問題。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的在于：提出一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方 法，可直接為評估輸電線路鐵塔安全評價提供必要判據。
[0006] -種長期運行輸電桿塔塔材的實際強度評估方法，其特征在于：包括如下步驟：
[0007] 步驟1 :指標集約簡；
[0008] 步驟2 :因素集權重確定；
[0009] 步驟3 :隸屬函數確定；
[0010] 步驟4:實際強度評估。
[0011] 所述步驟1中的指標集約簡，主要對由氣象區條件、亞強度損傷、導線應力及機 械振動三大類因素構成的指標集，三類影響因素集表示為U= 。其中：1^ = {un，u12, u13, u14, u15}，un為風速(最大風)，u12為大氣溫度(最低溫)，u 13為年平均氣溫， u14為覆冰厚度（最厚覆冰），u15為年雷暴日天數。U2 = {u21, u22, u23, u24, u25, u26}，u21為運 行時間，U22為彎曲修復次數,u 23為裂痕修復次數,u24為雷電或故障電流損傷次數，u25為重 覆冰疲勞次數，U 26為平均運行應力/最大運行應力。U3 = {u31，u32, u33, u34}，u31為導線分裂 數，U32為風向與線路角，u33為地表面粗糙程度，u34為鋼材銹蝕量。運用粗糙集進行指標集 約簡，屬性重要度定義為：
[0012] U/R= {{1,7}, {2,4}, {3,6,8}, {5}}
[0013] U/(R-{un}) = {{1,3,5,7,81, {2,4}}
[0014] U/(R-{u12}) = {{1,2,4,5,71, {3,6,8}}
[0015] U/(R-{u13}) = {{1,7}, {2,4}, {3,6,8}, {5}}
[0016] U/(R-{u14}) = {{1,5,7}, {2,4}, {3,6,8}}
[0017] U/(R-{u15}) = {{1,7}, {2,4}, {3,6,8}, {5}}
[0018] U/(R-{u13,u15}) = {{1,7}, {2,4}, {3,6,8}, {5}}
[0019] U/R 尹 U/ (R- {un})
[0020] U/R ^ U/(R-{u12})
[0021 ] U/R 尹 U/ (R- {u14})
[0022] U/R = U/ (R- {u13}) = U/ (R- {u15}) = U/ (R- {u13, u15})
[0023] 經過屬性重要度約簡計算，u13、u15指標是冗余的，同理，分別對亞強度損傷因素和 導線應力及機械振動因素進行屬性重要度約簡，得到最終評價指標為：U= ，其 中 U! = {un，u12, u14}，U2 = {u21，u22, u23, u24, u25}，U3 = {u31，u32, u33, u34};
[0024] 所述步驟2中的因素集的指標權重確定，采用主觀權重和客觀權重相結合的方 法，確定評價指標權重，結合主觀和客觀影響使強度評估結果更科學，本發明提出的桿塔塔 材的實際強度評估的RS權重和MAHP權重優化組合算法如下：
[0025] w = μ W!+(l-U )w2
[0026] 其中，μ (0〈 μ〈1)為權重因子，反映評價過程中RS權重和MAHP權重的重要程度。 w為RS和MAHP組合下的權重值，Wl為RS下的權重值，w2為MAHP下的權重值。
[0027] 1)粗糙集模型建立：
[0028] 一個信息系統S可以表示為一個四元組S = {Us，Rs，Vs，fs}。其中，Us是全域（對 象構成的集合，u s = {Xl，x2,. . .，xm}) ;RS是屬性集；VS是屬性值的集合；fs從USXR S到Vs的 信息函數。設屬性集合S￡&，Us/IND(B) = {Xl x2…xm}，則B的信息量定義為：
[0029]

【權利要求】
1. 一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方法，其特征在于：包括如下 步驟： 步驟1:指標集約簡； 步驟2:因素集權重確定； 步驟3 :隸屬函數確定； 步驟4:實際強度評估。
2. 根據權利要求1所述的一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方法， 其特征在于：所述步驟1中的指標集約簡，主要對由氣象區條件、亞強度損傷、導線應力及 機械振動三大類因素構成的指標集，三類影響因素集表示為u= 。其中：％ = {un，u12, u13, u14, u15}，un為風速(最大風)，u12為大氣溫度(最低溫)，u 13為年平均氣溫， U14為覆冰厚度（最厚覆冰），u15為年雷暴日天數。U2 = {u21, U22, U23, U24, U25, U26}，U21為運 行時間，U22為彎曲修復次數,u23為裂痕修復次數,u24為雷電或故障電流損傷次數，u 25為重 覆冰疲勞次數，U26為平均運行應力/最大運行應力。U3 = {u31，u32, u33, u34}，u31為導線分裂 數，U32為風向與線路角，u33為地表面粗糙程度，u34為鋼材銹蝕量。運用粗糙集進行指標集 約簡，屬性重要度定義為： U/R = {{1,7}, {2,4}, {3,6,8}, {5}} U/(R-{un}) = {{1,3,5,7,8}, {2,4}} U/(R-{u12}) = {{1,2,4,5,7}, {3,6,8}} U/(R-{u13}) = {{1,7}, {2,4}, {3,6,8}, {5}} U/(R-{u14}) = {{1,5,7}, {2,4}, {3,6,8}} U/(R-{u15}) = {{1,7}, {2,4}, {3,6,8}, {5}} U/(R-{u13,u15}) = {{1,7}, {2,4}, {3,6,8}, {5}} U/R^U/(R-{un}) U/R^U/(R-{u12}) U/R^U/(R-{u14}) U/R = U/(R-{u13}) = U/(R-{u15}) = U/(R-{u13，u15}) 其中R為因素的屬性值的集合；經過屬性重要度約簡計算可知指標u13、u15是冗余 的，同理，分別對亞強度損傷因素和導線舞動及微風振動因素進行屬性重要度約簡，得到 最終評價指標為：u = {Ui, U2, U3}，其中 Ui = {un, u12, u14}，U2 = {u21, u22, u23, u24, u25}，U3 = {U31，U32, U33, U34l。
3. 根據權利要求1所述的一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方法， 其特征在于：所述步驟2中的因素集的指標權重確定，采用主觀權重和客觀權重相結合的 方法，確定評價指標權重，結合主觀和客觀影響使強度評估結果更科學，桿塔塔材的實際強 度評估的RS權重和MAHP權重優化組合算法如下： w = U Wi+Q-li )w2 其中，y (0〈1!〈1)為權重因子，反映評價過程中RS權重和MAHP權重的重要程度。w為 RS和MAHP組合下的權重值，Wl為RS下的權重值，w2為MAHP下的權重值； 1)粗糙集模型建立： 一個信息系統S可以表示為一個四元組S = {Us，Rs，Vs，fj。其中，Us是全域對象構成 的集合，us = {Xl，x2,. . .，xm}) ;RS是屬性集；VS是屬性值的集合；fs從USXR S到Vs的信息函 數。設屬性集合慫，US/IND⑶={Xl x2…xm}，則B的信息量定義為：
其中，|Xj表示等價類集合\的基數； 把B中去掉{bj后所引起的信息量變化的大小定義為{bj的屬性重要度，{bj重要度 可表不為： S/Gk ]h](bi) = I(B)-I(B-{bi}) 屬性{bj的權重定義為：
2)MAHP權重確定： (1) 通過以上公式建立層次結構； (2) 構造判斷矩陣； 判斷矩陣P確定方法：Pi，Pj (i, j = 1，2,…，n)表示同一層次評價指標，對兩個指標進 行比較，表示Pi對h的相對重要性數值； (3) 求出判斷矩陣P的最大特征值A max及其對應的特征向量W，W歸一化即為該 層次因素的權重w，由判斷矩陣P計算最大特征值A max = 3. 0053及相應特征向量W = (0? 4185, 0? 5500, 0? 7228)，歸一化得到各因素的權重為 w =(0? 2474,0? 3252,0? 4274); (4) 一致性校驗。一致性校驗的步驟如下： ； -n 3 0053-3 a) 計算一致性指標 Cl，C/ == --- -0.00265 ； n - 1 3-1 b) 依據n = 3查表得到平均隨機一致性指標RI = 0. 58 ; C)計算一致性比例(7 = € = '^^ = ().〇〇46:若CR〈0. 10時，認為判斷矩陣的一致 KI U. jo 性 是可以接受的，否則應對判斷矩陣作適當的修正： (5) 重復上述步驟得到各個一級指標和二級指標的權重。
4.根據權利要求1所述的一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方法， 其特征在于：所述步驟3中的隸屬度函數可以得到某種因素對桿塔塔材實際強度的影響程 度，將不確定性的因素清晰化，本發明提出的桿塔塔材的實際強度評估的隸屬度函數采用 高斯模型如下：
式中：ru表示第i種因素對第j級評價等級的隸屬度；Xi表示第i種因素實際發生值； 表示第i種因素在第j級評價標準的標準值；i = 1，2,. . .，m ; j = 2, 3,. . .，n-1。
5.根據權利要求1所述的一種基于粗糙模糊集的輸電桿塔塔材強度評估和計算方法， 其特征在于：所述步驟4中的實際強度評估，根據建立的評價等級集，運用模糊綜合評價計 算的塔材實際強度值，本發明提出的桿塔塔材的實際強度的模糊綜合評價方法如下： a) -級模糊綜合評價： 由隸屬度函數得到因素A的評價模糊關系氏，表示在因素仏中二級第k種因素 對第j級評價標準的隸屬度，對每個因素進行一級模糊綜合評價，評價結果記為&，即： (
b) 二級模糊綜合評價： 在一級模糊綜合評價的基礎上，將評價向量B',合成為R，其中R為因素集U到評價 集Y的模糊關系矩陣，即綜合評價變換矩陣。進行二級模糊綜合評價，記為B，即： 兵屮出！ = ? ru+A2 ? r2i十…十Am ? L。
再將B歸一化得到最終的模糊評價向量B'，B'記B' =[b' : b' 2…b' n]，其中：
【文檔編號】G06F19/00GK104281773SQ201410423096
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年8月26日 優先權日:2014年8月26日
【發明者】傅靖, 陳國華, 朱富云, 徐劍峰, 葛樂, 龔燈才, 朱張蓓, 鞠易, 孫玉瑋 申請人:國家電網公司, 江蘇省電力公司, 江蘇省電力公司南通供電公司