一种海底电缆路径优化设计方法、设备与流程

1.本发明涉及一种海底电缆路径优化设计方法、设备，属于海底电缆路径设计领域。


背景技术：

2.海底电缆着陆点和路线设计直接决定着海底电缆的安全性和可靠性，因此路线选择是海底电缆设计的关键。海底电缆布线主要基于水文气象条件、海底地形、地貌、电缆长度、安装费用、征海补偿、对周边环境影响等进行综合选择，并给出最优选择方案。
3.目前海底电缆敷设过程中，海底电缆路径选择通常根据起点和终点的坐标，以海底地形图为参考，进行初步设计，并在扫海后又由电气专业工程设计人员按经验进行路径选取。在海底电缆敷设施工过程中，若遇到不利地形区域，则现场进行路径调整，有时受已完成的敷设海底电缆路径影响无法避开，则需要返工或者对不利地形区域进行处理，严重影响施工进度和增加施工成本。这种方法敷设的海底电缆，通常路径不是最短，造成海底电缆路径过长，严重浪费成本，且海底电缆所在区域地形不确定，位于陡峭区域的海底电缆会长期受海水冲刷，容易出现打扭和破损情况，增加后期维护难度。
4.因此，需要一种更可靠的海底路径规划的方法。
5.论文《海底电缆登陆点及路径选择研究》by韩志军.陈光，公开了如下路径选取方案：首先在详细的海图上选出几条走向；其次沿着各条走向用声纳测深仪实测海底地形,用覆盖层探测仪和侧向声纳扫描仪描绘出几十米深的纵断面工程地质图,探明海底泥层的构成、岩性、断层位置以及有无埋设其他管道等,然后将所取得的几条走向资料进行对比和工程论证,以确定最优的路径。
6.公告号为cn105656076b的专利《海上风电场海缆布线的获取方法》包括：根据海上风电场电气连接图，获得海上风电场各节点间的邻接矩阵，以邻接矩阵表示电气连接图中的拓扑方式和节点之间的支路权值；根据dijkstra算法获得最短路径图，并根据支路两端点的最短路径计算每条支路的影响系数；将邻接矩阵中支路的权值乘以对应的影响系数，得到该支路的权值，组成新的邻接矩阵；对得到的新的邻接矩阵，利用prim算法，以树的顶点为主导获得最小生成树w；根据直流潮流方程计算每条海缆的电流值，选择海缆型号，使海缆的载流量参数大于计算出来的电流值，确定每段海缆的参数值，计算该最小生成树的海缆投资成本。该方案中寻求连接风电场多个节点的最佳路径，未给出海缆在指定起点与终点间的铺设方案。


技术实现要素：

7.为了克服现有技术中存在的问题，本发明设计了一种海底电缆路径优化设计方法、设备，先确定施工区域中排除了不利因素的路径走廊，在各路径走廊中计算最短路径，减少了路径搜寻范围，加快路径寻找速度。
8.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
9.技术方案一
10.一种海底电缆路径优化设计方法，包括以下步骤：
11.确定施工区域、起点和终点；
12.在施工区域中划分出若干不利地形区域；
13.针对所述若干不利地形区域，分别生成若干凸壳；
14.将施工区域划分出若干可通行区域：以起点指向终点的方向为第一维度，垂直于第一维度的方向为第二维度；在施工区域中划分出包含凸壳的若干第一多边形，并使各第一多边形第一维度长度最小、第二维度长度最大；将施工区域中除第一多边形外的若干不贯通区域分别选为可通行区域；剔除凸壳，将第一多边形中的若干不贯通区域分别选为可通行区域；
15.以各可通行区域重心为可选路径的计算点位，构建若干可通行路径，所述可通行路径连接施工起点和施工终点；
16.组合某一条可通行路径经过的所有可通行区域，得到该路径的路径走廊，直至得到所有可通行路径的路径走廊；
17.在各路径走廊中寻找最短路径，输出所述最短路径。
18.进一步地，所述在施工区域中划分出若干不利地形区域，具体为：
19.获取施工区域的海底地形图和海底地质图；
20.根据海底地形图和海底地质图，确定不利地形区域位置。
21.进一步地，还包括：若不利地形区域纵向跨越施工区域，则进一步划分该不利地形区域或重新确定海底电缆起点。
22.进一步地，还包括：对施工区域建立网格网络；计算各网格的坡度和起伏度；对坡度和起伏度进行分级；针对坡度和起伏度在预设级别之上的格网，分别生成凸壳。
23.进一步地，在路径走廊中寻找最短路径，具体为：
24.构建空间距离矩阵；
25.从海底电缆起点出发，在路径走廊中计算当前遍历网格到邻近网格的空间距离并根据此次计算得到的空间距离值迭代更新空间距离矩阵；选取空间距离矩阵中最小值对应网格为下一网格；重复上述步骤，直至全部网格完成矩阵构建；根据空间距离矩阵，选取最短路径。
26.进一步地，还包括：
27.对位于东北、西北、东南、西南四个方向的邻近网格，计算空间距离值如下：
[0028][0029]
式中，当前网格高程为h0，邻近网格的高程为h1，格网间距为l；
[0030]
对位于东、西、南、北四个方向的邻近网格，计算空间距离值如下：
[0031][0032]
式中，当前网格高程为h0，邻近网格的高程为h1，格网间距为l。
[0033]
进一步地，还包括对最短路径进行转折角度处理：将转折角≤90
°
的位置用内切圆的曲线化。
[0034]
技术方案二
[0035]
一种海底电缆路径优化设计设备，包括处理器和用于存储所述处理器可执行指令的存储器；所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现以下步骤：
[0036]
确定施工区域、起点和终点；
[0037]
在施工区域中划分出若干不利地形区域；
[0038]
针对所述若干不利地形区域，分别生成若干凸壳；
[0039]
以起点指向终点的方向为第一维度，垂直于第一维度的方向为第二维度；以第一维度长度最小、第二维度长度最大为标准，在施工区域中划分出包含凸壳的若干第一多边形；将施工区域中除第一多边形外剩余不贯通区域分别选为可通行区域；剔除凸壳，将第一多边形中剩余不贯通的区域分别选为可通行区域；
[0040]
以各可通行区域重心为可选路径的计算点位，构建若干可通行路径，所述可通行路径连接施工起点和施工终点；
[0041]
组合某一条可通行路径经过的所有可通行区域，得到该路径的路径走廊，直至得到所有可通行路径的路径走廊；
[0042]
在各路径走廊中寻找最短路径。
[0043]
进一步地，所述在施工区域中划分出若干不利地形区域，具体为：
[0044]
获取施工区域的海底地形图和海底地质图；
[0045]
根据海底地形图和海底地质图，确定不利地形区域位置。
[0046]
进一步地，还包括：若不利地形区域纵向跨越施工区域，则进一步划分该不利地形区域或重新确定海底电缆起点。
[0047]
进一步地，还包括：对施工区域建立网格网络；计算各网格的坡度和起伏度；对坡度和起伏度进行分级；针对坡度和起伏度在预设级别之上的格网，分别生成凸壳。
[0048]
进一步地，在路径走廊中寻找最短路径，具体为：
[0049]
构建空间距离矩阵；
[0050]
从海底电缆起点出发，在路径走廊中计算当前遍历网格到邻近网格的空间距离并根据此次计算得到的空间距离值迭代更新空间距离矩阵；选取空间距离矩阵中最小值对应网格为下一网格；重复上述步骤，直至全部网格完成矩阵构建；根据空间距离矩阵，选取最短路径。
[0051]
进一步地，还包括：
[0052]
对位于东北、西北、东南、西南四个方向的邻近网格，计算空间距离值如下：
[0053][0054]
式中，当前网格高程为h0，邻近网格的高程为h1，格网间距为l；
[0055]
对位于东、西、南、北四个方向的邻近网格，计算空间距离值如下：
[0056][0057]
式中，当前网格高程为h0，邻近网格的高程为h1，格网间距为l。
[0058]
进一步地，还包括对最短路径进行转折角度处理：将转折角≤90
°
的位置用内切圆的曲线化。
[0059]
与现有技术相比本发明有以下特点和有益效果：
[0060]
考虑到海缆长度往往达到上百、上千公里，本发明首先在施工区域中构建排除了不利因素的路径走廊，在各路径走廊中计算最短路径，减少了路径搜寻范围，加快路径寻找速度。
[0061]
根据海上电缆敷设施工的特点和海缆的物理特性，本发明逐一遍历路径走廊中的网格并选取空间距离值最小的邻近网格为下一网格，查找出的最优路径沿着起点指向终点的方向逐步延伸，避免了路径较大的弯折、盘旋和回转。进一步地，本发明构建的空间距离矩阵综合考虑距离和地形因素对路径长度的影响，能有效降低海底电缆路径长度。
附图说明
[0062]
图1是本发明流程图；
[0063]
图2-6是路径走廊确定流程示意图；
[0064]
图7是空间距离矩阵示意图；
[0065]
图8是最短路径计算示意图。
具体实施方式
[0066]
下面结合实施例对本发明进行更详细的描述。
[0067]
实施例一
[0068]
如图1所示，一种海底电缆路径优化设计方法，包括以下步骤：
[0069]
s1、利用测深仪等设备扫测海底地形，绘制海底地形图；利用侧扫声呐等设备，绘制海底地质图。确定施工区域、起点和终点。
[0070]
s2、根据海底地形图和海底工程地质图，划分出施工区域中的不利地形区域。不利地形区域包括且不限于陡坡、陡坎、深沟、沉船、军用海缆等。
[0071]
s3、构建施工区域的高程模型(dem)，以起点指向终点的方向为y轴，以平面上垂直y轴方向为x轴，以垂直x和y轴方向向上为z轴，坐标原点位于高程模型的左下角，并进行适当调整，将起点和终点放置于dem格网中心位置。对dem进行重投影，并将格网间距调整为5-20米之间。格网间距调整主要目的是降低后续路径查找时的计算量，格网间距的设置根据海缆路径长度和地形起伏情况调整。
[0072]
s4、计算高程模型中各格网的地形坡度和起伏度。对坡度进行分级，如0～5
°
为1级，5
°
～15
°
为2级，15
°
～35
°
为3级，》35
°
～55
°
为4级，其他为5级。对起伏度进行分级：小于20m为1级，20～200为2级，200～500为3级，》500～1500为4级，其他为5级。
[0073]
s5、对坡度5级以上、地形起伏5级以上的格网、以及不利地形区域分别生成凸壳。
[0074]
s6、若某不利地形区域纵向跨越整个测区，则分析不利地形区域的严重程度，进一步对不利地形区域进行分区或者重新确定海缆起点。
[0075]
s7、将施工区域划分出若干可通行区域：
[0076]
以y轴长度最小、x轴长度最大为标准，划分出包含凸壳的若干第一多边形；将施工区域中除第一多边形外的若干不贯通区域分别选为可通行区域；剔除凸壳，将第一多边形中的若干不贯通区域分别选为可通行区域；
[0077]
举例说明如下：如图2-3所示，假设施工区域为矩形，对施工区域中的三个不利地
形区域生成三个凸壳。如图4所示，以y轴长度最小、x轴长度最大为标准，划分出包含凸壳的三个第一矩形；施工区域中除第一矩形外还有四个第二矩形。各第一矩形中均包含凸壳和不贯通的两个可通行区域；四个第二矩形分别选为可通行区域。则将施工区域划分出七个可通行区域。
[0078]
s8、以每个可通行区域的重心或形心作为可选路径的计算点位，如图5所示，构建若干可通行路径即可通行路径网络(该网络中的可通行路径视为已避开了全部的不利地形区域范围)。可通行路径经过的所有可通行区域，构成该路径的路径走廊。如图6所示，对标记为粗实线的可通行路径，其路径走廊为阴影所示部分。
[0079]
s9、构建空间距离矩阵，矩阵中的矩阵元素为(方向，空间距离)，如图7所示。
[0080]
方向取值为：0-7；其中：0代表北向，1代表东北向，2代表东向，3代表东南向，4代表南向，5代表西南向，6代表西向，7代表西北向。
[0081]
当前网格到东北、西北、东南、西南四个方向邻近网格的空间距离的计算公式如下：
[0082][0083]
式中，当前网格高程为h0，邻近网格的高程为h1，格网间距为l。
[0084]
当前网格到东、西、南、北四个方向邻近网格的空间距离的计算公式如下：
[0085][0086]
式中，当前网格高程为h0，邻近网格的高程为h1，格网间距为l。
[0087]
s10、对各路径走廊，分别计算最短路径：
[0088]
如图8所示，以起点为初始网格，遍历某一路径走廊；计算当前遍历网格到邻近网格的空间距离并将此次计算得到的空间距离值累加至空间距离矩阵；选取空间距离矩阵中最小累加值对应网格为下一网格。对于存在多个最小累加值的情况，分别选择这多个最小累加值对应网格为下一网格，得到多个路径。根据空间距离矩阵，选取空间距离累加值最短的路径。
[0089]
s12、对各路径走廊得到的多个路径进行转折角度处理：将转折角≤90
°
的位置用内切圆的曲线化，内切圆半径根据dem格网间距及海缆的弯折特性综合设定。重新计算路径长度，并输出。将各路径走廊筛选出的全部最佳路径输出，供设计人员参考和比选。
[0090]
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(asic)、数字信号处理器(dsp)、数字信号处理设备(dspd)、可编程逻辑器件(pld)、现场可编程门阵列(fpga)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于ram、rom、eeprom、cd-rom或其他
光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
[0091]
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

技术特征：
1.一种海底电缆路径优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：确定施工区域、起点和终点；在施工区域中划分出若干不利地形区域；针对所述若干不利地形区域，分别生成若干凸壳；将施工区域划分出若干可通行区域：以起点指向终点的方向为第一维度，垂直于第一维度的方向为第二维度；在施工区域中划分出包含凸壳的若干第一多边形，并使各第一多边形第一维度长度最小、第二维度长度最大；将施工区域中除第一多边形外的若干不贯通区域分别选为可通行区域；剔除凸壳，将第一多边形中的若干不贯通区域分别选为可通行区域；以各可通行区域重心为可选路径的计算点位，构建若干可通行路径，所述可通行路径连接施工起点和施工终点；组合某一条可通行路径经过的所有可通行区域，得到该路径的路径走廊，直至得到所有可通行路径的路径走廊；在各路径走廊中寻找最短路径，输出所述最短路径。2.根据权利要求1所述的一种海底电缆路径优化设计方法，其特征在于，所述在施工区域中划分出若干不利地形区域，具体为：获取施工区域的海底地形图和海底地质图；根据海底地形图和海底地质图，确定不利地形区域位置。3.根据权利要求1所述的一种海底电缆路径优化设计方法，其特征在于，还包括：若不利地形区域纵向跨越施工区域，则进一步划分该不利地形区域或重新确定海底电缆起点。4.根据权利要求1所述的一种海底电缆路径优化设计方法，其特征在于，还包括：对施工区域建立网格网络；计算各网格的坡度和起伏度；对坡度和起伏度进行分级；针对坡度和起伏度在预设级别之上的格网，分别生成凸壳。5.根据权利要求4所述的一种海底电缆路径优化设计方法，其特征在于，在路径走廊中寻找最短路径，具体为：构建空间距离矩阵；从海底电缆起点出发，在路径走廊中计算当前遍历网格到邻近网格的空间距离并根据此次计算得到的空间距离值迭代更新空间距离矩阵；选取空间距离矩阵中最小值对应网格为下一网格；重复上述步骤，直至全部网格完成矩阵构建；根据空间距离矩阵，选取最短路径。6.根据权利要求5所述的一种海底电缆路径优化设计方法，其特征在于，还包括：对位于东北、西北、东南、西南四个方向的邻近网格，计算空间距离值如下：式中，当前网格高程为h0，邻近网格的高程为h1，格网间距为l；对位于东、西、南、北四个方向的邻近网格，计算空间距离值如下：式中，当前网格高程为h0，邻近网格的高程为h1，格网间距为l。
7.根据权利要求1所述的一种海底电缆路径优化设计方法，其特征在于，还包括对最短路径进行转折角度处理：将转折角≤90
°
的位置用内切圆的曲线化。8.一种海底电缆路径优化设计设备，其特征在于，包括处理器和用于存储所述处理器可执行指令的存储器；所述处理器，用于从所述存储器中读取所述可执行指令，并执行所述指令以实现以下步骤：确定施工区域、起点和终点；在施工区域中划分出若干不利地形区域；针对所述若干不利地形区域，分别生成若干凸壳；以起点指向终点的方向为第一维度，垂直于第一维度的方向为第二维度；以第一维度长度最小、第二维度长度最大为标准，在施工区域中划分出包含凸壳的若干第一多边形；将施工区域中除第一多边形外剩余不贯通区域分别选为可通行区域；剔除凸壳，将第一多边形中剩余不贯通的区域分别选为可通行区域；以各可通行区域重心为可选路径的计算点位，构建若干可通行路径，所述可通行路径连接施工起点和施工终点；组合某一条可通行路径经过的所有可通行区域，得到该路径的路径走廊，直至得到所有可通行路径的路径走廊；在各路径走廊中寻找最短路径。9.根据权利要求8所述的一种海底电缆路径优化设计设备，其特征在于，所述在施工区域中划分出若干不利地形区域，具体为：获取施工区域的海底地形图和海底地质图；根据海底地形图和海底地质图，确定不利地形区域位置。10.根据权利要求8所述的一种海底电缆路径优化设计设备，其特征在于，所述指令还用以实现以下步骤：若不利地形区域纵向跨越施工区域，则进一步划分该不利地形区域或重新确定海底电缆起点。

技术总结
本发明涉及一种海底电缆路径优化设计方法，包括：确定施工区域、起点和终点；在施工区域中划分出若干不利地形区域；针对所述若干不利地形区域，分别生成若干凸壳；生成若干个可通行区域；以各可通行区域重心为可选路径的计算点位，构建若干可通行路径，所述可通行路径连接施工起点和施工终点；根据所述若干可通行路径，确定若干路径走廊；在各路径走廊中寻找最短路径。最短路径。最短路径。


技术研发人员：李亚男 凃道勇 方孝伍 张强林 强薇 曾庆权 朱杰清 陈西强 李斌 魏锦德
受保护的技术使用者：中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司
技术研发日：2023.04.24
技术公布日：2023/8/9