一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法.pdf

本发明公开了一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，包括以下步骤：设定布局空间为矩形区域，将按照一定的横向间距与纵向间距建立网格，将空间网格化；以节点之间的曼哈顿或欧几里得距离来描述节点间线的长度，确定节点间的拓扑连接关系；描述母线设备出线交叉；描述由于网格上不同行间元件布局位置不合理而导致的交叉；对给定的多目标优化问题进行最优求解，表示每个子目标函数的重要程度，将多目标优化问题转为单目标优化问题；生成电网专题图自动布局的多目标优化模型。本发明具有足够的伸缩性，能适应不同地区的不同需求，具有简单且高效的实现，方便进行产品化。

权利要求书
1.  一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：包括以下步骤：
(1)设定布局空间为矩形区域，将按照一定的横向间距与纵向间距建立网格，将空间网格化；
(2)以节点之间的曼哈顿或欧几里得距离来描述节点间线的长度，确定节点间的拓扑连接关系；
(3)计算与母线设备有直接拓扑连接的元件的布局角度，引入逆序处理方法，衡量布局顺序与母线出线顺序间的差异，描述母线设备出线交叉；
(4)引入逆序处理方法，描述由于网格上不同行间元件布局位置不合理而导致的交叉；
(5)对给定的多目标优化问题进行最优求解，表示每个子目标函数的重要程度，将多目标优化问题转为单目标优化问题；
(6)根据节点间的拓扑连接关系、母线设备出线交叉、元件相对位置交叉和多目标优化模型，生成电网专题图自动布局的多目标优化模型。

2.  如权利要求1所述的一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：所述步骤(1)中，设定布局空间为矩形区域，将按照一定的横向间距Wunit与纵向间距Hunit建立网格。

3.  如权利要求1所述的一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：所述步骤(1)中，具体划分要求为：按照单元格大小相同的矩形网格来划分布局区域，每个元件只能在网格中的一行，不允许跨行摆放，元件占据一行中的多个单元格，但是每个单元格中至多有一个元件，不允许两个元件在同一个单元格中出现，元件摆放于一个或多个连续单元格中央，并在元件四周预留出走线空间。

4.  如权利要求1所述的一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：所述步骤(1)中，满足划分要求的最小矩形作为单元格大小，具体来说：
Wunit＝min(wi)+Wspacei＝1...n
Hunit＝max(hi)+Hspacei＝1...n
其中，Wunit与Hunit为单元格宽度，wi和hi为第i个布局元件的宽度，n为布局元件数量，Wspace和Hspace为在元件四周预留走线通道的宽度。

5.  如权利要求1所述的一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：所述步骤(2)中，具体方法为：以节点之间的曼哈顿或欧几里得距离来描述节点间线的 长度，
L(G)=Σi=1nΣj=1ni≠j(|xi-xj|+|yi-yj|)δ(i,j)]]>
其中，G为要布局的专题图，i，j为G中不同的两个布局元件下标，两元件坐标为(xi，yi)，(xj，yj)，δ(i，j)为delta函数，当i与j之间有直接拓扑连接时，δ(i，j)＝1，反之δ(i，j)＝0。

6.  如权利要求1所述的一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：所述步骤(3)中，考虑母线设备下方向单向出线的情况，设第i个元件为母线设备，以元件i中心为原点，y轴垂直向上为0方向建立极坐标系，选逆时针为正方向，角度单位设定为弧度，设元件i节点度为di，则与元件i有直接拓扑连接的第k个元件，k＝1...di，其在极坐标系中的角度为
Ai,k=(cos-1(|xi,k-xi|(xi,k-xi)2+(yi,k-yi)2)-π2)mod2π]]>
其中Ai，k为与元件i有直接拓扑连接的第k个元件在极坐标系中的角度，(xi，k，yi，k)，(xi，yi)为元件i与元件k在布局中的坐标。

7.  如权利要求1所述的一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：所述步骤(3)中，逆序处理方法为：定义：在1，2，3，...n这n个数的一个全排列p1，p2，p3，...pn中，有pi＞pj，i＜j时，就称这是一个逆序，排列p1，p2，p3，...pn中逆序的总数称为该排列的逆序数；
逆序数用于衡量两个有序序列中顺序的差异，与元件i有直接拓扑连接的di个元件按照角度排列后，若其中有逆序，则会产生交叉，故其使用逆序数来描述：
C(nodei)=Σk=1di|skAngle-skOut|]]>
C(G)=Σi=1nC(nodei)δ(nodei)]]>
C(nodei)为母线元件i出线处的交叉数，与i相连的元件k按照角度和按照出现线头编号s升序排序后的顺序。

8.  如权利要求1所述的一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：所述步骤(4)中，设第i层上1,3两个元件分别与p和q层的2,4元件相连，若元件1,3与元件2,4之间存在逆序，则产生交叉；
C(layeri)=Σj=1nie|sij-sdownj|]]>
C(layeri)为第i层中，下行线路的交叉数量，为第i层中下行线路的数量，为第i层中，与第j条下行线路相连的布局元件按照x升序排列的顺序数，为与第j条下行线路另一端相连的布局元件在所有与第i层相连的下方元件中的位次，排序方式同样为按照x升序排列。

9.  如权利要求1所述的一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：所述步骤(5)中，具体方法为：设P为一个给定的MOP，P所包含的子目标函数记为fi(x)(i＝1，2，...m)，在求P的Pareto最优解过程中，引入权重ωi(i＝1，2，...m)表示每个子目标函数fi(x)的重要程度，把各个子目标函数fi(x)的线性加权和作为求P的Pareto最优解的重要评价参数，将求解最优解从MOP多目标优化问题转化为SOP单目标优化问题。

10.  如权利要求1所述的一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，其特征是：所述步骤(6)中，电网专题图自动布局的多目标优化模型建立为
minx,yωlengthL(G)+ωnodeΣi=1nC(nodei)δ(nodei)+ωlayerΣj=1nlayerC(layeri)ϵ(layerj).]]>

说明书一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法
技术领域
本发明涉及一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法。
背景技术
电网智能化绘图系统，以设备的拓扑连接关系为基础，将配电馈线自动转换成单线图。系统基于面向图形对象的单线图绘制工具，提出一种通过优秀的空间布局、绘制算法来尽可能避免图形重叠、交叉，得到满足实用化条件电网图形的方法，在无需任何人工干预的情况下，保证自动生成的单线图布局美观、清晰、合理。该系统具有操作方便、功能实用、结构先进、可扩充性好等优点。
现有的配电网络自动成图模型有基于主干-分支结构的布局模型，基于流的拓扑布局模型和基于能量最小原理的力导向模型。基于主干分支结构的布局思想简单，实现方便，成图结构清晰，但存在布局空间浪费，无法控制成图纸张长宽比例的问题。基于流的拓扑布局模型将布局问题转化为网络流优化问题，其运算速度快，能够在特定的需求上达到最优，但其受制于特定的成图风格，不同风格与需求需要构建不同的算法，实现成本高，缺乏通用性，难以实现产品化。基于能量最小原理的力导向模型通过模拟带电粒子群稳态时的分布情况来实现布局，其适用于大规模图形的布局，在大数据可视化中得到广泛应用，但其难以控制布局风格，无法满足电网专题图中正交化与对齐的需求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，该方法能够满足专题图制图规范，并具有足够的伸缩性，能适应不同地区的不同需求，具有简单且高效的实现，方便进行产品化。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于多目标优化的电网专题图自动成图模型的方法，包括以下步骤：
(1)设定布局空间为矩形区域，将按照一定的横向间距与纵向间距建立网格，将空间网格化；
(2)以节点之间的曼哈顿或欧几里得距离来描述节点间线的长度，确定节点间的拓扑连接关系；
(3)计算与母线设备有直接拓扑连接的元件的布局角度，引入逆序处理方法，衡量布局 顺序与母线出线顺序间的差异，描述母线设备出线交叉；
(4)引入逆序处理方法，描述由于网格上不同行间元件布局位置不合理而导致的交叉；
(5)对给定的多目标优化问题进行最优求解，表示每个子目标函数的重要程度，将多目标优化问题转为单目标优化问题；
(6)根据节点间的拓扑连接关系、母线设备出线交叉、元件相对位置交叉和多目标优化模型，生成电网专题图自动布局的多目标优化模型。
所述步骤(1)中，设定布局空间为矩形区域，将按照一定的横向间距Wunit与纵向间距Hunit建立网格。
所述步骤(1)中，具体划分要求为：按照单元格大小相同的矩形网格来划分布局区域，每个元件只能在网格中的一行，不允许跨行摆放，元件占据一行中的多个单元格，但是每个单元格中至多有一个元件，不允许两个元件在同一个单元格中出现，元件摆放于一个或多个连续单元格中央，并在元件四周预留出走线空间。
优选的，水平、垂直方向预留空间与布局元件长宽相等。
所述步骤(1)中，满足划分要求的最小矩形作为单元格大小，具体来说：
Wunit＝min(wi)+Wspacei＝1…n
Hunit＝max(hi)+Hspacei＝1…n
其中，Wunit与Hunit为单元格宽度，wi和hi为第i个布局元件的宽度，n为布局元件数量，Wspace和Hspace为在元件四周预留走线通道的宽度。
所述步骤(2)中，具体方法为：以节点之间的曼哈顿或欧几里得距离来描述节点间线的长度，
L(G)=Σi=1nΣj=1ni≠j(|xi-xj|+|yi-yj|)δ(i,j)]]>
其中，G为要布局的专题图，i，j为G中不同的两个布局元件下标，两元件坐标为(xi，yi)，(xj，yj)，δ(i，j)为delta函数，当i与j之间有直接拓扑连接时，δ(i，j)＝1，反之δ(i，j)＝0。
所述步骤(3)中，电网专题图要求母线设备上出线接头的顺序固定时，假设出线接头会按照从左至右，从上到下的顺序编号。
所述步骤(3)中，考虑母线设备下方向单向出线的情况，设第i个元件为母线设备，以元件i中心为原点，y轴垂直向上为0方向建立极坐标系，选逆时针为正方向，角度单位设定为 弧度，设元件i节点度为di，则与元件i有直接拓扑连接的第k个元件，k＝1…di，其在极坐标系中的角度为
Ai,k=(cos-1(|xi,k-xi|(xi,k-xi)2+(yi,k-yi)2)-π2)mod2π]]>
其中Ai，k为与元件i有直接拓扑连接的第k个元件在极坐标系中的角度，(xi，k，yi，k)，(xi，yi)为元件i与元件k在布局中的坐标。
所述步骤(3)中，逆序处理方法为：定义：在1，2，3，…n这n个数的一个全排列p1，p2，p3，…pn中，有pi＞pj，i＜j时，就称这是一个逆序，排列p1，p2，p3，…pn中逆序的总数称为该排列的逆序数；
逆序数用于衡量两个有序序列中顺序的差异，与元件i有直接拓扑连接的di个元件按照角度排列后，若其中有逆序，则会产生交叉，故其使用逆序数来描述：
C(nodei)=Σk=1di|skAngle-skOut|]]>
C(G)=Σi=1nC(nodei)δ(nodei)]]>
C(nodei)为母线元件i出线处的交叉数，与i相连的元件k按照角度和按照出现线头编号s升序排序后的顺序。
所述步骤(4)中，设第i层上1,3两个元件分别与p和q层的2,4元件相连，若元件1,3与元件2,4之间存在逆序，则产生交叉；
C(layeri)=Σj=1nie|sij-sdownj|]]>
C(layeri)为第i层中，下行线路的交叉数量，为第i层中下行线路的数量，为第i层中，与第j条下行线路相连的布局元件按照x升序排列的顺序数，为与第j条下行线路另一端相连的布局元件在所有与第i层相连的下方元件中的位次，排序方式同样为按照x升序排列。
所述步骤(5)中，具体方法为：设P为一个给定的MOP(MultiobjectiveOptimizationProblem)，P所包含的子目标函数记为fi(x)(i＝1，2，…m)，在求P的Pareto最优解过程中，引入权重ωi(i＝1，2，…m)表示每个子目标函数fi(x)的重要程度，把各个子目标函数fi(x)的线性加权和作为求P的Pareto最优解的重要评价参数，将求解最优解从MOP多目标优化问题转化为SOP单目标优化问题。
所述步骤(6)中，电网专题图自动布局的多目标优化模型建立为
minx,yωlengthL(G)+ωnodeΣi=1nC(nodei)δ(nodei)+ωlayerΣj=1nlayerC(layeri)ϵ(layerj).]]>
本发明的有益效果为：
(1)本发明不受特定的成图风格限制，具有足够的伸缩性，能适应不同地区的不同需求；
(2)较之同类方法，本发明生成的布局空间利用率高，所成图面积小，更易于阅读；
(3)本发明允许按照屏幕比例设置图纸长宽比，方便图纸在屏幕上呈现于阅读；
(4)本发明适用于大规模图形的布局，实现布局风格可控，满足专题图制图规范。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的实施例效果图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，包括以下步骤：
1，空间网格化
电力网络图形布局应尽可能使节点几何分布与网络连线逻辑有较好的对应关系，为了缩小节点布局的搜索空间，需要对布局空间进行离散化处理。
假定布局空间为矩形区域，将按照一定的横向间距Wunit与纵向间距Hunit建立网格。按照单元格大小相同的矩形网格来划分布局区域，每个元件只能在网格中的一行，不允许跨行摆放，元件可以占据一行中的多个单元格，每个单元格中至多有一个元件，不允许两个元件在同一个单元格中出现。元件摆放于一个或多个连续单元格中央，并在元件四周预留出走线空间，按照人工制图的经验，水平，垂直方向预留空间与布局元件长宽相等时为益。为了获取更好的布局效果，本专利采用满足上述规则的最小矩形作为单元格大小，具体来说：
Wunit＝min(wi)+Wspacei＝1…n
Hunit＝max(hi)+Hspacei＝1…n
其中，Wunit与Hunit为单元格宽度，wi和hi为第i个布局元件的宽度，n为布局元件数量。Wspace和Hspace为在元件四周预留走线通道的宽度。
2，线路长度描述
以节点之间的曼哈顿或欧几里得距离来描述节点间线的长度，
L(G)=Σi=1nΣj=1ni≠j(|xi-xj|+|yi-yj|)δ(i,j)]]>
其中，G为要布局的专题图，i，j为G中不同的两个布局元件下标，两元件坐标为(xi，yi)，(xj，yj)，δ(i，j)为delta函数，当i与j之间有直接拓扑连接时，δ(i，j)＝1，反之δ(i，j)＝0
3，母线设备出线交叉
电网专题图可能会要求母线设备上出线接头的顺序固定，假设出线接头会按照从左至右，从上到下的顺序编号。本专利通过计算与母线设备有直接拓扑连接的元件的布局角度来衡量布局顺序与母线出线顺序间的差异。
考虑母线设备下方向单向出线的情况，设第i个元件为母线设备，以元件i中心为原点，y轴反方向(垂直向上)为0方向建立极坐标系，选逆时针为正方向，角度单位设定为弧度，设元件i节点度为di，则与元件i有直接拓扑连接的第k个元件，k＝1…di，其在极坐标系中的角度为
Ai,k=(cos-1(|xi,k-xi|(xi,k-xi)2+(yi,k-yi)2)-π2)mod2π]]>
其中Ai，k为与元件i有直接拓扑连接的第k个元件在极坐标系中的角度，(xi，k，yi，k)，(xi，yi)为元件i与元件k在布局中的坐标。
定义：如果在1，2，3，…n这n个数的一个全排列p1，p2，p3，…pn中，有pi＞pj，i＜j时，就称这是一个逆序，排列p1，p2，p3，…pn中逆序的总数称为该排列的逆序数。
逆序数常用于衡量两个有序序列中顺序的差异。与元件i有直接拓扑连接的di个元件按照角度排列后，若其中有逆序，则会产生交叉，故其可以使用逆序数来描述：
C(nodei)=Σk=1di|skAngle-skOut|]]>
C(G)=Σi=1nC(nodei)δ(nodei)]]>
C(nodei)为母线元件i出线处的交叉数，与i相连的元件k按照角度和按照出现线头编号s升序排序后的顺序。
4，元件相对位置交叉
在布局时，拓扑上直接相连元件间相对位置对连线影响很大，元件间相对位置摆放的好坏将直接决定线路交叉的数量。本专利主要考虑网格上不同行间元件布局位置不合理导致的交叉，继续引入上面逆序的处理方法，设第i层上1,3两个元件分别与p和q层的2,4元件相连，若元件1,3与元件2,4之间存在逆序，则产生交叉。
C(layeri)=Σj=1nie|sij-sdownj|]]>
C(layeri)为第i层中，下行线路的交叉数量，为第i层中下行线路的数量，为第i层中，与第j条下行线路相连的布局元件按照x升序排列的顺序数，为与第j条下行线路另一端相连的布局元件在所有与第i层相连的下方元件中的位次，排序方式同样为按照x升序排列。
5，综合布局布线的多目标优化模型
假设P为一个给定的MOP(MultiobjectiveOptimizationProblem)，P所包含的子目标函数记为fi(x)(i＝1，2，…m)，在求P的Pareto最优解过程中，引入权重ωi(i＝1，2，…m)表示每个子目标函数fi(x)的重要程度(实际应用中，权重的含义很广泛，可以是价格、距离、体积等等)，则把各个子目标函数fi(x)的线性加权和可以作为求P的Pareto最优解的重要评价参数，因此借助F(x)可以将求P的Pareto最优解从MOP多目标优化问题转化为SOP单目标优化问题。
结合以上列出的各项目标，电网专题图自动布局的多目标优化模型可以建立为
minx,yωlengthL(G)+ωnodeΣi=1nC(nodei)δ(nodei)+ωlayerΣj=1nlayerC(layeri)ϵ(layerj).]]>
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。