一种基于粗糙模糊集的输电杆塔塔材强度评估和计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于粗糙模糊集的输电杆塔塔材强度评估和计算方法，应用粗糙集理论对指标集进行约简；采用主观权重和客观权重相结合的方法，确定评价指标权重；根据建立的评价等级集，运用模糊数学方法综合评价计算塔材实际强度，可解决演化过程中影响塔材强度因素效度不清晰这一典型不确定性问题。该方法可为铁塔结构安全评估提供重要的科学判据。
【专利说明】一种基于粗糙模糊集的输电杆塔塔材强度评估和计算方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及输电杆塔结构强度评价计算领域，特别适用于在复杂自然环境下长期 运行的输电杆塔结构安全评价。
【背景技术】
[0002] 线路结构安全的本质是一个不确定性状态空间的演化过程，状态的演化（转移） 过程具有随机性，其中表征杆塔塔材实际机械强度的特征信息具有不精确性，影响因素的 作用效度也不清晰，运行状态的定义及外延具有模糊性，状态评判的专家知识具有不完备 性，所以对线路塔材强度的评价与计算是一个复杂的不确定性问题。
[0003] 模糊综合评价以模糊数学为基础，其基本思想是利用模糊转换原理，通过隶属度 理论把定性评价转化为定量评价，考虑各个相关因素，从最低级层次的各个因素进行综合 评价，依次向上，直到最高的目标层，从而对受到多种因素制约的事物或对象做出一个相对 客观、正确、符合实际的评价，进而解决具有模糊性的实际问题。它具有结果清晰、系统性强 的特点，能较好地解决模糊、难以量化的问题，适合多种非确定性问题的解决。
[0004] 模糊综合评价应用于杆塔塔材强度评估上也存在一些缺点：首先，影响塔材强度 的因素很多，而传统的模糊综合评价需要对全部评价指标进行计算，所以计算较复杂，而且 可能因为各因素权重小而造成的严重失真现象或多峰值现象；其次，对于指标权重确定的 确定，由于各专家的评判标准等有不同，最终结果也会有差异，所以主观性较强。本发明基 于粗糙集理论对指标集进行约简，约简后结合层次分析法和模糊集方法进行综合评价，避 免了传统的模糊综合评价存在的一些缺点。所提方法有效的解决了在复杂自然环境下长期 运行的输电杆塔结构安全评价问题。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于：提出一种基于粗糙模糊集的输电杆塔塔材强度评估和计算方 法，可直接为评估输电线路铁塔安全评价提供必要判据。
[0006] -种长期运行输电杆塔塔材的实际强度评估方法，其特征在于：包括如下步骤：
[0007] 步骤1 :指标集约简；
[0008] 步骤2 :因素集权重确定；
[0009] 步骤3 :隶属函数确定；
[0010] 步骤4:实际强度评估。
[0011] 所述步骤1中的指标集约简，主要对由气象区条件、亚强度损伤、导线应力及机 械振动三大类因素构成的指标集，三类影响因素集表示为U= 。其中：1^ = {un，u12, u13, u14, u15}，un为风速(最大风)，u12为大气温度(最低温)，u 13为年平均气温， u14为覆冰厚度（最厚覆冰），u15为年雷暴日天数。U2 = {u21, u22, u23, u24, u25, u26}，u21为运 行时间，U22为弯曲修复次数,u 23为裂痕修复次数,u24为雷电或故障电流损伤次数，u25为重 覆冰疲劳次数，U 26为平均运行应力/最大运行应力。U3 = {u31，u32, u33, u34}，u31为导线分裂 数，U32为风向与线路角，u33为地表面粗糙程度，u34为钢材锈蚀量。运用粗糙集进行指标集 约简，属性重要度定义为：
[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] 经过属性重要度约简计算，u13、u15指标是冗余的，同理，分别对亚强度损伤因素和 导线应力及机械振动因素进行属性重要度约简，得到最终评价指标为：U= ，其 中 U! = {un，u12, u14}，U2 = {u21，u22, u23, u24, u25}，U3 = {u31，u32, u33, u34};
[0024] 所述步骤2中的因素集的指标权重确定，采用主观权重和客观权重相结合的方 法，确定评价指标权重，结合主观和客观影响使强度评估结果更科学，本发明提出的杆塔塔 材的实际强度评估的RS权重和MAHP权重优化组合算法如下：
[0025] w = μ W!+(l-U )w2
[0026] 其中，μ (0〈 μ〈1)为权重因子，反映评价过程中RS权重和MAHP权重的重要程度。 w为RS和MAHP组合下的权重值，Wl为RS下的权重值，w2为MAHP下的权重值。
[0027] 1)粗糙集模型建立：
[0028] 一个信息系统S可以表示为一个四元组S = {Us，Rs，Vs，fs}。其中，Us是全域（对 象构成的集合，u s = {Xl，x2,. . .，xm}) ;RS是属性集；VS是属性值的集合；fs从USXR S到Vs的 信息函数。设属性集合S￡&，Us/IND(B) = {Xl x2…xm}，则B的信息量定义为：
[0029]
【权利要求】
1. 一种基于粗糙模糊集的输电杆塔塔材强度评估和计算方法，其特征在于：包括如下 步骤： 步骤1:指标集约简； 步骤2:因素集权重确定； 步骤3 :隶属函数确定； 步骤4:实际强度评估。
2. 根据权利要求1所述的一种基于粗糙模糊集的输电杆塔塔材强度评估和计算方法， 其特征在于：所述步骤1中的指标集约简，主要对由气象区条件、亚强度损伤、导线应力及 机械振动三大类因素构成的指标集，三类影响因素集表示为u= 。其中：％ = {un，u12, u13, u14, u15}，un为风速(最大风)，u12为大气温度(最低温)，u 13为年平均气温， U14为覆冰厚度（最厚覆冰），u15为年雷暴日天数。U2 = {u21, U22, U23, U24, U25, U26}，U21为运 行时间，U22为弯曲修复次数,u23为裂痕修复次数,u24为雷电或故障电流损伤次数，u 25为重 覆冰疲劳次数，U26为平均运行应力/最大运行应力。U3 = {u31，u32, u33, u34}，u31为导线分裂 数，U32为风向与线路角，u33为地表面粗糙程度，u34为钢材锈蚀量。运用粗糙集进行指标集 约简，属性重要度定义为： 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为因素的属性值的集合；经过属性重要度约简计算可知指标u13、u15是冗余 的，同理，分别对亚强度损伤因素和导线舞动及微风振动因素进行属性重要度约简，得到 最终评价指标为：u = {Ui, U2, U3}，其中 Ui = {un, u12, u14}，U2 = {u21, u22, u23, u24, u25}，U3 = {U31，U32, U33, U34l。
3. 根据权利要求1所述的一种基于粗糙模糊集的输电杆塔塔材强度评估和计算方法， 其特征在于：所述步骤2中的因素集的指标权重确定，采用主观权重和客观权重相结合的 方法，确定评价指标权重，结合主观和客观影响使强度评估结果更科学，杆塔塔材的实际强 度评估的RS权重和MAHP权重优化组合算法如下： w = U Wi+Q-li )w2 其中，y (0〈1!〈1)为权重因子，反映评价过程中RS权重和MAHP权重的重要程度。w为 RS和MAHP组合下的权重值，Wl为RS下的权重值，w2为MAHP下的权重值； 1)粗糙集模型建立： 一个信息系统S可以表示为一个四元组S = {Us，Rs，Vs，fj。其中，Us是全域对象构成 的集合，us = {Xl，x2,. . .，xm}) ;RS是属性集；VS是属性值的集合；fs从USXR S到Vs的信息函 数。设属性集合怂，US/IND⑶={Xl x2…xm}，则B的信息量定义为：
其中，|Xj表示等价类集合\的基数； 把B中去掉{bj后所引起的信息量变化的大小定义为{bj的属性重要度，{bj重要度 可表不为： S/Gk ]h](bi) = I(B)-I(B-{bi}) 属性{bj的权重定义为：
2)MAHP权重确定： (1) 通过以上公式建立层次结构； (2) 构造判断矩阵； 判断矩阵P确定方法：Pi，Pj (i, j = 1，2,…，n)表示同一层次评价指标，对两个指标进 行比较，表示Pi对h的相对重要性数值； (3) 求出判断矩阵P的最大特征值A max及其对应的特征向量W，W归一化即为该 层次因素的权重w，由判断矩阵P计算最大特征值A max = 3. 0053及相应特征向量W = (0? 4185, 0? 5500, 0? 7228)，归一化得到各因素的权重为 w =(0? 2474,0? 3252,0? 4274); (4) 一致性校验。一致性校验的步骤如下： ； -n 3 0053-3 a) 计算一致性指标 Cl，C/ == --- -0.00265 ； n - 1 3-1 b) 依据n = 3查表得到平均随机一致性指标RI = 0. 58 ; C)计算一致性比例(7 = € = '^^ = ().〇〇46:若CR〈0. 10时，认为判断矩阵的一致 KI U. jo 性 是可以接受的，否则应对判断矩阵作适当的修正： (5) 重复上述步骤得到各个一级指标和二级指标的权重。
4.根据权利要求1所述的一种基于粗糙模糊集的输电杆塔塔材强度评估和计算方法， 其特征在于：所述步骤3中的隶属度函数可以得到某种因素对杆塔塔材实际强度的影响程 度，将不确定性的因素清晰化，本发明提出的杆塔塔材的实际强度评估的隶属度函数采用 高斯模型如下：
式中：ru表示第i种因素对第j级评价等级的隶属度；Xi表示第i种因素实际发生值； 表示第i种因素在第j级评价标准的标准值；i = 1，2,. . .，m ; j = 2, 3,. . .，n-1。
5.根据权利要求1所述的一种基于粗糙模糊集的输电杆塔塔材强度评估和计算方法， 其特征在于：所述步骤4中的实际强度评估，根据建立的评价等级集，运用模糊综合评价计 算的塔材实际强度值，本发明提出的杆塔塔材的实际强度的模糊综合评价方法如下： a) -级模糊综合评价： 由隶属度函数得到因素A的评价模糊关系氏，表示在因素仏中二级第k种因素 对第j级评价标准的隶属度，对每个因素进行一级模糊综合评价，评价结果记为&，即： (
b) 二级模糊综合评价： 在一级模糊综合评价的基础上，将评价向量B',合成为R，其中R为因素集U到评价 集Y的模糊关系矩阵，即综合评价变换矩阵。进行二级模糊综合评价，记为B，即： 兵屮出！ = ? ru+A2 ? r2i十…十Am ? L。
再将B归一化得到最终的模糊评价向量B'，B'记B' =[b' : b' 2…b' n]，其中：
【文档编号】G06F19/00GK104281773SQ201410423096
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】傅靖, 陈国华, 朱富云, 徐剑峰, 葛乐, 龚灯才, 朱张蓓, 鞠易, 孙玉玮 申请人:国家电网公司, 江苏省电力公司, 江苏省电力公司南通供电公司