一种变电站工程定位基站优化布置方法及系统与流程

1.本发明涉及定位技术领域，特别是一种变电站工程定位基站优化布置方法及系统。


背景技术：

2.目前，在电网基建工程中工作人员误入带电间隔造成触电事故和人员误入施工机械作业范围导致人员伤亡的事故偶有发生。为了有效降低上述安全隐患，提高现场安全管控水平，实现本质安全，电子围栏作为一种新兴技术被引入电网基建工程中，该技术通过采集人员的位置信息，在人员接近特定区域时及时发出告警信号，有效保障了现场工作人员的人身安全，提高了现场的安全管控水平。实现上述功能的前提是需要获取人员的定位信息，因此电网基建工程中的人员精准定位问题不仅是现场人员精益化管控的需要，也关系到现场工作人员的生命安全甚至是电网安全，需要引起必要的关注和重视。
3.在基于通信标的定位技术中，不论是wifi定位、蓝牙定位还是超宽带uwb定位技术均需要配置一定数量的定位基站，才能实现定位功能，然而在电网变电站工程中，较常用的基站布置原则仍是在区域周围等距离布置的方式，更多是基于经验，容易造成过度投资和浪费，无法保证布置的最优，无法满足精益化投资的需要。
4.现有相关技术方案具备以下特点：（1）在基站布置时引入了三维数字化模型并对其进行后评估，优化结果的优劣较大依赖于初始部署方案。（2）侧重于将uwb定位技术创新应用于变电站运检工作。（3）侧重于通过技术手段减少定位标签与基站之间不必要的通信，提高定位系统工作效率。综上，鲜有针对uwb定位基站优化布置方法类的技术方案。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的是提供一种变电站工程定位基站优化布置方法及系统，能够优化定位基站布置方案，能够进一步降低定位基站的使用数量，进一步节约固定资产的建设投入。
6.本发明采用以下方案实现：一种变电站工程定位基站优化布置方法，包括以下步骤：步骤s1：设计定位基站初始布置方案；步骤s2：进行区域网格化；步骤s3：计算初始布置方案的信号有效覆盖率和变电站的信号有效覆盖定位基站总数；步骤s4：移动初始方案中位于角点的定位基站；步骤s5：进行删减优化定位基站操作；步骤s6：评估优化结果。
7.进一步地，所述步骤s1的具体内容为：定义需要实现定位功能的区域，根据实际区域的边界采用在区域周围等距离布置方式布置基站。
8.进一步地，所述步骤s2的具体内容为：判断需要实现定位功能的区域是否位于基站的有效覆盖范围内，对需要实现定位功能的区域进行网格化处理，即将区域划分成若干个正方形网格，网格的边长越小，表示网格越密，计算的精度越高。
9.进一步地，所述步骤s3的具体内容为：从上到下逐行遍历各网格中心，计算各网格中心点到各定位基站的距离是否小于定位基站的有效信号范围r用于判断该网格区域整体是否位于基站的有效覆盖范围内；将区域内各网格被定位基站信号有效覆盖的数量作为该网格区域的特征值，同时，当网格区域特征值大等于为了实现定位功能所需的最小数量时，则认为该网格区域能够实现有效定位，否则认为该网格区域不能够实现有效定位；将变电站所需定位区域内能够实现有效定位的网格数量占变电站所需定位区域内所有网格的比例作为变电站所需定位区域的信号有效覆盖率；将变电站所需定位区域内各网格区域的特征值加总后的数值作为变电站所需定位区域信号有效覆盖定位基站总数；变电站所需定位区域的信号有效覆盖率=变电站所需定位区域内能够实现有效定位的网格数量/变电站所需定位区域内所有网格数量；变电站所需定位区域的信号有效覆盖定位基站总数=变电站所需定位区域内各网格区域的特征值加总。
10.进一步地，所述步骤s4的具体内容为：观察变电站区域角点是否布置基站，若区域角点布置基站，将角点的基站均沿着围墙向同一个方向移动一个步长，用以使得需要实现定位功能的区域内更大的面积落入代表定位基站有效信号覆盖范围的圆内，即需要实现定位功能的区域内有更大概率满足定位要求；当每移动一次变电站区域角点的定位基站时，均需计算变电站所需定位区域的信号有效覆盖率和信号有效覆盖定位基站总数；每执行一次移动操作后检验变电站所需定位区域的信号有效覆盖率和信号有效覆盖定位基站总数，当变电站所需定位区域的信号有效覆盖率和信号有效覆盖定位基站总数减少时，撤销此次移动定位基站的操作，将此次s4中上一次移动基站步骤前的定位基站的布置作为基准开始执行步骤s5；否则反复执行步骤s4，直到达到最大循环次数后再执行步骤s5。
11.进一步地，所述步骤s5的具体内容为：当完成定位基站群的同向移动优化操作后，进行定位基站的筛减优化操作，此操作仅针对变电站区域围墙上所布置的定位基站；计算需要实现定位功能的区域内各网格被定位基站信号有效覆盖的数量，将该值作为该网格区域的特征值，同时将位于各定位基站有效覆盖范围内且位于所需定位区域的网格的特征值叠加后作为该定位基站的特征值；遍历区域围墙上所布置的所有定位基站，按特征值从大到小的顺序逐步删除该定位基站，删除后检验变电站的信号有效覆盖率，当变电站的信号有效覆盖率减小时，说明此时不满足该变电站区域定位的需要，停止操作，撤销删除该定位基站的操作，优化到此为止，输出此时的定位基站布置结果作为优化后的布置方案；当遍历了所有定位基站后，也停止优化操作，输出此时的定位基站布置结果作为优化后的布置方案；否则，重新执行定位基站的筛减优化操作；定位基站的特征值=位于该定位基站有效覆盖范围内的所需定位网格区域的特征
值加总。
12.进一步地，所述步骤s6的具体内容为：若优化结束后变电站的信号有效覆盖率小于1，则判定初始阶段布置定位基站的方案不合理，需要重新执行步骤s1并进一步优化设计初始阶段定位基站的布置方案。
13.本发明，提供一种变电站工程定位基站优化布置系统，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有计算机程序，处理器在运行该计算机程序时能够实现如上文所述的方法步骤。
14.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：1、本发明采用微元法，基于网格化处理的思想，将研究的区域划分成若干个正方形网格，用网格中心点到定位基站的距离来判断该网格区域整体是否位于基站的有效覆盖范围内，简单易行，保证了工程实际兼顾精度和计算时间的需要。
15.2、本发明基于传统的布置方案逐步采用移动围墙角点的基站，移动围墙上的基站和删除冗余操作逐步达到更优化的基站布置方案，无需复杂的优化建模过程即可达到更优化的结果，简单易行，适用于工程设计的实际需要。
16.3、本发明弥补了现有技术的空白，有效解决了变电站工程定位基站优化布置问题，能够进一步降低定位基站的使用数量，进一步节约固定资产的建设投入。
17.4、本发明根据电网工程实际定位需求定义需要实现定位功能的区域，基于上述实际定位需求按照传统方案布置基站，形成基础方案，重点关注工程所需定位区域的信号覆盖，满足工程实际定位不同程度重要性的差异化需求。
附图说明
18.图1为本发明实施例的uwb定位原理示意图。
19.图2为本发明实施例的uwb定位基站变电站工程布置示意图。
20.图3为本发明实施例的优化测试指标示意图。
具体实施方式
21.下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
22.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
23.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
24.如图1所示，本实施例提供一种变电站工程定位基站优化布置方法，包括以下步骤：步骤s1：设计定位基站初始布置方案；步骤s2：进行区域网格化；步骤s3：计算初始布置方案的信号有效覆盖率和变电站的信号有效覆盖定位基站
总数；步骤s4：移动初始方案中位于角点的定位基站；步骤s5：进行删减优化定位基站操作；步骤s6：评估优化结果。
25.在本实施例中，所述步骤s1的具体内容为：根据电网工程实际定位需求优化布置定位基站，实现定位基站信号范围的合理覆盖。用传统布置方法中在区域周围围墙等距离布置定位基站的方式得到本发明所提出方法优化的基准参考方案。
26.具体为：定义需要实现定位功能的区域，根据实际区域的边界采用在区域周围等距离布置方式布置基站。若该区域需要实现定位动能，例如变电站巡视小道、非电气设备、非建筑区域，则认为该网格需要实现定位功能，则该网格的定位需求标志值为1。
27.在本实施例中，所述步骤s2的具体内容为：为了工程实际计算的需要，同时保证精度达到有效范围，判断需要实现定位功能的区域是否位于基站的有效覆盖范围内，对需要实现定位功能的区域进行网格化处理，即将区域划分成若干个正方形网格，（即类似切蛋糕的方式，横平竖直地切割，然后从左上到右下从小到大编号）网格的边长越小，表示网格越密，计算的精度越高。同时，计算网格中心点到定位基站的距离是否小于定位基站的有效信号范围r用于判断该网格区域整体是否位于基站的有效覆盖范围内。
28.在本实施例中，所述步骤s3的具体内容为：从上到下逐行遍历各网格中心，计算各网格中心点到各定位基站的距离是否小于定位基站的有效信号范围r用于判断该网格区域整体是否位于基站的有效覆盖范围内；将区域内各网格被定位基站信号有效覆盖的数量作为该网格区域的特征值，同时，当网格区域特征值大等于为了实现定位功能所需的最小数量时（为了实现二维平面定位，需要能够接收到3个定位基站信号，为了实现三维空间定位，需要能够接收到4个定位基站信号），则认为该网格区域能够实现有效定位，否则认为该网格区域不能够实现有效定位；将变电站所需定位区域内能够实现有效定位的网格数量占变电站所需定位区域内所有网格的比例作为变电站所需定位区域的信号有效覆盖率；将变电站所需定位区域内各网格区域的特征值加总后的数值作为变电站所需定位区域信号有效覆盖定位基站总数；变电站所需定位区域的信号有效覆盖率=变电站所需定位区域内能够实现有效定位的网格数量/变电站所需定位区域内所有网格数量；变电站所需定位区域的信号有效覆盖定位基站总数=变电站所需定位区域内各网格区域的特征值加总。
29.在本实施例中，所述步骤s4的具体内容为：观察变电站区域角点是否布置基站，若区域角点布置基站，将角点的基站均沿着围墙向同一个方向（例如顺时针或逆时针）移动一个步长（步长可根据实际情况自己设定），用以使得需要实现定位功能的区域内更大的面积落入代表定位基站有效信号覆盖范围的圆内，即需要实现定位功能的区域内有更大概率满足定位要求；，充分有效地利用了定位基站信号可覆盖的范围。
30.当每移动一次变电站区域角点的定位基站时，均需计算变电站所需定位区域的信号有效覆盖率和信号有效覆盖定位基站总数；每执行一次移动操作后检验变电站所需定位区域的信号有效覆盖率和信号有效覆盖定位基站总数，当变电站所需定位区域的信号有效
覆盖率和信号有效覆盖定位基站总数减少时，撤销此次移动定位基站的操作，将此次s4中上一次移动基站步骤前的定位基站的布置作为基准开始执行步骤s5；否则反复执行步骤s4，直到达到最大循环次数后再执行步骤s5。
31.在本实施例中，所述步骤s5的具体内容为：当完成定位基站群的同向移动优化操作后，进行定位基站的筛减优化操作，此操作仅针对变电站区域围墙上所布置的定位基站；计算需要实现定位功能的区域内各网格被定位基站信号有效覆盖的数量，将该值作为该网格区域的特征值，同时将位于各定位基站有效覆盖范围内且位于所需定位区域的网格的特征值叠加后作为该定位基站的特征值；遍历区域围墙上所布置的所有定位基站，按特征值从大到小的顺序逐步删除该定位基站，删除后检验变电站的信号有效覆盖率，当变电站的信号有效覆盖率减小时，说明此时不满足该变电站区域定位的需要，停止操作，撤销删除该定位基站的操作，优化到此为止，输出此时的定位基站布置结果作为优化后的布置方案；当遍历了所有定位基站后，也停止优化操作，输出此时的定位基站布置结果作为优化后的布置方案；否则，重新执行定位基站的筛减优化操作；此外，若优化结束后变电站的信号有效覆盖率小于1，则可以判定初始阶段布置定位基站的方案不合理，需要进一步优化设计初始阶段定位基站的布置方案，例如减小基站布置的间隔等。
32.定位基站的特征值=位于该定位基站有效覆盖范围内的所需定位网格区域的特征值加总。
33.在本实施例中，所述步骤s6的具体内容为：若优化结束后变电站的信号有效覆盖率小于1，则判定初始阶段布置定位基站的方案不合理，需要重新执行步骤s1并进一步优化设计初始阶段定位基站的布置方案，例如减小基站布置的间隔等。
34.本实施例，提供一种变电站工程定位基站优化布置系统，包括存储器、处理器，所述存储器上存储有计算机程序，处理器在运行该计算机程序时能够实现如上文所述的方法步骤。
35.较佳的，如图1所示，本实施例能够优化定位基站的布置方案。针对将定位基站布置于变电站区域四周这一常见布置情况，根据电网工程实际定位需求优化布置定位基站，实现定位基站信号范围的合理覆盖。首先定义需要实现定位功能的区域，将所研究的区域网格化，基于传统的布置方案逐步采用移动围墙角点的基站，移动围墙上的基站和删除冗余操作逐步达到更优化的基站布置方案。采用微元法，保证了工程实际兼顾精度和计算时间的需要。无需复杂的优化建模过程即可达到更优化的结果，简单易行，适用于工程设计的实际需要。采用本实施例所提出的方法能够进一步降低定位基站的使用数量，进一步节约固定资产的建设投入。
36.较佳的，在本实施例中，以某变电站工程为例，该变电站如图2所示，站区围墙长度为101米，宽度为88米。考虑uwb定位基站布置方案，且认为变电站全区域范围内均需实现定位，传统的布置方案为根据经验布置，具体布置方案如图2所示。共布置了8个uwb定位基站，具体坐标如下表：编号坐标1(0,0)
2(55,0)3(101,0)4(101,44)5(101,88)6(55,88)7(0,88)8(0,44)根据信号范围公式计算得到uwb基站的有效范围为100m，即距离大于100m时信号强度降至
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96db及以下。通过计算可知传统的布置方案可以满足人员定位要求。
37.将变电站区域网格化，不失一般性，将研究区域划分为间隔为1
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1米的网格。计算初始覆盖率，此时的覆盖率为100%。
38.算例考虑二维空间定位的情况，此时为了实现某点的定位，该点需要在定位基站信号有效范围内的基站数量应大等于3。
39.通过执行本发明所提出的一种变电站工程定位基站优化布置方法的系统，处理器采用intel(r) core(tm) i5
‑
5200u 2.20ghz，运行系统中的计算机指令，得到优化结果。
40.为了便于说明，对整个优化过程做逐步分析。
41.首先计算机自动执行移动初始方案中位于角点的定位基站的操作，设定步长为1，进行19步移动操作后得到了新的uwb定位基站坐标，具体如下表：编号坐标1(0,19)2(55,0)3(82,0)4(101,44)5(101,69)6(55,88)7(19,88)8(0,44)之后计算机自动执行删减优化定位基站的操作，在进行4步后（即遍历了4个初始方案中位于区域边线的定位基站后），最终删减了2个定位基站，得到了优化后的结果，优化后仅需布置6个uwb定位基站坐标，具体如下表：编号坐标结果1(0,19)配置2(55,0)不配置3(82,0)配置4(101,44)配置5(101,69)配置6(55,88)不配置7(19,88)配置8(0,44)配置
综上，在实施例中，采用本发明提出的方法一步步实现了uwb定位基站的优化布置，满足了现场二维空间定位的需要，同时相较传统的uwb定位基站布置方法少了2个uwb定位基站，进一步降低定位基站的使用数量，进一步节约固定资产的建设投入。
42.本发明实施例中优化测试指标示意图如图3所示，其中横坐标代表迭代次数，纵坐标代表变电站的信号有效覆盖率。可以看出，使用本发明所提出方法后，变电站信号有效覆盖率指标逐步上升，并达到100%，满足了本实施例中变电站全区域范围内均需实现定位的需要。
43.本发明提出的方法可适用于各种类型用于工程定位基站的优化布置，包括但不限于基于uwb的定位基站、基于rfid的定位基站、基于wifi的定位基站和基于5g通信网络的定位基站等。
44.以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。