本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)二次電纜線束設計領域，特別涉及一種基于模擬退火算法和多鄰域算子組合策略的線束截面布局優(yōu)化設計及仿真驗證方法。

背景技術：

1、電氣系統(tǒng)中的柔性線束指的是由電纜、網(wǎng)線、光纖等進行捆扎和固定形成的線束(也稱為電線束)，線束往往具有多個分支，具有復雜的拓撲結(jié)構，結(jié)構特點呈現(xiàn)為長細軟，其端部與繼電器插件、端子排、航空插頭安裝連接器后形成線束組件。二次電纜線束作為繼電保護二次系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡，傳輸著各類光電信號，是重要的信號傳輸媒介。

2、傳統(tǒng)的線纜布局設計，是等待產(chǎn)品的幾何機械機構確定后，基于實物進行安裝調(diào)試，依賴于布線人員的經(jīng)驗，存在安裝效率較低、線束敷設質(zhì)量難以把控、布局不合理等問題，很難適應復雜空間、敷設密度大，設備繁多的線束敷設排布場景。目前，對于運動過程中的電纜線束優(yōu)化、自動布局、包括路徑優(yōu)化等是一個研究熱點和難點，在電力領域現(xiàn)場實際應用中的二次電纜線束優(yōu)化研究較少，電纜線束有較大的優(yōu)化提升空間。

3、現(xiàn)場運維過程中，發(fā)現(xiàn)由于線束截面的設計不合理，導致線束故障頻發(fā)，進而影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。線束排布截面問題涉及到線束的布置方式、布線通道的選擇、線束的保護以及線束的尺寸設計等方面。

4、因此，在線束的排布過程中，需要優(yōu)化布線通道，選擇合適的布線通道，如電線槽、電線槽、管道等，使線束能夠有序地布置，并且便于維修和更換。依照最短路徑原則：線束排布應盡量采用最短路徑，減小線束長度，降低電阻和電壓降低的影響。合理保護線束：將線束布置在保護設施內(nèi)，如護套、護管等，以防止機械損傷和外界環(huán)境的影響。線束尺寸設計：根據(jù)系統(tǒng)的功率、電流和電壓要求，合理選擇線束的截面積，以確保電能傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。隔離高低電壓線束：應將高壓線束與低壓線束隔離開，以防止互相干擾和安全事故發(fā)生。

5、線束的排布方式應根據(jù)具體應用場景和系統(tǒng)需求進行設計。合理的線束排布可以保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性，避免電磁干擾和電壓降低等問題。在實際的線束排布設計中，還需要根據(jù)具體應用場景、設備的布局以及相關標準和規(guī)范進行考慮。同時，使用cad軟件等工具進行線束的三維設計和仿真分析，可以幫助優(yōu)化線束排布，提高系統(tǒng)的性能和可靠性。

6、合理的線束布局，可以降低線束長度和體積，減少線束的交叉和干擾，提高線束的散熱性能，從而提高整個電氣系統(tǒng)的性能和可靠性。線束材料選擇優(yōu)化：選擇合適的線束材料可以提高線束的耐熱性、防腐性和絕緣性能，從而增加線束的使用壽命和可靠性。同時，合適的材料選擇也可以降低線束的重量和成本。

7、為了在設計階段建立線束的準確模型，通過對線束的仿真運動分析，實現(xiàn)線束故障的定位、線束故障的評估，需要確定的線束截面，以及準確可靠的線束剛度等參數(shù)。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種線束截面布局優(yōu)化設計及仿真驗證方法。

2、實現(xiàn)上述目的的一種技術方案是：一種線束截面布局優(yōu)化設計及仿真驗證方法，包括如下步驟：

3、s1，線束截面排布格局的模型建立與合法判定；

4、s2，計算任意兩圓的鄰接屬性值lij，并獲取整個布局的非鄰圓判定矩陣；

5、s3，對線束截面布局x，計算其真實孔隙率；

6、s4，根據(jù)截面布局x中各圓的數(shù)據(jù)指標，在非鄰圓判定矩陣的基礎上，計算獲得截面布局x下的擠壓彈性勢能e；

7、s5，依據(jù)格局x的勢能函數(shù)u(x)，基于梯度下降的連續(xù)優(yōu)化方法將初始格局收斂至對應的局部最優(yōu)格局u(x*)；

8、s6，基于多鄰域算子組合策略和模擬退火算法的多次迭代和搜索，依據(jù)退火函數(shù)以一定的概率輸出最優(yōu)解，得到全局優(yōu)化后的最終布局，并輸出最優(yōu)布局中各圓的布局結(jié)果。

9、進一步的，所述步驟s1具體包括：

10、s11，建立線束截面排布格局的物理模型x＝(x1，y1，x2，y2，…，xn，yn)；

11、s12，引入線束截面排布格局的非法與合法判定標準，建立線束截面排布合法格局的約束條件。

12、進一步的，所述步驟s2具體包括：

13、s21，定義并計算任意兩個圓之間的侵入深度dij，并以此為依據(jù)定義兩個圓的非鄰屬性值lij；

14、s22，計算獲取任意兩圓的非鄰屬性值，并建立非鄰圓判定矩陣a。

15、進一步的，所述步驟s3具體包括：

16、s31，計算各個圓的面積之和與最小包圍圓的面積的比值為孔隙率，以孔隙率作為評價某個截面布局中各個圓的排布緊湊程度和空間利用率的依據(jù)，并作為線束布局迭代優(yōu)化中對各個解的評價和接收準則；

17、s32，考慮線束截面布局中，各個圓的面積數(shù)據(jù)的離散程度對于空間利用率評價的影響，引入孔隙率校正系數(shù)δ，并以計算獲得的真實孔隙率作為線束截面布局最優(yōu)解的接收準則。

18、進一步的，所述步驟s4具體包括：

19、s41，計算線束截面布局中的各小圓與外包絡大圓之間的彈性勢能w1：電纜線束外圍包覆材料，作為非線性材料，用膠粘彈性模型來描述它的彈性行為，依據(jù)其應力-應變曲線，通過積分求取曲線包圍面積，求解得到擠壓彈性勢能w1；

20、s42，計算線束截面布局中的各小圓之間的彈性勢能w2：電纜絕緣層的材料硬度較大，受到一定限度的擠壓之后其形變較小，彈性固體在小變形范圍內(nèi)的應力和應變之間存在線性關系，由此通過胡克定律來計算電纜之間的擠壓彈性勢能w2。

21、進一步的，所述步驟s4中，各圓的數(shù)據(jù)指標具體包括各圓的材料、直徑、彈簧系數(shù)、和侵入深度。

22、進一步的，所述步驟s5具體包括：

23、s51，定義格局x的勢能函數(shù)u(x)，并計算u(x)在x方向和y方向上的梯度函數(shù)h(x)和h(y)；

24、s52，設定初始梯度值x0和y0的值，學習率α，能量值收斂精度δ，步長收斂精度σ，設置迭代次數(shù)上限m；并不斷迭代搜索u(x)的彈性勢能極小值；

25、s53，輸出布局u(x)的彈性勢能極小值w(x)min、布局x*(x1*，y1*，x2*，y2*，…，xn*，yn*)的具體坐標，迭代次數(shù)m。

26、進一步的，所述步驟s6具體包括：

27、s61，對局部最優(yōu)布局x*,按照組合策略調(diào)用多鄰域算子；

28、s62，使用模擬退火算法基于概率進行格局的全局優(yōu)化：通過在搜索過程中接受一定概率的差解，以避免陷入局部最優(yōu)，并以較高概率接受更好的解，在全局搜索空間中尋找到更優(yōu)的解決方案。

29、進一步的，多鄰域算子包括拋擲算子交換算子和振蕩算子。

30、進一步的，輸出最優(yōu)布局中各圓的布局結(jié)果具體為，圓心位置oij，ri，線束等效外徑r和間隙率φ。

31、本發(fā)明的線束截面布局優(yōu)化設計及仿真驗證方法的有益效果在于：

32、首先，本發(fā)明通過將線束截面排布優(yōu)化的問題轉(zhuǎn)化為不等圓排布優(yōu)化模型，提供了一種可行的線束截面排布優(yōu)化設計的思路，在解決線束截面排布的問題上具有較好的性能和效果，適用于不同數(shù)量和形狀的圓，均能得到接近最優(yōu)的布局方案，求解高效，具有較好的靈活性和魯棒性。此外，算法的計算復雜度相對較低，可以在實際應用中進行高效求解，在二次電纜柔性線束的設計階段和現(xiàn)場施工中，具有現(xiàn)實的指導意義。其次，本發(fā)明提出的鄰接屬性值和引入的非鄰圓判定矩陣，可以提高各圓之間擠壓彈性勢能的計算速度，將底層算法的計算復雜度從o(n2)降低到o(n)，大大縮短了運算時間，滿足了實用化需求。其次，本方發(fā)明將線束的材料、線束的尺寸、線性彈性模型和膠粘彈性模型等因素納入整個布局彈性勢能總和的考量中，使得布局x的整體能量計算更加符合實際情況，測量結(jié)果更加精確可靠。最后，基于多鄰域算子組合策略和模擬退火算法實現(xiàn)布局優(yōu)化設計，在搜索過程中接受一定概率的差解，避免陷入局部最優(yōu)，并以較高概率接受更好的解，最后，給出最優(yōu)布局中，各圓的圓心位置oi(xi,yi),等效半徑，孔隙率，能量值等具體數(shù)據(jù)，在后續(xù)的線束設計及現(xiàn)場安裝等場景中，具有很強的實用性和可操作性。