面向绿色低碳的输电铁塔多目标智能优化设计系统的制作方法

本发明涉及输电铁塔结构优化与低碳工程，具体为面向绿色低碳的输电铁塔多目标智能优化设计系统。

背景技术：

1、输电铁塔是高压输电线路核心承重构件，传统铁塔设计流程多采用单指标分步校核模式，设计人员优先满足结构安全规范限值后，再粗略估算钢材用量，缺少统一量化框架以协调安全、造价、碳排放三类核心指标；现有设计手段仅能单独核算构件承载力与工程成本，未建立全生命周期碳排放量化计算体系，难以量化钢材选材、结构轻量化、后期运维、报废回收全环节碳足迹；同时，现有优化算法未考虑安全、经济、低碳目标间天然的冲突制衡关系，缺少适配铁塔拓扑与截面混合变量的协同求解机制，无法输出多目标均衡的最优解；该设计模式易造成构件安全裕度分布不均、钢材材料冗余量大，难以充分挖掘结构轻量化带来的降碳空间，难以适配当下电网绿色低碳建设的发展需求。

2、为了解决上述缺陷，现提供一种技术方案。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决传统铁塔设计安全、造价、碳排放指标难以协同均衡、优化求解效率低的问题，而提出面向绿色低碳的输电铁塔多目标智能优化设计系统。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、面向绿色低碳的输电铁塔多目标智能优化设计系统，包括：

4、多源数据采集模块：采集气象、地形、钢材力学及碳排放多源数据并标准化预处理，对铁塔分层构件混合变量编码，并构建带拓扑约束的结构设计基因矩阵；

5、有限元受力分析模块：读取结构设计基因矩阵，生成输电铁塔三维杆系有限元模型，完成多工况受力求解，计算构件安全裕度与整体安全均匀指数；

6、多目标协同优化求解模块：构建安全、经济、低碳三目标耦合模型，结合克里金代理模型与目标冲突敏感度遗传算法迭代，输出帕累托最优解集；

7、全生命周期低碳核算模块：对各优化方案分阶段核算碳排放，引入减重、材料替代系数修正碳排放量，更新解集属性参数；

8、三维可视化设计模块：基于优化解集重建铁塔三维模型，分层渲染安全、成本、碳排放云图，计算多目标决策距离筛选折中最优方案，加密输出兼容工程软件的设计数据包。

9、进一步的，所述多源数据采集模块的具体操作步骤包括：

10、采集目标输电线路走廊区域实测与气象站点归档的逐年逐时风荷载历史时序数据、不同重现期覆冰厚度时间序列、线路沿线地形高程dem数据，导入标准化预处理单元完成缺失值补全、异常数据剔除、量纲归一化处理；

11、构成材料性能参数库，配套钢材冶炼、轧制、防腐涂装、回收再生全环节碳排放因子数据库；

12、将空间气象荷载数据、地形参数、材料力学参数、碳排放因子参数拼接融合，构造维度对齐的全域统一数据向量，向量各维度参数携带来源标识与置信权重；多源数据冲突时以置信权重高者为优先，同时记录冲突标识供后续复核；

13、将输电铁塔整体拆解为塔腿区段、塔身区段、塔头区段三大层级，为每个区段定义区段拓扑变量集合，并对受力构件执行离散－连续混合变量编码。

14、进一步的，所述多源数据采集模块的具体操作步骤还包括：

15、引入材料碳强度权重系数，结合钢材屈服强度、钢材单位质量碳排放因子构建钢材复合性能评价指标；

16、将钢材复合性能评价指标作为材质编码片段，生成结构设计基因矩阵，基因矩阵每行对应一套铁塔完整设计方案，每列依次对应各区段拓扑编码、构件截面编码、材质编码、连接节点编码，在基因矩阵外侧附加拓扑邻接约束矩阵；

17、编码完成后输出结构化的结构设计基因矩阵，作为有限元建模的驱动数据源。

18、进一步的，所述有限元受力分析模块的具体操作步骤如下：

19、读取多源数据采集模块生成的结构设计基因矩阵，基于参数化建模引擎解析拓扑编码、截面编码、材质编码、节点连接编码，生成输电铁塔三维杆系有限元模型；

20、依次开展静力荷载工况分析、整体稳定屈曲分析、脉动风激励下动力响应分析，求解输出所有杆件构件的轴力、端部弯矩、构件长细比、节点位移、构件稳定系数；

21、区分杆件轴心受拉、轴心受压、拉弯、压弯四种受力形式；基于构件受力类型匹配对应截面稳定系数与承载力计算公式求解构件极限承载力，结合实际作用内力设计值绝对值的比值定义单根构件安全系数，并将单根构件安全系数转化为构件安全裕度；

22、采用克里金插值生成全域安全裕度场矩阵，并计算结构整体安全均匀指数。

23、进一步的，所述多目标协同优化求解模块的具体操作步骤如下：

24、以安全均匀指数构建安全目标函数；统计整套铁塔全部构件钢材用料成本、构件切割焊接加工成本、构件陆路、水路运输成本，累加求和得到建设经济目标函数；构建包含生产、施工、运维、回收抵扣全生命周期各阶段碳排放的低碳目标函数；

25、联立安全目标函数、建设经济目标函数及低碳目标函数，构建三目标耦合优化模型，采用克里金代理模型结合遗传算法寻优；

26、计算目标冲突敏感度因子，基于冲突敏感度因子自适应调整种群交叉、变异概率；

27、当连续20代帕累托前沿无更新且各目标函数值的变化量低于预设阈值时判定收敛，输出全部帕累托最优解集。

28、进一步的，所述全生命周期低碳核算模块的具体操作步骤如下：

29、针对帕累托最优解集中每一组铁塔设计方案，调取构件级碳排放清单数据库；

30、针对构件异地运输环节，将完整运输路径划分为高速公路运输、普通公路运输、水路运输多个分段，采用分段积分法核算构件运输环节碳排放量；

31、引入碳弹性调节系数，结合铁塔整体相对减重比例，对铁塔运维阶段碳排放进行修正；

32、引入材料替代比例系数，判定方案中普通钢材替换为低碳高强钢、再生钢材的替换比例；

33、计算替代材料的碳排放差值，基于碳排放差值判定执行总碳排放扣减或将替代后减少的用钢量所对应的碳排放节约与材料本身碳排放增量进行对冲计算；

34、对帕累托最优解集所有方案完成全生命周期碳排放核算，将修正后的碳排放参数回写至各方案属性。

35、进一步的，所述三维可视化设计模块的具体操作步骤如下：

36、读取经过碳排放修正后的帕累托最优解集所有设计参数，基于unity3d引擎解析基因矩阵重建铁塔三维模型，按优化侧重分配渐变色彩区分各方案；设置可启闭、透明度可调的多层渲染图层，叠加安全裕度彩色云图层、碳排放数值热度图层、建设成本分布敏感度图层；

37、构建多目标决策距离指标计算各方案与理想最优解的欧氏距离，筛选距离最小的均衡折中方案；

38、封装全套参数生成aes-256加密数据包，附带修改日志，输出兼容多类工程图纸格式文件并支持全流程数据溯源。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

40、本发明通过多源数据标准化处理与铁塔构件分层编码，统一整合气象、地形、材料及碳排放数据，压缩无效设计解空间，提升建模基础数据的完整性与可信度；

41、本发明通过三目标耦合优化模型与目标冲突自适应遗传算法，同步兼顾安全、造价、低碳需求，输出多目标均衡帕累托解集，充分挖掘轻量化降碳潜力；

42、本发明通过全生命周期精细化碳核算与分层三维可视化渲染，直观对比各方案指标，自动筛选均衡最优方案，实现设计、核算、出图一体化，提升低碳铁塔智能设计效率。