基于PDMS平台的三维电缆路径智能设计算法研究

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　　摘 要本文针对目前电缆敷设设计现状，研究了基于PDMS平台的电缆路径节点自动生成算法、电缆路径智能计算算法和电缆路径最优推送算法。以电缆清册、设备接线点、桥架为数据基础，通过上述三大算法，在PDMS平台上完成三维电缆路径智能设计的模块化解决方案。
　　关键词PDMS;智能设计;路径节点生成算法;电缆路径设计算法;路径最优推送算法
　　0 引言
　　1）PDMS平台简介
　　PDMS（Plant Design Management System） 即工厂三维布置设计管理系统，是英国AVEVA公司研发的在流程工厂设计领域享誉世界的软件系统，目前在核电、火电、石化、船舶等行业应用广泛，该软件具有全比例三维实体建模、多专业实时协同三维设计、独立的数据库结构、开放的开发环境等功能特点。
　　2）电缆敷设路径设计现状
　　（1）传统电缆敷设：
　　设计人员首先要手工明确需要进行电缆敷设的设备和设备的接线点，再由设计人员规划整个项目中可用于接线的电缆通道，然后再根据设备的定位和电缆通道进行电缆的敷设，手动编制记录节点，依靠设计人员的经验规划最优路径，最后由敷设结果生成电缆清册和敷设图。所以，传统的电缆敷设方式，基本上全靠人力来实现，费时费力，而且很难获得电缆敷设中既满足工程需求又节约电缆的最优解。
　　（2）现阶段电缆敷设：
　　和传统的电缆敷设相比较，现阶段工程中，为了提高工作效率，部分工序采用二维CAD辅助软件。在电缆桥架的快速敷设，电缆敷设节点编制等具体的操作中，通过计算机手段提升了工作效率，然而依然存在如下问题：
　　a.由于电缆敷设设计人员并不熟悉工艺设备，设计人员在敷设时，需要和工艺专业多次配合后并对其定位，相当于进行了重复工作，浪费了时间，且很容易出错;
　　b.二三维计算分离，目前最常用的电缆敷设方式是基于AutoCAD平台开发的敷设软件，而电缆敷设软件与三维设计平台中电缆通道布置及设备布置是分离的，设计人员需要把在三维软件上布置好的电缆通道生成CAD图纸，再在图纸上用电缆敷设软件绘制一遍通道，这样既增加了设计人员工作量，也会存在模型和图纸不一致的问题。电缆量统计不精确，CAD的电缆敷设是基于拓扑关系的一个虚拟路径算法，与实际偏差较大，为了防止设计电缆量单出现不足的问题，设计人员会在电缆量上增加10%的裕度，且不会考虑实际生产过程中电缆分盘的问题，电缆埋管材料也是依靠经验进行估计，存在材料浪费的问题。
　　本文基于PDMS平台，利用其强大的三维模型功能，研究三维电缆路径智能设计算法，以提高电缆敷设设计效率和设计质量，获得更精確得材料统计量。
　　1 三维电缆路径智能设计思路
　　三维电缆路径智能设计算法，就是利用PDMS平台上的三维实体环境及导入的数据，自动生成路径节点智能选择电缆最优路径，再根据路径对电缆进行实体动态排布，从而完成电缆材料统计，获取准确的电缆量单。
　　三维电缆路径智能设计流程见图1。
　　2 三维电缆路径智能设计模块化解决方案
　　2.1 算法数据准备——电缆清册
　　通过接口把电缆清册导入到PDMS数据库中，在导入过程中，软件将对电缆清册进行检查，对于非系统设计软件直接生成的电缆清册出现的电缆编号重复、一物多码、信息缺失等问题进行检查。如图2
　　2.2 算法数据准备——设备接线点
　　电缆清册数据导入后，动态检测清册的起始端设备是否存在三维模型。如不存在，需要重新创建设备点。
　　设计人员可以在AutoCAD上快速布置设备接线点并对其赋值，导出相关数据;或在Excel中直接梳理设备接线点数据，导入PDMS中，自动创建三维设备接线点，如图3。
　　2.3 路径节点自动生成算法
　　电缆清册和设备接线点数据准备完成后，在电缆路径智能计算前，需要生成路径节点，三维路径节点采用自动生成的方式：
　　通过路径节点自动生成算法，自动生成厂房Site的节点，并按三维视图显示，如图4。生成点范围包括：竖井，桥架头尾，三通，四通。
　　路径节点自动生成具体算法如图5。
　　第一步：根据用户指定的范围，程序通过类型筛选算法，自动的在范围内获取到所有的竖井、三通、四通以及桥架的首尾坐标。
　　第二步：将第一步中筛选的节点类型生成路径节点数据，在数据中预留节点深度关联构件数据列表。
　　深度关联元件搜索算法：向前，查找节点元件所有有连接关系的构件，直到深度到上一个节点;向后，查找节点元件所有有连接关系的构件，直到深度到下一个节点。
　　第三步：将第二步生成的节点和人工已经配置好的节点，进行关联配对处理，即构造节点之间的运行通道，形成拓扑关系图，见图6。把拥有相同关联元件的节点创建拓扑关系关键点，关联元件的数量创建拓扑关系权重。
　　2.4 电缆路径智能计算算法
　　电缆路径参数配置：D1：设备距离墙柱距离;D2：墙柱距桥架距离;D3：接线点直接上墙柱临界距离;
　　电缆路径分为两部分：接线点至桥架部分和桥架部分。
　　2.4.1 接线点至桥架部分
　　根据电缆起、终端设备接线点的坐标，获取坐标D1范围内的墙、柱，选择最近墙或柱元件，然后获取该元件D2范围内桥架，过滤异侧桥架，再选取最近桥架。最后，通过设备接线点，墙柱，桥架，计算出接线点至桥架所有路径。
　　接线点至桥架路径算法流程如图7。
　　2.4.2 桥架部分
　　桥架路径：电缆路径自动敷设效率与算法有着很密切的关系，桥架路径采用国际上成熟的典型的单源最短路径算法Dijkstra（迪杰斯特拉），主要特点是以起始点为中心向外层层扩展，直到扩展到终点为止，但是这个算法的局限在于它的运算量随节点数量成指数倍的增长，特别在于有外部约束条件（例如电缆类型、电压等级、通道分层及实时占积率等）的情况下，效率更是低下。 　　因此针对三维电缆敷设这样节点数量成百上千的情况，在此算法上进行了适合复杂节点系统电缆敷设的改进，引入了包络范围、最少节点数量、必经点（必避点）权重系数法。最终高效地完成了电缆路径的批量计算，算法会默认推送三条最优路径，同时自动选择三条路径中得分最高的路径。
　　桥架节点部分算法基本理论说明：
　　首先定义几个变量：结点个数N;二维矩阵M（NxN），距离矩阵，连通的结点间即为关联元件数，不连通的结点间为正无穷，和自己的距离为0;一维矩阵pb（1xN），若第i点已找到最短路径，则pb（i）=1，否则等于0，对于初始结点，pb=1;距离矩阵d（1xN），若第i点已找到最短路径，则的d（i）=最短距离，否则为0，初始结点d=0;上一结点矩阵path（1xN），若第i点找到了最短路径，则path存放这一条最短路径的前一个结点，通过对每一点的回溯，可以找到最短路径。
　　根据节点关联元件数据，定义相关矩阵：
　　假设路径初始点为n1，终止点为n6，则pb（1）=1; 在图2.3-3中节点上，将已找到最短路径的点标为它的最短距离，（可以理解为n1点已找到最短路径，距离为0），未找到的其余点表为正无穷（即表示不连通）。
　　在与n1连通的点中，即在矩阵M的第1行，寻找最小值，最小值所在列即确定的最短路径的结点，如同n3最短，pb（3）=1，d（3）=1，对于已找到最短路径的n3上一节点为n1，path（3）=1;接着，在与n1连通的，且未找到最短距离的节点的距离;与n3连通的，寻找节点距离最小n4，pb（4） =1.d（4）=4，上一节点n1最小距离3，則pb（4） =1.d（4）=3，path（4） =3，则路径n1-n4，重复上述步骤在n4节点继续查找，直到查到n6最小距离。
　　2.5 电缆路径最优推送算法
　　在电缆路径智能计算算法中，程序会为每条电缆默认保留五条可行路径（条数可自定义）。在可行路径中，通过电缆路径最优推送算法，将可行路径进行打分，将分数最高的路径作为默认设计路径，同时设计人员可人工干预选择其他路径作为设计路径。
　　权重打分系统算法：首先进行指标配置，默认配置指标为路径节点数量，路径长度，路径通过元件占积率，路径高差值等，如下表1;并配置适中参考值，路径长度步长为40，路径节点数步长为10，元件占积率步长为30%，高差步长为5。
　　3 结论
　　基于三维设计平台PDMS进行电缆敷设，以电缆清册、起始端设备、路径沟道、竖井、桥架作为数据基础，以路径节点自动生成算法、电缆路径智能计算算法和电缆路径最优推送算法为核心，解决了电缆路径智能计算的难题，完成了实体电缆的智能排布敷设。但在电缆敷设最优路径的算法计算效率上还有继续优化的空间。
　　参考文献
　　[1]崔伟宏.空间数据结构研究，科学出版社，1995.11.
　　[2]江泽涵.拓扑引论，科学出版社，1981.
　　[3]陈尹军，王翠玲.基于Dijkstra算法的公路网最短路径查询实现，中国科技论文在线.
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