基于Visio的拓撲運算在電工仿真中的運用

劉平

摘? 要： 提出將電路圖描述為等電位點構成的群落及其相互關系的抽象模型的方法，并據此重點探討在電工教學仿真的特定環境下，通過在矢量繪圖軟件Visio的后臺進行二次開發，來實現電路圖上等電位點的搜索的方法。進而通過模型對比的方式，從功能層面判定Visio 所作電路圖與標準接法的一致性。

關鍵詞： Visio; 二次開發; 電工教學仿真; 拓撲; 等電位群

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）02-43-03

Application of Visio based topology operation in electrical engineering simulation

Liu Ping

（Guiyang Vocational and Technical College， Guiyang， Guizhou 550008， China）

Abstract： A simple and intuitive method is proposed to describe the circuit diagram as an abstract model of community composed of equipotential points and their relationships. On this basis， this paper mainly discusses a search method of equal potential point on the circuit diagram through the network topology operation of Visio software in the specific environment of electrical engineering teaching simulation. Then， through the model comparison， the consistency of the circuit diagram made by Visio and the standard approach is determined from the functional level.

Key words： Visio; secondary development; electrical engineering teaching simulation; topology; group of equipotential point

0 引言

Visio作為一款較為流行矢量的繪圖軟件，已經被廣泛運用于流程圖、工程圖的繪制等領域。它具有繪圖簡單、靈活和呈現效果好等優點，這里不再累述。多數使用者或許沒有注意到，由于該軟件與Word、Excel和PPT等同為Microsoft公司Office系列軟件，它同樣具有強大的后臺編程控制能力，甚至在這方面其功能明顯強于上述其姊妹軟件，例如其表單（Shapesheet）集成了頁面上所有圖形（或是圖形組合）的所有可用屬性，通過在對應的屬性欄填入相應的Formula（公式）就能簡單地改變圖元的形態、色彩以及位置等屬性。同時，在Visio后臺的VB編程環境下，則能夠實現對頁面中的圖元進行較為復雜的控制，例如時序控制，也包括本文將要用到的拓撲運算等。不僅如此，通過其OCX的植入，還能夠在C/C++以及.NET編程環境下實現對Visio繪圖的控制[1]。正是由于Visio軟件不僅有簡單、靈活的繪圖功能，還具備強大的后臺編程控制能力，所以Visio軟件可視化仿真方面的運用正逐步得到重視。

1 電氣仿真過程中電路接線正確難以判斷的問題及其解決方案

在使用電氣仿真軟件中經常會遇到一個尷尬的問題：接線完全正確，卻被系統判錯。通過分析和向相關廠商咨詢，發現問題在于仿真系統僅將某一種標準接法作為正確，但實際上，相對于液壓和機械等領域而言，電氣原件之間的連接具有較大的靈活性，這個特點給電氣接線的仿真帶來了困難。例如，在控制回路里面有m個線圈（每個線圈有兩個端頭，假定為 x和y），要求y端都與直流電源的負極相連接，從理論上說，至少有一種連接方法。可以想象，如果是一個完整的電路圖，實現同一個功能的接線方式會更多。顯然，在符合電氣安裝規范的前提下，從功能而言，不能僅將標準答案認為是惟一答案。

經過分析可知，解決該問題的關鍵是找到電氣上的等電位點問題。文獻[2]有論述：在電路中，如果兩點間沒有電阻，那么這兩個點就是等電位點。不論導線有多長，只要中間沒有電源、電器等，則導線兩端點均可以看成等電位點。在識別不規范電路的過程中，可將等電位點命名為相同的點，以達到簡化問題的目的。可見，以上問題實際上可以歸結為通過導線連接的節點構成的等電位點（注：在后面的抽象模型中將其稱為等電位群）的判別，即不論如何連接，只要電源的負極與m個線圈的y端通過導線構成等電位點都判定為正確。顯然，該結論還可以推廣到電路中其他有等電位點的存在的部分。

本方案在軟件上實現的思路是：將電氣接線圖（例如圖1，其中包含2個常開型觸頭B、C和3個線圈D、E、F，還有編號分別為1-12的12個節點以及若干導線組成）轉換為由等電位群及其相互關系來描述的抽象模型（例如圖2，其中包含4個等電位群，圖1中的12個節點被劃分到其中，4個等電位群則通過B、C、D、E、F等5個原件連接），然后，通過與標準接線方式的結構模型進行比較來判定當前接線方式的正確性。其中，等電位節點的搜索，即等電位群的建立是關鍵，這也是本文的重點。

2 通過網絡拓撲判別等電位點

在實際的電路接線圖中，等電位點的分布可能是比較復雜的網絡節點，所以，要從網絡等電位點層面來分析，而網絡拓撲是分析該問題的有效手段。網絡拓撲分析有多種方式[3]，其中，運用效果較好的樹搜索法分又分為DFS和BFS兩種方式，即通常所說的深度優先搜索法和廣度優先搜索法。廣度搜索法進行拓撲時，對于網絡的結構和起始點沒有依賴性，可以很好地適應各種網絡[4]。所以本方案采用BFS法來對等電位點進行搜索。

通過廣度搜索法進行網絡拓撲圖解析的過程中，搜索節點及其路徑是重點，關鍵是將這兩個抽象的概念與物理存在的電路建立對應關系。根據網絡拓撲圖中節點和路徑的概念，結合電氣接線圖可以發現電路圖與網絡拓撲圖的相似之處。以圖1（電氣接線圖）為例，可以將電氣接線圖中表示接線端口的小圓作為節點，而將連接端口的連接線作為路徑，從而通過網絡拓撲的方法來搜索所有的等電位點。但是這里會出現一個問題：Visio是一款繪圖軟，本身并沒有提供與用于網絡拓撲分析的相關函數和方法。前文所說的代表節點的小圓以及代表路徑的電氣連接線，在Visio中僅僅是一個普通的圖元。如何高效地解析相關節點及其生長路徑，這得要從Visio的一個重要屬性——連接（Connects）入手，在Visio繪制的電氣接線圖中，當表示連接端口的那個小圓被連線連接后就生成一個連接。通過相關函數對該連接進行分析，就可以得到構成該連接的兩個對象的名稱以及連接的方向等相關信息。對于一張用Visio繪制的電氣接線圖，其中有多個連接。如果對其中所有的連接作上述分析，結合連接端口為網絡節點、連接線為路徑的思路，就可以算出該電氣連接圖的網絡結構模型。

下面簡要說明具體的實施步驟和方法：首先，通過Visio后臺編程將當前頁面指定為活動頁面（ActivePage），并用表1所示的Page.connects.counts函數獲取頁面上連接的數目，其中的第n個連接用Page.connect（n）來表示[5]。然后，逐一對所有連接進行Tosheet.name屬性和Fromsheet.name屬性的解讀[7]，獲得所有連接的連接端口的名稱信息（也就是網絡節點的名稱）和連接線的名稱（也就是網絡拓撲路徑的名稱）。如果某連接對應的連接端口名稱與初始化連接端口（一般取編號為0的端口）一致，則該連對應的連接線就是初始化節點的一條生長路徑。所有具備該特征的連接線就是初始化節點的全部生長路徑。通過類似的方法，再次遍歷所有的連接點，如果其對應的連接線名稱是上述路徑之一，并且是通過連接線的另一端連接（對于連接線這樣的一維圖形，Visio可以通過表1中的Frompart返回值是Visbegin還是Visend[8]來判斷該連接是通過連接線的始端和末端進行連接），那么該連接對應的接線端口就是下一層的節點。再對第二層的所有等電位節點做上述運算，就可得第三層等電位節點。如此循環，即由節點搜索路徑，又由路徑搜索節點的過程，直到該層節點都沒有新的生長路徑（在這里需要注意：拓撲路徑不能反向生長，即同一路徑不能二次經由），則得到的所有節點為等電位節點，也就是一個等電位群，如圖3所示。對剩余的節點再重復上述過程直到所有節點被分配到對應的等電位群，即得到了電氣接線圖中的所有等電位群。

3 等電位群之間連接關系的判別

前面將所有節點歸屬到各自的等電位群。接下來還要解決一個問題——等電位群之間的連接關系。顯然，等電位群之間總是通過一個（多個）電氣元件連接的。如果某電氣元件圖的某兩個接線端口（節點）被歸屬到某兩個等電位群，就可以確定這兩個群通過該電氣元件進行了一個連接，如圖1所示。根據這個思路，以電路中電氣元件的連接端口為對象，通過Shapes.items.name屬性確定其上節點名稱，然后搜索包含該節點所屬的等電位群[9]。符合條件的等電位群即是通過該電氣元件連接的群。在剔除搜尋過的電氣元件后繼續以上過程，直到所有電氣元件被識別后，就得到以群為節點的拓撲圖，如圖2所示。

為了便于對兩個電路模型進行比較，需要建立一個統一格式的集合（Dataset）來存放以上得到的等電位群及其相互連接關系。該集合要包含表示等電位群的數量及其各自子集等條目，其中，等電位群子集又包含相關連接路徑和對應的等電位群，以及其中包含的等電位點數目、各自名稱等條目。由于篇幅所限和已有文獻做過詳細論述，該集合的建構和比較過程就不再累述，相關知識見文獻[6]。

4 結束語

該方案以電工學相關知識作為理論基礎，同時采用了數學的拓撲和歸納等方法，將繁雜的電路抽象為描述等電位群及其相互連接關系的模型。將該模型與標準模型進行比較，以此作為判別接線正確的標準，能夠有效解決在電工仿真教學中，仿真軟件不能識別具有相同功能的其他接線方式的問題，從而提高電工仿真的實用性。

參考文獻（References）：

[1] 劉強，劉向君.利用Visio二次開發實現邏輯圖自動分析[J].軟件導刊，2008.8（1）：13-14

[2] 陳榮高.利用等.電位點解決初中電路問題[J].物理教師，2012.6：33-35

[3] 黃正，陳凡等.電力拓撲分析算法的元研究[J].南京工程學院學報（自然科學版），2013.2：21-23

[4] 李冰劍，張學軍.電力系統網絡拓撲的分析與比較[J].圖書情報導刊，2011.21（1）：184-187

[5] （美）Microsoft著，萊恩工作室譯.開發Microsoft Visio解決方案[M].北京大學出版社，2002.

[6] 催競.Visual Basic 6.0基礎與實踐教程[M].電子工業出版社，2007.

[7] 王凱，李貴陽，應文健.基于Visio故障樹的艦炮故障診斷專家系統設計與實現[J].艦船電子工程，2017.1：42-43

[8] 郭偉偉，張鋒，章健.Visio圖形化電力計算軟件中電網拓撲結構的識別[J].河南科學，2006.6：22-24

[9] 李平玉.自動測試系統圖形化資源建模與測試描述工具的實現[D].電子科技大，2016.