基于PDMS平臺的三維電纜路徑智能設計算法研究

段永強 唐涌濤 黃捷 陳超 文劍

摘 要本文針對目前電纜敷設設計現狀，研究了基于PDMS平臺的電纜路徑節點自動生成算法、電纜路徑智能計算算法和電纜路徑最優推送算法。以電纜清冊、設備接線點、橋架為數據基礎，通過上述三大算法，在PDMS平臺上完成三維電纜路徑智能設計的模塊化解決方案。

關鍵詞PDMS;智能設計;路徑節點生成算法;電纜路徑設計算法;路徑最優推送算法

0 引言

1）PDMS平臺簡介

PDMS（Plant Design Management System） 即工廠三維布置設計管理系統，是英國AVEVA公司研發的在流程工廠設計領域享譽世界的軟件系統，目前在核電、火電、石化、船舶等行業應用廣泛，該軟件具有全比例三維實體建模、多專業實時協同三維設計、獨立的數據庫結構、開放的開發環境等功能特點。

2）電纜敷設路徑設計現狀

（1）傳統電纜敷設：

設計人員首先要手工明確需要進行電纜敷設的設備和設備的接線點，再由設計人員規劃整個項目中可用于接線的電纜通道，然后再根據設備的定位和電纜通道進行電纜的敷設，手動編制記錄節點，依靠設計人員的經驗規劃最優路徑，最后由敷設結果生成電纜清冊和敷設圖。所以，傳統的電纜敷設方式，基本上全靠人力來實現，費時費力，而且很難獲得電纜敷設中既滿足工程需求又節約電纜的最優解。

（2）現階段電纜敷設：

和傳統的電纜敷設相比較，現階段工程中，為了提高工作效率，部分工序采用二維CAD輔助軟件。在電纜橋架的快速敷設，電纜敷設節點編制等具體的操作中，通過計算機手段提升了工作效率，然而依然存在如下問題：

a.由于電纜敷設設計人員并不熟悉工藝設備，設計人員在敷設時，需要和工藝專業多次配合后并對其定位，相當于進行了重復工作，浪費了時間，且很容易出錯;

b.二三維計算分離，目前最常用的電纜敷設方式是基于AutoCAD平臺開發的敷設軟件，而電纜敷設軟件與三維設計平臺中電纜通道布置及設備布置是分離的，設計人員需要把在三維軟件上布置好的電纜通道生成CAD圖紙，再在圖紙上用電纜敷設軟件繪制一遍通道，這樣既增加了設計人員工作量，也會存在模型和圖紙不一致的問題。電纜量統計不精確，CAD的電纜敷設是基于拓撲關系的一個虛擬路徑算法，與實際偏差較大，為了防止設計電纜量單出現不足的問題，設計人員會在電纜量上增加10%的裕度，且不會考慮實際生產過程中電纜分盤的問題，電纜埋管材料也是依靠經驗進行估計，存在材料浪費的問題。

本文基于PDMS平臺，利用其強大的三維模型功能，研究三維電纜路徑智能設計算法，以提高電纜敷設設計效率和設計質量，獲得更精確得材料統計量。

1 三維電纜路徑智能設計思路

三維電纜路徑智能設計算法，就是利用PDMS平臺上的三維實體環境及導入的數據，自動生成路徑節點智能選擇電纜最優路徑，再根據路徑對電纜進行實體動態排布，從而完成電纜材料統計，獲取準確的電纜量單。

三維電纜路徑智能設計流程見圖1。

2 三維電纜路徑智能設計模塊化解決方案

2.1 算法數據準備——電纜清冊

通過接口把電纜清冊導入到PDMS數據庫中，在導入過程中，軟件將對電纜清冊進行檢查，對于非系統設計軟件直接生成的電纜清冊出現的電纜編號重復、一物多碼、信息缺失等問題進行檢查。如圖2

2.2 算法數據準備——設備接線點

電纜清冊數據導入后，動態檢測清冊的起始端設備是否存在三維模型。如不存在，需要重新創建設備點。

設計人員可以在AutoCAD上快速布置設備接線點并對其賦值，導出相關數據;或在Excel中直接梳理設備接線點數據，導入PDMS中，自動創建三維設備接線點，如圖3。

2.3 路徑節點自動生成算法

電纜清冊和設備接線點數據準備完成后，在電纜路徑智能計算前，需要生成路徑節點，三維路徑節點采用自動生成的方式：

通過路徑節點自動生成算法，自動生成廠房Site的節點，并按三維視圖顯示，如圖4。生成點范圍包括：豎井，橋架頭尾，三通，四通。

路徑節點自動生成具體算法如圖5。

第一步：根據用戶指定的范圍，程序通過類型篩選算法，自動的在范圍內獲取到所有的豎井、三通、四通以及橋架的首尾坐標。

第二步：將第一步中篩選的節點類型生成路徑節點數據，在數據中預留節點深度關聯構件數據列表。

深度關聯元件搜索算法：向前，查找節點元件所有有連接關系的構件，直到深度到上一個節點;向后，查找節點元件所有有連接關系的構件，直到深度到下一個節點。

第三步：將第二步生成的節點和人工已經配置好的節點，進行關聯配對處理，即構造節點之間的運行通道，形成拓撲關系圖，見圖6。把擁有相同關聯元件的節點創建拓撲關系關鍵點，關聯元件的數量創建拓撲關系權重。

2.4 電纜路徑智能計算算法

電纜路徑參數配置：D1：設備距離墻柱距離;D2：墻柱距橋架距離;D3：接線點直接上墻柱臨界距離;

電纜路徑分為兩部分：接線點至橋架部分和橋架部分。

2.4.1 接線點至橋架部分

根據電纜起、終端設備接線點的坐標，獲取坐標D1范圍內的墻、柱，選擇最近墻或柱元件，然后獲取該元件D2范圍內橋架，過濾異側橋架，再選取最近橋架。最后，通過設備接線點，墻柱，橋架，計算出接線點至橋架所有路徑。

接線點至橋架路徑算法流程如圖7。

2.4.2 橋架部分

橋架路徑：電纜路徑自動敷設效率與算法有著很密切的關系，橋架路徑采用國際上成熟的典型的單源最短路徑算法Dijkstra（迪杰斯特拉），主要特點是以起始點為中心向外層層擴展，直到擴展到終點為止，但是這個算法的局限在于它的運算量隨節點數量成指數倍的增長，特別在于有外部約束條件（例如電纜類型、電壓等級、通道分層及實時占積率等）的情況下，效率更是低下。