基于BIM技術的鐵路變配電所線纜敷設優化

朱超平，劉珍珍，鄭云水

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所， 北京 100081；2.蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院， 蘭州 730070）

在鐵路變配電所的設計、施工過程中，線纜布置是一項重要且復雜的工程，面臨著線纜布放規劃復雜，施工工藝難于掌握，布線工藝要求高等問題。

以往在變配電所線纜敷設工程全周期中，設計及施工單位都使用Auto CAD 等二維設計軟件。每個專業設計自己的內容，沒有協同設計平臺，各個階段的信息無法共享，也無法對各專業設計的內容進行整合。不同專業間的設計內容在設計階段無法進行施工碰撞預演，可能會在施工階段出現專業間管線交叉碰撞問題，導致返工，降低施工效率。同時，線纜的位置及其走向布置規劃非常復雜，對線纜的施工工藝要求較高，以往工作中經常出現線纜扭絞、窩工、返工等狀況，這些問題會影響工程整體進度，造成較大損失。

本文通過將建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術應用在鐵路變配電所的線纜敷設上，搭建專業間的協同設計平臺，使項目的各參與方基于同一平臺開展協同工作，進行三維狀態下的施工預演，可以減少專業間交叉碰撞情況的發生，有效地減少設計中的失誤，加快施工進度。同時，三維設計施工可以提供清晰的設計模擬與施工模擬，方便非專業人員對于項目進行了解、檢查、評估和監理。

本文將BIM 技術與改進的快速擴展隨機樹（RRT*，Rapidly Exploring Random Tree*）算法相結合，在三維狀態下進行變配電所線纜的智能布置，減輕了設計人員的工作負擔，同時也減少了因為布線復雜、工藝工法要求較高而產生的錯誤，減少了人工布線產生的扭絞、交叉、窩工等問題，提高了設計效率，降低了人工的投入。本文設計成果可以實現布線路徑最優化，同時節省物資，達到節能優化的目的。

1 RRT*算法概述

RRT 算法[1]由 LaValle 在1999 年提出，特點是能夠快速地在高維度和較大的環境中進行搜索，具有概率完備性，能得到一個收斂解。RRT 算法通過使用來自確定的搜索空間的隨機樣本，生長以起始配置為根的樹。隨著對每個樣本的搜索，它會嘗試與樹中最近的狀態進行連接。該算法在搜索空間中隨機采樣生成隨機點，查找樹上歐氏距離最鄰近點，向隨機點方向生長一個步長，若無障礙碰撞，就生成新節點，反之則重新采樣，直到搜索到目標點。

RRT 算法的隨機采樣性使得其產生的路徑往往只是可行路徑，而不是最優路徑。RRT*算法是RRT算法的一種改進算法，由S.Karaman 和E.Frazzoli 在2011 年提出。相比于RRT 算法，RRT*算法引入了對新生成節點的相鄰節點的搜索，目的是重新選擇父節點，除此之外，還有隨機樹的重布線過程，進一步減小了路徑代價，是高維狀態最優路徑規劃問題的一個突破性方法。若時間足夠，RRT*算法會收斂到最優解，規劃出變配電所的最優線纜布置路徑[2]。

1.1 父節點重選過程

搜索過程中，算法以新產生的節點xnew為圓心，在規定的半徑范圍內尋找“鄰居”，并將其作為父節點的備選方案。算法依次計算備選父節點到起點的路徑代價，再加上xnew到每個備選節點的路徑代價。圖1a 是隨機樹擴展過程中的一個時刻，節點標號表示該節點的生成順序，節點是初始節點，⑨節點即為新產生的節點xnew，此時⑥節點為⑨節點的父節點，節點與節點之間連線上的數字代表它們之間的路徑代價。

圖1 RRT*算法父節點重選過程

在父節點的重選過程中，以⑨節點xnew為圓心，以事先規定的半徑畫出一個圓，圓內的鄰近節點即為備選父節點，也就是④、⑤、⑧節點。原來的路徑-④-⑥-⑨的路徑代價為10+5+1=16，3 個備選父節點與xnew組成的路徑分別為-①-⑤-⑨，-④-⑨和-①-⑤-⑧-⑨，路徑代價分別為11、14 和12。綜上，將⑤節點作為⑨節點的新父節點使得路徑代價最小，故將⑨節點的父節點由原先的⑥節點變為⑤節點，重新生成的隨機樹[3]，如圖1b 所示。

1.2 隨機樹重布線過程

為xnew節點重新選擇父節點后，可以通過對隨機樹重新布線的操作，將隨機樹節點之間的連接代價盡量減小。如果鄰近節點的父節點改為xnew可以減小路徑代價，則應對其進行更改。如圖2a，⑨節點為新生成的節點xnew，⑤節點為其父節點，鄰近節點分別是④、⑥、⑧。他們的父節點分別為、④、⑤。路徑分別為-④-④-⑥和-①-⑤-⑧，路徑代價分別為10、15 和9。如果將④節點的父節點改為⑨節點xnew，則到達④節點的路徑變為-①-⑤-⑨-④，代價變為15，大于原來的路徑代價10，因此④節點的父節點不應改變。若將⑥節點的父節點改為xnew，則其路徑變為-①-⑤-⑨-⑥，代價由原來的15 變為12，故將⑥節點的父節點改為⑨節點，重新生成新的隨機樹如圖2b 所示。

圖2 RRT*算法隨機樹重布線過程

RRT*算法中重布線的意義在于，每當生成新的節點，都可嘗試通過重新布線，使某些節點的路徑代價減少。從整體來看，并不是每一個重新布線的節點都會出現在最終生成的路徑中，但是在生成隨機樹的過程中，每一次的重布線都盡可能的為減小最終路徑代價創造機會。

上述2 個過程是RRT*算法的核心。這2 個過程相輔相成，父節點重選使新生成的節點路徑代價盡可能小，重布線使得生成新節點后的隨機樹減少冗余通路和路徑代價。

2 變配電所線纜敷設約束

基于BIM 技術，在三維狀態下進行變配電所內線纜的敷設，關鍵在于線纜路徑的尋找與規劃。以鐵路變配電所中常用的圓截面單根線纜為例，線纜規劃布置問題可以看作求解空間中球形剛體的運動規劃問題。球形剛體的半徑代表圓截面單根線纜的半徑，運動路徑的起始點與終止點分別代表變配電所中線纜連接的2 個終端。本文通過RRT*算法，規劃出一條初始的可行移動路徑，作為變配電所中線纜的初始路徑。再通過對線纜布置時各種約束進行全面的考量，優化路徑，制定最終設計方案。本文布線優化主要考慮的約束有基本約束、長度約束、貼壁約束、疊層約束4 部分。

2.1 基本約束

保證變配電所中2 個終端之間的線纜連接沒有其他管線以及設備的交叉碰撞，與空間中的建筑結構無交涉。RRT*算法的基本擴展過程可以滿足這一要求。

2.2 長度約束

線纜敷設優化的主要功能之一是節省物料，故規劃的路徑要盡可能短，以減少架空線纜的重量，降低線纜敷設成本。這一需求可以通過增加RRT*算法中的隨機點個數，盡量縮短變配電所中2 個或者多個終端之間的連線來實現。

2.3 貼壁約束

在線纜敷設前，線纜溝和走線架都已設計完成，在相距較遠的2 個終端之間進行布線規劃時，應沿著裝配體與線纜溝、走線架的表面進行布置，以便于對線夾的安裝固定和保障線纜的穩定?？赏ㄟ^加入磁吸算法或在RRT*算法中沿著線纜溝、走線架內壁設置隨機點來實現。

2.4 疊層約束

通常線纜的敷設只允許1 層，不允許疊加，若有條件限制，可進行雙層布置，但是最多不能超過3 層。

3 RRT*算法在變配電所線纜敷設中的應 用

本文基于SoldWorks 軟件，應用BIM 技術，結合RRT*算法[4-5]，對某新建鐵路牽引變配電所線纜接線進行智能布置。在具體布線尋路過程中，運用RRT*算法優化線纜敷設路徑[6]。

3.1 基礎構建

（1）利用SolidWorks 軟件勾畫房屋，勾畫時要規定房屋長度，墻面高度和厚度等信息。房屋構建完成后，將房屋屬性，即建筑面積、實用面積、房屋名稱等具體數據輸入BIM 中。

（2）構建線纜溝，線纜溝有不同的種類，本文采用單邊3 層和雙邊4 層線纜溝，溝內支架寬250 mm。

（3）構建并擺放鐵路牽引變電室內設備，設備的擺放必須吸附在線纜溝邊，使其符合真實場站對于室內的細節設計，同時方便設計人員對于不同的室內配電柜進行不同的線纜引出與引入。鐵路變配電所基礎構建如圖3 所示。

3.2 基于RRT*算法的線纜敷設優化

3.2.1 初始化RRT*算法參數

（1）通過導入房屋屬性和設備配線表，定義配置空間中的2 個子空間，障礙物空間和自由配置空間。其中，房屋屬性包括建筑面積、實用面積、房屋名稱等；設備配線表包括線纜起始設備名稱、起點接線端子名稱、線纜終到設備名稱、終點接線端子名稱、線纜型號（線纜直徑）。

圖3 鐵路變配電所基礎構建示意圖

（2）將線纜敷設的起始點與終點作為RRT*算法的起點和終點，產生的樹節點均勻的分布于配置空間中，從而近似地獲取自由配置空間的連通性。

（3）設置路徑的代價。在線纜溝內敷設線纜時，理論上同一層的線纜支架上不允許疊加線纜，只可布置一層線纜，因此線纜的層與層之間需賦予一定的路徑代價值。但設備密集的地方，在線纜布線空間不夠的情況下，也可以疊放2 層，該情況可通過降低路徑代價值進行處理。根據線纜的順序賦予路徑代價值，布置線纜時，需要按照線纜的規定順序進行布置，由上到下依次是：高壓線纜、電力線纜、控制線纜、通信線纜，對其分別設置不同的代價值。布線過程中，線纜轉向時，若發生扭絞情況，會造成線纜使用壽命縮短，對供電安全性有很大影響，故根據工程質量實施細則的要求，線纜拐直角彎時，設定線纜的彎曲半徑不小于管槽內最粗線纜直徑的10 倍，以保證線纜不發生扭絞[7-8]。

3.2.2 線纜敷設優化

在線纜路徑的搜索過程中，通過1.1 和1.2 小節描述的RTT*算法進行布線選路。以新產生的路徑節點xnew為圓心，在規定的半徑范圍內尋找鄰近節點，作為xnew父節點的備選方案。依次計算備選父節點到起點的路徑代價加上xnew到每個備選父節點的路徑代價。以路徑代價最小為約束條件進行收斂，直到產生最優路徑。

線纜布置過程中，如果在某一方向上與障礙物發生碰撞，則利用碰撞檢測計算得來的碰撞信息進行定向擴展。為了使得到的路徑為最短，對分段后的路徑段端點位置進行修正，經過位置修正優化后，插入中間點，計算得到曲線路徑。

為了使路徑符合曲率，對路徑中局部曲率過大的部分進行修正。依次計算出各路徑點處的曲線曲率，判斷其是否超出了規定的閾值，若超出，則將其向曲率減小的方向移動一定的步長，得出最優的線纜路徑。

3.3 設計成果

根據導入軟件中的配線表和上述設計策略，生成的效果圖如圖4、圖5 所示，圖4 為室外線纜路徑圖，圖5 為室內線纜路徑圖，兩圖中的紅色線條代表線纜路徑。

圖4 牽引變電所室外線纜路徑

圖5 牽引變電所室內線纜路徑

設計中會規避建筑結構和已有的管線結構，防止生成的線纜路徑與其他結構發生交叉碰撞。規劃出路徑后，可生成線纜清單，清單內容包括：線纜起始設備名稱、起點接線端子名稱、線纜終到設備名稱、終點接線端子名稱、線纜型號、長度。

生成的線纜清單，可交與施工方進行備料，控制線纜用料，減少施工過程中的浪費，同時也方便了接線人員的工作，接線時直接找到對應端子即可，提高了施工效率。在交付后的運維階段，也減少了運維人員尋找端子的時間，可以直接對相應端子進行維護。

4 結束語

本文將BIM 技術運用在鐵路變配電所的線纜敷設中，與RRT*算法相結合。基于BIM 技術的協同設計平臺進行智能布線，提高了設計人員的工作效率。通過建立橋架、線槽、線纜等的BIM，根據設計圖紙的規劃布置，結合BIM 特有的碰撞檢測、施工工藝工法、RRT*算法，實現線纜敷設的自動排位和排序。在盡量避免線纜交叉的情況下，確保線纜敷設的路徑最優化；同時以三維形式對整個線纜敷設過程進行模擬和演示，并生成線纜清單，提高施工效率及工藝水平。