面向變電站布置自動審核的設計規范可視化編程

李福林，宋元斌，吳 冰，嚴 偉

（1.上海交通大學 船舶海洋與建筑工程學院，上海 200240；2.國家電網浙江省電力有限公司經濟技術研究院，杭州 310008；3.浙江華云清潔能源有限公司，杭州 310008）

0 引言

設計階段的合規性審核將影響變電站建成后的安全與可靠運行，可以從設計源頭消除事故隱患。變電站布置設計的合規性審核包括檢查各電氣設備及建（構）筑物的空間布局等是否符合相關設計規范的要求。目前，變電站布置的合規性審核主要依賴人工完成，工作量大、耗時長、且易產生錯漏[1]。實現變電站布置的合規性自動化審核是解決上述問題的一條重要途徑。

近年，工程設計的自動審核在施工隱患識別[2]、防火[3]等領域取得積極進展。相關研究表明，設計合規性自動審核的關鍵模塊是將設計規范轉譯為機器可執行的程序[4]。目前常見的規則編碼方法有2種：硬編碼法[5]和語義網[6,7]。前者將規范直接編寫為命令式程序語言檢查信息模型，如新加坡CORENET項目[8]聘請專業軟件公司開發規則對象庫FORNAX并使用C++語言編寫審核規則。這類方法對領域專家的編程能力要求高且審核系統不透明、可維護性差。而部分學者提出的基于語義網的編碼方法，借助語義網與本體建模將規范轉換為描述式邏輯語言，與命令式程序語言相比編碼難度有所降低。例如Lu等[9]通過簡單的“IF…ELSE…”模板將屋頂開口尺寸設計規范編寫為SWRL規則并利用Jess引擎推理評判設計的合規性。為了審核變電站布置的合規性，除了需要邏輯語言描述的設計規則外，還涉及大量的圖形幾何和空間分析算法，此類過程用邏輯語言表述極其復雜[10]。更加困難的是，一般工程技術人員難以在短時間內掌握上述編碼方法，而且編碼成果的可讀性差，工程技術專家難以審核和維護編碼成果，而計算機專家對規則的理解又存在局限性。

近年來，可視化編程得到廣泛應用，它主要是讓用戶以繪制流程圖的形式編寫程序[11,12]。在梳理變電站布置規則構成的共性要素基礎上，筆者提出面向變電站布置自動審核的設計規范可視化編程方法，主要包括一個三層結構的可視化編程框架和編程步驟，并詳細定義了節點、端子與流的類型，以期降低設計規則的編碼難度，同時提高自動審核工具的可維護性和透明性，從而更好地輔助變電站布置設計的自動審核。

1 變電站布置設計規則

在設計規范中，變電站布置的設計規則可以歸納為五個方面：

1）工作環境：電氣設備應布置在合理場地且周邊自然環境滿足裝置安全運行的要求。

2）電氣安全空間：帶電體之間以及與其他設施之間應保持足夠距離以避免強電場擊穿介質閃絡放電而引起各種短路、火災和爆炸事故。

3）圍擋防護：在部分電氣設備周圍需布置圍擋防護以防止人和物過分觸及或接近。

4）防火消防：電氣設備的布置應考慮防火要求，并設置必要的消防設施。

5）可維修性：電氣設備之間，以及電氣設備與建（構）筑物之間，應預留足夠的空間以滿足檢修的要求。

上述五類布置設計規則的審核推理與運算主要需要以下三類計算功能的支持：

1）基本代數運算：算術運算、邏輯運算及關系運算功能等。

2）空間分析：主要負責計算對象之間的空間關系等信息，如“在變壓器、配電裝置和裸導線的正上方不應布置燈具”[13]（《20KV及以下變電所設計規范》6.4.3條）。

3）幾何模型計算：主要負責計算對象的幾何模型等信息，如“配電裝置中電氣設備的柵狀遮攔高度不應小于1.2m。”[14]（《3～110KV高壓配電裝置設計規范》5.3.7條）。

以《3～110KV高壓配電裝置設計規范》為例，各類布置規則涉及的基本計算功能需求如表1所示。

表1 基本計算功能需求統計

總體上，空間分析和幾何模型計算是規則編碼的重點，它們都涉及較為復雜的幾何（形體）計算或空間分析算法，此類算法不易采用邏輯語言描述；盡管也可采用硬編碼法轉譯，但對設計專家的編程能力要求高，編碼難度大。

2 布置設計規則的可視化編程框架

可視化編程的核心思想是將各類基本計算功能封裝于節點內部，各個節點用數據流和控制流加以連接形成程序。基于上述編程思想，工程技術專家可專注于布置設計規則表述本身而不需要考慮具體的編程細節。為了實現上述可視化編程思想，需要提出一個框架，從可視化編程的要素與層次方面規定設計規則的程序。

2.1 可視化編程系統框架

圖1展示了布置設計規范可視化編程的三層框架，自底向上為別為基礎層、復用層和規則層。

圖1 設計規范的可視化編程框架

最底層為基礎層，包含預定義的各類節點、端子、流。節點不僅封裝了前述的3類基本計算功能，還封裝了設計模型訪問等功能。端子是節點的數據輸入和輸出接口，流是實現數據傳遞和流程控制的方式，包括數據流和控制流2類。以空間拓撲分析節點為例，圖2展示了其各個要素。

圖2 節點示例

另外，節點的設計還需考慮其泛用性和合適的顆粒度，以保證節點的復用性強，且易于專家理解和使用。以圖2中的空間拓撲分析節點為例，其泛用性表現在能夠判斷兩個任意對象的拓撲關系而不局限于特定對象；而合適顆粒度則表現為領域專家僅需要關心節點的輸入和輸出，而無需了解節點內部封裝的3DR27等復雜計算模型[15]。

中間的復用層包含專家利用基本功能節點編寫設計規則的一些中間結果，它們由專家二次封裝形成復用節點以便于在其他規則的編程中重復使用，例如“外墻”、“帶電構件”等概念。復用節點之間也可相互引用并進一步封裝。

最頂層為規則層，專家基于復用層和基礎層，通過獲取審核對象、規范編碼、合規性評價三步構建最終的數字化審核規則。復用層與規則層的節點組合和連接信息均可采用XML格式記錄。

2.2 節點類型

布置設計規則的詳細節點類型如表2所示。

表2 節點類型

2.3 端子類型

節點的端子是數據的入口和出口，主要數據類型及其標識如表3所示。

表3 節點端子數據類型

為了保證節點的泛用性，本文基于國家電網有限公司針對變電站三維設計提出的電網信息模型（Grid Information Modeling，GIM）[16]，定義了由圖形數據段和非圖形數據段組成的內部類GIMObject，從而統一設計對象的數據類型。此外，數據格式之間應具備一定的兼容性，例如浮點型兼容整型、GIM對象型兼容三維模型對象型等。

2.4 流的類型

1）數據流：運行過程中節點間的數據流轉，包括基本的數據類型，例如整型、浮點型、布爾型等。

2）控制流：控制程序執行的邏輯順序，一般包括分支和循環控制。

首先在必要的功能節點輸入端子上額外增加布爾控制型輸入端子以定義該節點是否執行。其次，將循環結構嵌入節點內部實現循環控制，其中內部循環分為2類：全循環與分組循環。全循環是指遍歷輸入數組中的每一個元素進行運算；分組循環是指在處理多個數組輸入時，以相同數組索引的元素為一組進行遍歷計算。以空間拓撲分析節點為例，假設分析類型為判斷分析對象（bj，j=1，2）是否在參考對象（ai，i=1，2）內部，那么全循環和分組循環的計算過程分別如圖3(a)～圖3(b)所示。

圖3 帶有循環的節點計算過程

如圖3(a)所示，全循環控制遍歷數組A，B中的每一個元素，共進行4次運算，最終輸出滿足拓撲關系的元素數組，并使用統一的數組索引指示對象間的關系（即對象b1，b2在a1內部，b2在a2內部）；而如圖3(b)所示，分組循環控制以相同數組索引的元素為組遍歷，共進行2次運算，最終輸出滿足拓撲關系的元素數組（即對象b1在a1內部，b2在a2內部）。全循環與分組循環的本質區別在于是否考慮多個輸入數組對應元素間的關系。

3 布置設計規則的可視化編程步驟

3.1 審核對象獲取

當審核的設計對象在模型中已經明確定義時，可直接使用模型數據訪問節點查詢。查詢的約束條件通常包括對象的類型（如變壓器，裸導線）、屬性（如額定電壓、安裝場所）、關系（如對象所屬的上級系統）等，而對象圖形方面的約束則通過幾何模型計算中的相關節點實現。當審核對象未在模型中明確定義時（如外墻），需要通過計算獲取審核對象。

3.2 規范編碼

獲取審核對象后，按照規范內容進行編程，若待審核信息已經在模型中顯式定義，則可直接從審核對象中抽取，例如變壓器的額定電壓、安裝位置等；若待審核信息未在模型中顯式定義，如變壓器與裸導線的空間拓撲關系，則需要利用相關基礎節點或復用節點進一步計算獲取。

3.3 合規性評價

獲取待審核的信息后，與設計規范中的標準進行比較并評價審核信息的合規性。

4 案例驗證

本文基于Grasshopper平臺開發了變電站布置設計規則的可視化編程原型系統，以復雜的布置設計規則的編碼為例，實現某變電站GIM模型的合規性自動審核，驗證所提出方法的有效性和實用性，其他布置規則的編碼過程類似。案例數據來源如下：

GIM模型數據：某變電站工程設計GIM模型實例。為支持對GIM模型數據訪問，本文提前解析GIM模型并將其導入MySQL數據庫，每類構件的信息借助屬性子表和模型子表分別記錄并通過構件ID關聯，構件間的關系通過關系表記錄。屬性子表每一列記錄構件的一個屬性字段，模型子表記錄三維模型OBJ對象序列化后的二進制文件。此外，基于GIM模型信息分類代碼表建立規范表述與GIM模型之間的映射關系。

審核規則：《3～110KV高壓配電裝置設計規范》第5.4.8條[14]：“當火災危險類別為丙、丁、戊類的生產建筑物外墻距屋外油浸變壓器外廓5m以內時，在變壓器高度以上3m的水平線以下及外廓兩側各加3m的外墻范圍內，不應有門、窗或通風孔。”

專家根據該條規則審圖的思路如下：首先查找距離屋外油浸變壓器5m以內的相關建筑物外墻，之后將變壓器外廓向距離最近的外墻面投影（圖4中A區域），最后審核投影面輪廓外加3m的外墻范圍內（圖4中立方體B）是否有門、窗和通風孔存在。

圖4 設計規則5.4.8的空間關系

顯然該規則涉及過程性的知識表示（在變壓器高度以上…及外廓兩側…外墻范圍內），因此難以基于語義網轉譯；另一方面，盡管采用硬編碼可以完成該規則編碼，但對于一般工程技術人員編碼難度很高，而且編碼成果十分復雜，難以在后續進行審核和維護。基于本文提出的設計規范可視化編程框架完成該條規則的編碼：

1）審核對象獲取：圖5(a)～圖5(b)分別展示了待審核對象“屋外油浸變壓器”以及“門、窗、通風孔”的可視化編程過程。

圖5 搜索構件對象的可視化程序

GIM對象選擇節點根據約束條件自動生成查詢語句并向模型數據庫發送數據請求，例如圖5(a)生成的查詢語句如下：

其中，Transformer_ATT、Transformer_MOD分別為變壓器的屬性子表和模型子表。之后，GIM對象選擇節點將返回的數據反序列化，并進一步轉化為GIMObject數據格式輸出，從而供下游節點使用。

圖6 搜索外墻的的可視化程序

圖7 設計規則5.4.8的可視化程序

圖6展示了待審核對象“火災危險類別為丙、丁、戊類的生產建筑物外墻”的編碼過程，由于“外墻”對象未在設計模型中明確定義，通過判斷墻與其所在的建筑物是否內切以確定是否為外墻。由于需要找到所有外墻，因此空間拓撲分析節點采用全循環。封裝上述規則的中間表示（例如“外墻”），并作為復用層成果，以便在轉譯其他規則時使用。

2）規范編碼：封裝所有審核對象獲取過程后，規則最終編碼結果如圖7所示。首先，通過軟碰撞檢測節點獲得所有屋外變壓器外廓5m以內的外墻，構成軟碰撞對象序列對（節點1全循環）；之后取變壓器和外墻的OBB包圍盒，計算外墻包圍盒中距離相應變壓器最近的面模型，即距離最近的外墻面（節點2分組循環）；接著，將變壓器包圍盒向其對應的最近面模型做三維投影計算（節點3分組循環），并將投影面向兩側及上方緩沖3m形成二維緩沖區；最后，以該二維緩沖區域為拉伸面，向最近墻面法向量的反方向拉伸，拉伸距離為外墻墻體厚度，形成的三維拉伸體即為禁止門、窗、通風孔對象存在的三維空間區域（節點4分組循環）。

3）合規性評價：通過空間拓撲分析節點，判斷審核對象門、窗、通風孔是否在拉伸體內存在（節點5全循環），形成該條規則最終的可視化程序。

利用該規則審核某變電站GIM模型實例，執行規則后節點5的輸出端子均為空值，表示拉伸體內不存在門、窗、通風孔。通過進一步查看中間結果，可發現不存在外墻與屋外油浸變壓器發生軟碰撞（如圖8所示），即說明屋外油浸變壓器外廓5m的范圍內不存在外墻，該設計模型能夠滿足圖4所示的設計規則的要求。

圖8 規則5.4.8的合規性自動審核結果

從上述布置設計規則編碼過程可以看出，可視化編程過程直觀，工程技術專家采用可視化編程方法可以自行對復雜的布置規則進行編碼；編碼成果透明度高、可讀性強，有利于后續專家對規則編碼成果進行審核和維護。若后續規范發生修訂變更，專家可在原有可視化程序的基礎上繼續修改，從而避免軟件工程師維護代碼所帶來的高昂成本和潛在錯誤。

5 結語

本文在歸納變電站設計規范中布置規則編碼所需功能基礎上，提出設計規范的可視化編程的三層框架，并著重規范了其中的節點、端子、流的類型；案例研究表明，一般設計人員采用可視化編程的方式可以直觀地對變電站布置的設計規則進行編碼，編碼成果更加易于理解、審核和維護。

雖然目前該方法只是針對變電站設計的布置規則編碼進行了初步嘗試，但由于該方法的框架普遍適用性，在對節點功能進行拓展后也可用于其他類型的設計合規性審核，這是筆者目前正在進行的研究。