CN103427371A - 一种电缆路径智能寻优方法 - Google Patents

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CN103427371A CN2013103568426A CN201310356842A CN103427371A CN 103427371 A CN103427371 A CN 103427371A CN 2013103568426 A CN2013103568426 A CN 2013103568426A CN 201310356842 A CN201310356842 A CN 201310356842A CN 103427371 A CN103427371 A CN 103427371A
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Abstract

本发明公开了一种电缆路径智能寻优方法，包括以下步骤：根据电缆和桥架的匹配关系，对桥架网络的桥架信息进行离散化处理，获得桥架的端点信息；每段桥架信息将桥架两个端点坐标信息对调，与原桥架信息合并得到新的桥架信息数组；根据获取的桥架的端点信息和端点之间的连接关系，使用Dijkstra算法获得最短路径。本发明结合工厂电缆敷设的实际情况，对常规的最短路径算法进行了优化，给出了合理的解决方法，可以较大幅度的提高生产效率。

Description

一种电缆路径智能寻优方法
技术领域
本发明涉及电缆敷设线路设计技术，尤其涉及一种电缆路径智能寻优方法。
背景技术
工厂电缆设计是工程项目的重要内容之一，其主要包括两个方面的内容：
电缆敷设方法：一般来说，普通电缆敷设时需要设置专用材料进行支撑和保护，如桥架、支架、钢管等（为方便计，后文将这些材料统称为桥架），因此桥架的走向也就决定了电缆可以敷设的通路。但在实际工程中，厂房内桥架的安装位置受到现场条件的制约，无法随意布置，因此在进行工厂电缆设计时，一般需先完成桥架网络的设计；
电缆路径选择：任一电缆均有起点和终点，进行电缆设计时需根据已确定的桥架网络选择电缆可能的敷设路径，一般情况下均要求在所有通路中选择电缆长度最短的作为最终路径。
在传统的电缆设计方法中，首先根据现场条件绘制出桥架网络，而后由人工逐一确定每根电缆的敷设路径并计算其长度，这种方式存在以下弊端：
1. 工作量大，效率低下。一般的，工厂电缆量巨大，按传统方法进行设计需占用大量人力资源；
2. 在桥架网络较复杂时，人工确定的电缆路径并不一定最优，且通过图纸测绘所得的电缆长度一般存在明显误差。
正因如此，引入计算机辅助手段进行工厂电缆的自动化设计是大势所趋。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种使电缆路径敷设更加合理，提高工作效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种电缆路径智能寻优方法，包括以下步骤：
1）根据电缆和桥架的匹配关系，对桥架网络的桥架信息进行离散化处理，获得桥架的端点信息，所有端点的三维坐标信息形成数组A1；所述桥架信息T用                                                
Figure 380902DEST_PATH_IMAGE001
表示,其中
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE002
为桥架编号，
Figure 111091DEST_PATH_IMAGE003
为以三维坐标表示的桥架端点，
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE004
为桥架长度；所述离散化处理形成数组A1的过程如下：
1.1）对所有桥架编号，获取第一段桥架；
1.2）获取该桥架段的第一个端点坐标；
1.3）检查该桥架段的第一个端点坐标是否在数组A1中，若不在，则将该端点坐标信息存入数组A1中；
1.4）获取该桥架段的第二个端点坐标；
1.5）检查该桥架段的第二个端点坐标是否在数组A1中，若不在，则将该端点坐标信息存入数组A1中；
1.6）获取下一段桥架，重复步骤1.2）至步骤1.5），直至遍历所有桥架；
2）每段桥架信息将桥架两个端点坐标信息对调，可以得到
Figure 218725DEST_PATH_IMAGE005
， 将和
Figure 613934DEST_PATH_IMAGE005
合并得到新的数组
Figure 975776DEST_PATH_IMAGE007
；
结合
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE008
和可得二维数组
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE010
，
Figure 393168DEST_PATH_IMAGE010
表示端点之间的连接关系，其元素
Figure 136609DEST_PATH_IMAGE011
                                     (2)
式（2）中，
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 805487DEST_PATH_IMAGE013
分别为
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE014
中第
Figure 861168DEST_PATH_IMAGE015
个元素的端点1和端点2，
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE016
为
Figure 694126DEST_PATH_IMAGE014
中第
Figure 431138DEST_PATH_IMAGE015
个元素的桥架长度；
Figure 954523DEST_PATH_IMAGE017
表示
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE018
不是
Figure 181105DEST_PATH_IMAGE009
中任何一个元素的两个端点；
3）根据获取的桥架的端点信息A1和端点之间的连接关系
Figure 422731DEST_PATH_IMAGE010
，使用Dijkstra算法获得最短路径，过程如下：
3.1）将起点
Figure 510903DEST_PATH_IMAGE019
放入数组
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE020
，初始化；其中数组
Figure 817437DEST_PATH_IMAGE020
用于存放已求出最短路径的端点，
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE022
  ；
3.2） 计算找出端点
Figure 93828DEST_PATH_IMAGE023
，使得，则
Figure 172643DEST_PATH_IMAGE023
为目前从
Figure 998516DEST_PATH_IMAGE019
出发的最短路径的终点；其中为尚未求出最短路径的端点集合
3.3）将
Figure 720802DEST_PATH_IMAGE023
放入数组
Figure 147848DEST_PATH_IMAGE020
；
3.4）如果
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE026
，则
Figure 562648DEST_PATH_IMAGE027
，否则
Figure 505197DEST_PATH_IMAGE021
保持不变；
3.5） 重复步骤3.2）至步骤3.4）直至遍历结束，即可按最短路径长度的递增顺序，求得
Figure 943131DEST_PATH_IMAGE019
到
Figure 442377DEST_PATH_IMAGE008
中其他所有端点的最短路径。
按上述方案，步骤3）中使用优化的Dijkstra算法获得最短路径，具体如下：对源自同一设备的电缆，将其起点进行归并，得到所有电缆涉及的起点W（w1,w2,……，wq），计算W（w1,w2,……，wq）中各点到
Figure 914946DEST_PATH_IMAGE008
中其他所有端点的最短路径。
按上述方案，如果电缆路径中含有禁止桥架段，将式（2）修正如下：
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE028
                           (5)
式（5）中，
Figure 825134DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE030
分别为禁止线段的端点1和端点2。对新的邻接矩阵调用Dijkstra算法，可以得到排除了禁止线段的最短路径。
按上述方案，如果电缆路径中含有必经桥架段，则采用分段寻优的方法；设起点端点为，终点端点为
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE032
，必经线段的端点分别为
Figure 787722DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE034
，分段路径为
Figure 177115DEST_PATH_IMAGE031
和
Figure 421462DEST_PATH_IMAGE034
Figure 449461DEST_PATH_IMAGE032
，或者
Figure 958940DEST_PATH_IMAGE031
Figure 148613DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 48436DEST_PATH_IMAGE033
。
本发明产生的有益效果是：发明结合工厂电缆敷设的实际情况，对常规的最短路径算法进行了优化，给出了合理的解决方法，可以较大幅度的提高生产效率。
 
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例方法的流程图；
    图2是本发明实施例方法中桥架网络离散化流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，一种电缆路径智能寻优方法，包括以下步骤：
1）根据电缆和桥架的匹配关系，对桥架网络的桥架信息进行离散化处理，获得桥架的端点信息，所有端点的三维坐标信息形成数组A1；所述桥架信息T用
Figure 296693DEST_PATH_IMAGE001
表示,其中为桥架编号，
Figure 106703DEST_PATH_IMAGE003
为以三维坐标表示的桥架端点，
Figure 476504DEST_PATH_IMAGE004
为桥架长度；所述离散化处理形成数组A1的过程如下，流程图如图2所示：
1.1）对所有桥架编号，获取第一段桥架；
1.2）获取该桥架段的第一个端点坐标；
1.3）检查该桥架段的第一个端点坐标是否在数组A1中，若不在，则将该端点坐标信息存入数组A1中；
1.4）获取该桥架段的第二个端点坐标；
1.5）检查该桥架段的第二个端点坐标是否在数组A1中，若不在，则将该端点坐标信息存入数组A1中；
1.6）获取下一段桥架，重复步骤1.2）至步骤1.5），直至遍历所有桥架；
2）每段桥架信息将桥架两个端点坐标信息对调，可以得到
Figure 445728DEST_PATH_IMAGE005
， 将
Figure 242783DEST_PATH_IMAGE006
和合并得到新的数组
Figure 821849DEST_PATH_IMAGE007
；
结合和可得二维数组，
Figure 749168DEST_PATH_IMAGE010
表示端点之间的连接关系，其元素
Figure 614356DEST_PATH_IMAGE011
                                     (2)
式（2）中，
Figure 753213DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 884111DEST_PATH_IMAGE013
分别为
Figure 133827DEST_PATH_IMAGE014
中第个元素的端点1和端点2，为
Figure 827479DEST_PATH_IMAGE014
中第
Figure 425426DEST_PATH_IMAGE015
个元素的桥架长度；
Figure 265206DEST_PATH_IMAGE017
表示
Figure 745866DEST_PATH_IMAGE018
不是
Figure 100624DEST_PATH_IMAGE009
中任何一个元素的两个端点；
3）根据获取的桥架的端点信息A1和端点之间的连接关系
Figure 957722DEST_PATH_IMAGE010
，使用Dijkstra算法获得最短路径，过程如下：
3.1）将起点
Figure 652008DEST_PATH_IMAGE019
放入数组
Figure 382198DEST_PATH_IMAGE020
，初始化
Figure 427514DEST_PATH_IMAGE021
；其中数组
Figure 619461DEST_PATH_IMAGE020
用于存放已求出最短路径的端点，
Figure 168254DEST_PATH_IMAGE022
  ；
3.2） 计算找出端点
Figure 256296DEST_PATH_IMAGE023
，使得，则
Figure 535279DEST_PATH_IMAGE023
为目前从出发的最短路径的终点；其中
Figure 72888DEST_PATH_IMAGE025
为尚未求出最短路径的端点集合
3.3）将
Figure 155113DEST_PATH_IMAGE023
放入数组；
3.4）如果
Figure 960051DEST_PATH_IMAGE026
，则
Figure 389895DEST_PATH_IMAGE027
，否则
Figure 365941DEST_PATH_IMAGE021
保持不变；
3.5） 重复步骤3.2）至步骤3.4）直至遍历结束，即可按最短路径长度的递增顺序，求得到中其他所有端点的最短路径。
步骤3）中使用优化的Dijkstra算法获得最短路径，具体如下：对源自同一设备的电缆，将其起点进行归并，得到所有电缆涉及的起点W（w1,w2,……，wq），计算W（w1,w2,……，wq）中各点到
Figure 947598DEST_PATH_IMAGE008
中其他所有端点的最短路径；
由于任一电缆在桥架网络中均有确定的起点
Figure 676520DEST_PATH_IMAGE031
和终点
Figure 833963DEST_PATH_IMAGE032
，调用Dijkstra算法可得从
Figure 331940DEST_PATH_IMAGE031
到所有端点的最短路径，经查找可获取至
Figure 850963DEST_PATH_IMAGE032
的最短路径，忽略查找所需时间，可认为计算该电缆最短路径的时间复杂度为
Figure 733469DEST_PATH_IMAGE035
。若需要寻优的电缆总数为
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE036
，若全部采用这种方式进行计算，则总的时间复杂度近似为。实际工程中，桥架网络远较图1所示复杂，且电缆总量巨大，因此需要对算法进行优化以提高效率。
工厂电气设计具有以下特点：
① 集中供电：工厂一般采用分区域集中供电的方式，即将配电柜集中放置，向分布于现场各处的有点设备放射式供电；
② 集中控制：工厂一般采用分区域集中控制的方式，即将PLC/DCS等控制设备集中放置，通过电缆采集现场各处的信号。
这一特点表明，很多电缆往往源自同一设备，这为算法的优化提供了条件。首先可对所有电缆的起点进行归并，得出所有电缆涉及的起点个数
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE038
，在实际工程中，一般
Figure 841550DEST_PATH_IMAGE036
数倍甚至数十倍于
Figure 607381DEST_PATH_IMAGE038
。
对归并得到的起点依次调用Dijkstra算法，可得到这些起点到桥架网路中其他所有端点的最短路径并将结果存储。在进行电缆路径选择时，无需再运行Dijkstra算法，仅需在存储方案中进行查找即可得该电缆的最优路径。
因
Figure 27998DEST_PATH_IMAGE039
，若忽略查找所需时间，则采用该方案后时间复杂度为
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE040
，其最大值为
Figure 48037DEST_PATH_IMAGE041
。值得注意的是，此时需要对所需存储空间进行校核。若采用固定长度的数组来存放路径结果，则所需空间为：
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE042
                            (3)
式中，
Figure 895908DEST_PATH_IMAGE043
为保存一条路径所需的存储空间，使用固定长度数组时，其维数必须按
Figure 821138DEST_PATH_IMAGE008
的维数
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE044
来考虑，而数组的每一单元需包括端点的三维坐标，若坐标以实数来描述，则式（3）可进一步明确为：
Figure 373343DEST_PATH_IMAGE045
                          (4)
式（4）单位为字节。
由此可知，采用改进的算法后，最大时间复杂度为，最大所需存储空间为
Figure 2013103568426100002DEST_PATH_IMAGE046
字节。当
Figure 529310DEST_PATH_IMAGE044
较大时，其所需存储空间可能溢出，此时可改用链表等方式来存储路径结果。
约束条件下的解决方法：
如果电缆路径中含有禁止桥架段，将式（2）修正如下：
Figure 941837DEST_PATH_IMAGE028
                           (5)
式（5）中，
Figure 766573DEST_PATH_IMAGE029
、分别为禁止线段的端点1和端点2。对新的邻接矩阵调用Dijkstra算法，可以得到排除了禁止线段的最短路径。
如果电缆路径中含有必经桥架段，则采用分段寻优的方法进行计算；设起点端点为
Figure 403408DEST_PATH_IMAGE031
，终点端点为
Figure 381859DEST_PATH_IMAGE032
，必经线段的端点分别为
Figure 947970DEST_PATH_IMAGE033
和，分段路径为
Figure 406950DEST_PATH_IMAGE031
Figure 794069DEST_PATH_IMAGE033
和
Figure 898291DEST_PATH_IMAGE034
，或者
Figure 664570DEST_PATH_IMAGE031
Figure 273406DEST_PATH_IMAGE034
和
Figure 774795DEST_PATH_IMAGE033
Figure 785476DEST_PATH_IMAGE032
。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种电缆路径智能寻优方法，包括以下步骤：
1）根据电缆和桥架的匹配关系，对桥架网络的桥架信息进行离散化处理，获得桥架的端点信息，所有端点的三维坐标信息形成数组A1；所述桥架信息T用                                               
Figure 2013103568426100001DEST_PATH_IMAGE002
表示,其中
Figure 2013103568426100001DEST_PATH_IMAGE004
为桥架编号，
Figure 2013103568426100001DEST_PATH_IMAGE006
为以三维坐标表示的桥架端点，为桥架长度；所述离散化处理形成数组A1的过程如下：
1.1）对所有桥架编号，获取第一段桥架；
1.2）获取该桥架段的第一个端点坐标；
1.3）检查该桥架段的第一个端点坐标是否在数组A1中，若不在，则将该端点坐标信息存入数组A1中；
1.4）获取该桥架段的第二个端点坐标；
1.5）检查该桥架段的第二个端点坐标是否在数组A1中，若不在，则将该端点坐标信息存入数组A1中；
1.6）获取下一段桥架，重复步骤1.2）至步骤1.5），直至遍历所有桥架；
2）每段桥架信息中将桥架两个端点坐标信息对调，得到
Figure 2013103568426100001DEST_PATH_IMAGE010
， 将
Figure 2013103568426100001DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 959696DEST_PATH_IMAGE010
合并得到新的数组
Figure 2013103568426100001DEST_PATH_IMAGE014
；
结合端点信息
Figure 2013103568426100001DEST_PATH_IMAGE016
和数组可得二维数组
Figure 2013103568426100001DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 768645DEST_PATH_IMAGE020
表示端点之间的连接关系，其元素
Figure DEST_PATH_IMAGE022
                   (2)
式（2）中，
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure DEST_PATH_IMAGE026
分别为中第
Figure DEST_PATH_IMAGE030
个元素的端点1和端点2，为
Figure 69961DEST_PATH_IMAGE028
中第
Figure 742382DEST_PATH_IMAGE030
个元素的桥架长度；
Figure DEST_PATH_IMAGE034
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE036
不是
Figure 39634DEST_PATH_IMAGE018
中任何一个元素的两个端点；
3）根据获取的桥架的端点信息A1和端点之间的连接关系
Figure 817054DEST_PATH_IMAGE020
，使用Dijkstra算法获得最短路径，过程如下：
3.1）将起点
Figure DEST_PATH_IMAGE038
放入数组
Figure DEST_PATH_IMAGE040
，初始化
Figure DEST_PATH_IMAGE042
；其中数组
Figure 391517DEST_PATH_IMAGE040
用于存放已求出最短路径的端点，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
  ；
3.2） 计算找出端点
Figure DEST_PATH_IMAGE046
，使得
Figure DEST_PATH_IMAGE048
，则
Figure 923255DEST_PATH_IMAGE046
为目前从
Figure 888893DEST_PATH_IMAGE038
出发的最短路径的终点；其中
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为尚未求出最短路径的端点集合
3.3）将
Figure 351230DEST_PATH_IMAGE046
放入数组
Figure 91784DEST_PATH_IMAGE040
；
3.4）如果，则
Figure DEST_PATH_IMAGE054
，否则
Figure 856740DEST_PATH_IMAGE042
保持不变；
3.5） 重复步骤3.2）至步骤3.4）直至遍历结束，即可按最短路径长度的递增顺序，求得
Figure 377851DEST_PATH_IMAGE038
到
Figure 768512DEST_PATH_IMAGE016
中其他所有端点的最短路径。
2.根据权利要求1所述的电缆路径智能寻优方法，其特征在于，步骤3）中使用优化的Dijkstra算法获得最短路径，具体如下：对源自同一设备的电缆，将其起点进行归并，得到所有电缆涉及的起点W（w1,w2,……，wq），计算W（w1,w2,……，wq）中各点到
Figure 357713DEST_PATH_IMAGE016
中其他所有端点的最短路径。
3.根据权利要求1所述的电缆路径智能寻优方法，其特征在于，如果电缆路径中含有禁止桥架段，将式（2）修正如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE056
            (5)
式（5）中，
Figure DEST_PATH_IMAGE058
、
Figure DEST_PATH_IMAGE060
分别为禁止线段的端点1和端点2。
4.根据权利要求1所述的电缆路径智能寻优方法，其特征在于，如果电缆路径中含有必经桥架段，则采用分段寻优的方法进行计算；设起点端点为
Figure DEST_PATH_IMAGE062
，终点端点为
Figure DEST_PATH_IMAGE064
，必经线段的端点分别为
Figure DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure DEST_PATH_IMAGE068
，分段路径为
Figure 562797DEST_PATH_IMAGE062
Figure 508887DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 499977DEST_PATH_IMAGE068
Figure 215123DEST_PATH_IMAGE064
，或者
Figure 571149DEST_PATH_IMAGE062
和
Figure 533737DEST_PATH_IMAGE066
。
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