CN109871567B - 光伏组件排布图纸的自动化生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光伏组件排布图纸的自动化生成方法，根据光伏组件排布边界布局以及相关的几何信息，集成光伏设计中组件排布的优化算法，自动化完成优化的光伏组件排布，边界绘制以及相关工程信息，并完成相应的工程图纸全自动化设计，及工程图纸的交付。光伏面板、障碍物、阴影、边界各表示图层统一，制定行业标准，同时支持根据标准化光伏组件排布图纸，自动化生成数据；通过软件工程算法优化，上万个组件排布可以在10秒钟以内，实现图纸的自动化生成，可以提供商业的图纸出图服务，提升设计交付效率。

Description

光伏组件排布图纸的自动化生成方法

技术领域

本发明涉及一种光伏设计技术，特别涉及一种光伏组件排布图纸的自动化生成方法。

背景技术

自动化绘制光伏组件排布图，是光伏组件排布设计的终端环节，对光伏组件排布评审以及最终实际布置组件都起到很好的指导性作用，也是指导工程施工人员进行现场操作的唯一可视化文件，因此该工程文件被广泛重视。

传统方式：

当前进行光伏排布设计，都是依赖设计工程师，依靠技术经验，手工通过CAD工程软件进行相关组件排布设计，生成图纸，期间涉及大量人工的工作及手动的迭代，效率低下，质量参差不齐。

一种设计光伏发电系统的方法和装置：

导入待进行光伏发电系统设计的航拍图，获取用户在所述航拍图中建筑物的屋顶上对设计组件的拖放操作，根据所述拖放操作，在所述屋顶上排布所述设计组件，以进行光伏发电系统设计，通过类似拼图的简单的设计组件排布，解决光伏发电系统在具体建筑物屋顶上的设计排布问题。该方式没有进行算法的集成，不能进行多方案的比对，此外依然需要手动拖放组件实现排布设计，虽然提供了一种插件嵌入到CAD中，但是依然是一种半自动化的设计出图的方式；此外该种方式没有将图纸进行相应的标准化，也没有将工程图纸逆向转化成数据的功能。

发明内容

本发明是针对光伏设计工程师手工进行组件排布设计效率低的问题，提出了一种光伏组件排布图纸的自动化生成方法，依赖计算机自动化绘制组件排布文件，可以实现短时间内快速生成图纸。

本发明的技术方案为：一种光伏组件排布图纸的自动化生成方法，具体包括如下步骤：

1)获得数据信息：

数据包括光伏排布的图片底图、底图的缩放比例因子；

数据包括光伏排布的图片底图上具体的光伏组件详细信息，光伏组件详细信息包括按照顺序给出每个组件四个顶点的具体坐标，表示方位的三个顶点数据坐标，和该光伏组件所具有的文字说明信息；

数据包括具有边界、阴影边界内轮廓、障碍物、障碍物内轮廓、障碍物外轮廓点集信息以及障碍物高度表述信息；

2)对数据信息一次数据处理：

2.1)第一遍扫描去除在边界阴影外轮廓之外或与边界阴影外轮廓相交的光伏组件；

2.2)根据每一个光伏组件的四个顶点坐标，如果都在障碍物阴影外轮廓之外，判定为有效光伏组件；如既有在内部也有在外部，将该光伏组件排除；

2.3)经过2.1)和2.2)两个步骤的排除方法，将不合理的光伏组件排除后得到组件排布区域，在排布区域进行各算法的真实功率计算，

各算法的真实功率，具体的计算公式：

其中W_i代表具体某一种算法的功率总数，w_i代表第i个算法所排布的单个光伏组件的功率，j为光伏组件数，k_i代表第i个算法所具有的总光伏组件数目，在W₁,W₂,...,W_n中求出功率的最大值，最大值其对应的绘制组件排布作为原始数据源，n为所选算法总数；

3)对最优的数据进行二次数据处理：

步骤2)所得的原始数据源作为二次处理的数据源，在其中任意选取一个光伏组件的数据，并使其中心平移到原点中心，具体实现步骤：

3.1)将选取一个光伏组件的中心点作为原点坐标，根据平移将选取光伏组件的四个顶点的坐标平移到相对位置；

3.2)将步骤1)中选取光伏组件的表示方位的三个顶点数据坐标，经过坐标变换平移到原点位置，其中原点为方位三个点的中心点，其他坐标依次变换，其次，根据如下方法在A、B、C、D四个顶点中将标注位置找出：

已知A、B、C、D四个顶点坐标，角度方向和需要标注的光伏组件相关信息标注在角度方向的左下角，并记录标注点的坐标为后续的绘制做准备：

3.2.1)构建角度的单位向量为

并取AC的中心点为O，构建向量/>

3.2.2)让

分别与/>

作内积，根据两个向量的内积的正负判断角度方向对应的两个点,取内积为正的两点；

3.2.3)内积为正的两个点再分别与

作外积，选出外积为正的一个点为为左下角位置顶点；

3.2.4)根据左下角位置顶点位置，经过在光伏组件方向单位向量的反方向上平移设定位移的位置作为标注位置，用于角度方向和需要标注的光伏组件相关信息；

其他的光伏组件排布信息只需要记录其中心点，根据与前选定的光伏组件的相对位置即可实现平移，完成二次数据处理，为后续的自动化绘制图纸做准备；

4)标准化的模板准备：

拷贝模板后，更改图纸模板名称，并将各组件以及边界、边界阴影外轮廓、边界阴影内轮廓、障碍物、障碍物阴影外轮廓、障碍物阴影内轮廓以及表述文本进行图层标准化定义，进行保存；

5)组件的自动化定制：

根据步骤3)的处理后数据，在步骤4)更改名称之后的模板图纸上，调用cad组件自动化生成步骤3)选定光伏组件块保存在绘制的cad图纸里面，并以原点作为光伏组件块的中心点，为批量化调用块做储备；

6)生成光伏组件的排布图纸：

经过底图比例缩放，将各个标注的信息绘制在图片的对应位置上，实现图片和绘制的数据几乎重合；根据步骤3)得到的每一个组件的中心坐标，和步骤5)定制化后的组件，在每一个组件的中心点上调用插入组件块，实现批量化调用块；根据步骤3)的数据源绘制带有标准线型的障碍物边界和阴影内外轮廓、边界轮廓和阴影内外轮廓，并在障碍物中心位置标注障碍物高度，实现障碍物轮廓、边界轮廓和图片上的重合。

本发明的有益效果在于：本发明光伏组件排布图纸的自动化生成方法，集成光伏布局的优化算法，实现光伏工程图纸优化的内部快速迭代；根据数据流实现完全自动化生成光伏组件排布图纸，无需人工干预；光伏面板、障碍物、阴影、边界各表示图层统一，制定行业标准，同时支持根据标准化光伏组件排布图纸，自动化生成数据；通过软件工程算法优化，上万个组件排布可以在10秒钟以内，实现图纸的自动化生成，可以提供商业的图纸出图服务，提升设计交付效率。

附图说明

图1为本发明光伏组件排布图纸的自动化生成方法主流程图；

图2为本发明标准化的组件排布图纸布局图；

图3为本发明面板组件实体模型图；

图4为本发明逆向过程生成数据结构流程图；

图5为本发明根据组件的排布信息生成的设计实例图。

具体实施方式

如图1所示光伏组件排布图纸的自动化生成方法主流程图，具体包括如下步骤：

第一步、获得数据信息：

本数据由算法端(算法端的输入不属于本次专利的范围，但是其输出作为本次光伏组件排布图纸自动化生成方法的输入)生成的信息作为本次的输入，由于针对于某一个项目，可以经过多个算法得到不同的结果，而这不同的结果可以一次性传入系统端，该系统对其进行再次处理调优等操作，得到组件排布信息。针对某一个项目，算法端中的每一个算法都会生成以下数据作为本方法的输入：

1、图片作为光伏排布的底图，同时包括底图的缩放比例因子；

2、光伏排布的图片底图上具体的光伏组件详细信息，算法端会按照顺序给出每个光伏组件四个顶点的具体坐标，表示方位的三个顶点数据坐标，和该组件所具有的文字说明信息；

3、具有边界、阴影边界内轮廓、障碍物、障碍物内轮廓、障碍物外轮廓点集信息以及其他的表述信息如障碍物高度等。

第二步、对数据信息进行前处理(一次数据处理)：

不同的算法得到不同的排布信息，根据功率的最大化原则，得到最佳的组件排布，在最优功率的选取过程中，特别的，该方法具体会根据相关算法去除一些不合理的面板组件，实现组件排布在给出的边界范围之内，确保组件排布符合真实的场景(如图2表示排布组件的示意图)。

为了确保组件排布在组件排布区域之内，提供了如下方法：

1、要保证组件排布在边界阴影的内轮廓之内，就要保证每一个长方形组件上的每一个顶点都在边界阴影的内轮廓之内(内轮廓的数据由步骤一给出)，此为第一遍扫描去除在边界阴影外轮廓之外或与边界阴影外轮廓相交的组件；

2、其次要保证各组件处在障碍物阴影外轮廓之外的，根据每一个组件的四个顶点坐标，如果都在障碍物阴影外轮廓之外，判定为有效组件；如既有在内部也有在外部，将该组件排除；

3、经过1、2两个步骤的排除方法，可将不合理的组件排除后得到组件排布区域，在排布区域进行各算法的真实功率计算，

各算法的真实功率，具体的计算公式：

其中W_i代表具体某一种算法的功率总数，w_i代表第i个算法所排布的单个组件的功率，j为组件数，k_i代表第i个算法所具有的总组件数目，在W₁,W₂,...,W_n中求出功率的最大值，最大值其对应的绘制组件排布作为原始数据源，n为所选算法总数，因为同等时间内发电功率越大则产生的电量越大。

第三步、对最优的数据进行后处理(二次数据处理)

针对某一个项目，由第二步依据去除不合理组件方法和功率最大化原则得到最优的数据，作为二次处理的数据源。

由于针对某一个项目，其选用的面板组件形式是一致的，如果按照每一个组件进行绘制，必然会造成性能的大量浪费，本此处理，选取一个组件的数据，并使其中心平移到原点中心，具体的：

1、将光伏组件的中心点(第一个点和第三个点连线的中心坐标)作为原点坐标，根据平移将其他点的坐标平移到相对位置；

2、将方位信息(由三个点坐标步骤一给出)，经过坐标变换平移到原点位置(其中原点为方位三个点的中心点，其他坐标依次变换)其次，根据如下方法在4个顶点中将标注位置找出(即找出如图3“正泰”、“275W”、“9°”、“3L”的坐标位置，因为该标注位置算法端不提供)，

已知A、B、C、D四个顶点坐标、角度方向和需要标注的组件相关信息，使得“正泰、275W”等信息(步骤一会给出)标注在角度方向的左下角(需要保证人面对组件方向尖角，文字表述需要标记在左下角位置见图3)，并记录标注点的坐标为后续的绘制做准备：

2.1)构建角度的单位向量为

(即中心的尖角指向)，并取AC的中心点为O，构建向量/>

2.2)让

分别与/>

作内积，根据两个向量的内积的正负判断角度方向对应的两个点,取内积为正的两点，即：C、D两个点(/>

可排除)；

2.3)由于需要保证人面对组件方向尖角，文字表述需要标记在左下角位置，可根据步骤2得到的C、D两个点分别与

作外积，根据外积的定义分别求出/>

根据外积的正负来判定方位，C点外积为正，即可判断C点为左下角的位置，D点的外积为负，由此排除D点；

2.4)根据C点位置，经过在组件方向单位向量的反方向上适当的平移(避免标注的位置和C点重合，使得标注更美观，设定平移位移)便可以找出标注“正泰”、“275W”、“9°”、“3L”的位置。

以上可以计算一个面板组件在原点位置的具体数据，其他的组件排布信息只需要记录其中心点，根据与前选定的组件的相对位置即可实现平移，完成数据的后处理，为后续的自动化绘制图纸做准备。

第四步：标准化的模板准备

系统会将模板拷贝在其他位置(确保模板保持不变)，更改图纸模板名称之后，并在其上进行绘制相关组件排布信息(绘制完成之后，将其输出给用户)，因此在生成图纸之前，如果想进行标准化的绘制，必然要进行标准模板的准备。

标准化的模板准备，将各组件以及边界、边界阴影外轮廓、边界阴影内轮廓、障碍物、障碍物阴影外轮廓、障碍物阴影内轮廓以及表述文本进行标准化定义，并且该定义可扩展，具体设置方法如下：

1、打开CAD软件，进入设计模式；

2、单击图层设置按钮，进入图层设计菜单；

3、添加图层，选择线型、线宽、打印样式、颜色，制作标准化各图层表示；

4、单击“确定”，将制定的图层信息保存为模板文件，供后期绘制组件信息做准备。

模板作为后续程序运行绘制图形的基础，在绘制相关信息的时候，会将图层信息附在线上或字体上，确保出图的标准化。

第五步：组件的自动化定制

根据第三步的面板数据，在第四步更改名称之后的模板图纸上，调用cad组件自动化生成面板组件块保存在绘制的cad图纸里面，并以原点作为组件块的中心点，为批量化调用块做储备。

第六步：生成光伏组件的排布图纸

1、经过精确的底图比例缩放(比例因子步骤一算法端给出)，可以将各个标注的信息绘制在图片的对应位置上，实现图片和绘制的数据几乎重合；

2、根据第三步得到的每一个组件的中心坐标，和第五步定制化后的组件，在每一个组件的中心点上调用插入组件块方法，达到快速生成的效果；

3、根据第三步的数据源绘制带有标准线型的障碍物边界和阴影内外轮廓、边界轮廓和阴影内外轮廓，并在障碍物中心位置标注障碍物高度等，实现障碍物轮廓、边界轮廓和图片上的重合。

根据工程图纸逆向生成数据：

如图4所示逆向过程生成数据结构流程图，本发明也可以将标准化的图纸，逆向生成对应的标准化数据流，展示在前端的界面上，具体有如下步骤：

1、解析标准化图纸，去除不合理组件：

将标准化的光伏组件排布图纸数据源输入到系统之中，根据图纸生成方法的第二步，排除不合理的组件(输入的工程图纸，也可能是工程师通过使用CAD软件，手动绘制的工程图纸，为了排除由于手动绘制造成的不合理组件)；

2、根据标注化定义，解析图层生成数据：

根据制定的相关标准对每一个图层上的数据进行相应的解析，具体的扫描每一个专有的图层，得到相关的点集信息，下面以扫描组件图层为例，其他信息是文本和多线段的信息，直接存储数据即可。

2.1)扫描组件图层，将会得到一系列组件信息，将四个点组成的多线段信息，表述为组件的外轮廓信息，生成数据；

2.2)得到的三个控制点的多线段信息，表述为组件的朝向信息，生成组件朝向数据；

2.3)将文本信息得到，生成组件的表述数据。

3、将信息输出给展示设备展示：将格式化的数据，可作为前端三维展示的数据源进行展示。

构建系统方式和使用环境：在实现上述技术步骤上，也采用了通用的系统设计方法，服务器引擎采用Thrift框架，实现TCP(Transmission Control Protocol传输控制协议)通信，采用CAD的专用应用程序接口对CAD图纸进行操作(绘制多线段操作、构造面板组件块操作、插入块操作以及插入图片文本等)，部署的平台不限于Windows服务器，其他服务器平台亦可，CAD软件不限于AutoCAD和版本，其他二维设计软件也可，图5为本发明根据组件的排布信息生成的设计实例图。

Claims (1)

1.一种光伏组件排布图纸的自动化生成方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

1)获得数据信息：

数据包括光伏排布的图片底图、底图的缩放比例因子；

数据包括光伏排布的图片底图上具体的光伏组件详细信息，光伏组件详细信息包括按照顺序给出每个组件四个顶点的具体坐标，表示方位的三个顶点数据坐标，和该光伏组件所具有的文字说明信息；

数据包括具有边界、阴影边界内轮廓、障碍物、障碍物内轮廓、障碍物外轮廓点集信息以及障碍物高度表述信息；

2)对数据信息进行一次数据处理：

2.1)第一遍扫描去除在边界阴影外轮廓之外或与边界阴影外轮廓相交的光伏组件；

2.2)根据每一个光伏组件的四个顶点坐标，如果都在障碍物阴影外轮廓之外，判定为有效光伏组件；如既有在内部也有在外部，将该光伏组件排除；

2.3)经过2.1)和2.2)两个步骤的排除方法，将不合理的光伏组件排除后得到组件排布区域，在排布区域进行各算法的真实功率计算，

各算法的真实功率，具体的计算公式：

其中W_i代表具体某一种算法的功率总数，w_i代表第i个算法所排布的单个光伏组件的功率，j为光伏组件数，k_i代表第i个算法所具有的总光伏组件数目，在W₁,W₂,...,W_n中求出功率的最大值，最大值其对应的绘制组件排布作为原始数据源，n为所选算法总数；

3)对最优的数据进行二次数据处理：

步骤2)所得的原始数据源作为二次处理的数据源，在其中任意选取一个光伏组件的数据，并使其中心平移到原点中心，具体实现步骤：

3.1)将选取一个光伏组件的中心点作为原点坐标，根据平移将选取光伏组件的四个顶点的坐标平移到相对位置；

3.2)将步骤1)中选取光伏组件的表示方位的三个顶点数据坐标，经过坐标变换平移到原点位置，其中原点为方位三个点的中心点，其他坐标依次变换，其次，根据如下方法在A、B、C、D四个顶点中将标注位置找出：

已知A、B、C、D四个顶点坐标，角度方向和需要标注的光伏组件相关信息标注在角度方向的左下角，并记录标注点的坐标为后续的绘制做准备：

3.2.1)构建角度的单位向量为

并取AC的中心点为O，构建向量/>

3.2.2)让

分别与/>

作内积，根据两个向量的内积的正负判断角度方向对应的两个点,取内积为正的两点；

3.2.3)内积为正的两个点再分别与

作外积，选出外积为正的一个点为左下角位置顶点；

3.2.4)根据左下角位置顶点位置，经过在光伏组件方向单位向量的反方向上平移设定位移的位置作为标注位置，用于角度方向和需要标注的光伏组件相关信息；

其他的光伏组件排布信息只需要记录其中心点，根据与前选定的光伏组件的相对位置即可实现平移，完成二次数据处理，为后续的自动化绘制图纸做准备；

4)标准化的模板准备：

拷贝模板后，更改图纸模板名称，并将各组件以及边界、边界阴影外轮廓、边界阴影内轮廓、障碍物、障碍物阴影外轮廓、障碍物阴影内轮廓以及表述文本进行图层标准化定义，进行保存；

5)组件的自动化定制：

根据步骤3)的处理后数据，在步骤4)更改名称之后的模板图纸上，调用cad组件自动化生成步骤3)选定光伏组件块保存在绘制的cad图纸里面，并以原点作为光伏组件块的中心点，为批量化调用块做储备；

6)生成光伏组件的排布图纸：

经过底图比例缩放，将各个标注的信息绘制在图片的对应位置上，实现图片和绘制的数据几乎重合；根据步骤3)得到的每一个组件的中心坐标，和步骤5)定制化后的组件，在每一个组件的中心点上调用插入组件块，实现批量化调用块；根据步骤3)的数据源绘制带有标准线型的障碍物边界和阴影内外轮廓、边界轮廓和阴影内外轮廓，并在障碍物中心位置标注障碍物高度，实现障碍物轮廓、边界轮廓和图片上的重合。

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