CN111143953A - 一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法，涉及线路布局方法。目前，无法在出线点的所有连线顺序位置、通道内走线顺序未知的情况下对交叉点进行估算。本发明包括以下步骤：获取布线图；根据交叉点算法计算走线交叉点个数；根据走线交叉点个数、走线总长度、图形空间利用率、布置位置设置目标函数f(a)；执行扰动，产生新的布局，计算目标函数f(b)；计算Δf=f(b)‑(a)；判断是否Δf≤0，若是，则接受新的布局；若否则按模拟退火算法接受新解；判断是否满足终止条件，若否，则缓慢降低温度。本技术方案能在所有连线顺序位置、通道内走线顺序未知的情况下对交叉点进行估算，估算方便，在计算交叉点后再进行扰动计算，使得布局更为合理。

Description

一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法
技术领域
本发明涉及一种线路布局方法，尤其涉及一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法。
背景技术
在进行线路布局时，为要求布局的合理性，交叉点的数量少于设定数量。但传统的交叉点计算方法都需要确定两条线的具体坐标或具体顺序，然而在实际运用中，一些复杂的绘图算法无法在一开始就确定这些数据，却反而要首先依赖交叉点的计算结果来决定出线点的位置，最后才会确定每个点的出线点顺序与通道内的走线顺序。因此在一开始就需要一种方法在每个出线点的所有连线顺序位置、通道内走线顺序未知的情况下对交叉点进行估算。
线路布局采用传统的模拟算法时，通过大量次数的迭代寻找全局较优解。面对有多种不同参数构成的解域，传统的模拟退火算法无法兼顾两者，只能计算一种参数固定时的另一种参数的较优解，否则会出现迭代次数几何倍数上升，得出结果的时间无法接受的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法，以达到提高布局的合理性的目的。为此，本发明采取以下技术方案。
一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法，包括以下步骤：
1）获取布线图，布线图中包括：走线通道内的走线、位于走线通道两侧的出线点、每一走线的出线点位置；所述的走线通道为水平通道或竖直通道；当走线通道为水平通道时，则走线以竖直方向出线；当走线通道为竖直通道时，则走线以水平方向出线；
2）根据交叉点算法计算走线交叉点个数；
3）根据走线交叉点个数、走线总长度、图形空间利用率、布置位置设置目标函数f(a)；
4）执行扰动，产生新的布局，计算目标函数f(b)；
5）计算Δf= f(b)- (a)；
6）判断是否Δf≤0，若是，则接受新的布局，设a=b；f(a)= f(b)；若否则按模拟退火算法Metropolis准则接受新解；
7）判断是否达到设定的迭代次数，若是，则进入下一步；若否，则返回步骤4）；
8）判断是否满足终止条件，若是，则布局结束，若否，则缓慢降低温度，并返回步骤4）。
作为优选技术手段：在步骤4）中，包括以下步骤：
401）根据当前的模拟退火温度得出多个第一扰动的概率分布，并根据概率随机选取一个第一扰动Pk，以让对整个模型影响较大的参数扰动优先进行；
402）设置第一扰动Pk中的所有第二扰动的概率，且所有第二扰动的概率和为1；
403）根据第一扰动Pk中的所含第二扰动的概率进行随机选取第二扰动Pki，并根据随机选取的第二扰动Pki尝试进行该扰动；
404）判断第二扰动Pki是否成功，若是，则根据当前温度调整进第一扰动的概率；若否，则调整各第二扰动的概率，并返回步骤403）。
作为优选技术手段：所述的第一扰动为站房位置变换扰动、站内布局改变扰动和走线路径变换扰动。
作为优选技术手段：交叉点的计算时，需要先判断两线段的相互位置情况，相互位置情况包括：包含、无接触、部分重叠，其中：包含为:第一线段的起点和终点序号都大于第二线段的起点序号，小于第二线段的终点序号，则第一线段被第二线段包含；
无接触为:第一线段的终点坐标小于第二线段的起点坐标 或第一线段的起点坐标大于第二线段的终点坐标；
部分重叠:排除包含、无接触的情况后，剩余为部分重叠。
作为优选技术手段：交叉点的计算方法为：
一）当为水平通道时，交叉点的计算包括以下情况：
A)两走线都往上或都往下时，进行以下判断：
a1)当两走线为包含关系时，不计交叉点；
a2)当两走线部分重叠时，计交叉点为1；
a3) 当两走线为不接触时，不计交叉点；
B) 一条线段都往上，另一条线段都往下时，不计交叉点；
C)两条线段都是一上一下时，进入以下判断：
c1)当两走线为无接触时：不计交叉点；
c2)当两走线为包含关系时：计交叉点为1；
c3)当两走线部分重叠时,分两种情况：
情况一：重叠部分的两个线段头朝向一致，计交叉点为1；
情况二：重叠部分的两个线段头朝向相反，不计交叉点；
D) 当第一线段一上一下，第二线段都往一个方向时：
d1) 当两走线为无接触：不计交叉点
d2）当第一走线为被包含时：计交叉点为1
d3) 当第二走线为被包含：不计交叉点；
d4) 当两走线为部分重叠：分两种情况：
情况一：A被B包含的那个点朝向与B相同：计交叉点为1；
情况二：A被B包含的那个点朝向与B不相同：不计交叉点；
二）当为竖直通道时，交叉点的计算包括以下情况：
A)两走线都往右或都往左时，进行以下判断：
a1)当两走线为包含关系时，不计交叉点；
a2)当两走线部分重叠时，计交叉点为1；
a3) 当两走线为不接触时，不计交叉点；
B) 一条线段都往右，另一条线段都往左时，不计交叉点；
C)两条线段都是一右一左时，进入以左判断：
c1)当两走线为无接触时：不计交叉点；
c2)当两走线为包含关系时：计交叉点为1；
c3)当两走线部分重叠时,分两种情况：
情况一：重叠部分的两个线段头朝向一致，计交叉点为1；
情况二：重叠部分的两个线段头朝向相反，不计交叉点；
D) 当第一线段一右一左，第二线段都往一个方向时：
d1) 当两走线为无接触：不计交叉点
d2）当第一走线为被包含时：计交叉点为1
d3) 当第二走线为被包含：不计交叉点；
d4) 当两走线为部分重叠：分两种情况：
情况一：A被B包含的那个点朝向与B相同：计交叉点为1；
情况二：A被B包含的那个点朝向与B不相同：不计交叉点。
有益效果：
本技术方案能在每个出线点的所有连线顺序位置、通道内走线顺序未知的情况下对交叉点进行估算，估算方便。在计算交叉点后再进行扰动计算。使得布局更为合理。
且本技术方案使用了复合型扰动，扰动的方式会随每组具体数据的实际情况自动适应，多种类型、不同模式的扰动可以同时进行，给出了一种有效解决复杂模型中多维解域的扰动问题的方法。提升模拟退火算法的适用性，用于较复杂的NPC模型中解决问题，且兼顾了处理速度。
根据现有的模拟退火温度得出扰动概率分布，并根据扰动概率随机选取某个扰动，可以让整个模型的扰动优先进行对整个模型影响较大的参数扰动，再进行影响小的那些参数的扰动，温度较低时在细节上优化结果；有效提高布局的速度。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明的扰动流程图。
图３使用传统方法布局图。
图４采用本发明后的布局图。
图５是的本发明的交叉点计算的模型示意图。
图6-17是走线图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，本发明包括以下步骤：
1）获取布线图，布线图中包括：走线通道内的走线、位于走线通道两侧的出线点、每一走线的出线点位置；所述的走线通道为水平通道或竖直通道；当走线通道为水平通道时，则走线以竖直方向出线；当走线通道为竖直通道时，则走线以水平方向出线；根据交叉点算法计算走线交叉点个数；根据走线交叉点个数、走线总长度、图形空间利用率、布置位置设置目标函数f(a)；
2）执行扰动，产生新的布局，计算目标函数f(b)；
3）计算Δf= f(b)- (a)；
4）判断是否Δf≤0，若是，则接受新的布局，设a=b；f(a)= f(b)；若否则按模拟退火算法Metropolis准则接受新解；
5）判断是否达到设定的迭代次数，若是，则进入下一步；若否，则返回步骤4）；
6）判断是否满足终止条件，若是，则布局结束，若否，则缓慢降低温度，并返回步骤2）。
在步骤1）中，目标函数f(a)考虑了①走线交叉点个数、②走线总长度、③图形空间利用率、④设备布局位置合理程度，给出一个综合评判指数，数值越低代表结果越好。
如图2所示，在步骤2）中，包括以下步骤：
201）根据当前的模拟退火温度得出多个第一扰动的概率分布，并根据概率随机选取一个第一扰动Pk，以让对整个模型影响较大的参数扰动优先进行；
202）设置第一扰动Pk中的所有第二扰动的概率，且所有第二扰动的概率和为1；
203）根据第一扰动Pk中的所含第二扰动的概率进行随机选取第二扰动Pki，并根据随机选取的第二扰动Pki尝试进行该扰动；
204）判断第二扰动Pki是否成功，若是，则根据当前温度调整进第一扰动的概率；若否，则调整各第二扰动的概率，并返回步骤203）。
其中，所述的第一扰动为站房位置变换扰动、站内布局改变扰动和走线路径变换扰动。
以下以一具体布局为例对本发明进行进一步的说明：
使用传统方法布局系统效果如图3所示，图中包括站点、走线、母线等；使用传统方法布局区域系统图，每次只改变每个站房的位置，然后计算目标函数，那么包括交叉点个数、走线长度等数据的计算都不一定准，因为同一个点的出线可以往上也可以往下，更不用说同一个点内多条线段的顺序问题。
当采用本发明的方法时，采用站房位置变换扰动、站内布局改变扰动和走线路径变换多种扰动，当处理完毕时，形成图4所示的布局图，在扰动时可以兼顾站房的站内布局与走线的路径，还可以让整个图的布局更加均匀。
在交叉点的计算时，需要先判断两线段的相互位置情况，相互位置情况包括：包含、无接触、部分重叠，其中：包含为:第一线段的起点和终点序号都大于第二线段的起点序号，小于第二线段的终点序号，则第一线段被第二线段包含；
无接触为:第一线段的终点坐标小于第二线段的起点坐标 或第一线段的起点坐标大于第二线段的终点坐标；
部分重叠:排除包含、无接触的情况后，剩余为部分重叠。
交叉点的计算方法为：
一）当为水平通道时，交叉点的计算包括以下情况：
A)两走线都往上或都往下时，进行以下判断：
a1)当两走线为包含关系时，不计交叉点；
a2)当两走线部分重叠时，计交叉点为1；
a3) 当两走线为不接触时，不计交叉点；
B) 一条线段都往上，另一条线段都往下时，不计交叉点；
C)两条线段都是一上一下时，进入以下判断：
c1)当两走线为无接触时：不计交叉点；
c2)当两走线为包含关系时：计交叉点为1；
c3)当两走线部分重叠时,分两种情况：
情况一：重叠部分的两个线段头朝向一致，计交叉点为1；
情况二：重叠部分的两个线段头朝向相反，不计交叉点；
D) 当第一线段一上一下，第二线段都往一个方向时：
d1) 当两走线为无接触：不计交叉点
d2）当第一走线为被包含时：计交叉点为1
d3) 当第二走线为被包含：不计交叉点；
d4) 当两走线为部分重叠：分两种情况：
情况一：A被B包含的那个点朝向与B相同：计交叉点为1；
情况二：A被B包含的那个点朝向与B不相同：不计交叉点；
二）当为竖直通道时，交叉点的计算包括以下情况：
A)两走线都往右或都往左时，进行以下判断：
a1)当两走线为包含关系时，不计交叉点；
a2)当两走线部分重叠时，计交叉点为1；
a3) 当两走线为不接触时，不计交叉点；
B) 一条线段都往右，另一条线段都往左时，不计交叉点；
C)两条线段都是一右一左时，进入以左判断：
c1)当两走线为无接触时：不计交叉点；
c2)当两走线为包含关系时：计交叉点为1；
c3)当两走线部分重叠时,分两种情况：
情况一：重叠部分的两个线段头朝向一致，计交叉点为1；
情况二：重叠部分的两个线段头朝向相反，不计交叉点；
D) 当第一线段一右一左，第二线段都往一个方向时：
d1) 当两走线为无接触：不计交叉点
d2）当第一走线为被包含时：计交叉点为1
d3) 当第二走线为被包含：不计交叉点；
d4) 当两走线为部分重叠：分两种情况：
情况一：A被B包含的那个点朝向与B相同：计交叉点为1；
情况二：A被B包含的那个点朝向与B不相同：不计交叉点。
以下以水平通道为例，如图５所示，说明交叉点的计算：
对于任意两条线段在某通道内的占用范围，根据线段的出线方向分类：
1)同通道
Figure DEST_PATH_IMAGE001
说明：L1s=第一条线段的开始点，D=down，U=up，Type对应下面的分类；
a.线段都往上或都往下；
a)包含（同一个点视为包含）：不计；
如图6所示；
b)部分重叠：+1；
如图7所示；
c)无接触：不计；
如图8所示；
b.一条线段都往上，另一条线段都往下: 任何情况都不计；
如图9所示；
c.两条线段都是一上一下；
a)无接触：不计；
如图10所示；
b)包含：+1；
如图11所示；
c)部分重叠；
情况一（重叠部分的两个线段头朝向一致）：+1；
如图12所示；
情况二（重叠部分的两个线段头朝向相反）：不计；
如图13所示；
d. 一条线段A一上一下，一条线段B都往一个方向；
a)无接触：不计；
b)A被包含：+1；
图14所示；
c)B被包含：不计；
图15所示；
d)部分重叠：
情况一（A被B包含的那个点朝向与B相同）：+1；
如图16所示；
情况二（A被B包含的那个点朝向与B不相同）：不计；
如图17所示。
以上图1、2所示的一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法，其特征在于包括以下步骤：
1）获取布线图，布线图中包括：走线通道内的走线、位于走线通道两侧的出线点、每一走线的出线点位置；所述的走线通道为水平通道或竖直通道；当走线通道为水平通道时，则走线以竖直方向出线；当走线通道为竖直通道时，则走线以水平方向出线；
2）根据交叉点算法计算走线交叉点个数；
3）根据走线交叉点个数、走线总长度、图形空间利用率、布置位置设置目标函数f(a)；
4）执行扰动，产生新的布局，计算目标函数f(b)；
5）计算Δf= f(b)- (a)；
6）判断是否Δf≤0，若是，则接受新的布局，设a=b；f(a)= f(b)；若否则按模拟退火算法Metropolis准则接受新解；
7）判断是否达到设定的迭代次数，若是，则进入下一步；若否，则返回步骤4）；
8）判断是否满足终止条件，若是，则布局结束，若否，则缓慢降低温度，并返回步骤4）。
2.根据权利要求1所述的一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法，其特征在于：在步骤4）中，包括以下步骤：
401）根据当前的模拟退火温度得出多个第一扰动的概率分布，并根据概率随机选取一个第一扰动Pk，以让对整个模型影响较大的参数扰动优先进行；
402）设置第一扰动Pk中的所有第二扰动的概率，且所有第二扰动的概率和为1；
403）根据第一扰动Pk中的所含第二扰动的概率进行随机选取第二扰动Pki，并根据随机选取的第二扰动Pki尝试进行该扰动；
404）判断第二扰动Pki是否成功，若是，则根据当前温度调整进第一扰动的概率；若否，则调整各第二扰动的概率，并返回步骤403）。
3.根据权利要求2所述的一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法，其特征在于：所述的第一扰动为站房位置变换扰动、站内布局改变扰动和走线路径变换扰动。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法，其特征在于：交叉点的计算时，需要先判断两线段的相互位置情况，相互位置情况包括：包含、无接触、部分重叠，其中：包含为:第一线段的起点和终点序号都大于第二线段的起点序号，小于第二线段的终点序号，则第一线段被第二线段包含；
无接触为:第一线段的终点坐标小于第二线段的起点坐标 或第一线段的起点坐标大于第二线段的终点坐标；
部分重叠:排除包含、无接触的情况后，剩余为部分重叠。
5.根据权利要求４所述的一种基于交叉点算法和模拟退火算法的线路布局方法，其特征在于：交叉点的计算方法为：
一）当为水平通道时，交叉点的计算包括以下情况：
A)两走线都往上或都往下时，进行以下判断：
a1)当两走线为包含关系时，不计交叉点；
a2)当两走线部分重叠时，计交叉点为1；
a3) 当两走线为不接触时，不计交叉点；
B) 一条线段都往上，另一条线段都往下时，不计交叉点；
C)两条线段都是一上一下时，进入以下判断：
c1)当两走线为无接触时：不计交叉点；
c2)当两走线为包含关系时：计交叉点为1；
c3)当两走线部分重叠时,分两种情况：
情况一：重叠部分的两个线段头朝向一致，计交叉点为1；
情况二：重叠部分的两个线段头朝向相反，不计交叉点；
D) 当第一线段一上一下，第二线段都往一个方向时：
d1) 当两走线为无接触：不计交叉点
d2）当第一走线为被包含时：计交叉点为1
d3) 当第二走线为被包含：不计交叉点；
d4) 当两走线为部分重叠：分两种情况：
情况一：A被B包含的那个点朝向与B相同：计交叉点为1；
情况二：A被B包含的那个点朝向与B不相同：不计交叉点；
二）当为竖直通道时，交叉点的计算包括以下情况：
A)两走线都往右或都往左时，进行以下判断：
a1)当两走线为包含关系时，不计交叉点；
a2)当两走线部分重叠时，计交叉点为1；
a3) 当两走线为不接触时，不计交叉点；
B) 一条线段都往右，另一条线段都往左时，不计交叉点；
C)两条线段都是一右一左时，进入以左判断：
c1)当两走线为无接触时：不计交叉点；
c2)当两走线为包含关系时：计交叉点为1；
c3)当两走线部分重叠时,分两种情况：
情况一：重叠部分的两个线段头朝向一致，计交叉点为1；
情况二：重叠部分的两个线段头朝向相反，不计交叉点；
D) 当第一线段一右一左，第二线段都往一个方向时：
d1) 当两走线为无接触：不计交叉点
d2）当第一走线为被包含时：计交叉点为1
d3) 当第二走线为被包含：不计交叉点；
d4) 当两走线为部分重叠：分两种情况：
情况一：A被B包含的那个点朝向与B相同：计交叉点为1；
情况二：A被B包含的那个点朝向与B不相同：不计交叉点。
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