CN112241563B - 一种管道井寻优算法 - Google Patents

Abstract

一种管道井寻优算法，涉及建筑设计及机电设计领域；特征是，从建筑信息模型中提取房间信息及管道井可能位置，结合机电设计中末端设备布置位置，基于图论和最小生成树思想，采用普里姆算法自动求解每个管道井可能位置作为起点到各个末端的最短路径管路，并计算各个求解得到的最短路径管路的阻力和系统不平衡度，选取系统不平衡度15％内的管道阻力最小的管道井作为最优管道井位置。实现系统管道布置简单、系统平衡性好、阻力减小、运行节能等综合性最优设计。

Description

一种管道井寻优算法

技术领域

本发明涉及建筑设计及机电设计领域，具体涉及一种管道井寻优算法。

背景技术

建筑内的管道井往往是机电系统平面设计中管线的起点，管道井位置直接影响到管线系统的布置繁简程度，一个合理的管道井位置对于建筑机电系统设计至关重要。当前实际工程中的管道井位置往往是建筑专业人员根据建筑专业的需求确定，而真正使用管道井的机电设计人员只核对管道井大小是否满足需求，这将很大程度上可能导致管道井位置设置不合理的情况。如今建筑信息化模型发展迅速，建筑房间坐标、面积、体积、设备位置等基本信息的简单易得，从而使得自动化设计、管道路径规划与优化设计成为可能。但建筑机电系统的管路规划和对管道布置有显著影响力的管道井优化问题还鲜少有研究涉及。

发明内容

本发明提出一种管道井寻优算法，综合考虑机电系统布置和建筑设计两个方面，在建筑可布置管道井区域内确定出最优的管道井位置，实现系统管道布置简单、系统平衡性好、阻力减小、运行节能等综合性最优设计。

所述管道井包括各类水管管道井、风管管道井等竖向布置各种功能管线的井道，本发明的发明任务是，从管道井的各个可能位置中确定出使得系统阻力最小、水力平衡性最好、系统管线最少的最优管道井位置。在应用方面，本发明可以从给排水、暖通空调等机电系统优化角度为建筑中的管道井布置位置提供参考位置。

技术方案

概括的说，本发明从建筑信息模型(BIM)中提取房间信息及管道井可能位置，结合机电设计中末端设备布置位置，基于图论和最小生成树思想，采用普里姆算法自动求解每个管道井可能位置作为起点到各个末端的最短路径管路，并计算各个求解得到的最短路径管路的阻力和系统不平衡度，选取系统不平衡度15％内的管道阻力最小的管道井作为最优管道井位置。

具体实现包括如下步骤：

步骤1)：根据建筑图纸中的建筑信息寻找可能的管道井，生成包含n个管道井x轴、y轴、z轴方向上的坐标的管道井可能位置坐标集合L_ktsj{L₁(x₁,y₁,z₁),L₂(x₂,y₂,z₂),…,L_i(x_i,y_i,z_i),…,L_n(x_n,y_n,z_n)}，用于提供给步骤4)；

其中包括：

若建筑专业受其他房间布置影响只可在某些固定位置处布置管道井，则直接提取可设管道井位置的形心点(即谓几何中心)坐标L_i(x_i,z_i,z_i)。

若建筑中某片区域均可设置管道井则将该区域根据管道井按照经验面积均匀划分为矩形小区域作为一个管道井可能位置，小区域的顶点坐标为L_i1(x_i1,y_i1,z_i1),L_i2(x_i2,y_i2,z_i2),L_i3(x_i3,y_i3,z_i3)，L_i4(x_i4,y_i4,z_i4)，根据顶点坐标L_i1，L_i2，L_i3，L_i4求得该矩形小区域的形心点坐标L_i(x_i,z_i,z_i)；

上述各个管道井可能位置的形心点坐标构成对应管道井位置坐标集合L_ktsj。

步骤2)：从机电设计结果(或建筑信息模型)中获得系统内末端位置x轴、y轴、z轴方向上的坐标集合T{T₁(x_t1,y_t1,z_t1),T₂(x_t2,y_t2,z_t2),…,T_i(x_ti,y_ti,z_ti),…,T_n(x_tn,y_tn,z_tn)}，用于提供给步骤4)；

具体包括：

若已确定设备位置则直接确定末端设备的坐标T_i。

若还没有到布置设备的设计阶段，设备具体位置无法确定则从建筑信息模型(BIM或其他含建筑集合信息的模型)中提取空调房间的顶点坐标V_room{V₁(x_v1,y_v1,z_v1),V₂(x_v2,y_v2,z_v2),…V_n((x_vn,y_vn,z_vn)},同一个房间中z_v1＝z_v2＝…＝z_vn＝z，筛选出其中最大最小的x坐标(x_max,x_min)和最大最小的y坐标(y_max,y_min)，将(x_max,y_max,z)、(x_min,y_min,z)作为对角点生成一个面积覆盖原房间矩形，再根据房间中末端设备的数量m将所述原房间矩形切割为m等份，将每个切割后的矩形的形心坐标作为对应位置上的末端设备的坐标T_i。

步骤3)：根据步骤1)中每一个可能的管道井L_i(L_i∈L_ktsj)到步骤2)中各末端T_i(T_i∈T)的曼哈顿距离，以及步骤2)某个末端T_a(T_a∈T)与另外的末端T_b(T_b∈T)的曼哈顿距离，分别生成权值，每一可能的管道井L_i所对应的权值矩阵

提供给步骤4)；

所述曼哈顿距离来表征距离，适用于建筑机电系统中设备与设备间的管线采用垂直连接，故管道井与设备之间的距离、设备与设备之间距离采用两节点在南北方向上的距离加上东西方向上的距离，即为曼哈顿距离。

根据管道井L_i(L_i∈L_ktsj)与设备T_i(T_i∈T)之间的曼哈顿距离，以及设备T_m(T_m∈T)与设备T_n(T_n∈T)之间的曼哈顿距离，分别生成步骤4)求解所需的权值矩阵

步骤4)：将步骤1)得到的含有n个元素的管道井集合L_ktsj中的每一管道井坐标L_i与步骤2)的末端坐标集合T取并集，生成含有tn+1个顶点坐标集合V。获得步骤1)、步骤2)中所描述的节点坐标信息生成的坐标集合V，以及对应的步骤3)中描述距离的权值矩阵集合D作为输入条件，利用节点坐标信息和各节点间的距离在普里姆算法下求解每一可能的管道井L_i对应的最短路径管路连接关系P_i，生成可能的管道井位置集合L_ktsj对应的最短路径管路连接关系集合P{P₁,P₂,…P_n}；将L_ktsj中的每一管道井坐标L_i，作为求解管路间连接关系的起点坐标，分别求解L_i对应的最小生成树即为最短路径管路连接关系。

所述普里姆算法进行管道连接方式的最优求解：

将管道连接关系的求解先抽象为一个数学问题，每一管道井和末端设备均抽象为一个节点，构成顶点集合V，将管道井与末端、末端与末端之间的管道连接抽象为边E_i，将管路连接关系抽象为一颗生成树。

获得步骤1)中的每一可能的管道井位置L_i(L_i∈L_ktsj)与步骤2)得到的设备坐标集合T构成的管道系统顶点集合V，顶点集合V的权值矩阵为步骤3)中得到的矩阵D_i；将管道连接关系用一个带权值的连通图G(V,E)表示，其中顶点集合V中的每一个元素均表示一个管道位置或一个末端设备位置，其权值矩阵为D_i，E为两节点的边(即管道连接关系)；管道间接关系的求解即抽象为了连通图G的求解，具体求解算法步骤为：

设U是顶点集合V的一个非空子集；若(u，v)是一条具有最小权值的边，其中，u∈U，v∈V-U，P＝(V＇,E＇)是正在构造中的生成树(管道连接关系)；在初始状态下，这棵生成树只有一个可能的管道井位置作为顶点，没有边，即V＇＝{u₀}，u₀为可能的管井位置，u₀＝L_i(L_i∈L_ktsj)，E＇＝{}；

从初始状态开始，重复执行下列运算：寻找一条权值最小的边(u＇,v＇),边(u＇,v＇)是一个端点u在构造中的生成树上(即u∈V＇，u表示的物理意义为一个已经连接到管路上的管井或设备)，另一个端点v不在该树上(即v∈V-V＇，v表示的物理意义为一个未连接到管路上的管井或设备)，选取在所有这样的边(u，v)中权值最小的；将选取的这条最小边(u＇,v＇)加到生成树上(即将v＇并入集合V＇，边(u＇,v＇)并入E＇)；

重复以上操作，直到V＝V＇为止；这时E＇中必有tn条边，P＝(V＇,E＇)是图G的一棵最小生成树，即最短路径管路连接关系，为步骤4)的求解结果。

进一步地，所述步骤4)在求解时将支路与末端设备合并为一个节点，四通处看作两条干路，其中一路不与其设备合并为一个节点。

步骤5)：根据末端设备介质的额定流量与现有设计标准，对步骤4)中每一最短路径管路连接关系P_i(P_i∈P)进行水力计算，得到满足标准规定的流量对应的管道尺寸，并计算各连接关系下的阻力(包括沿程阻力和局部阻力)与系统不平衡度，选取系统不平衡度在15％内的管道阻力最小的管道井作为最优管道井位置。

每一个管道井可能位置L_i(L_i∈L_ktsj)，所述步骤4)都将求解出一个管道连接关系P_i。所述步骤5)根据末端设备的额定参数与现有规范，对每一个管道连接关系P_i进行管道尺寸计算及管路水力计算，得出最不利环路的阻力和系统不平衡度。

沿程阻力的计算公式为：

式(1)中λ为沿程阻力系数，l为管长，d为管径，v为断面平均流速，g为重力加速度。

局部阻力的计算公式为

式(2)中ξ为局部阻力系数，v为断面平均流速，g为重力加速度。

阻力系数取值根据管路实际情况参见付祥钊、肖益民主编的《流体输配管网》(第三版)。该书籍链接：https://baike.baidu.com/item/流体输配管网第三版/16412165？fr＝aladdin。

不平衡度的计算公式为：

式(3)中Δ％表示不平衡度，ΔP_i表示该环路阻力，ΔP_I表示最不利环路阻力。

采用以下情况确定出最优管道井位置：

在系统不平衡度小于15％的连接关系中，选择最不利环路阻力最小的管路对应的管道井坐标为本发明求解出的最优管道井位置L_best。

在不存在系统不平衡度小于15％的连接关系，则在所有可能连接关系中，选择最不利环路阻力最小的管路对应的管道井坐标为本发明求解出的最优管道井位置L_best。

若最不利环路阻力最小的管路有多个，则选取系统不平衡度较小的管路对应的管道井位置。

进一步优化，所述步骤5)对管道井最优位置的搜寻采用两分算法。较优的管道井位置大概率会在建筑中间，若可设管道井的位置为矩形，首先找出管道井位置坐标集合中最边缘的坐标，将寻优区域均匀划为两个区域，再取两个区域中心的管道井位置坐标进行寻优比较，将较优点出现在区域再均匀细分为两个区域重复上述操作以缩小搜寻范围。

进一步公开，所述步骤5)中的管道尺寸计算具体方法为：搜索求解的每条管路的输出节点内的子孙节点，将其子孙节点对应的设备流量加和，根据假定流速法与实际的管路模数选取管径。

具体的，所述步骤5)管路的阻力计算方法为：选取经济比摩阻与设备间的距离计算沿程阻力，管路方向每改变一次计算一次弯头的局部阻力，管路流量每减少一次计算一次附加局部阻力，每经过一次末端设备计算一次该设备对应的局部阻力，设备两端阀件的阻力折算到设备阻力中。各环路的阻力不平衡度大于15％的在阻力较小的环路中添加阀门，记录阀门需平衡的阻力差。

附图说明

图1为本发明一种管井寻优算法的步骤流程图；

图2为实施例建筑设计资料：平面图纸；

图3为实施例中管井可能位置L₁作为系统管井时的连接关系示意图；

图4为实施例中管井可能位置L₁作为系统管井时的连接关系示意图；

图5为图3简化的管道连接关系示意图；

图6为实施例图5抽象的节点示意图；

图7为实施例图6的树结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明具体实施方式进行详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例进行的是某建筑一楼的空调水管管井寻优。建筑平面图如图2，建筑图中包含office，corridor，wellhole三类与空调管道相关的房间，末端设备名称中包含了楼层号，房间编号，房间功能，设备编号(如1F:18wellhole_1)。

步骤1)获取管道井可能位置坐标集合L_ktsj，集合中的每一坐标将作为步骤4)中求解的起点u₀。本实施例中存在两个管道井可能位置，为图3和图4中的L₁，L₂。

步骤2)从建筑信息模型或设计结果中获取末端设备坐标集合T。本实施例从设计结果中获取了末端设备坐标，末端设备位置可视化后如图3和图4所示。

将管道井L₁和末端设备坐标集合T取并集可生成顶点集合V₁，步骤3)根据V₁中各个元素的曼哈顿距离生成管道井L₁对应的权值矩阵D₁。同样的方法管道井L₂也可得到顶点集合V₂和其对应的权值矩阵D₂。

步骤4)将可能的管道井L₁对应的顶点集合V₁及其权值矩阵D₁作为输入，步骤4)所述的普里姆算法对其进行连接关系的求解，可得到最短路径连接关系(即最小生成树)P₁。该楼层的最短路径连接关系的示意图如图3所示，该连接关系的部分节点描述如表1所示。如将图3简化为图5所示的示意结构，求解过程中将管线节点化抽象为图6，将管路连接关系抽象化为图7所示的树结构。采用同样的方法，将可能的管道井L₂对应的顶点集合V₂及其权值矩阵D₂作为普里姆算法的输入条件，步骤4)可求解到对应的最短路径连接关系P₂，其示意图如图4所示。

表1实施例管路连接关系

步骤5)根据现有规范和机电设计结果中的设备负荷对步骤4)所求解的管路连接关系进行管道尺寸计算及水力计算。设计结果中的设备负荷如表2中第三列所示，根据末端所承担的空调负荷及5℃供回水温差计算每个末端设备流量并将支管流量加和作为干管流量。利用假定流速法计算管径，并取与之相近的管道模数调整流速可得到表2第4、5列所示的管道管长和管径。

表2实施例管路选型结果

根据表2中得到的管道尺寸计算结果，根据现有规范和步骤5)中所提到的管道阻力计算方法计算得到连接关系P₁，P₂的阻力和系统不平衡度。P₁，P₂的系统不平衡度均在15％以内，故选取P₁，P₂中阻力较小的连接关系P₂对应的管道井L₂作为最优管井位置。

Claims (3)

1.一种管道井寻优方法，特征是，从建筑信息模型中提取房间信息及管道井可能位置，结合机电设计中末端设备布置位置，基于图论和最小生成树思想，采用普里姆算法自动求解每个管道井可能位置作为起点到各个末端的最短路径管路，并计算各个求解得到的最短路径管路的阻力和系统不平衡度，选取系统不平衡度15％内的管道阻力最小的管道井作为最优管道井位置。

2.如权利要求1所述的管道井寻优方法，特征是，具体实现包括如下步骤：

步骤1)：根据建筑图纸中的建筑信息寻找可能的管道井，生成包含n个管道井x轴、y轴、z轴方向上的坐标的管道井可能位置坐标集合L_ktsj{L₁(x₁，y₁，z₁)，L₂(x₂，y₂，z₂)，…，L_i(x_i，y_i，z_i)，…，L_n(x_n，y_n，z_n)}，用于提供给步骤4)；

其中包括：

若已指定某些固定位置处布置管道井，则直接提取可设管道井位置的形心点坐标L_i(x_i，z_i，z_i)；

否则将建筑区域划分为矩形小区域作为一个管道井可能位置，小区域的顶点坐标为L_i1(x_i1，y_i1，z_i1)，L_i2(x_i2，y_i2，z_i2)，L_i3(x_i3，y_i3，z_i3)，L_i4(x_i4，y_i4，z_i4)，根据顶点坐标L_i1，L_i2，L_i3，L_i4求得该矩形小区域的形心点坐标L_i(x_i，z_i，z_i)；

上述各个管道井可能位置的形心点坐标构成对应管道井位置坐标集合L_ktsj；

步骤2)：从机电设计结果中获得系统内末端位置x轴、y轴、z轴方向上的坐标集合T{T₁(x_t1，y_t1，z_t1)，T₂(x_t2，y_t2，z_t2)，…，T_i(x_ti，y_ti，z_ti)，…，T_n(x_tn，y_tn，z_tn)}，用于提供给步骤4)；

具体包括：

若已确定设备位置则直接确定末端设备的坐标T_i；否则

从建筑信息模型中提取空调房间的顶点坐标V_room{V₁(x_v1，y_v1，z_v1)，V₂(x_v2，y_v2，z_v2)，...V_n((x_vn，y_vn，z_vn)}，同一个房间中z_v1＝z_v2＝…＝z_vn＝z，筛选出其中最大最小的x坐标(x_max，x_min)和最大最小的y坐标(y_max，y_min)，将(x_max，y_max，z)、(x_min，y_min，z)作为对角点生成一个面积覆盖原房间矩形，再根据房间中末端设备的数量m将所述原房间矩形切割为m等份，将每个切割后的矩形的形心坐标作为对应位置上的末端设备的坐标T_i；

步骤3)：根据步骤1)中每一个可能的管道井L_i，L_i∈L_ktsj到步骤2)中各末端T_i，T_i∈T的曼哈顿距离，以及步骤2)某个末端T_a，T_a∈T与另外的末端T_b，T_b∈T的曼哈顿距离，分别生成权值，每一可能的管道井L_i所对应的权值矩阵

提供给步骤4)；

步骤4)：将步骤1)得到的含有n个元素的管道井集合L_ktsj中的每一管道井坐标L_i与步骤2)的末端坐标集合T取并集，生成含有tn+1个顶点坐标集合V；获得步骤1)、步骤2)中所描述的节点坐标信息生成的坐标集合V，以及对应的步骤3)中描述距离的权值矩阵集合D，利用节点坐标信息和各节点间的距离在普里姆算法下求解每一可能的管道井L_i对应的最短路径管路连接关系P_i，生成可能的管道井位置集合L_ktsj对应的最短路径管路连接关系集合P{P₁，P₂，…P_n}；将L_ktsj中的每一管道井坐标L_i，作为求解管路间连接关系的起点坐标，分别求解L_i对应的最小生成树即为最短路径管路连接关系；

步骤5)：根据末端设备介质的额定流量与现有设计标准，对步骤4)中每一最短路径管路连接关系P_i，P_i∈P进行水力计算，得到满足标准规定的流量对应的管道尺寸，并计算各连接关系下的阻力与系统不平衡度，所述阻力包括沿程阻力和局部阻力，选取系统不平衡度在15％内的管道阻力最小的管道井作为最优管道井位置。

3.如权利要求2所述的方法，特征是，所述普里姆算法进行管道连接方式的最优求解：

获得步骤1)中的每一可能的管道井位置L_i，L_i∈L_ktsj与步骤2)得到的设备坐标集合T构成的管道系统顶点集合V，顶点集合V的权值矩阵为步骤3)中得到的矩阵D_i；将管道连接关系用一个带权值的连通图G(V，E)表示，其中顶点集合V中的每一个元素均表示一个管道位置或一个末端设备位置，其权值矩阵为D_i，E为两节点的边，即管道连接关系；管道间接关系的求解即抽象为了连通图G的求解，具体求解算法步骤为：

设U是顶点集合V的一个非空子集；若(u，v)是一条具有最小权值的边，其中，u∈U，v∈V-U，G′＝(V′，E′)是正在构造中的生成树，所述生成树为管道连接关系；在初始状态下，这棵生成树只有一个可能的管道井位置作为顶点，没有边，即V′＝{u₀}，u₀为可能的管井位置，u₀＝L_i，L_i∈L_ktsj，E′＝{}；

从初始状态开始，重复执行下列运算：寻找一条权值最小的边(u′，v′)，边(u′，v′)是一个端点u在构造中的生成树上，另一个端点v不在该树上，选取在所有这样的边(u，v)中权值最小的；将选取的这条最小边(u′，v′)加到生成树上；

重复以上操作，直到V＝V′为止；这时E′中必有tn条边，G′＝(V′，E′)是图G的一棵最小生成树，即最短路径管路连接关系，为步骤4)的求解结果。

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