JP2002024309A - 配管自動ルート探索方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 床面上での作業性を考慮した改良迷路法によ
る配管自動ルーティング法を提供すること。 【解決手段】 格子状に分割した配管布設領域（セル）
に数値化した施工評価値（施工難易度が易しい方から１
〜３）を与え、開始点（Ｓ）、終点（Ｔ）間のルート探
索は施工評価値を考慮した改良迷路法で行う。平面にお
ける施工評価値が同一の領域は同一番号を付し、パスサ
ーチ手順を繰り返し、終点（Ｔ）までラベル順番にセル
番号を＋１ずつ増やして、その番号を埋めていく。次い
でトレースバック手順を行う際にはセルの属性として付
加された情報である施工評価値を考慮する。各セルのラ
ベル番号付けをするときに新たな始点から上下左右方向
をそれぞれ探索して、現在のラベル番号よりも１つラベ
ル番号が小さいセルを更なる始点（Ｔ’）とし、番号が
複数検出された場合は、セルの属性（施工評価値）を比
較し、施工評価が容易なセルを選択し、施工評価値が同
じ場合には前回の移動方向と同じ方向にあるセルを選択
することにより、施工性を考慮した配管ルーティングを
行うことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業プラント向け
配管ＣＡＤシステムの配管自動ルーティング手法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】産業プラントにおける配管ライン設計業
務は機能保証、配置調整、強度保証、保守性など多岐に
わたり、多大な設計時間と熟練技術者が必要な状況とな
っている。ＣＡＤメーカ、プラントメーカが配管設計の
自動化をめざし、配管の自動ルーティングシステムの開
発を行っている。現在、配管の自動ルーティング手法
は、ルート探索アルゴリズムをベースに設計制約条件を
付加した手法が多く適用されている。ルート最適決定問
題において考えられるアルゴリズムのひとつとしてＬＳ
Ｉ（大規模集積回路）、プリント基板等における配線処
理用に開発された迷路法を挙げることができる。迷路法
は、さまざまな障害物（機器、配管）を避けて始点と終
点を最短距離で結ぶ経路探索手法である。

【０００３】迷路法によるルート探索アルゴリズムを図
１３、図１４を例に説明する。説明を簡潔にするため
に、ここでは２次元で例を示す。迷路法による探索アル
ゴリズムは、１）パスサ−チ手順、２）バックトレース
手順の２つに大別される。

【０００４】以下、迷路法の基本アルゴリズムを図１
３、図１４で説明する。 ＜パスサーチ手順＞ （図１３（ａ）〜（ｅ）） ［ステップ０］メッシュ状に分割した領域の該当するセ
ルに、開始点（Ｓ）、終点（Ｔ）、障害物（Ｘ）を配置
する。 ［ステップ１］開始点（Ｓ）から上下左右方向のセルに
ラベル番号（例えば番号１）を配置する。但し、ラベル
番号を割付けるセルに障害物（Ｘ）が重複した場合に
は、その方向のラベル番号の割付けは止める。 ［ステップ２］ステップ１でラベル付けされたセルを新
たな始点（Ｓ'）と考える。ラベル番号を１つ増加し、
始点（Ｓ'）を起点に上下左右の番号割付けを行い、ラ
ベル割付けが終点（Ｔ）に到達するまで繰り返す。

【０００５】 ＜バックトレース手順＞ （図１４（ｆ）〜（ｊ）） ［ステップ３］終点（Ｔ）が割付けられたセルを起点と
して、上下左右方向をそれぞれ探索して、終点（Ｔ）に
割付けられたラベル番号よりも１小さいセル（例えば、
番号２１）を選択し、新たな始点（Ｔ'）とする。 ［ステップ４］（Ｔ'）を新たな始点とし、上下左右方
向をそれぞれ探索して、現在のラベル番号（例えば、番
号２１）よりも１小さいセルを新たな始点（Ｔ'）（例
えば、番号２０）とする。１小さいラベル番号（例え
ば、番号２０）が複数方向で検出された場合、前回の移
動方向と同じ方向にあるセルを選択する（前回と同じ方
向を採用すれば、経路の曲がり点数を少なくする作用に
働く）（図１４（ｇ）参照）。新たな始点（Ｔ'）が開
始点（Ｓ）に到達するまで、ステップ４を繰り返す。 ［ステップ５］開始点（Ｓ）に到達したら（図１４
（ｊ）参照）、終点（Ｔ）から始点（Ｓ）に向かって選
択されたＴ'を経路として結ぶ。

【０００６】図１３（ａ）はステップ０で配置された開
始点（Ｓ）から、上下左右のセルに１を埋め込んでいる
ことを示している。図１３（ｂ）〜図１３（ｅ）でステ
ップ１、２を繰り返し、図１３（ｅ）の時点で終点
（Ｔ）に到達したことを示している。

【０００７】図１４（ｆ）から、ステップ３の終点
（Ｔ）からのバックトレースを開始し、図１４（ｇ）〜
図１４（ｉ）でステップ４を繰り返し、図１４（ｊ）の
時点で、開始点（Ｓ）に到達したことを示している。図
１５に迷路法により障害物を避けてルート探索した最終
結果の例を示す。

【０００８】図１３、図１４では、説明を簡略化するた
めに、２次元領域でのルート探索方法としているが、平
面上の上下左右方向に加え、平面に対して垂直上下方向
（ｘ、ｙ、ｚ軸の＋、−方向のセル：合計６方向）にラ
ベル付けし、上記と同様な手順で６方向の番号埋込みお
よび探索することで、３次元ルート探索が実現できる。

【０００９】なお、ここでは配管通り芯のルーティング
について述べており、実際には配管の口径を考慮する必
要がある。バックトレース手順の際、配管の口径が占有
するセルの幅で、バックトレースする必要がある。

【００１０】上記迷路法は開始点（Ｓ）と終点（Ｔ）間
を結ぶセルの数が最小となるルートを選択するため、最
短路を結ぶルート探索アルゴリズムといえる。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】迷路法によるルート探
索は図１５に示したように、障害物を避け、開始点
（Ｓ）と終点（Ｔ）間の最短路ルート探索を行う手法で
ある。電子回路の配線ＣＡＤは、配線有効領域の中で、
できるだけ短く、できるだけ多くの配線を結線すること
が重要であり、ルート探索手法として迷路法の適用は有
効である。しかし、迷路法は経路に関しては、障害物を
避け（配線優先順位に応じて）最短路を結ぶ以外の点に
ついては考慮されていない。電子回路の場合、ＬＳＩの
シリコンチップ上あるいはプリント基板上では、どの様
なルートでも配線が接続していれば、機能を達成する場
合が多い。

【００１２】しかし、プラントの配管の場合、ルーティ
ング結果によっては、配管の施工性が大きく左右されて
しまう可能性がある。図１１、図１２に配管施工状況を
示す。

【００１３】配管３の据付作業は、まず、対象となる配
管３をワイヤ１とチェーンブロック２で作業者４が床面
５から吊り上げる。そして、配管３を吊り上げた後、作
業者４は主に配管ルートの下で開先合わせ、溶接等の作
業をする。すなわち、配管ルート上方に何もなければ配
管３を吊り上げることができないため、配管３を吊すた
めの治具が必要となる。また、配管３の下方に床面５が
なければ、又は、たとえ、床面５があっても、鉄柱７で
指示された２つの床面５間の距離が大きい場合には、作
業のための仮説足場６を設けることが必要となり、ルー
トによっては配管３の組付作業性は非常に悪くなる。

【００１４】迷路法は、あくまで障害物を回避するルー
ト探索手法であり、床面５上での作業性を考慮しない、
施工性の悪い配管ルーティングを行う可能性がある。

【００１５】本発明の課題は、床面上での作業性を考慮
した改良迷路法による配管自動ルート探索方法を提供す
ることである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記の課題は次の発明に
より解決される。すなわち、プラントの機器、鉄骨、床
面等のプラント構成材料の座標等からなる機器障害物情
報を入力し、表示する３Ｄ−ＣＡＤと、配管ルートの開
始点、終点、口径等の配管情報を保有する配管系統デー
タベースと、３Ｄ−ＣＡＤから抽出する障害物情報を基
に配管ルートを探索する配管自動ルータを備えた配管自
動ルート探索方法において、配管ルートの開始点、終点
及び障害物を含む配管ルートの領域を格子状にセル分割
し、前記開始点、終点及び障害物を各セルに割付けると
共に、前記配管ルート領域の各セルに数値化した作業難
易度を割付けて設定し、該作業難易度に対し、開始点か
ら上下左右方向の隣接したセルに順にラベル番号を割付
け、更に割付けた番号を新たな始点として上下左右方向
の隣接したセルにラベル番号を更新して割付け、終点に
到達するまで繰り返すパスサーチ手順と、終点を始点と
してラベル番号更新前のセルを探索し、該当するセルが
複数存在した場合、作業難易度が容易なセルを選択し、
また作業難易度が同等であれば、前回選択したセル移動
方向と同じ移動方向のセルを選択し、そのセルを新たな
始点として開始点に到達するまで繰り返すトレースバッ
ク手順で構成する改良型迷路法を用いることにより、よ
り作業性の良い領域を優先的に、また、より配管の曲が
り点数が少ない経路を探索する配管自動ルート探索方法
である。

【００１７】また、上記配管自動ルート探索方法におい
て、配管ルート領域上下床面の有無状態から各セルの作
業難易度を数値化することでルート探索がより容易にな
る。

【００１８】

【作用】例えば図１に格子状に分割した配管布設領域を
示すが、分割したセルに数値化した施工評価値（施工難
易度）として易しい方から難しい方に順に、例えば
「１」、「２」、「３」、「４」の属性を与え、配管ル
ート探索図（図２）に、図１に示す各セルの属性である
施工評価値を反映させる。

【００１９】そして開始点（Ｓ）、終点（Ｔ）間のルー
ト探索は施工評価値を考慮した改良迷路法で行う。すな
わち、平面における施工評価値が同一の領域は同一番号
を付し、パスサーチ手順を図１３、図１４を用いて説明
した従来技術の手順と同様に、ステップ１、ステップ２
を繰り返し、終点（Ｔ）まで順番にセル番号を＋１ずつ
増やして、その番号を埋めていく。次いでトレースバッ
ク手順を行う際にはセルの属性として付加された情報で
ある施工評価値を考慮する。本発明では図１３、図１４
で説明した迷路法のアルゴリズムの［ステップ４］を以
下のように改良する。

【００２０】すなわち、始点（Ｔ）を新たな始点とし、
上下左右方向をそれぞれ探索して、現在のラベル番号よ
りも１つラベル番号が小さいセルを更なる始点（Ｔ’）
とする。同じラベル番号が複数検出された場合は、セル
の属性（施工評価値）を比較し、評価値の大きい（施工
評価が容易な）セルを選択する。施工評価値が同じ場合
には、前回の移動方向と同じ方向にあるセルを選択す
る。その理由は前回と同じ方向にあるセルを採用するこ
とは、経路の曲がり点数を少なくする作用をして無駄な
経路を経由することを防ぐことができるからである。

【００２１】上記手順に従い、同じラベルが複数検出さ
れた場合、より施工の容易な領域（セル）を選択するア
ルゴリズムを付加することにより、施工性を考慮した配
管ルーティングを行うことができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について説明
する。図１０には本発明の実施の形態の配管ルーティン
グ装置の構成例を示す。図１０は、プラントの鉄骨、
床、機器等を入力し、入力結果を３次元表示する３Ｄ−
ＣＡＤ１−１と、配管の接続情報（座標、口径、材質、
肉厚等）を有する配管系統ＤＢ（データベース）１−２
と、配管自動ルータ１−３で構成される。図１に示す構
成は、３Ｄ−ＣＡＤ１−１から配管ルーティングする際
の機器障害物情報および配管系統に関するＤＢ１−２か
らの配管座標、口径等の情報を基に、配管自動ルータ１
−３にてルート探索し、ルート探索結果を３Ｄ−ＣＡＤ
１−１にて表示するシステム構成であり、配管自動ルー
タ１−３が本発明の主要部位に相当する。

【００２３】また、図７に任意の高さ方向の配管ルーテ
ィング空間（平面）を示す。プラントにおける配管３は
高さ方向に積層する床面５の間をルーティングすること
になる。図７では上下床面５、５間の空間（平面）に着
目し、平面における施工評価値を例として四領域（面
Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）に分割する。面Ａ領域は上下に床面５
が有り、配管３の吊り上げ、作業者の足場条件は良好で
ある。面Ｂ領域は上方に床面５が無く、配管３の吊り上
げ条件は悪いが、下方に床面５が有るため、作業者の足
場条件は良好である。面Ｃ領域は上方に床面５があり、
配管３の吊り上げ条件は良好であるが、下方に床面５が
無いため作業者の足場条件は悪くなる。また、上下方向
に床面５が無く、最も作業条件が悪い領域を面Ｄ領域と
する。このように配管３の上下の床面５の有無から作業
難易度を判定することができる。

【００２４】このとき、配管３のルーティングを探索す
る際に、ルーティング領域の施工評価値を表す評価値を
前述の迷路法のアルゴリズムと組み合わせることによ
り、施工性の良い領域を優先的に選択する施工評価値を
考慮した配管ルーティングができる。

【００２５】図１に示すように本発明の一実施の形態の
配管のルーティング領域を２次元平面とした例で考え
る。図１に示す例は配管布設領域を格子状（５０×５０
のセル）に分割し、数値化した施工評価値を各セルの属
性として与えている。すなわち、図１に示す例では、配
管布設領域を格子状に分割したセルに数値化した施工評
価値（施工難易度）として易しい方から難しい方に順に
「１」、「２」、「３」、「４」の属性を与えている。

【００２６】図２は配管ルーティング領域を格子状（５
０×５０）に分割し、障害物及び配管の開始点（Ｓ）、
終点（Ｔ）を該当するセルに割り付けた配管自動ルート
探索図である。なお、図２には図１で示した各セルの施
工評価値も合わせて示している。

【００２７】本実施の形態の施工性を考慮した配管自動
ルート探索手法のフローを図８に示す。ルート探索手法
の初期化として、配管ルート該当領域を格子状のセルに
分割し、障害物、開始点（Ｓ）、終点（Ｔ）をセルに割
付ける。また各セルの施工評価値を判定するために、セ
ル上下方向の床面の有無から、各セルの施工評価値を表
す属性として評価値を与える。

【００２８】パスサーチ手順として、先ず開始点（Ｓ）
から上下左右方向にラベル番号（例えば１）を割り付
け、その上下左右方向にさらに１を加えたラベル番号
（例えば２）を割り付け、ラベル番号を１ずつ増やして
行く。こうして、新たな始点（Ｓ’）が終点（Ｔ）に到
達するまで繰り返す。また、割り付けるセルに障害物が
与えられていた場合、ラベルの割付はそこで止める。

【００２９】こうしてパスサーチ手順で始点（Ｓ）から
終点（Ｔ）までのセルにラベル番号を割り付けた後、ル
ートを探索するために迷路法と同様の手順でバックトレ
ースを行う。まず、終点（Ｔ）を始点として、上下左右
方向（３次元で探索する場合は面に対する垂直上下方向
を付加した６方向）を探索して、現在のラベル番号より
も１小さいセルを探索する。探索した結果、該当するセ
ルが複数あるかないかを判定し、１つしかなければその
セルを新たな始点（Ｔ’）とする。該当するセルが複数
あれば、セルの持つ施工評価値を比較し、施工性の良い
セルを選択し、そのセルを新たな始点（Ｔ’）とする。

【００３０】複数セルの施工評価値に差がなければ、前
回選択したセルの移動方向と比較し、同一移動方向に向
いたセルを選択し、そのセルを新たな始点（Ｔ’）とす
る。複数セルの施工評価値に差が無く、また前回と同一
移動方向のセルが無い場合、予め設定された上下左右方
向の固定優先順位の中で、優先度の高い方向のセルを選
択し新たな始点（Ｔ’）とする。

【００３１】以上の手順でラベル番号が１小さい新たな
始点（Ｔ’）の探索を、開始点（Ｓ）に到達するまで繰
り返し、終点（Ｔ）から開始点（Ｓ）に向かって探索し
たＴ’を経路とする。

【００３２】上記手順で示すように、バックトレースで
セルを選択する際、作業しやすい領域（セル）を優先的
に選択することで、より施工性の良い配管ルーティング
が行える。

【００３３】図８と図９に示すアルゴリズムで実行した
ルート探索結果を図３に、施工性を考慮しない従来の迷
路法によるルート探索結果を図４に示す。図３、図４に
示すように終点（Ｔ）一つ手前のセルの番号は「７９」
となる。ルートと図３に示すルート探索法の違いは最も
作業の困難な施工評価値（施工難易度）１の領域とそれ
より作業が易しい施工評価値（施工難易度）２の領域を
従来の迷路法では区別できないことによる。すなわち、
図３に示す本発明はバックトレースで施工評価値（施工
難易度）３の領域から最も作業の困難な施工評価値（施
工難易度）１の領域に移動しないで、それより作業しや
すい領域である施工評価値（施工難易度）２の領域のセ
ルを選択して移動することが、図４の従来法でのバック
トレースでのセル選択法と違う所である。

【００３４】また、施工評価値の評価値は配管ルーティ
ング領域上下の床面有無以外に鉄骨の情報を付加して考
えることができる。図５には施工評価値５の領域を追加
している。上床面に鉄骨の筋が有れば、その下方向は配
管の吊り上げが、より容易と考え、上下に床面があり、
上床面に鉄骨筋がある領域を難易度５に設定する。

【００３５】図５に示す施工評価値を有する領域を本発
明の改良迷路法によりルート探索した結果を図６に示
す。施工性の良い難易度４の領域を優先的に探索した結
果となっている。図５、図６に示すように施工評価値
（施工難易度）をより詳細に設定すると、よりきめ細か
く施工評価値を考慮したルート探索を行える。

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、施工性を付加した配管
のルート探索を行うことができるため、作業性を考慮し
た、より施工性の良い配管のルーティングを行うことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態の配管ルーティング領域
の施工評価値を示す図である。

【図２】 本発明の実施の形態の配管ルーティング初期
画面を示す図である。

【図３】 本発明の実施の形態の作業性を考慮した改良
迷路法によるルート探索結果を示す図である。

【図４】 迷路法によるルート探索結果を示す図であ
る。

【図５】 本発明の実施の形態の配管ルーティング領域
の施工評価値を示す図である。

【図６】 本発明の実施の形態の作業性を考慮した改良
迷路法によるルート探索結果を示す図である。

【図７】 本発明の実施の形態の配管ルーティング領域
の施工評価値評価の例を示す図である。

【図８】 本発明の実施の形態の作業性を考慮した改良
迷路法による配管ルート探索手法のフロー図である。

【図９】 本発明の実施の形態の作業性を考慮した改良
迷路法による配管ルート探索手法のフロー図である。

【図１０】 本発明の実施の形態の配管ルーティング装
置の構成図の例である。

【図１１】 配管据付作業イメージを示す図である。

【図１２】 配管据付作業イメージを示す図である。

【図１３】 迷路法のルート探索アルゴリズムを示す図
である。

【図１４】 迷路法のルート探索アルゴリズムを示す図
である。

【図１５】 迷路法のルート探索結果を示す図である。

【符号の説明】

１−１ ３Ｄ−ＣＡＤ １−２ 配管系統ＤＢ
（データベース） １−３ 配管自動ルータ １ ワイヤ ２ チェーンブロック ３ 配管 ４ 作業者 ５ 床面 ６ 仮設足場 ７ 鉄柱

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プラントの機器、鉄骨、床面等のプラン
   ト構成材料の座標等からなる機器障害物情報を入力し、
   表示する３Ｄ−ＣＡＤと、配管ルートの開始点、終点、
   口径等の配管情報を保有する配管系統データベースと、
   ３Ｄ−ＣＡＤから抽出する障害物情報を基に配管ルート
   を探索する配管自動ルータを備えた配管自動ルート探索
   方法において、 配管ルートの開始点、終点及び障害物を含む配管ルート
   の平面状の領域を格子状にセル分割し、前記開始点、終
   点及び障害物を各セルに割付けると共に、前記配管ルー
   ト領域の各セルに数値化した作業難易度を割付けて設定
   し、該作業難易度に対し、開始点から上下左右方向の隣
   接したセルに順にラベル番号を割付け、更に割付けた番
   号を新たな始点として上下左右方向の隣接したセルにラ
   ベル番号を更新して割付け、終点に到達するまで繰り返
   すパスサーチ手順と、終点を始点としてラベル番号更新
   前のセルを探索し、該当するセルが複数存在した場合、
   作業難易度が容易なセルを選択し、また作業難易度が同
   等であれば、前回選択したセル移動方向と同じ移動方向
   のセルを選択し、そのセルを新たな始点として開始点に
   到達するまで繰り返すトレースバック手順で構成する改
   良型迷路法を用いることにより、より作業性の良い領域
   を優先的に、また、より配管の曲がり点数が少ない経路
   を探索することを特徴とした配管自動ルート探索方法。
2. 【請求項２】 配管ルート領域上下床面の有無状態から
   各セルの作業難易度を数値化することを特徴とした請求
   項１記載の配管自動ルート探索方法。