本發(fā)明涉及管線路徑控制，特別是一種應(yīng)用于弧形機(jī)電系統(tǒng)的綜合管線模塊化管控系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、弧形機(jī)電系統(tǒng)是指那些包含弧形結(jié)構(gòu)元素或基于弧形運(yùn)動(dòng)原理的機(jī)電一體化系統(tǒng)；它們通過電能、機(jī)械能等多種能量的轉(zhuǎn)換與傳遞，實(shí)現(xiàn)特定的運(yùn)動(dòng)控制、能量輸出或信息處理等功能；它們通過高效能轉(zhuǎn)換和智能化控制，在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用；隨著科技的不斷發(fā)展，弧形機(jī)電系統(tǒng)的性能和應(yīng)用范圍還將不斷拓展和提升；

2、弧形機(jī)電系統(tǒng)的綜合管線模塊化管控是一種針對(duì)具有弧形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的機(jī)電系統(tǒng)綜合管線的組織、協(xié)調(diào)、監(jiān)督和控制過程；這種管控方式通過模塊化設(shè)計(jì)、預(yù)制化生產(chǎn)和現(xiàn)場快速組裝等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)弧形機(jī)電系統(tǒng)綜合管線的有效管理，提高施工效率和質(zhì)量，降低施工成本；其中，對(duì)管線的路徑規(guī)劃是弧形機(jī)電系統(tǒng)綜合管線模塊化管控中的一個(gè)重要組成部分；

3、現(xiàn)有的管線路徑規(guī)劃系統(tǒng)中仍存在著一些缺陷，首先，在現(xiàn)有的管線路徑規(guī)劃中，需要同時(shí)考慮材料消耗、空間利用率、管線彎曲及不平整度等多個(gè)目標(biāo)，現(xiàn)有方法難以有效平衡這些目標(biāo)；其次，在現(xiàn)有的管線路徑規(guī)劃中，大多只依據(jù)規(guī)劃人員主觀設(shè)定的某一個(gè)模塊分析順序進(jìn)行弧形機(jī)電系統(tǒng)中管線路徑的規(guī)劃，而并未考慮其他模塊分析順序下所分析得到的多個(gè)管線路徑，這可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)過最優(yōu)的管線路徑規(guī)劃方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、（一）解決的技術(shù)問題

2、針對(duì)背景技術(shù)中的技術(shù)問題，本發(fā)明提出一種應(yīng)用于弧形機(jī)電系統(tǒng)的綜合管線模塊化管控系統(tǒng)及方法，基于遺傳算法對(duì)每個(gè)模塊中的每段管線進(jìn)行路徑規(guī)劃，并分析不同模塊分析順序下的最佳管線路徑，對(duì)多個(gè)最佳管線路徑進(jìn)行進(jìn)一步判斷得到最終的管線路徑；從而解決了背景技術(shù)中記載的技術(shù)問題。

3、（二）技術(shù)方案

4、為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

5、一種應(yīng)用于弧形機(jī)電系統(tǒng)的綜合管線模塊化管控系統(tǒng)，包括：

6、模型構(gòu)建模塊，獲取弧形機(jī)電系統(tǒng)中各個(gè)模塊的功能設(shè)備與管線設(shè)備，構(gòu)建所有功能設(shè)備的三維模型；根據(jù)每個(gè)功能設(shè)備的所在位置結(jié)合各空間建筑模型構(gòu)建弧形機(jī)電系統(tǒng)的初始bim模型；

7、路徑規(guī)劃準(zhǔn)備模塊，基于遺傳算法對(duì)每段管線路徑進(jìn)行規(guī)劃的準(zhǔn)備工作，具體包括設(shè)定管線路徑規(guī)劃的目標(biāo)以及約束條件，配置遺傳算法的參數(shù)并設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)；

8、路徑規(guī)劃分析模塊，包括單模塊路徑規(guī)劃分析單元和全模塊路徑規(guī)劃分析單元；基于遺傳算法對(duì)每個(gè)模塊中的每段管線進(jìn)行路徑規(guī)劃，并基于不同的模塊分析順序得到每個(gè)模塊分析順序下弧形機(jī)電系統(tǒng)的最佳管線路徑；其中：

9、單模塊路徑規(guī)劃分析單元，基于遺傳算法對(duì)每個(gè)模塊中的每一段管線進(jìn)行路徑規(guī)劃，在遺傳操作得到的最后一代中選擇出適應(yīng)度值最高的路徑作為每一段管線的最佳路線；

10、全模塊路徑規(guī)劃分析單元，通過記錄每個(gè)模塊進(jìn)行管線路徑規(guī)劃的模塊分析順序，當(dāng)弧形機(jī)電系統(tǒng)中所有模塊均已進(jìn)行管線路徑規(guī)劃后，將所有模塊的最佳管線路徑結(jié)合得到當(dāng)前模塊分析順序下弧形機(jī)電系統(tǒng)的最佳管線路徑；重新進(jìn)行模塊分析順序的確定，并按照新的模塊分析順序重新確定當(dāng)前模塊分析順序下弧形機(jī)電系統(tǒng)的最佳管線路徑；

11、管線路徑確定模塊，獲取所有模塊分析順序下得到的多個(gè)最佳管線路徑，基于綜合適應(yīng)度值、管線路徑最低高度、管線交叉點(diǎn)總數(shù)以及管線重合區(qū)域總長度選出最終的管線路徑；并將對(duì)應(yīng)的管線設(shè)備模型放入弧形機(jī)電系統(tǒng)的初始bim模型中。

12、具體的，取固定點(diǎn)為原點(diǎn)，取正東方向?yàn)閤軸、正北方向?yàn)閥軸、正上方向?yàn)閦軸，建立空間直角坐標(biāo)系；獲取實(shí)際弧形機(jī)電系統(tǒng)中各功能設(shè)備的位置坐標(biāo)范圍，將所有的功能設(shè)備模型導(dǎo)入建模軟件中，構(gòu)建弧形機(jī)電系統(tǒng)的初始bim模型；所述初始bim模型中還包括弧形機(jī)電系統(tǒng)所在環(huán)境內(nèi)的建筑模型；

13、同樣以選取的固定點(diǎn)為原點(diǎn)，以正東方向?yàn)閤軸、正北方向?yàn)閥軸、正上方向?yàn)閦軸，在初始bim模型中建立空間直角坐標(biāo)系；基于每個(gè)功能設(shè)備的實(shí)際位置坐標(biāo)范圍，在初始bim模型中進(jìn)行對(duì)應(yīng)位置的放置；初始bim模型中未含有管線模型。

14、進(jìn)一步的，管線路徑規(guī)劃的目標(biāo)中，最小化材料消耗通過計(jì)算管線的總長度來衡量；最大化空間利用率通過評(píng)估管線布置所占用的空間比例來衡量；最小化彎曲及不平整距離通過測(cè)量完全及不平整的總長度來衡量；

15、管線路徑規(guī)劃的約束條件中，包括對(duì)應(yīng)管線的施工規(guī)范、建筑結(jié)構(gòu)以及其他管線的限制、管線間的安全間隔以及管線的最低高度。

16、進(jìn)一步的，配置遺傳算法的相關(guān)參數(shù)并進(jìn)行賦值，包括種群大小、迭代次數(shù)、交叉概率以及變異概率；

17、設(shè)定適應(yīng)度函數(shù)，表達(dá)式為：；其中、、分別為最小化材料消耗目標(biāo)、最大化空間利用率目標(biāo)以及最小化彎曲及不平整距離目標(biāo)的權(quán)重系數(shù)，且。

18、進(jìn)一步的，基于每段管線的起點(diǎn)功能設(shè)備以及終點(diǎn)功能設(shè)備，隨機(jī)生成個(gè)路徑作為初始種群，對(duì)每個(gè)路徑進(jìn)行評(píng)估，具體為計(jì)算每個(gè)路徑的適應(yīng)度值；采用輪盤賭選擇法，基于個(gè)路徑的適應(yīng)度值之和累計(jì)選擇出個(gè)路徑進(jìn)入下一代；

19、以交叉概率在下一代中任意選擇兩個(gè)路徑進(jìn)行交叉操作，選擇的兩個(gè)路徑需具有交叉點(diǎn)，具體為隨機(jī)選擇兩個(gè)路徑之間的任意一個(gè)交叉點(diǎn)，將兩條路徑中交叉點(diǎn)之后的所有路徑進(jìn)行交換，得到兩個(gè)新的路徑；以變異概率在生成的新的路徑中進(jìn)行變異操作，具體為在滿足路徑規(guī)劃約束條件的前提下進(jìn)行管線位置或角度的變化，得到新的路徑；

20、重復(fù)選擇、交叉、變異操作共次；將第次迭代所得到的若干個(gè)路徑作為最后一代路徑；獲取最后一代路徑中適應(yīng)度值最高的路徑，檢查其是否滿足所有的約束條件，若滿足，則將該路徑作為該段管線的最佳路徑；若不滿足，則重新進(jìn)行一次迭代計(jì)算，并再次判斷得到的路徑中適應(yīng)度值最高的路徑是否滿足所有的約束條件，直到選出滿足所有約束條件的路徑。

21、進(jìn)一步的，依次對(duì)選擇出的模塊中的所有管線進(jìn)行路徑規(guī)劃，將每段管線的最佳路徑拼接，得到該模塊的最佳管線路徑，將該模塊標(biāo)記為順序一；并再次從剩余的模塊中任意選擇一個(gè)模塊進(jìn)行最佳管線路徑的確定，并將再次選擇出的模塊標(biāo)記為順序二，以此類推，依次對(duì)后續(xù)每一次隨機(jī)選擇出的模塊進(jìn)行順序標(biāo)記，直到所有模塊的最佳管線路徑均已確定，結(jié)合得到當(dāng)前模塊分析順序下弧形機(jī)電系統(tǒng)的最佳管線路徑；記錄當(dāng)前模塊分析順序下弧形機(jī)電系統(tǒng)的最佳管線路徑，并記錄每個(gè)模塊中每段管線的適應(yīng)度值。

22、進(jìn)一步的，重新確定模塊分析順序，需與已有的模塊分析順序不同，根據(jù)重新確定的模塊分析順序依次進(jìn)行每個(gè)模塊的最佳管線路徑分析，進(jìn)而得到每個(gè)模塊分析順序下弧形機(jī)電系統(tǒng)的最佳管線路徑；將弧形機(jī)電系統(tǒng)中包含管線設(shè)備的模塊總數(shù)標(biāo)記為，則共有個(gè)模塊分析順序，依次確定所有模塊分析順序下弧形機(jī)電系統(tǒng)的最佳管線路徑并記錄。

23、進(jìn)一步的，將同一個(gè)模塊分析順序下所有段管線的適應(yīng)度值相加，得到每個(gè)模塊分析順序下最佳管線路徑的綜合適應(yīng)度值；

24、新建個(gè)bim基礎(chǔ)模型文件，分別按照每個(gè)模塊分析順序下弧形機(jī)電系統(tǒng)的最佳管線路徑對(duì)各段管道設(shè)備進(jìn)行建模并放入不同的bim基礎(chǔ)模型文件中，將各管道設(shè)備的材料參數(shù)和施工規(guī)范數(shù)據(jù)配置在每段管道設(shè)備中；從每個(gè)模塊分析順序?qū)?yīng)的bim模型中獲取所有管道設(shè)備在對(duì)應(yīng)空間內(nèi)的高度，并篩選出最低高度；在每個(gè)bim模型中標(biāo)記出管線與管線之間的交叉點(diǎn)，若同一個(gè)交叉點(diǎn)處存在段管線，則記該交叉點(diǎn)數(shù)為，統(tǒng)計(jì)每個(gè)bim模型中管線交叉點(diǎn)的總數(shù)；在每個(gè)bim模型中標(biāo)記出管線與管線之間除了交叉點(diǎn)之外的重合部分，并以每個(gè)管線的圓心計(jì)算重合部分的長度，若段管線在同一區(qū)域存在著長度的重合區(qū)域，則記該重合區(qū)域的長度為，統(tǒng)計(jì)每個(gè)bim模型中管線重合區(qū)域的總長度。

25、進(jìn)一步的，將每個(gè)模塊分析順序下最佳管線路徑的綜合適應(yīng)度值、最低高度、管線交叉點(diǎn)的總數(shù)以及管線重合區(qū)域的總長度結(jié)合，得到每個(gè)模塊分析順序下最佳管線路徑的綜合判定指數(shù)，表達(dá)式為：

26、

27、其中，、、、分別為綜合適應(yīng)度值、最低高度、管線交叉點(diǎn)的總數(shù)以及管線重合區(qū)域的總長度的權(quán)重系數(shù)，通過ahp層次分析法計(jì)算得出；且；

28、選擇數(shù)值最大的綜合判定指數(shù)所對(duì)應(yīng)的模塊分析順序下的最佳管線路徑作為弧形機(jī)電系統(tǒng)中最終的管線路徑；并將對(duì)應(yīng)的管線設(shè)備模型放入初始bim模型中。

29、一種應(yīng)用于弧形機(jī)電系統(tǒng)的綜合管線模塊化管控方法，包括：

30、步驟一、獲取弧形機(jī)電系統(tǒng)中各個(gè)模塊的功能設(shè)備與管線設(shè)備，構(gòu)建所有功能設(shè)備的三維模型；根據(jù)每個(gè)功能設(shè)備的所在位置結(jié)合各空間建筑模型構(gòu)建弧形機(jī)電系統(tǒng)的bim模型；

31、步驟二、設(shè)定管線路徑規(guī)劃的目標(biāo)以及約束條件，配置遺傳算法的參數(shù)并設(shè)置適應(yīng)度函數(shù)；

32、步驟三、從弧形機(jī)電系統(tǒng)中的任意模塊開始，基于遺傳算法尋找該模塊的最佳管線路徑；從剩下的未進(jìn)行路徑規(guī)劃的模塊中再次選出任意模塊，進(jìn)行該模塊的管線路徑規(guī)劃；待所有模塊都已進(jìn)行管線路徑規(guī)劃后，記錄各模塊的分析順序；按照不同的模塊分析順序，依次獲取不同模塊分析順序下每個(gè)模塊的最佳管線路徑，分別結(jié)合得到弧形機(jī)電系統(tǒng)的多個(gè)最佳管線路徑；

33、步驟四、獲取所有模塊分析順序下得到的多個(gè)最佳管線路徑，基于綜合適應(yīng)度值、管線路徑最低高度、管線交叉點(diǎn)總數(shù)以及管線重合區(qū)域總長度選出最終的管線路徑；并將對(duì)應(yīng)的管線設(shè)備模型放入弧形機(jī)電系統(tǒng)的初始bim模型中。

34、（三）有益效果

35、本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于弧形機(jī)電系統(tǒng)的綜合管線模塊化管控系統(tǒng)及方法，具備以下有益效果：

36、1、基于弧形機(jī)電系統(tǒng)中的各個(gè)功能設(shè)備模型以及建筑模型，建立初始bim模型，為后續(xù)的管線規(guī)劃提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；通過在初始bim模型中建立與實(shí)際弧形機(jī)電系統(tǒng)場景下所建立的相同的空間直角坐標(biāo)系，實(shí)現(xiàn)了bim模型與實(shí)際場景之間更為精確的對(duì)應(yīng)；

37、2、通過精細(xì)化的路徑規(guī)劃準(zhǔn)備，為后續(xù)基于遺傳算法的管線路徑優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；具體不僅能夠確保路徑規(guī)劃過程中充分考慮材料消耗、空間利用率以及路徑平滑度等多個(gè)關(guān)鍵目標(biāo)，還能通過明確約束條件和合理配置遺傳算法參數(shù)，有效提升路徑規(guī)劃的效率和質(zhì)量；

38、3、通過精細(xì)化的單模塊路徑規(guī)劃分析，能夠確保每段管線的路徑規(guī)劃都經(jīng)過嚴(yán)格的迭代計(jì)算和優(yōu)化，從而得到每段管線中滿足所有約束條件且適應(yīng)度值最高的最佳路徑；不僅提升了路徑規(guī)劃的準(zhǔn)確性和效率，還通過逐步將已確定的最佳路徑作為后續(xù)路徑規(guī)劃的約束條件，實(shí)現(xiàn)了管線間的協(xié)同優(yōu)化，進(jìn)一步提升了整個(gè)機(jī)電系統(tǒng)的綜合管線布局的合理性和性能；

39、4、通過全面的模塊分析順序探索與最佳管線路徑的確定，能夠確保系統(tǒng)不僅得到一個(gè)優(yōu)化的管線路徑方案，而且考慮了所有可能的模塊分析順序，從而找到全局最優(yōu)或接近最優(yōu)的管線路徑布局；這避免了單一模塊分析順序可能帶來的局限性，通過多次迭代和比較不同順序下的路徑規(guī)劃結(jié)果，極大地提升了路徑規(guī)劃的全面性和準(zhǔn)確性，為弧形機(jī)電系統(tǒng)提供了更加可靠、高效的管線布局方案；

40、5、通過綜合考量多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，包括綜合適應(yīng)度值、管線路徑最低高度、管線交叉點(diǎn)總數(shù)以及管線重合區(qū)域總長度，能夠全面、客觀地選出最優(yōu)的管線路徑；這不僅確保了管線路徑在適應(yīng)度上的優(yōu)化，還充分考慮了實(shí)際施工和運(yùn)行中的諸多約束條件，從而為弧形機(jī)電系統(tǒng)提供了更加合理、可靠的管線布局方案。