朱超平，劉珍珍，鄭云水

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 通信信號研究所， 北京 100081；2.蘭州交通大學 自動化與電氣工程學院， 蘭州 730070）

在鐵路變配電所的設計、施工過程中，線纜布置是一項重要且復雜的工程，面臨著線纜布放規(guī)劃復雜，施工工藝難于掌握，布線工藝要求高等問題。

以往在變配電所線纜敷設工程全周期中，設計及施工單位都使用Auto CAD 等二維設計軟件。每個專業(yè)設計自己的內(nèi)容，沒有協(xié)同設計平臺，各個階段的信息無法共享，也無法對各專業(yè)設計的內(nèi)容進行整合。不同專業(yè)間的設計內(nèi)容在設計階段無法進行施工碰撞預演，可能會在施工階段出現(xiàn)專業(yè)間管線交叉碰撞問題，導致返工，降低施工效率。同時，線纜的位置及其走向布置規(guī)劃非常復雜，對線纜的施工工藝要求較高，以往工作中經(jīng)常出現(xiàn)線纜扭絞、窩工、返工等狀況，這些問題會影響工程整體進度，造成較大損失。

本文通過將建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術(shù)應用在鐵路變配電所的線纜敷設上，搭建專業(yè)間的協(xié)同設計平臺，使項目的各參與方基于同一平臺開展協(xié)同工作，進行三維狀態(tài)下的施工預演，可以減少專業(yè)間交叉碰撞情況的發(fā)生，有效地減少設計中的失誤，加快施工進度。同時，三維設計施工可以提供清晰的設計模擬與施工模擬，方便非專業(yè)人員對于項目進行了解、檢查、評估和監(jiān)理。

本文將BIM 技術(shù)與改進的快速擴展隨機樹（RRT*，Rapidly Exploring Random Tree*）算法相結(jié)合，在三維狀態(tài)下進行變配電所線纜的智能布置，減輕了設計人員的工作負擔，同時也減少了因為布線復雜、工藝工法要求較高而產(chǎn)生的錯誤，減少了人工布線產(chǎn)生的扭絞、交叉、窩工等問題，提高了設計效率，降低了人工的投入。本文設計成果可以實現(xiàn)布線路徑最優(yōu)化，同時節(jié)省物資，達到節(jié)能優(yōu)化的目的。

1 RRT*算法概述

RRT 算法[1]由 LaValle 在1999 年提出，特點是能夠快速地在高維度和較大的環(huán)境中進行搜索，具有概率完備性，能得到一個收斂解。RRT 算法通過使用來自確定的搜索空間的隨機樣本，生長以起始配置為根的樹。隨著對每個樣本的搜索，它會嘗試與樹中最近的狀態(tài)進行連接。該算法在搜索空間中隨機采樣生成隨機點，查找樹上歐氏距離最鄰近點，向隨機點方向生長一個步長，若無障礙碰撞，就生成新節(jié)點，反之則重新采樣，直到搜索到目標點。

RRT 算法的隨機采樣性使得其產(chǎn)生的路徑往往只是可行路徑，而不是最優(yōu)路徑。RRT*算法是RRT算法的一種改進算法，由S.Karaman 和E.Frazzoli 在2011 年提出。相比于RRT 算法，RRT*算法引入了對新生成節(jié)點的相鄰節(jié)點的搜索，目的是重新選擇父節(jié)點，除此之外，還有隨機樹的重布線過程，進一步減小了路徑代價，是高維狀態(tài)最優(yōu)路徑規(guī)劃問題的一個突破性方法。若時間足夠，RRT*算法會收斂到最優(yōu)解，規(guī)劃出變配電所的最優(yōu)線纜布置路徑[2]。

1.1 父節(jié)點重選過程

搜索過程中，算法以新產(chǎn)生的節(jié)點xnew為圓心，在規(guī)定的半徑范圍內(nèi)尋找“鄰居”，并將其作為父節(jié)點的備選方案。算法依次計算備選父節(jié)點到起點的路徑代價，再加上xnew到每個備選節(jié)點的路徑代價。圖1a 是隨機樹擴展過程中的一個時刻，節(jié)點標號表示該節(jié)點的生成順序，節(jié)點是初始節(jié)點，⑨節(jié)點即為新產(chǎn)生的節(jié)點xnew，此時⑥節(jié)點為⑨節(jié)點的父節(jié)點，節(jié)點與節(jié)點之間連線上的數(shù)字代表它們之間的路徑代價。

圖1 RRT*算法父節(jié)點重選過程

在父節(jié)點的重選過程中，以⑨節(jié)點xnew為圓心，以事先規(guī)定的半徑畫出一個圓，圓內(nèi)的鄰近節(jié)點即為備選父節(jié)點，也就是④、⑤、⑧節(jié)點。原來的路徑-④-⑥-⑨的路徑代價為10+5+1=16，3 個備選父節(jié)點與xnew組成的路徑分別為-①-⑤-⑨，-④-⑨和-①-⑤-⑧-⑨，路徑代價分別為11、14 和12。綜上，將⑤節(jié)點作為⑨節(jié)點的新父節(jié)點使得路徑代價最小，故將⑨節(jié)點的父節(jié)點由原先的⑥節(jié)點變?yōu)棰莨?jié)點，重新生成的隨機樹[3]，如圖1b 所示。

1.2 隨機樹重布線過程

為xnew節(jié)點重新選擇父節(jié)點后，可以通過對隨機樹重新布線的操作，將隨機樹節(jié)點之間的連接代價盡量減小。如果鄰近節(jié)點的父節(jié)點改為xnew可以減小路徑代價，則應對其進行更改。如圖2a，⑨節(jié)點為新生成的節(jié)點xnew，⑤節(jié)點為其父節(jié)點，鄰近節(jié)點分別是④、⑥、⑧。他們的父節(jié)點分別為、④、⑤。路徑分別為-④-④-⑥和-①-⑤-⑧，路徑代價分別為10、15 和9。如果將④節(jié)點的父節(jié)點改為⑨節(jié)點xnew，則到達④節(jié)點的路徑變?yōu)?①-⑤-⑨-④，代價變?yōu)?5，大于原來的路徑代價10，因此④節(jié)點的父節(jié)點不應改變。若將⑥節(jié)點的父節(jié)點改為xnew，則其路徑變?yōu)?①-⑤-⑨-⑥，代價由原來的15 變?yōu)?2，故將⑥節(jié)點的父節(jié)點改為⑨節(jié)點，重新生成新的隨機樹如圖2b 所示。

圖2 RRT*算法隨機樹重布線過程

RRT*算法中重布線的意義在于，每當生成新的節(jié)點，都可嘗試通過重新布線，使某些節(jié)點的路徑代價減少。從整體來看，并不是每一個重新布線的節(jié)點都會出現(xiàn)在最終生成的路徑中，但是在生成隨機樹的過程中，每一次的重布線都盡可能的為減小最終路徑代價創(chuàng)造機會。

上述2 個過程是RRT*算法的核心。這2 個過程相輔相成，父節(jié)點重選使新生成的節(jié)點路徑代價盡可能小，重布線使得生成新節(jié)點后的隨機樹減少冗余通路和路徑代價。

2 變配電所線纜敷設約束

基于BIM 技術(shù)，在三維狀態(tài)下進行變配電所內(nèi)線纜的敷設，關(guān)鍵在于線纜路徑的尋找與規(guī)劃。以鐵路變配電所中常用的圓截面單根線纜為例，線纜規(guī)劃布置問題可以看作求解空間中球形剛體的運動規(guī)劃問題。球形剛體的半徑代表圓截面單根線纜的半徑，運動路徑的起始點與終止點分別代表變配電所中線纜連接的2 個終端。本文通過RRT*算法，規(guī)劃出一條初始的可行移動路徑，作為變配電所中線纜的初始路徑。再通過對線纜布置時各種約束進行全面的考量，優(yōu)化路徑，制定最終設計方案。本文布線優(yōu)化主要考慮的約束有基本約束、長度約束、貼壁約束、疊層約束4 部分。

2.1 基本約束

保證變配電所中2 個終端之間的線纜連接沒有其他管線以及設備的交叉碰撞，與空間中的建筑結(jié)構(gòu)無交涉。RRT*算法的基本擴展過程可以滿足這一要求。

2.2 長度約束

線纜敷設優(yōu)化的主要功能之一是節(jié)省物料，故規(guī)劃的路徑要盡可能短，以減少架空線纜的重量，降低線纜敷設成本。這一需求可以通過增加RRT*算法中的隨機點個數(shù)，盡量縮短變配電所中2 個或者多個終端之間的連線來實現(xiàn)。

2.3 貼壁約束

在線纜敷設前，線纜溝和走線架都已設計完成，在相距較遠的2 個終端之間進行布線規(guī)劃時，應沿著裝配體與線纜溝、走線架的表面進行布置，以便于對線夾的安裝固定和保障線纜的穩(wěn)定。可通過加入磁吸算法或在RRT*算法中沿著線纜溝、走線架內(nèi)壁設置隨機點來實現(xiàn)。

2.4 疊層約束

通常線纜的敷設只允許1 層，不允許疊加，若有條件限制，可進行雙層布置，但是最多不能超過3 層。

3 RRT*算法在變配電所線纜敷設中的應 用

本文基于SoldWorks 軟件，應用BIM 技術(shù)，結(jié)合RRT*算法[4-5]，對某新建鐵路牽引變配電所線纜接線進行智能布置。在具體布線尋路過程中，運用RRT*算法優(yōu)化線纜敷設路徑[6]。

3.1 基礎(chǔ)構(gòu)建

（1）利用SolidWorks 軟件勾畫房屋，勾畫時要規(guī)定房屋長度，墻面高度和厚度等信息。房屋構(gòu)建完成后，將房屋屬性，即建筑面積、實用面積、房屋名稱等具體數(shù)據(jù)輸入BIM 中。

（2）構(gòu)建線纜溝，線纜溝有不同的種類，本文采用單邊3 層和雙邊4 層線纜溝，溝內(nèi)支架寬250 mm。

（3）構(gòu)建并擺放鐵路牽引變電室內(nèi)設備，設備的擺放必須吸附在線纜溝邊，使其符合真實場站對于室內(nèi)的細節(jié)設計，同時方便設計人員對于不同的室內(nèi)配電柜進行不同的線纜引出與引入。鐵路變配電所基礎(chǔ)構(gòu)建如圖3 所示。

3.2 基于RRT*算法的線纜敷設優(yōu)化

3.2.1 初始化RRT*算法參數(shù)

（1）通過導入房屋屬性和設備配線表，定義配置空間中的2 個子空間，障礙物空間和自由配置空間。其中，房屋屬性包括建筑面積、實用面積、房屋名稱等；設備配線表包括線纜起始設備名稱、起點接線端子名稱、線纜終到設備名稱、終點接線端子名稱、線纜型號（線纜直徑）。

圖3 鐵路變配電所基礎(chǔ)構(gòu)建示意圖

（2）將線纜敷設的起始點與終點作為RRT*算法的起點和終點，產(chǎn)生的樹節(jié)點均勻的分布于配置空間中，從而近似地獲取自由配置空間的連通性。

（3）設置路徑的代價。在線纜溝內(nèi)敷設線纜時，理論上同一層的線纜支架上不允許疊加線纜，只可布置一層線纜，因此線纜的層與層之間需賦予一定的路徑代價值。但設備密集的地方，在線纜布線空間不夠的情況下，也可以疊放2 層，該情況可通過降低路徑代價值進行處理。根據(jù)線纜的順序賦予路徑代價值，布置線纜時，需要按照線纜的規(guī)定順序進行布置，由上到下依次是：高壓線纜、電力線纜、控制線纜、通信線纜，對其分別設置不同的代價值。布線過程中，線纜轉(zhuǎn)向時，若發(fā)生扭絞情況，會造成線纜使用壽命縮短，對供電安全性有很大影響，故根據(jù)工程質(zhì)量實施細則的要求，線纜拐直角彎時，設定線纜的彎曲半徑不小于管槽內(nèi)最粗線纜直徑的10 倍，以保證線纜不發(fā)生扭絞[7-8]。

3.2.2 線纜敷設優(yōu)化

在線纜路徑的搜索過程中，通過1.1 和1.2 小節(jié)描述的RTT*算法進行布線選路。以新產(chǎn)生的路徑節(jié)點xnew為圓心，在規(guī)定的半徑范圍內(nèi)尋找鄰近節(jié)點，作為xnew父節(jié)點的備選方案。依次計算備選父節(jié)點到起點的路徑代價加上xnew到每個備選父節(jié)點的路徑代價。以路徑代價最小為約束條件進行收斂，直到產(chǎn)生最優(yōu)路徑。

線纜布置過程中，如果在某一方向上與障礙物發(fā)生碰撞，則利用碰撞檢測計算得來的碰撞信息進行定向擴展。為了使得到的路徑為最短，對分段后的路徑段端點位置進行修正，經(jīng)過位置修正優(yōu)化后，插入中間點，計算得到曲線路徑。

為了使路徑符合曲率，對路徑中局部曲率過大的部分進行修正。依次計算出各路徑點處的曲線曲率，判斷其是否超出了規(guī)定的閾值，若超出，則將其向曲率減小的方向移動一定的步長，得出最優(yōu)的線纜路徑。

3.3 設計成果

根據(jù)導入軟件中的配線表和上述設計策略，生成的效果圖如圖4、圖5 所示，圖4 為室外線纜路徑圖，圖5 為室內(nèi)線纜路徑圖，兩圖中的紅色線條代表線纜路徑。

圖4 牽引變電所室外線纜路徑

圖5 牽引變電所室內(nèi)線纜路徑

設計中會規(guī)避建筑結(jié)構(gòu)和已有的管線結(jié)構(gòu)，防止生成的線纜路徑與其他結(jié)構(gòu)發(fā)生交叉碰撞。規(guī)劃出路徑后，可生成線纜清單，清單內(nèi)容包括：線纜起始設備名稱、起點接線端子名稱、線纜終到設備名稱、終點接線端子名稱、線纜型號、長度。

生成的線纜清單，可交與施工方進行備料，控制線纜用料，減少施工過程中的浪費，同時也方便了接線人員的工作，接線時直接找到對應端子即可，提高了施工效率。在交付后的運維階段，也減少了運維人員尋找端子的時間，可以直接對相應端子進行維護。

4 結(jié)束語

本文將BIM 技術(shù)運用在鐵路變配電所的線纜敷設中，與RRT*算法相結(jié)合?；贐IM 技術(shù)的協(xié)同設計平臺進行智能布線，提高了設計人員的工作效率。通過建立橋架、線槽、線纜等的BIM，根據(jù)設計圖紙的規(guī)劃布置，結(jié)合BIM 特有的碰撞檢測、施工工藝工法、RRT*算法，實現(xiàn)線纜敷設的自動排位和排序。在盡量避免線纜交叉的情況下，確保線纜敷設的路徑最優(yōu)化；同時以三維形式對整個線纜敷設過程進行模擬和演示，并生成線纜清單，提高施工效率及工藝水平。