沈 濤,徐玉龍,陳亞峰,曲金豹(中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司,北京 100048)
中國共產(chǎn)黨十九屆五中全會(huì)和2021 年全國兩會(huì)均對(duì)加快數(shù)字化發(fā)展作出總體部署,國資委認(rèn)真貫徹落實(shí)黨中央、國務(wù)院決策部署,著力推動(dòng)國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,在2021 年2 月印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》,明確了國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的重要意義、主要任務(wù)和保障措施。中國聯(lián)通積極響應(yīng)黨中央和國資委的號(hào)召,將數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為企業(yè)改革發(fā)展的重點(diǎn)任務(wù),積極推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作。
工程圖紙是通信建設(shè)工程在工程設(shè)計(jì)階段的重要成果,以往均由設(shè)計(jì)工程師使用CAD 等繪圖工具完成。設(shè)計(jì)工程師先是現(xiàn)場查勘,分析設(shè)計(jì),然后根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)在CAD 工具里選擇預(yù)設(shè)好的模型,并拖拽到相應(yīng)的位置,最后生成可以供施工參考的設(shè)計(jì)圖紙。這種流程主要存在以下幾個(gè)問題。
a)設(shè)計(jì)圖紙不夠精細(xì)化,準(zhǔn)確度不高。如單個(gè)模型在區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)不精確,交接點(diǎn)的空間定位高度也很難確定,位置完全靠設(shè)計(jì)工程師人工判斷。
b)工程圖紙不一致。由于傳統(tǒng)基于CAD 設(shè)計(jì)主要是人工繪制,并且沒有統(tǒng)一的繪圖標(biāo)準(zhǔn),導(dǎo)致圖紙千人千面,復(fù)用成本較高,產(chǎn)出效率較低。
c)生成的圖紙以及模型沒有數(shù)字化和語義化。由于設(shè)計(jì)人員流動(dòng)性比較大,老的圖紙沒有數(shù)字化存儲(chǔ)和語義化表達(dá),導(dǎo)致維護(hù)成本隨著時(shí)間推移越來越高,并且有丟失的風(fēng)險(xiǎn)。
在中國聯(lián)通相關(guān)單位著力推進(jìn)通信工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下,中國聯(lián)通在網(wǎng)絡(luò)資源管理、工程規(guī)劃、工程建設(shè)等領(lǐng)域的數(shù)字化方面取得了長足進(jìn)展,通信工程建設(shè)所需的網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、工程建設(shè)數(shù)據(jù)等均實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化的存儲(chǔ)。設(shè)計(jì)工程師通過數(shù)據(jù)元和圖紙自動(dòng)化生成方案,可以實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的快速生成和編輯模型,并且結(jié)合其他系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù),將圖紙里面的單個(gè)模型語義化,能夠比較方便和直觀地查看、編輯和導(dǎo)出設(shè)計(jì)圖紙,從而使利用數(shù)據(jù)自動(dòng)化生成通信工程設(shè)計(jì)圖紙成為可能。
綜上所述,在通信工程設(shè)計(jì)企業(yè)實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大背景下,采用自動(dòng)化的方式生成工程設(shè)計(jì)圖紙以替代原有的人工方式,對(duì)通信設(shè)計(jì)行業(yè)而言具有較大的應(yīng)用價(jià)值。
基于上述通信工程中設(shè)計(jì)遇到的問題和需求,本文提出一套基于結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖紙自動(dòng)化生成以及二維∕三維展示的技術(shù)解決方案,并基于該解決方案開發(fā)出原型系統(tǒng)。系統(tǒng)整體架構(gòu)包括真實(shí)物理世界數(shù)據(jù)、三維重建∕CAD 圖紙識(shí)別等方式生成的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、基于統(tǒng)一信息庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、繪圖服務(wù)抽象化(包括機(jī)房服務(wù)、鐵塔服務(wù)、設(shè)備互聯(lián)服務(wù)、傳輸線路服務(wù)、配套電源服務(wù)等)、二維∕三維展示平臺(tái),整體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。
圖1 技術(shù)架構(gòu)
目前,傳統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計(jì)主要是針對(duì)機(jī)房和鐵塔場景,可以采用以下3種方式將機(jī)房和鐵塔數(shù)字化。
a)使用手持instan360 全景相機(jī)或者遙控?zé)o人機(jī)掃描機(jī)房∕鐵塔,將獲取到的圖片上傳到三維重建平臺(tái),經(jīng)過點(diǎn)云重建、語義∕實(shí)例分割,生成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。
b)對(duì)紙質(zhì)的CAD圖紙進(jìn)行角點(diǎn)識(shí)別,通過識(shí)別每個(gè)設(shè)備的4 個(gè)邊角信息,連點(diǎn)成線,恢復(fù)出這個(gè)設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房中墻體、窗、門、儀器設(shè)備的識(shí)別,最終生成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。
c)前期查勘的工程資料很多是以表格的形式進(jìn)行存儲(chǔ)的,通過開發(fā)excel 導(dǎo)入功能,將數(shù)據(jù)批量存入數(shù)據(jù)庫。
通過以上3種方式實(shí)現(xiàn)機(jī)房和鐵塔基礎(chǔ)信息數(shù)字化,通過其他現(xiàn)有系統(tǒng)(機(jī)房動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng))提供的接口快速關(guān)聯(lián)內(nèi)部設(shè)備(服務(wù)器,通信設(shè)備等)信息,經(jīng)過統(tǒng)一的處理后,存入統(tǒng)一信息庫。
通過屬性管理平臺(tái)和數(shù)字資產(chǎn)管理平臺(tái)進(jìn)行機(jī)房和鐵塔基礎(chǔ)信息的新增、編輯和關(guān)聯(lián)等管理工作,包括機(jī)房柜體布局圖、平面輪廓圖、機(jī)柜∕空調(diào)∕ups 等設(shè)備信息、站點(diǎn)與機(jī)房∕鐵塔的關(guān)聯(lián)關(guān)系、機(jī)房∕鐵塔與工程的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。
基于后端統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)一個(gè)圖紙自動(dòng)化生成及二維∕三維展示平臺(tái)。將各個(gè)行業(yè)的服務(wù)進(jìn)行抽象化、標(biāo)準(zhǔn)化,主要包括機(jī)房服務(wù)、鐵塔服務(wù)、設(shè)備互聯(lián)服務(wù)、傳輸線路服務(wù)、配套電源服務(wù)等。以機(jī)房設(shè)計(jì)服務(wù)為例。
a)基礎(chǔ)模型庫維護(hù)。平臺(tái)維護(hù)一套機(jī)房內(nèi)部設(shè)備的基礎(chǔ)模型,包括機(jī)柜、服務(wù)器、空調(diào)、設(shè)備、走線架等。
b)二維設(shè)計(jì)圖在線預(yù)覽。結(jié)合結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)模型庫,平臺(tái)通過設(shè)計(jì)好的算法快速生成預(yù)覽二維∕三維的設(shè)計(jì)圖,某機(jī)房的二維設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。
圖2 機(jī)房二維設(shè)計(jì)圖
c)二維設(shè)計(jì)圖導(dǎo)出。平臺(tái)將多格式圖紙生成封裝成API 服務(wù),從而達(dá)到自動(dòng)化生成多種格式的圖紙的目標(biāo),滿足各個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)和工程化的需求。某機(jī)房的三維設(shè)計(jì)圖如圖3所示。
圖3 機(jī)房三維設(shè)計(jì)圖
平臺(tái)還提供圖紙生成導(dǎo)出功能,將多種圖紙格式的導(dǎo)出服務(wù)進(jìn)行封裝,提供給設(shè)計(jì)人員使用,具體如下。
a)DWG 圖紙生成?;谥型鸆AD 平臺(tái)提供的SDK,進(jìn)行軟件的個(gè)性化定制和二次開發(fā),將圖紙導(dǎo)出為DWG格式。
b)PDF 圖紙生成。使用PDF“虛擬打印機(jī)”技術(shù)將圖紙導(dǎo)出為PDF格式。
c)PNG 圖紙生成。使用PNG“虛擬打印機(jī)”技術(shù)將圖紙導(dǎo)出為PNG格式。
d)VISIO 圖紙生成。使用VISIO“虛擬打印機(jī)”技術(shù)將圖紙導(dǎo)出為VISIO格式。
可以通過PC Web∕APP∕H5 等多種前端系統(tǒng)展現(xiàn)方式將圖紙交付給客戶使用,從而大大提高用戶操作的方便性。
以下分別是機(jī)房(見圖4)和鐵塔(見圖5)圖紙數(shù)字化效果示意圖。
圖4 機(jī)房效果圖
圖5 鐵塔效果圖
a)三維重建生成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。使用全景相機(jī),按照預(yù)設(shè)好的規(guī)則,掃描指定的機(jī)房或鐵塔,將獲取到的圖片上傳到三維重建平臺(tái),通過三維點(diǎn)云重建、模型重建、語義分割、全景圖、矢量模型生成,手動(dòng)調(diào)整后輸出結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。
b)對(duì)CAD圖紙識(shí)別生成的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。
c)前期查勘的工程資料或者人工采集的調(diào)研資料。
基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫的結(jié)構(gòu)如圖6所示。
圖6 基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫
屬性管理平臺(tái)可以非常方便地管理機(jī)房和鐵塔,包括其本身具有的和各個(gè)子設(shè)備的基礎(chǔ)屬性以及設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
a)屬性列表模塊。可以查看新增的機(jī)房∕鐵塔屬性,包括機(jī)柜、空調(diào)、電池組、通信設(shè)備等屬性。
b)屬性分類模塊。支持創(chuàng)建1~N級(jí)分類,支持通過excel導(dǎo)入分類關(guān)系表;能夠直觀地看到屬性之間的依賴關(guān)系。
c)屬性新增∕編輯模塊。通過預(yù)設(shè)模版+屬性分類,用戶可以很方便地完成屬性的新增∕編輯。
d)屬性模版管理。支持屬性模版的增刪改查,方便用戶線下excel 導(dǎo)入屬性,提供多種屬性導(dǎo)入方式,提升用戶體驗(yàn)。
數(shù)字資產(chǎn)管理平臺(tái),可以查看管理數(shù)字化后的機(jī)房和鐵塔,并能夠基于此進(jìn)行迭代數(shù)字化設(shè)計(jì)。
a)機(jī)房列表模塊。可以查看數(shù)字化的機(jī)房∕鐵塔信息,包括機(jī)房ID、名稱、位置等屬性。
b)機(jī)房設(shè)備列表模塊??梢圆榭礄C(jī)房內(nèi)部包括的設(shè)備列表,包括設(shè)備ID、名稱、位置、類型、使用狀態(tài)等。
c)機(jī)房設(shè)備圖示模塊。將數(shù)字化后的機(jī)房∕鐵塔,通過圖像繪制引擎繪制到網(wǎng)頁上,能夠直觀地看到機(jī)房∕鐵塔的布局結(jié)構(gòu),以及內(nèi)部包含的設(shè)備列表,為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)提供服務(wù)支持。
工信部于2015年發(fā)布了《通信工程制圖與圖形符號(hào)規(guī)定》(YD∕T 5015-2015)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),各個(gè)設(shè)計(jì)單位也根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求制定了自有標(biāo)準(zhǔn)圖形符號(hào)庫。工程設(shè)計(jì)圖紙一般需要使用標(biāo)準(zhǔn)圖形符號(hào)(以下稱為“圖元”)進(jìn)行繪圖,在圖紙自動(dòng)化生成過程中主要通過繪制圖元的方式完成圖紙生成。圖紙自動(dòng)化生成系統(tǒng)對(duì)圖元相關(guān)需求主要包括以下幾點(diǎn)。
a)圖元是虛擬打印機(jī)基本繪圖操作的組合,可實(shí)現(xiàn)繪圖單元的重復(fù)利用。
b)在繪制時(shí)可以平移、縮放、旋轉(zhuǎn)圖元,且操作后圖元表現(xiàn)的圖形符號(hào)輪廓不發(fā)生變化。
c)圖元可以由其他圖元及基本繪圖操作組合而成。
d)圖元可以以靜態(tài)代碼或動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)加載方式生成。
圖元繪制實(shí)現(xiàn)的技術(shù)難點(diǎn)在于圖元可以在圖紙內(nèi)平移、縮放和旋轉(zhuǎn),主要通過為圖元添加相對(duì)坐標(biāo)系來實(shí)現(xiàn),即每個(gè)圖元均須具備相對(duì)坐標(biāo)系信息,主要包括原點(diǎn)相對(duì)X坐標(biāo)、原點(diǎn)相對(duì)Y坐標(biāo)、,縮放系數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度。
具備了相對(duì)坐標(biāo)系信息后,在使用虛擬打印機(jī)的繪圖功能繪制圖元時(shí),均需先使用相對(duì)坐標(biāo)系將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖元在圖紙中的“實(shí)際坐標(biāo)”,然后再進(jìn)行繪制。
在圖元類使用的原始相對(duì)坐標(biāo)系參數(shù)一般為(0,0,1,0),即相對(duì)X、Y坐標(biāo)為0,縮放系數(shù)為1,旋轉(zhuǎn)角度為0。在實(shí)例化圖元對(duì)象時(shí)可傳入定制的相對(duì)坐標(biāo)系參數(shù),亦可通過方法設(shè)定圖元的相對(duì)坐標(biāo)系參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)圖元在圖紙上的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)。
工程設(shè)計(jì)中一般采用CAD 工具制作設(shè)計(jì)圖紙,如需其他格式,一般需要用戶手動(dòng)從CAD 格式圖紙轉(zhuǎn)換為其他格式。在采用圖紙自動(dòng)化方案后,由于使用了結(jié)構(gòu)化的后端基礎(chǔ)數(shù)據(jù),使得利用同一套后端直接輸出多種圖紙格式成為可能。其核心技術(shù)方案是在架構(gòu)設(shè)計(jì)中將不同格式的基本繪圖操作抽象為“虛擬打印機(jī)”,在生成圖紙時(shí)使用不同格式的打印機(jī)完成不同格式圖紙文件的輸出,如圖7所示。
圖7 多格式輸出技術(shù)架構(gòu)
a)系統(tǒng)定義了“虛擬打印機(jī)”基類,打印機(jī)基類定義了畫點(diǎn)、畫線、畫文本、畫形狀等基本的繪圖操作。
b)不同輸出格式需要實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的“虛擬打印機(jī)”類,按照輸出格式要求通過SDK、COM 接口、文件接口等方式實(shí)現(xiàn)格式的基本繪圖操作。
c)系統(tǒng)使用“工廠模式”根據(jù)業(yè)務(wù)需求產(chǎn)生“虛擬打印機(jī)”類。
d)圖紙繪制業(yè)務(wù)邏輯使用“虛擬打印機(jī)”類接口完成繪圖任務(wù)。由于所有的“虛擬打印機(jī)”類具備同樣的接口,因此系統(tǒng)只需要實(shí)現(xiàn)一份圖紙繪制業(yè)務(wù)邏輯即可支持多種格式文件的輸出。
在工程圖紙生成過程中,常常需要為圖紙?jiān)黾映诵膬?nèi)容之外的附加性內(nèi)容,如設(shè)計(jì)單位圖框、水印、固定的提示說明、通用裝飾性內(nèi)容等等。該部分內(nèi)容通常與圖紙的核心工程設(shè)計(jì)內(nèi)容無關(guān),但在實(shí)際應(yīng)用過程中是必須具備的,而且常常隨著業(yè)務(wù)需求的變化而變動(dòng)。一般采用圖層功能來實(shí)現(xiàn)上述需求,即將不同展示內(nèi)容的繪圖內(nèi)容抽象為圖層,通過圖層的組合、顯隱來裝配出需要的工程圖紙。
圖層功能可采用軟件工程設(shè)計(jì)模式中的“裝飾器模式”來實(shí)現(xiàn)。使用裝飾器模式完成圖層功能的主要實(shí)現(xiàn)過程為:
a)設(shè)計(jì)圖層類型,每個(gè)類型的圖層均實(shí)現(xiàn)Draw函數(shù),其中核心圖層實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖紙的核心內(nèi)容繪制。
b)裝飾器初始化時(shí)需傳入圖層類型,并保存為圖層成員變量,通過包裝方式實(shí)現(xiàn)裝飾器的Draw函數(shù)。
c)自定義圖層裝飾器可對(duì)傳入的圖層進(jìn)行裝飾,通過對(duì)引入不同的圖層成員及自定義繪制操作,可以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)所需要的繪圖效果。
d)由于圖層裝飾器與圖層具備相同的核心功能接口,可以通過多個(gè)裝飾器的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)組合完成靈活的圖層定制功能。
本文提出了一套圖紙自動(dòng)化生成的方案以及平臺(tái),相比于傳統(tǒng)繪圖,其設(shè)計(jì)理念發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)還是基于圖紙模型的迭代更新和細(xì)節(jié)補(bǔ)充,設(shè)計(jì)流程比較粗放,對(duì)于每一次的圖紙輸出也沒有時(shí)間留痕和版本管理,給圖紙追溯也帶來了很大的困擾。而圖紙自動(dòng)化生成則是基于數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)圖紙的自動(dòng)化呈現(xiàn)和輸出,設(shè)計(jì)人員每次設(shè)計(jì)只需要更改數(shù)據(jù)即可,每次圖紙輸出系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)進(jìn)行版本記錄,方便隨時(shí)隨地追溯。不過這也給設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求,需要精細(xì)化管理,從源頭保證數(shù)據(jù)邏輯的完整性,每次設(shè)計(jì)都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的維護(hù)更新,保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和一致性。除此之外在通信工程設(shè)計(jì)中采用圖紙自動(dòng)化生成方案還有以下優(yōu)點(diǎn)。
a)減輕了工程設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了出圖效率。在工程設(shè)計(jì)過程中,圖紙不但要完成繪制,往往還需要進(jìn)行多次修改,制作、修改圖紙對(duì)工程設(shè)計(jì)人員來說是較重的勞動(dòng)負(fù)擔(dān),通過自動(dòng)化生成圖紙方式,大大降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,提高了出圖效率和單位人員產(chǎn)出。
b)保證了工程圖紙的一致性,提升設(shè)計(jì)質(zhì)量。以往以人工方式產(chǎn)出設(shè)計(jì)圖紙時(shí),同一站點(diǎn)的圖紙往往分散存儲(chǔ)在各個(gè)設(shè)計(jì)人員處,由于工程施工進(jìn)度不同步及溝通不及時(shí)等原因,常常產(chǎn)生工程圖紙信息不一致問題,導(dǎo)致工程設(shè)計(jì)質(zhì)量下降,嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)事故的產(chǎn)生。利用自動(dòng)化生成圖紙方案,由于圖紙數(shù)據(jù)源統(tǒng)一來自結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),較好地保證了圖紙數(shù)據(jù)的一致性、時(shí)效性,提升了出圖質(zhì)量。
c)有利于工程設(shè)計(jì)單位更有效地管理圖紙資產(chǎn)。采用自動(dòng)化生成圖紙方案,工程圖紙的產(chǎn)出將統(tǒng)一在圖紙自動(dòng)化生成系統(tǒng)中完成,從而便于工程設(shè)計(jì)單位對(duì)工程圖紙進(jìn)行統(tǒng)一的精細(xì)化的管理,形成自有圖紙資產(chǎn)。
除了上述優(yōu)點(diǎn)之外,該解決方案及平臺(tái)也有其局限性。像新的、不成熟的設(shè)計(jì),其流程規(guī)范尚未清晰,服務(wù)和基礎(chǔ)模型標(biāo)準(zhǔn)尚未建立,對(duì)于這種目前還不能適用。
總之,圖紙自動(dòng)化生成技術(shù)的研發(fā)大大降低了通信工程設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度,對(duì)通信工程設(shè)計(jì)單位的數(shù)據(jù)利用效率、設(shè)計(jì)質(zhì)量提升、知識(shí)庫建設(shè)等均有較好的促進(jìn)作用。目前,圖紙自動(dòng)化生成技術(shù)所生成的圖紙還不能完全達(dá)到直接應(yīng)用于設(shè)計(jì)文本的程度,仍然需要人工補(bǔ)充和修正部分圖紙內(nèi)容。究其原因主要是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不夠完備,以及圖紙標(biāo)準(zhǔn)化程度不足而導(dǎo)致的個(gè)性化需求較多,無法采用自動(dòng)化軟件程序?qū)崿F(xiàn)。隨著通信設(shè)計(jì)行業(yè)對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集利用的重視及通信工程設(shè)計(jì)單位圖紙標(biāo)準(zhǔn)化程度的提升,圖紙自動(dòng)化生成技術(shù)將更加成熟完備,從而在通信工程設(shè)計(jì)工作中發(fā)揮更大的作用。