基于人工蜂群算法的管道自動(dòng)布局優(yōu)化研究

王志皓 隋國(guó)暉

摘要：針對(duì)建筑環(huán)境中管路自動(dòng)布局所存在的管道彎頭多、布局時(shí)間長(zhǎng)、未沿合理位置敷設(shè)等問(wèn)題，建立三維建筑環(huán)境模型和管道模型。采用中間點(diǎn)法作為管道初始路徑生成方法，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)人工蜂群算法求解管道最優(yōu)路徑。仿真結(jié)果表明，基于中間點(diǎn)法的管道初始路徑生成方法和標(biāo)準(zhǔn)人工蜂群算法求解的路徑基本實(shí)現(xiàn)了管路自動(dòng)布局的基本要求，具有可行性。

關(guān)鍵詞：初始管道路徑;人工蜂群算法;三維模型;管路自動(dòng)布局

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）10-0119-02

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，不僅僅給中國(guó)的建筑行業(yè)帶來(lái)很多的機(jī)遇，同時(shí)也要面臨更多的挑戰(zhàn)。目前的建筑領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)技術(shù)日漸成熟，有弊端的傳統(tǒng)方法正在逐漸舍去，未來(lái)將迎接更多、更好的智能化方法來(lái)解決相關(guān)問(wèn)題?，F(xiàn)如今建筑物變得越發(fā)復(fù)雜，建筑物內(nèi)部智能設(shè)備也日益增多，科學(xué)合理的管道自動(dòng)布局技術(shù)就顯得非常重要。

1 人工蜂群算法簡(jiǎn)述

人工蜂群算法是受蜜蜂行為啟發(fā)設(shè)計(jì)出來(lái)的。在2005年由Karaboga[1]小組為優(yōu)化代數(shù)問(wèn)題而提出。人工蜂群算法是模仿蜜蜂行為而提出的群體性智能算法[2-5]。不需要了解問(wèn)題的特性，只比較優(yōu)劣，通過(guò)各個(gè)個(gè)體進(jìn)行局部尋優(yōu)。人工蜂群算法作為已經(jīng)被研究十幾年的算法其優(yōu)缺點(diǎn)也是非常明顯。人工蜂群算法的優(yōu)點(diǎn)就全局尋優(yōu)能力強(qiáng)、收斂速度快。人工蜂群算法的缺點(diǎn)是在搜索到最優(yōu)解時(shí)，速度會(huì)減慢，后期尋優(yōu)能力較弱。人工蜂群算法適用范圍是求解多變量函數(shù)優(yōu)化相關(guān)問(wèn)題。人工蜂群算法一經(jīng)問(wèn)世就受到了很多專(zhuān)家學(xué)者的關(guān)注，并在各個(gè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用。

2 三維建筑環(huán)境模型建立

本文相關(guān)實(shí)驗(yàn)主要是在MATLAB R2014a軟件中進(jìn)行的，所以建筑物模型和管路模型都是在MATLAB R2014a中建立的。

將建筑環(huán)境設(shè)定在一個(gè)長(zhǎng)方體空間中，整個(gè)長(zhǎng)方體來(lái)模擬整個(gè)建筑物。其中長(zhǎng)方體的四個(gè)立面模擬真實(shí)建筑環(huán)境的墻。為了盡可能的模擬出建筑空間內(nèi)的障礙或管路不可經(jīng)過(guò)的設(shè)備，在長(zhǎng)方體空間中，放置各種立方體模塊，來(lái)模擬真實(shí)的建筑環(huán)境中柱、梁、豎井的位置。其中長(zhǎng)方體中間的立方體模塊表示建筑環(huán)境中正常的施工空間即建筑使用空間。所設(shè)計(jì)的環(huán)境模型（圖1），簡(jiǎn)化了真實(shí)環(huán)境的復(fù)雜程度，但真實(shí)建筑環(huán)境的主要特征還是可以在模型中表示出來(lái)的。

3 管道模型的建立

本文主要研究以單管道為核心的三維建筑管路自動(dòng)布局問(wèn)題。所以實(shí)際建筑的復(fù)雜環(huán)境，管路的多樣性，管路半徑的大小在建筑管路模型建立中基本忽略不計(jì)。其中建筑管路模型建立是以端點(diǎn)、中間點(diǎn)、連接段組成。

端點(diǎn)是管路的起點(diǎn)和終點(diǎn)，當(dāng)前的管路起點(diǎn)與終點(diǎn)還是人為設(shè)置，后期可以采用視覺(jué)識(shí)別的方式或通過(guò)Revit二次開(kāi)發(fā)的方式直接得到起點(diǎn)和終點(diǎn)。中間點(diǎn)分成關(guān)鍵點(diǎn)和插入點(diǎn)，關(guān)鍵點(diǎn)的生成與插入點(diǎn)的生成與最后生成的管路路徑質(zhì)量息息相關(guān)。連接段是點(diǎn)與點(diǎn)之間連接起來(lái)的直線段，在模型中生成的所謂直線段就是后來(lái)自動(dòng)生成的管路路徑，目前還有一些過(guò)于理想化，后期可以繼續(xù)加約束條件，將生成的管路模型真正的實(shí)例化。

在三維管路自動(dòng)布局中，首先確定管路路徑的端點(diǎn)。然后隨機(jī)生成關(guān)鍵點(diǎn)，為了讓自動(dòng)生成的管道正交，補(bǔ)入插入點(diǎn)。最后將這些關(guān)鍵點(diǎn)和插入點(diǎn)用連接段進(jìn)行連接。其中關(guān)鍵點(diǎn)和插入點(diǎn)統(tǒng)稱基于中間點(diǎn)法初始管路路徑生成，所以此管道布局的方法叫基于中間點(diǎn)法初始管路路徑生成。

4 人工蜂群算法在管路自動(dòng)布局中的應(yīng)用研究

為了在建筑模型中得到最好的管道路徑規(guī)劃。本節(jié)在建筑模型中用所設(shè)計(jì)的中間點(diǎn)法生成多組管道路徑，采用人工蜂群算法進(jìn)行求解最優(yōu)管道路徑。人工蜂群算法在求解最優(yōu)值時(shí)，具有算法性能穩(wěn)定、效率高等特點(diǎn)。

4.1 適應(yīng)度函數(shù)的設(shè)計(jì)

當(dāng)一個(gè)管道被跟隨蜂選中之后，采用式（4）產(chǎn)生新的鄰居管道，再計(jì)算適應(yīng)度值。在跟隨蜂時(shí)期采用貪心法在新管道和舊管道之間做出選擇。

偵查蜂時(shí)期：當(dāng)雇傭蜂達(dá)到給定次數(shù)，仍然沒(méi)有提高管道路徑的質(zhì)量，雇傭蜂就會(huì)轉(zhuǎn)化為偵查蜂，在建筑模型中隨機(jī)搜索新的管路路徑。

4.3 仿真實(shí)驗(yàn)分析

經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：管道路徑長(zhǎng)度為170，彎頭個(gè)數(shù)為13，管道能量值為2050，布局時(shí)間僅為9s?；谥虚g點(diǎn)法的初始路徑生成方法及人工蜂群算法求解的管路路徑有效的避開(kāi)了障礙物，基本實(shí)現(xiàn)了管路自動(dòng)布局的基本要求，具有可行性。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要研究的是三維建筑管路自動(dòng)布局優(yōu)化的問(wèn)題。設(shè)計(jì)出了一種基于中間點(diǎn)法的管路初始路徑生成方法，結(jié)合人工蜂群算法求解最優(yōu)管路路徑。這種方法求解得到的管道路徑有效的避開(kāi)了障礙物，長(zhǎng)度更短，彎頭更少，部分沿墻敷設(shè)，基本實(shí)現(xiàn)了管路自動(dòng)布局的基本要求，具有可行性。

參考文獻(xiàn)

[1] Karaboga D.An idea based on honey bee swarm for numerical optimization[R].Technical Report-TR06.Kayseri： Ericiyes University，2005.

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[3] 高飛.遺傳算法在自動(dòng)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用綜述[J].電子世界，2017（09）：51.

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[5] 劉軍梅，龔朝暉，侯運(yùn)鋒.一種適用于多機(jī)器人搜索動(dòng)態(tài)目標(biāo)的改進(jìn)粒子群算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2017，35（04）：1046-1051.