空調(diào)箱中靜電過濾器自動排布算法研究

張文曉

摘要：本文旨在介紹一種算法，實(shí)現(xiàn)空調(diào)箱過濾段中靜電過濾器的自動排布，以及參數(shù)輸出。

關(guān)鍵詞：空調(diào)箱；靜電過濾器；自動排布；CAD自動畫圖

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0263-03

Abstract： This paper aims to introduce an algorithm to realize the automatic arrangement of electrostatic filters in the filter section of AHU and the output of parameters.

Key words： AHU； Electrostatic Filters； automatic arrangement； CAD automatic drawing

在發(fā)展中國家，隨著城市經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，機(jī)場、地鐵、火車站、酒店等大型公共建筑與人們的生活、工作日益密切。人們在享受著中央空調(diào)帶來前所未有的舒適的同時(shí)，卻正在失去或已經(jīng)失去了可貴的健康！人類在經(jīng)歷了“煤煙污染”“光化學(xué)煙霧污染”危害之后，正在進(jìn)入以“空氣污染為主的第三代污染時(shí)期。如何治理改善密閉建筑的室內(nèi)空氣質(zhì)量，創(chuàng)造安全舒適的生活環(huán)境，已經(jīng)成為近年來全球暖通空調(diào)專業(yè)人士關(guān)注的重點(diǎn)課題之一。

隨著對空氣過濾等級的要求越來越高，靜電過濾器以其高效凈化、高效節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，受到客戶青睞。然而，為了滿足客戶需要，目前空調(diào)箱產(chǎn)品的最大特點(diǎn)是——配置多。配置的增加對于設(shè)計(jì)來說往往意味著工作量的增加，那么，如何找到一種辦法進(jìn)行批量設(shè)計(jì)，成為亟待解決的問題。

基于這種現(xiàn)狀，本文介紹一種算法，使設(shè)計(jì)者可以在Excel（或其他軟件）中通過編程的方法，實(shí)現(xiàn)靜電過濾器的自動排布。以及，對排布之后的結(jié)果輸出，作為下游設(shè)計(jì)（如鈑金設(shè)計(jì)）輸入。

1解決方案

1.1背景介紹

1.1.1設(shè)計(jì)輸入與輸出

不同規(guī)格的空調(diào)箱，對應(yīng)多種長寬尺寸，在本文所述自動排布的數(shù)學(xué)模型里，相當(dāng)于有多個(gè)矩形框。靜電過濾器也有多種尺寸（本文實(shí)例中有2種型號），每個(gè)尺寸的靜電過濾器，相當(dāng)于一個(gè)小的矩形框。于是，在空調(diào)箱的箱體空間里排布靜電過濾器，抽象成數(shù)學(xué)模型，就是如何選擇合適尺寸的小矩形框，來填充大矩形框的問題。至此，熟悉生產(chǎn)制造工藝的讀者可能會覺得，這個(gè)問題有點(diǎn)類似于板材切割下料時(shí)的排料問題。的確，二者有相似之處，筆者也曾嘗試用排料軟件來實(shí)現(xiàn)自動排布。但結(jié)論是，二者算法上還是存在差異，無法套用現(xiàn)成的軟件來實(shí)現(xiàn)。區(qū)別如下：

因此，無法用現(xiàn)成軟件來達(dá)到目的。

綜上，設(shè)計(jì)輸入為：

機(jī)組的長寬系列尺寸

可選靜電過濾器型號及尺寸

設(shè)計(jì)輸出為：

每個(gè)機(jī)組的靜電過濾器布局

確定布局后，輸出所用靜電過濾器的數(shù)量、前后左右的剩余間隙（為鈑金件設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)）、對應(yīng)風(fēng)量（為系統(tǒng)計(jì)算阻力提供參數(shù)）；

1.1.2靜電過濾器型號及特點(diǎn)

本例可選靜電過濾器有兩種，代號分別為DV、SV，結(jié)構(gòu)見下圖。二者結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：

1.DV只能豎放；SV可以橫放也可以豎放；

2.一臺DV的通風(fēng)量是SV的2倍；

3.一臺DV的成本低于兩臺SV的成本；

1.1.3靜電過濾器的排布規(guī)則

首先，請讀者想象，我們要像搭積木一樣，用可選的兩種靜電過濾器的“搭”出一個(gè)矩形框?？紤]1.2.1中所述的靜電過濾器的特點(diǎn)，制定排布規(guī)則如下：

1.DV可以在單位成本下實(shí)現(xiàn)更大的通風(fēng)量，因此從成本上考慮，應(yīng)盡可能多用DV；

2.水平方向，對用DV排布之后，剩余的空間，嘗試用SV（豎放）填充；豎直方向，對DV排布之后，剩余的空間，嘗用SV（橫放）填充；

3.對某些空間尺寸，可能全部用SV（橫放）填充；

然后，我們要做的是，把靜電過濾器排出的矩形框，往空調(diào)箱的箱體空間里放，這個(gè)過程相當(dāng)于把一個(gè)小矩形框放到令外一個(gè)大矩形框里。此過程規(guī)則如下：

1.考慮向一側(cè)靠邊的時(shí)候，可以節(jié)省一塊擋風(fēng)板，但如果導(dǎo)致另一側(cè)間隙過大，則考慮居中；

2.底部需要有鈑金支撐，需要預(yù)留空間因此不能向下靠邊；

3.不能有兩側(cè)同時(shí)靠邊的情況，因?yàn)榇藭r(shí)結(jié)構(gòu)無法固定（兩邊懸空）；

1.2算法介紹

1.2.1總則

請讀者思考，當(dāng)我們在CAD里人工排布的時(shí)候，會怎么做？我們一般會按照這樣的思路：

v首先，我們會沿著X方向先排第一行，當(dāng)單純考慮一個(gè)方向，我們可能有兩種排法，即豎排和橫排，代碼為V和H；

v然后，我們會把第一行陣列，去排Y方向。這時(shí)，我們的排布結(jié)果可能是V，VH，H；

v最后我們會綜合X方向、Y方向的排布，做出對比，決定最后的排布方式。

程序設(shè)計(jì)邏輯亦是如此，下面分步介紹。

1.2.2計(jì)算由橫向尺寸決定的排布代碼

邏輯如下：

1.如果SV17_H < sec_w < DV34_W，說明機(jī)組寬度只能放下一個(gè)SV，則此時(shí)arg_cod_row = "V"

2.如果sec_w > DV34_W

a.判斷用n個(gè)DV排布之后，剩余空間能否放下一個(gè)SV

i.如果不能，則按照Hgap_V =sec_w - Int（1） （（sec_w - OverLap） / （DV34_W - OverLap）） * DV34_W，計(jì)算水平間隙；

ii.如果能，則按照Hgap_V = sec_w - Int（（sec_w - OverLap） / （DV34_W - OverLap）） * DV34_W - （SV17H_H - OverLap），計(jì)算水平間隙；

b.計(jì)算如果排列方式為H時(shí)的水平間隙，Hgap_H = sec_w Mod（2） SV17_H

c.對比兩種方案，如果Hgap_H < Hgap_V，則arg_cod_row = "H"，否則arg_cod_row = "V"；

（1）Int為取整函數(shù)；（2）Mod為取余函數(shù)

1.2.3計(jì)算由縱向尺寸決定的排布代碼

邏輯如下：

1.判斷用n個(gè)DV豎直擺放后Y方向的剩余間隙，能否放下一個(gè)SV（橫放）

a.如果不能，則Vgap_V = sec_h Mod DV34_H，arg_cod_col = "V"

b.如果能，則 Vgap_V = sec_h Mod DV34_H - SV17_W，arg_cod_col = "VH"

2.求當(dāng)全部由SV橫放時(shí)，Y方向的剩余間隙Vgap_H = sec_h Mod SV17_W

3.對比步驟1所得間隙和步驟2所得間隙，如果Vgap_H < Vgap_V，則arg_cod_col = "H"

1.2.4綜合橫向排布代碼和縱向排布代碼，做出最終決策

針對可能的組合，分別判斷，邏輯如下：

Case1：毫無疑問，最終排布代碼arg_cod=V；

Case2： 組合最終排布方式可能是V和H，這時(shí)要用一個(gè)風(fēng)量計(jì)算函數(shù)（3）比較兩種方式的出風(fēng)量，如果V排布下風(fēng)量大，則arg_cod=V，否則arg_cod=H；

Case3： 組合排布方式可能是V、H、或VH。這種情況比較容易造成誤判，而遺漏VH，需要特別注意。

問題在于，我們最后要拿由單個(gè)方向的最優(yōu)排布策略決定的最終排布，去做對比。如果單純考慮垂直方向的最優(yōu)策略為H，那么最終決策是H。如果單純考慮水平方向最優(yōu)策略為V時(shí)，最終策略可能為V，也有可能是VH。那么我們得到三種可能的最終排布方式，即H、V、VH。

因此，我們需要比較排布為V、VH、H三種情況下的風(fēng)量，風(fēng)量大者為最終排布代碼；

Case4： 毫無疑問，最終排布代碼arg_cod=H；

Case5： 毫無疑問，最終排布代碼arg_cod=VH；

Case6： 組合最終排布方式可能是VH和H，比較兩種方式的出風(fēng)量，如果VH排布下風(fēng)量大，則arg_cod=VH，否則arg_cod=H；

（3）風(fēng)量計(jì)算函數(shù)包含在結(jié)果輸出函數(shù)里，結(jié)果輸出函數(shù)的輸入是最終的排布代碼arg_cod，sec_w，sec_h，輸出為SV以及DV的行列數(shù)，以及在此種代碼排布下的風(fēng)量；

1.3結(jié)果數(shù)據(jù)輸出

將上述步驟中計(jì)算得到的排布代碼、位置代碼、DV/SV的行列數(shù)、組合寬度、組合高度、底部間隙、左側(cè)間隙、風(fēng)量等參數(shù)，輸出到相應(yīng)的表單里。

其中，底部間隙、左側(cè)間隙即為設(shè)計(jì)鈑金件的輸入?yún)?shù)。

1.4數(shù)據(jù)檢驗(yàn)

1.4.1Excel驅(qū)動CAD實(shí)現(xiàn)自動排圖

在結(jié)果數(shù)據(jù)輸出以后，如何驗(yàn)證？直觀的辦法就是在CAD里作圖，看排布的情況到底如何。那么如果程序能夠根據(jù)結(jié)果數(shù)據(jù)，調(diào)用CAD自動畫排布圖，那么會使問題數(shù)據(jù)的檢驗(yàn)、甄別非常高效。

自動畫圖實(shí)現(xiàn)的手段為：

先將DV、SV做成圖塊，存在一個(gè)固定模板里；

利用程序調(diào)用此模板，并調(diào)用1.3輸出的結(jié)果數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)圖塊的自動組裝；

與此同時(shí)，完成箱體邊框、風(fēng)口的繪制，以及尺寸的標(biāo)注等過程。

2優(yōu)勢與不足

2.1優(yōu)勢

2.1.1效率的提高

當(dāng)組合數(shù)很多，再用傳統(tǒng)的手段在CAD中逐個(gè)排圖，效率很低。

程序?qū)τ谂康闹貜?fù)性勞動無疑是最好的選擇，一旦程序設(shè)計(jì)好，運(yùn)行時(shí)間是可以忽略的。尤其在設(shè)計(jì)要變更，邏輯變化的時(shí)候，只需要修改少量代碼即可實(shí)時(shí)地得到運(yùn)算結(jié)果。

2.1.2設(shè)計(jì)過程標(biāo)準(zhǔn)化

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段在面臨如此大數(shù)據(jù)量的時(shí)候，只能通過分段，分項(xiàng)目逐次設(shè)計(jì)的辦法實(shí)現(xiàn)。但這樣很難保證兩次設(shè)計(jì)的一致性，從而使設(shè)計(jì)不能按照統(tǒng)一原則進(jìn)行。為以后統(tǒng)型、修改帶來不便。

如果用程序設(shè)計(jì)，程序代碼本身就是對整個(gè)設(shè)計(jì)過程的很好記錄。程序運(yùn)行可以保證結(jié)果數(shù)據(jù)是按照統(tǒng)一規(guī)則得到，可以大大降低錯誤發(fā)生率。

2.1.3方便后續(xù)擴(kuò)展

用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)手段，如果想新增靜電過濾器型號，那意味著要重復(fù)整個(gè)設(shè)計(jì)過程。而用程序設(shè)計(jì)，只需要擴(kuò)展基礎(chǔ)數(shù)據(jù)表，再運(yùn)行一下程序，即可得到結(jié)果，大大方便了后續(xù)數(shù)據(jù)的擴(kuò)展。

2.2不足

本文中所述算法，是以實(shí)現(xiàn)最大通風(fēng)量作為選擇排布方式的主要依據(jù)的，但有的空調(diào)箱，不一定非要把過濾器排到最“滿”，就可以滿足系統(tǒng)風(fēng)量的要求。這時(shí)，需要對結(jié)果數(shù)據(jù)中的風(fēng)量，與系統(tǒng)要求風(fēng)量對比。

另外，如果結(jié)構(gòu)上不能按照一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)則設(shè)計(jì)，那么輸出結(jié)果仍然需要再進(jìn)一步處理，才能滿足工程需要。例如，當(dāng)SV橫排時(shí)，即排布代碼為H時(shí)，如果小于2行，排布方式是兩個(gè)過濾器直接搭接。如果大于2行，那么每2行之間需要加隔板加強(qiáng)。這樣就意味著設(shè)計(jì)就不能按統(tǒng)一規(guī)律進(jìn)行，這樣輸出的結(jié)果就要再考慮這些特殊因素進(jìn)行修正后才能使用。

當(dāng)然，即便如此，輸出結(jié)果對設(shè)計(jì)仍然具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

3結(jié)束語

本文主要闡述了一種實(shí)現(xiàn)靜電過濾器在空調(diào)箱里自動排布的算法，并且用程序的手段，將數(shù)據(jù)快速地變成AutoCAD中的圖形，以便實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)可視化檢驗(yàn)。

此外，就算法本身，也仍然可以拓展，例如，如果我們可以引入成本參數(shù)，把滿足設(shè)計(jì)需求的前提下成本最小化當(dāng)作衡量指標(biāo)，追求成本最低。這樣輸出結(jié)果，就可以作為降低成本項(xiàng)目方案選擇的指導(dǎo)。本文中靜電過濾器待選型號為2種，如果是多種，則排布方式將有所不同，需要對算法進(jìn)行調(diào)整。

當(dāng)然，如果用Creo軟件進(jìn)行建模、出圖，那么可以將數(shù)據(jù)格式設(shè)計(jì)成和Creo里的族表里參數(shù)格式一致。這樣，從Excel里輸出的數(shù)據(jù)，作為三維建模時(shí)的輸入，直接復(fù)制到族表里，即可驅(qū)動Creo實(shí)現(xiàn)批量模型生成。如此，即可完成從設(shè)計(jì)輸入（參數(shù)表），到設(shè)計(jì)輸出（模型、圖紙）的整個(gè)過程的參數(shù)化、自動化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張帆，鄭立楷，王華杰 AutoCAD VBA 開發(fā)精彩實(shí)例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[2] Excel Home，Excel VBA 實(shí)戰(zhàn)技巧精粹[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[3] 靜電過濾器廠家樣本.

【通聯(lián)編輯：梁書】