面向變電站布置自動審核的設(shè)計(jì)規(guī)范可視化編程

李福林，宋元斌，吳 冰，嚴(yán) 偉

（1.上海交通大學(xué) 船舶海洋與建筑工程學(xué)院，上海 200240；2.國家電網(wǎng)浙江省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，杭州 310008；3.浙江華云清潔能源有限公司，杭州 310008）

0 引言

設(shè)計(jì)階段的合規(guī)性審核將影響變電站建成后的安全與可靠運(yùn)行，可以從設(shè)計(jì)源頭消除事故隱患。變電站布置設(shè)計(jì)的合規(guī)性審核包括檢查各電氣設(shè)備及建（構(gòu)）筑物的空間布局等是否符合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。目前，變電站布置的合規(guī)性審核主要依賴人工完成，工作量大、耗時長、且易產(chǎn)生錯漏[1]。實(shí)現(xiàn)變電站布置的合規(guī)性自動化審核是解決上述問題的一條重要途徑。

近年，工程設(shè)計(jì)的自動審核在施工隱患識別[2]、防火[3]等領(lǐng)域取得積極進(jìn)展。相關(guān)研究表明，設(shè)計(jì)合規(guī)性自動審核的關(guān)鍵模塊是將設(shè)計(jì)規(guī)范轉(zhuǎn)譯為機(jī)器可執(zhí)行的程序[4]。目前常見的規(guī)則編碼方法有2種：硬編碼法[5]和語義網(wǎng)[6,7]。前者將規(guī)范直接編寫為命令式程序語言檢查信息模型，如新加坡CORENET項(xiàng)目[8]聘請專業(yè)軟件公司開發(fā)規(guī)則對象庫FORNAX并使用C++語言編寫審核規(guī)則。這類方法對領(lǐng)域?qū)＜业木幊棠芰σ蟾咔覍徍讼到y(tǒng)不透明、可維護(hù)性差。而部分學(xué)者提出的基于語義網(wǎng)的編碼方法，借助語義網(wǎng)與本體建模將規(guī)范轉(zhuǎn)換為描述式邏輯語言，與命令式程序語言相比編碼難度有所降低。例如Lu等[9]通過簡單的“IF…ELSE…”模板將屋頂開口尺寸設(shè)計(jì)規(guī)范編寫為SWRL規(guī)則并利用Jess引擎推理評判設(shè)計(jì)的合規(guī)性。為了審核變電站布置的合規(guī)性，除了需要邏輯語言描述的設(shè)計(jì)規(guī)則外，還涉及大量的圖形幾何和空間分析算法，此類過程用邏輯語言表述極其復(fù)雜[10]。更加困難的是，一般工程技術(shù)人員難以在短時間內(nèi)掌握上述編碼方法，而且編碼成果的可讀性差，工程技術(shù)專家難以審核和維護(hù)編碼成果，而計(jì)算機(jī)專家對規(guī)則的理解又存在局限性。

近年來，可視化編程得到廣泛應(yīng)用，它主要是讓用戶以繪制流程圖的形式編寫程序[11,12]。在梳理變電站布置規(guī)則構(gòu)成的共性要素基礎(chǔ)上，筆者提出面向變電站布置自動審核的設(shè)計(jì)規(guī)范可視化編程方法，主要包括一個三層結(jié)構(gòu)的可視化編程框架和編程步驟，并詳細(xì)定義了節(jié)點(diǎn)、端子與流的類型，以期降低設(shè)計(jì)規(guī)則的編碼難度，同時提高自動審核工具的可維護(hù)性和透明性，從而更好地輔助變電站布置設(shè)計(jì)的自動審核。

1 變電站布置設(shè)計(jì)規(guī)則

在設(shè)計(jì)規(guī)范中，變電站布置的設(shè)計(jì)規(guī)則可以歸納為五個方面：

1）工作環(huán)境：電氣設(shè)備應(yīng)布置在合理場地且周邊自然環(huán)境滿足裝置安全運(yùn)行的要求。

2）電氣安全空間：帶電體之間以及與其他設(shè)施之間應(yīng)保持足夠距離以避免強(qiáng)電場擊穿介質(zhì)閃絡(luò)放電而引起各種短路、火災(zāi)和爆炸事故。

3）圍擋防護(hù)：在部分電氣設(shè)備周圍需布置圍擋防護(hù)以防止人和物過分觸及或接近。

4）防火消防：電氣設(shè)備的布置應(yīng)考慮防火要求，并設(shè)置必要的消防設(shè)施。

5）可維修性：電氣設(shè)備之間，以及電氣設(shè)備與建（構(gòu)）筑物之間，應(yīng)預(yù)留足夠的空間以滿足檢修的要求。

上述五類布置設(shè)計(jì)規(guī)則的審核推理與運(yùn)算主要需要以下三類計(jì)算功能的支持：

1）基本代數(shù)運(yùn)算：算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算及關(guān)系運(yùn)算功能等。

2）空間分析：主要負(fù)責(zé)計(jì)算對象之間的空間關(guān)系等信息，如“在變壓器、配電裝置和裸導(dǎo)線的正上方不應(yīng)布置燈具”[13]（《20KV及以下變電所設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.3條）。

3）幾何模型計(jì)算：主要負(fù)責(zé)計(jì)算對象的幾何模型等信息，如“配電裝置中電氣設(shè)備的柵狀遮攔高度不應(yīng)小于1.2m。”[14]（《3～110KV高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》5.3.7條）。

以《3～110KV高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》為例，各類布置規(guī)則涉及的基本計(jì)算功能需求如表1所示。

表1 基本計(jì)算功能需求統(tǒng)計(jì)

總體上，空間分析和幾何模型計(jì)算是規(guī)則編碼的重點(diǎn)，它們都涉及較為復(fù)雜的幾何（形體）計(jì)算或空間分析算法，此類算法不易采用邏輯語言描述；盡管也可采用硬編碼法轉(zhuǎn)譯，但對設(shè)計(jì)專家的編程能力要求高，編碼難度大。

2 布置設(shè)計(jì)規(guī)則的可視化編程框架

可視化編程的核心思想是將各類基本計(jì)算功能封裝于節(jié)點(diǎn)內(nèi)部，各個節(jié)點(diǎn)用數(shù)據(jù)流和控制流加以連接形成程序。基于上述編程思想，工程技術(shù)專家可專注于布置設(shè)計(jì)規(guī)則表述本身而不需要考慮具體的編程細(xì)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)上述可視化編程思想，需要提出一個框架，從可視化編程的要素與層次方面規(guī)定設(shè)計(jì)規(guī)則的程序。

2.1 可視化編程系統(tǒng)框架

圖1展示了布置設(shè)計(jì)規(guī)范可視化編程的三層框架，自底向上為別為基礎(chǔ)層、復(fù)用層和規(guī)則層。

圖1 設(shè)計(jì)規(guī)范的可視化編程框架

最底層為基礎(chǔ)層，包含預(yù)定義的各類節(jié)點(diǎn)、端子、流。節(jié)點(diǎn)不僅封裝了前述的3類基本計(jì)算功能，還封裝了設(shè)計(jì)模型訪問等功能。端子是節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)輸入和輸出接口，流是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞和流程控制的方式，包括數(shù)據(jù)流和控制流2類。以空間拓?fù)浞治龉?jié)點(diǎn)為例，圖2展示了其各個要素。

圖2 節(jié)點(diǎn)示例

另外，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)還需考慮其泛用性和合適的顆粒度，以保證節(jié)點(diǎn)的復(fù)用性強(qiáng)，且易于專家理解和使用。以圖2中的空間拓?fù)浞治龉?jié)點(diǎn)為例，其泛用性表現(xiàn)在能夠判斷兩個任意對象的拓?fù)潢P(guān)系而不局限于特定對象；而合適顆粒度則表現(xiàn)為領(lǐng)域?qū)＜覂H需要關(guān)心節(jié)點(diǎn)的輸入和輸出，而無需了解節(jié)點(diǎn)內(nèi)部封裝的3DR27等復(fù)雜計(jì)算模型[15]。

中間的復(fù)用層包含專家利用基本功能節(jié)點(diǎn)編寫設(shè)計(jì)規(guī)則的一些中間結(jié)果，它們由專家二次封裝形成復(fù)用節(jié)點(diǎn)以便于在其他規(guī)則的編程中重復(fù)使用，例如“外墻”、“帶電構(gòu)件”等概念。復(fù)用節(jié)點(diǎn)之間也可相互引用并進(jìn)一步封裝。

最頂層為規(guī)則層，專家基于復(fù)用層和基礎(chǔ)層，通過獲取審核對象、規(guī)范編碼、合規(guī)性評價三步構(gòu)建最終的數(shù)字化審核規(guī)則。復(fù)用層與規(guī)則層的節(jié)點(diǎn)組合和連接信息均可采用XML格式記錄。

2.2 節(jié)點(diǎn)類型

布置設(shè)計(jì)規(guī)則的詳細(xì)節(jié)點(diǎn)類型如表2所示。

表2 節(jié)點(diǎn)類型

2.3 端子類型

節(jié)點(diǎn)的端子是數(shù)據(jù)的入口和出口，主要數(shù)據(jù)類型及其標(biāo)識如表3所示。

表3 節(jié)點(diǎn)端子數(shù)據(jù)類型

為了保證節(jié)點(diǎn)的泛用性，本文基于國家電網(wǎng)有限公司針對變電站三維設(shè)計(jì)提出的電網(wǎng)信息模型（Grid Information Modeling，GIM）[16]，定義了由圖形數(shù)據(jù)段和非圖形數(shù)據(jù)段組成的內(nèi)部類GIMObject，從而統(tǒng)一設(shè)計(jì)對象的數(shù)據(jù)類型。此外，數(shù)據(jù)格式之間應(yīng)具備一定的兼容性，例如浮點(diǎn)型兼容整型、GIM對象型兼容三維模型對象型等。

2.4 流的類型

1）數(shù)據(jù)流：運(yùn)行過程中節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，包括基本的數(shù)據(jù)類型，例如整型、浮點(diǎn)型、布爾型等。

2）控制流：控制程序執(zhí)行的邏輯順序，一般包括分支和循環(huán)控制。

首先在必要的功能節(jié)點(diǎn)輸入端子上額外增加布爾控制型輸入端子以定義該節(jié)點(diǎn)是否執(zhí)行。其次，將循環(huán)結(jié)構(gòu)嵌入節(jié)點(diǎn)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)循環(huán)控制，其中內(nèi)部循環(huán)分為2類：全循環(huán)與分組循環(huán)。全循環(huán)是指遍歷輸入數(shù)組中的每一個元素進(jìn)行運(yùn)算；分組循環(huán)是指在處理多個數(shù)組輸入時，以相同數(shù)組索引的元素為一組進(jìn)行遍歷計(jì)算。以空間拓?fù)浞治龉?jié)點(diǎn)為例，假設(shè)分析類型為判斷分析對象（bj，j=1，2）是否在參考對象（ai，i=1，2）內(nèi)部，那么全循環(huán)和分組循環(huán)的計(jì)算過程分別如圖3(a)～圖3(b)所示。

圖3 帶有循環(huán)的節(jié)點(diǎn)計(jì)算過程

如圖3(a)所示，全循環(huán)控制遍歷數(shù)組A，B中的每一個元素，共進(jìn)行4次運(yùn)算，最終輸出滿足拓?fù)潢P(guān)系的元素?cái)?shù)組，并使用統(tǒng)一的數(shù)組索引指示對象間的關(guān)系（即對象b1，b2在a1內(nèi)部，b2在a2內(nèi)部）；而如圖3(b)所示，分組循環(huán)控制以相同數(shù)組索引的元素為組遍歷，共進(jìn)行2次運(yùn)算，最終輸出滿足拓?fù)潢P(guān)系的元素?cái)?shù)組（即對象b1在a1內(nèi)部，b2在a2內(nèi)部）。全循環(huán)與分組循環(huán)的本質(zhì)區(qū)別在于是否考慮多個輸入數(shù)組對應(yīng)元素間的關(guān)系。

3 布置設(shè)計(jì)規(guī)則的可視化編程步驟

3.1 審核對象獲取

當(dāng)審核的設(shè)計(jì)對象在模型中已經(jīng)明確定義時，可直接使用模型數(shù)據(jù)訪問節(jié)點(diǎn)查詢。查詢的約束條件通常包括對象的類型（如變壓器，裸導(dǎo)線）、屬性（如額定電壓、安裝場所）、關(guān)系（如對象所屬的上級系統(tǒng)）等，而對象圖形方面的約束則通過幾何模型計(jì)算中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)審核對象未在模型中明確定義時（如外墻），需要通過計(jì)算獲取審核對象。

3.2 規(guī)范編碼

獲取審核對象后，按照規(guī)范內(nèi)容進(jìn)行編程，若待審核信息已經(jīng)在模型中顯式定義，則可直接從審核對象中抽取，例如變壓器的額定電壓、安裝位置等；若待審核信息未在模型中顯式定義，如變壓器與裸導(dǎo)線的空間拓?fù)潢P(guān)系，則需要利用相關(guān)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)或復(fù)用節(jié)點(diǎn)進(jìn)一步計(jì)算獲取。

3.3 合規(guī)性評價

獲取待審核的信息后，與設(shè)計(jì)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較并評價審核信息的合規(guī)性。

4 案例驗(yàn)證

本文基于Grasshopper平臺開發(fā)了變電站布置設(shè)計(jì)規(guī)則的可視化編程原型系統(tǒng)，以復(fù)雜的布置設(shè)計(jì)規(guī)則的編碼為例，實(shí)現(xiàn)某變電站GIM模型的合規(guī)性自動審核，驗(yàn)證所提出方法的有效性和實(shí)用性，其他布置規(guī)則的編碼過程類似。案例數(shù)據(jù)來源如下：

GIM模型數(shù)據(jù)：某變電站工程設(shè)計(jì)GIM模型實(shí)例。為支持對GIM模型數(shù)據(jù)訪問，本文提前解析GIM模型并將其導(dǎo)入MySQL數(shù)據(jù)庫，每類構(gòu)件的信息借助屬性子表和模型子表分別記錄并通過構(gòu)件ID關(guān)聯(lián)，構(gòu)件間的關(guān)系通過關(guān)系表記錄。屬性子表每一列記錄構(gòu)件的一個屬性字段，模型子表記錄三維模型OBJ對象序列化后的二進(jìn)制文件。此外，基于GIM模型信息分類代碼表建立規(guī)范表述與GIM模型之間的映射關(guān)系。

審核規(guī)則：《3～110KV高壓配電裝置設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.4.8條[14]：“當(dāng)火災(zāi)危險(xiǎn)類別為丙、丁、戊類的生產(chǎn)建筑物外墻距屋外油浸變壓器外廓5m以內(nèi)時，在變壓器高度以上3m的水平線以下及外廓兩側(cè)各加3m的外墻范圍內(nèi)，不應(yīng)有門、窗或通風(fēng)孔。”

專家根據(jù)該條規(guī)則審圖的思路如下：首先查找距離屋外油浸變壓器5m以內(nèi)的相關(guān)建筑物外墻，之后將變壓器外廓向距離最近的外墻面投影（圖4中A區(qū)域），最后審核投影面輪廓外加3m的外墻范圍內(nèi)（圖4中立方體B）是否有門、窗和通風(fēng)孔存在。

圖4 設(shè)計(jì)規(guī)則5.4.8的空間關(guān)系

顯然該規(guī)則涉及過程性的知識表示（在變壓器高度以上…及外廓兩側(cè)…外墻范圍內(nèi)），因此難以基于語義網(wǎng)轉(zhuǎn)譯；另一方面，盡管采用硬編碼可以完成該規(guī)則編碼，但對于一般工程技術(shù)人員編碼難度很高，而且編碼成果十分復(fù)雜，難以在后續(xù)進(jìn)行審核和維護(hù)?；诒疚奶岢龅脑O(shè)計(jì)規(guī)范可視化編程框架完成該條規(guī)則的編碼：

1）審核對象獲?。簣D5(a)～圖5(b)分別展示了待審核對象“屋外油浸變壓器”以及“門、窗、通風(fēng)孔”的可視化編程過程。

圖5 搜索構(gòu)件對象的可視化程序

GIM對象選擇節(jié)點(diǎn)根據(jù)約束條件自動生成查詢語句并向模型數(shù)據(jù)庫發(fā)送數(shù)據(jù)請求，例如圖5(a)生成的查詢語句如下：

其中，Transformer_ATT、Transformer_MOD分別為變壓器的屬性子表和模型子表。之后，GIM對象選擇節(jié)點(diǎn)將返回的數(shù)據(jù)反序列化，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為GIMObject數(shù)據(jù)格式輸出，從而供下游節(jié)點(diǎn)使用。

圖6 搜索外墻的的可視化程序

圖7 設(shè)計(jì)規(guī)則5.4.8的可視化程序

圖6展示了待審核對象“火災(zāi)危險(xiǎn)類別為丙、丁、戊類的生產(chǎn)建筑物外墻”的編碼過程，由于“外墻”對象未在設(shè)計(jì)模型中明確定義，通過判斷墻與其所在的建筑物是否內(nèi)切以確定是否為外墻。由于需要找到所有外墻，因此空間拓?fù)浞治龉?jié)點(diǎn)采用全循環(huán)。封裝上述規(guī)則的中間表示（例如“外墻”），并作為復(fù)用層成果，以便在轉(zhuǎn)譯其他規(guī)則時使用。

2）規(guī)范編碼：封裝所有審核對象獲取過程后，規(guī)則最終編碼結(jié)果如圖7所示。首先，通過軟碰撞檢測節(jié)點(diǎn)獲得所有屋外變壓器外廓5m以內(nèi)的外墻，構(gòu)成軟碰撞對象序列對（節(jié)點(diǎn)1全循環(huán)）；之后取變壓器和外墻的OBB包圍盒，計(jì)算外墻包圍盒中距離相應(yīng)變壓器最近的面模型，即距離最近的外墻面（節(jié)點(diǎn)2分組循環(huán)）；接著，將變壓器包圍盒向其對應(yīng)的最近面模型做三維投影計(jì)算（節(jié)點(diǎn)3分組循環(huán)），并將投影面向兩側(cè)及上方緩沖3m形成二維緩沖區(qū)；最后，以該二維緩沖區(qū)域?yàn)槔烀?，向最近墻面法向量的反方向拉伸，拉伸距離為外墻墻體厚度，形成的三維拉伸體即為禁止門、窗、通風(fēng)孔對象存在的三維空間區(qū)域（節(jié)點(diǎn)4分組循環(huán)）。

3）合規(guī)性評價：通過空間拓?fù)浞治龉?jié)點(diǎn)，判斷審核對象門、窗、通風(fēng)孔是否在拉伸體內(nèi)存在（節(jié)點(diǎn)5全循環(huán)），形成該條規(guī)則最終的可視化程序。

利用該規(guī)則審核某變電站GIM模型實(shí)例，執(zhí)行規(guī)則后節(jié)點(diǎn)5的輸出端子均為空值，表示拉伸體內(nèi)不存在門、窗、通風(fēng)孔。通過進(jìn)一步查看中間結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)不存在外墻與屋外油浸變壓器發(fā)生軟碰撞（如圖8所示），即說明屋外油浸變壓器外廓5m的范圍內(nèi)不存在外墻，該設(shè)計(jì)模型能夠滿足圖4所示的設(shè)計(jì)規(guī)則的要求。

圖8 規(guī)則5.4.8的合規(guī)性自動審核結(jié)果

從上述布置設(shè)計(jì)規(guī)則編碼過程可以看出，可視化編程過程直觀，工程技術(shù)專家采用可視化編程方法可以自行對復(fù)雜的布置規(guī)則進(jìn)行編碼；編碼成果透明度高、可讀性強(qiáng)，有利于后續(xù)專家對規(guī)則編碼成果進(jìn)行審核和維護(hù)。若后續(xù)規(guī)范發(fā)生修訂變更，專家可在原有可視化程序的基礎(chǔ)上繼續(xù)修改，從而避免軟件工程師維護(hù)代碼所帶來的高昂成本和潛在錯誤。

5 結(jié)語

本文在歸納變電站設(shè)計(jì)規(guī)范中布置規(guī)則編碼所需功能基礎(chǔ)上，提出設(shè)計(jì)規(guī)范的可視化編程的三層框架，并著重規(guī)范了其中的節(jié)點(diǎn)、端子、流的類型；案例研究表明，一般設(shè)計(jì)人員采用可視化編程的方式可以直觀地對變電站布置的設(shè)計(jì)規(guī)則進(jìn)行編碼，編碼成果更加易于理解、審核和維護(hù)。

雖然目前該方法只是針對變電站設(shè)計(jì)的布置規(guī)則編碼進(jìn)行了初步嘗試，但由于該方法的框架普遍適用性，在對節(jié)點(diǎn)功能進(jìn)行拓展后也可用于其他類型的設(shè)計(jì)合規(guī)性審核，這是筆者目前正在進(jìn)行的研究。