綜合體建筑弱電智能化工程設(shè)計(jì)

馬 云

（煙臺(tái)業(yè)達(dá)智慧城市運(yùn)營(yíng)科技有限公司，山東 煙臺(tái) 265300）

1 工程概況

山東省煙臺(tái)市某城市綜合體開(kāi)發(fā)項(xiàng)目位于城市東南角HD-2020-MCE2地塊，設(shè)計(jì)為集城市商業(yè)、辦公和居住的片區(qū)圈層，總建筑面積約115 380.95 m2，涉及居民住宅樓8棟，按E1～E8進(jìn)行編號(hào)，其中E1棟、E3棟樓高為20層，其余樓棟樓高28層，層高均為3.0 m；公寓1棟，樓高為30層，每層5.5 m；商業(yè)辦公樓（LOFT）1棟，樓高25層，每層3.2 m；商業(yè)裙樓2棟，涉及業(yè)態(tài)包括餐飲、娛樂(lè)、零售以及影院等。

2 建筑弱電布線目標(biāo)函數(shù)的建立

建筑弱電布線問(wèn)題可以認(rèn)為是最優(yōu)線路求解問(wèn)題，通過(guò)建立以經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、功能指標(biāo)、結(jié)構(gòu)指標(biāo)以及安全指標(biāo)等目標(biāo)函數(shù)，并按照一定的計(jì)算約束條件，進(jìn)行求解。與一般的最優(yōu)路線求解不同，建筑弱點(diǎn)布線約束條件具有專(zhuān)業(yè)特殊性，在建筑內(nèi)的布線回路可以認(rèn)為其起點(diǎn)是不確定的，而其重點(diǎn)都是固定的配電箱，弱電回路在建筑內(nèi)的布置不能與墻體產(chǎn)生穿越交叉沖突，與窗口、其他管線預(yù)留孔洞等不能產(chǎn)生障礙，其敷設(shè)的路徑也盡量緊貼墻面，在走廊和過(guò)道中則按照固定的排架和掛件進(jìn)行布設(shè)，布設(shè)的線路也盡量保證平直無(wú)彎角，使施工更便捷[1-2]。

為此，研究建筑弱電布線的問(wèn)題是可以將線路的總耗線長(zhǎng)度S最小為目標(biāo)函數(shù)，使所有的弱電回路的經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)達(dá)到最小[3]。假設(shè)建筑中分布有n個(gè)照明燈具pi，組成建筑中的照明燈具系列P={p1，p2，p3，……，pn}，任意2個(gè)燈具之間的距離l（pi，pi+1），可以用其空間坐標(biāo)（xi，yi，zi），（xi+1，yi+1，zi+1），如公式（1）所示。

式中：l（pi，pi+1）為任意2個(gè)燈具之間的距離；xi，yi，zi為照明燈具pi的空間坐標(biāo)；xi+1，yi+1，zi+1為照明燈具pi+1的空間坐標(biāo)。

照明燈具系列的總耗線長(zhǎng)度S如公式（2）所示。

式中：S為耗線長(zhǎng)度；n為燈具數(shù)量。

在求解目標(biāo)函數(shù)公式（2）時(shí)，弱點(diǎn)回路應(yīng)服從的約束函數(shù)包括彎頭總數(shù)w最少，任意取3個(gè)相鄰燈具節(jié)點(diǎn)pi-1，pi，pi+1，中間燈具節(jié)點(diǎn)與前后2個(gè)燈具節(jié)點(diǎn)的夾角可以通過(guò)幾何空間坐標(biāo)進(jìn)行求解，如公式（3）所示。

照明燈具系列的彎頭總數(shù)w如公式（4）所示。

3 基于MATLAB軟件的建筑弱電布線目標(biāo)函數(shù)求解

3.1 建筑弱電布線三維模型的建立及目標(biāo)函數(shù)的求解過(guò)程

基于上述目標(biāo)函數(shù)，以項(xiàng)目中的商業(yè)辦公樓（LOFT）為例，運(yùn)用基于Auto CAD 圖形編輯軟件開(kāi)發(fā)的VISUAL LISP工具建立樓層三維模型。VISUAL LISP工具中預(yù)留了程序接口，可以直接調(diào)用數(shù)學(xué)矩陣工具箱MATLAB程序，用于求解目標(biāo)函數(shù)。MATLAB程序求解目標(biāo)函數(shù)過(guò)程采用軟件內(nèi)嵌的混合粒子群算法計(jì)算包[3-4]，具體的計(jì)算流程如圖1所示，在得到弱電線路的最優(yōu)路徑后，提取坐標(biāo)信息并導(dǎo)入Auto CAD 圖形編輯軟件中，形成可視化的線路空間三維圖像。

提取商業(yè)辦公樓（LOFT）樓層中的房建幾何尺寸信息，并統(tǒng)計(jì)房建中的照明用具熟練和插座數(shù)量，見(jiàn)表1。在Auto CAD 圖形編輯軟件中輸入各個(gè)房間的坐標(biāo)信息，生成平面圖形，隨后導(dǎo)入樓層的門(mén)窗尺寸和坐標(biāo)信息，構(gòu)建三維建筑模型。按照?qǐng)D1的流程設(shè)定混合粒子群算法（LWF）的計(jì)算種群規(guī)模為150，種群進(jìn)化次數(shù)200次，并以同樣的種群規(guī)模和種群進(jìn)化次數(shù)分別采用常規(guī)遺傳算法（GA）和改進(jìn)遺傳算法（OWF）進(jìn)行結(jié)果對(duì)比，以分析3種計(jì)算方法的適應(yīng)性。

表1 建筑三維模型參數(shù)

3.2 建筑弱電布線目標(biāo)函數(shù)的求解結(jié)果分析

采用混合粒子群算法（LWF）、常規(guī)遺傳算法（GA）和改進(jìn)遺傳算法（OWF）3種不同方法分別求解目標(biāo)函數(shù)的算法訓(xùn)練過(guò)程，如圖2所示。從圖2（a）中可以看出，在照明用具的算法訓(xùn)練中，3種算法的訓(xùn)練過(guò)程中，適應(yīng)度值均在初始階段迅速下降，以較快的速度趨于穩(wěn)定收斂。采用改進(jìn)遺傳算法（OWF）以最少的迭代次數(shù)（約10次）次得到最優(yōu)適應(yīng)度，但該方法得到的結(jié)果并非是全局最優(yōu)，陷入了局部最優(yōu)解的困局且無(wú)法逃逸，采用常規(guī)遺傳算法（GA）在迭代30次后得到最優(yōu)適應(yīng)度，與混合粒子群算法（LWF）和改進(jìn)遺傳算法（OWF）相比，都需要較大的迭代次數(shù)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，混合粒子群算法（LWF）迭代次數(shù)較少（約15次），得到全局最優(yōu)。

從圖2（b）中可知，在插座的算法訓(xùn)練中，3種算法的訓(xùn)練過(guò)程中，適應(yīng)度值均在初始階段迅速下降，以較快的速度趨于穩(wěn)定收斂，且改進(jìn)遺傳算法（OWF）、混合粒子群算法（LWF）的適應(yīng)度值下降速率明顯比常規(guī)遺傳算法（GA）的適應(yīng)度值快。采用常規(guī)遺傳算法（GA）在迭代21次后得到最優(yōu)適應(yīng)度，但是該方法得到的結(jié)果不是全局最優(yōu)，陷入了局部最優(yōu)解的困局，采用改進(jìn)遺傳算法（OWF）、混合粒子群算法（LWF）可以在相同的迭代次數(shù)（約3次）得到全局最優(yōu)。

圖2 不同計(jì)算方法的目標(biāo)函數(shù)算法訓(xùn)練計(jì)算過(guò)程

圖3為采用混合粒子群算法（LWF）、常規(guī)遺傳算法（GA）和改進(jìn)遺傳算法（OWF）3種不同方法得到的辦公室BGS1弱電回路對(duì)比。從圖中可以看出，3種方法得到的照明用具回路、插座回路均沒(méi)有出現(xiàn)交叉重疊、線路冗余的現(xiàn)象，說(shuō)明3種方法都可以應(yīng)用于建筑弱電線路的智能化布設(shè)。通過(guò)辦公室BGS1插座回路路徑的求解可知，其都可以得到最優(yōu)線路，計(jì)算得到的總彎角為6個(gè)，而在辦公室BGS1照明用具回路路徑的求解中，3種方法得到的最優(yōu)路徑結(jié)果不同，改進(jìn)遺傳算法（OWF）得到的彎折點(diǎn)8個(gè)，常規(guī)遺傳算法（GA）得到的彎折點(diǎn)9個(gè)，混合粒子群算法（LWF）得到的彎折點(diǎn)最少，彎折點(diǎn)數(shù)為4個(gè)，表明采用混合粒子群算法（LWF）可以得到最優(yōu)的照明用具回路路徑，其迭代步驟也存在優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用其在建筑弱點(diǎn)布線中具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖3 不同計(jì)算方法得到的BGS1弱電回路

以照明系統(tǒng)為例，對(duì)建筑樓層內(nèi)所有房間的照明用具弱電線路進(jìn)行計(jì)算，可以得到最終的計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，所有房間的弱電線路直觀立體、布線效果符合設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，弱電線路滿足總耗線量最小的要求，符合線路排布的約束條件，且美觀整齊，易于施工。所確定的計(jì)算方法符合智能化的工程設(shè)計(jì)要求，減少人工勞動(dòng)力，為復(fù)雜綜合體建筑弱電智能化工程設(shè)計(jì)提供了良好的算法。

圖4 建筑樓層內(nèi)所有房間的照明系統(tǒng)線路布局結(jié)果

4 結(jié)論

該文以山東省煙臺(tái)市某城市綜合體開(kāi)發(fā)項(xiàng)目弱電線路布設(shè)為研究對(duì)象，建立總耗線長(zhǎng)度的目標(biāo)函數(shù)，通過(guò)基于Auto CAD圖形編輯軟件開(kāi)發(fā)的VISUAL LISP工具建立樓層三維模型，采用混合粒子群算法計(jì)算最優(yōu)線路路徑，并與常規(guī)遺傳算法和改進(jìn)遺傳算法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得到以下3個(gè)結(jié)論：1）在照明用具弱電路徑和插座弱電路徑的算法訓(xùn)練中，3種算法的適應(yīng)度值均在初始階段迅速下降，以較快的速度趨于穩(wěn)定收斂。2）與其他2種方法相比，混合粒子群算法可以在較少的迭代步驟下可以得到全局最優(yōu)路徑，應(yīng)用其在建筑弱點(diǎn)布線中具有明顯優(yōu)勢(shì)。3）該文所確定的計(jì)算方法對(duì)所有房間的弱電線路進(jìn)行排布，結(jié)果表明排布線路直觀立體、布線效果符合設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求，弱電線路滿足總耗線量最小的要求，所確定的計(jì)算方法符合智能化的工程設(shè)計(jì)要求，減少人工勞動(dòng)力。