Методика автоматизации проектирования судовых кабельных сетей

АННОТАЦИЯ

В основу этого материала положены разделы магистерской диссертации, «Методика автоматизации проектирования судовых кабельных сетей».

Магистерская программа

№ 552808 "Информационное и программное обеспечение автоматизированных систем".

Направление

№552800 «Информатика и вычислительная техника»

В данной работе рассматриваются вопросы оптимального размещения кабелей на судне с учетом ограничений, накладываемых на среду распространения кабелей. Однако разработанный модуль оптимизации и методика может быть применена не только в судостроении, но и для любой другой задачи, где необходимо найти оптимальный путь среди множества возможных отрезков с учетом ограничений или без них.

В работе исследована и изменена общая методика традиционного проектирования судовых кабельных сетей в части необходимости одновременного определения адресов концов прокладываемого кабеля на этапе установления кабельных связей между элементами электрооборудования. Это сделано для устранения возникших противоречий между старой методикой проектирования и новыми требованиями, обусловленными современными темпами проектирования.

При разработке модуля оптимизации для размещения кабелей применены методы линейного программирования, которые позволяют решать задачу оптимизации практически с неограниченным количеством переменных (накладываемых ограничений). В данной работе прокладка кабелей может быть оптимизирована с единственным видом ограничений – ограничений на пропускные способности узлов, через которые предполагается прокладывать кабель, однако в случае дальнейшего развития проекта возможна добавка любых других линейных ограничений.

Для хранения результатов работы и справочных данных, связанных с проектированием судовых кабельных сетей разработана реляционная база данных, основанная на СУБД MS Access 2003.

Модуль оптимизации размещает результаты решения в базе данных посредством разработанного пользовательского приложения. Связь приложения с базой данных осуществляется с помощью ADO.NET и .NET Framework2.0.

Преимущества автоматизации проектирования кабельных сетей

Актуальность данной темы становится очевидной при рассмотрении преимуществ автоматизации проектирования судов и судовых кабельных сетей.

Создание интегрированных систем автоматизированного проектирования позволит:

1. Уменьшить трудоемкость проектных работ;
2. Значительно сократить длительность разработки проектов;
3. Уменьшить в отдельных случаях затраты на постройку и эксплуатацию за счет оптимизации принимаемых решений;
4. Значительно уменьшить количество ошибок и несогласованности в проектной документации;
5. Обеспечить рациональный объем внутри – и межпроектной унификации;
6. Получать оптимальные проектные решения по размещению судовых кабельных трасс и, тем самым, сокращать (в пределах 10-15%) общую длину прокладываемых кабелей, их стоимость и массу;
7. Повысить оперативность внесения изменений в проектную документацию;
8. Подготавливать входную информацию для ввода в систему может осуществлять неквалифицированный персонал, а конструктор получает возможность больше времени уделять проектированию;
9. Представлять выходные машинные документы (схемы, чертежи, кабельные журналы, ведомости, таблицы и т.п.) в виде, наиболее удобном для электромонтажника.

Задачи, решаемые в данном проекте

Исходя из требований, предъявляемых судовым кабельным сетям, таких как требования надежности, экономические требования и монтажно-эксплуатационные требования становится очевидным, что одной из важнейших задач в автоматизированном проектировании судовых кабельных сетей является задача об оптимальном размещении кабелей по возможным кабельным трассам.

Действительно: требования надежности касаются правильного выбора кабельных коробок и подвесов, монтажно-эксплуатационные требования регламентируют правильное размещение кабелей по кабель-трассам, а экономические требования диктуют о минимально возможной стоимости проложенных кабелей, что выполняется только при условии, если кабели связывают необходимые узлы по кратчайшим маршрутам.

При разработке методики автоматизации прокладки кабелей необходимо сформулировать и решить следующие основные задачи:

1. сформулировать общие принципы построения судовых кабельных сетей;
2. перейти от изложенных общих принципов к математическим моделям для возможности создания математического аппарата решения задачи;
3. исследовать и подобрать методы адекватные созданной математической модели и решающие задачи оптимального размещения кабелей;
4. перевести математические методы из теоретической плоскости в практическую и затем, перевести алгоритмы выбранных математических методов в программный код, для последующей реализации их в виде программных модулей;
5. разработать структуру приложения взаимодействующего с пользователем;
6. разработать интерфейс приложения;
7. связать интерфейс приложения, вводимые пользователем данные и разработанный математический аппарат для совместной работы;
8. выбрать метод хранения результатов работы оптимизирующих алгоритмов (разработать базу данных).

Все перечисленные задачи успешно реализованы в рамках данной магистерской диссертации.

Применение теории графов к маршрутной схеме кабельных трасс

Для перехода от общих представлений о проектировании судовых кабельных сетей и чертежей маршрутных схем, к математической модели, удобно применить элементы теории графов.

Рис.1 Фрагмент маршрутной схемы

На рис.1 изображен фрагмент маршрутной схемы реального судна, который можно преобразовать к виду «неориентированного графа», как показано на рис.2

Рис. 2 Применение теории графов к фрагменту маршрутной схемы.

Узлы, как правило, наносят на маршрутную схему в точках пересечения линий, изображающих кабельные трассы, с переборками или палубами судна, а также в местах разветвления кабельных трасс. Кроме того, в тех помещениях судна, где имеется несколько вариантов входа или выхода кабелей, центр помещения отмечают так называемым «фиктивным» узлом, который соединяется звеньями с узлами, расположенными в этом помещении. На рис.2 кружками с номерами обозначены узлы.

Ниже представлены основные понятия теории графов использованные в работе.

Матрица смежности

,

где - элемент матрицы смежности.

Фрагменту сети изображенному на рис. 2 соответствует следующая матрица смежности:

Рис.3 Матрица смежности фрагмента сети.

В связи с тем, что в дальнейшем будет необходимо оценивать длину, наложенных на сеть  узлов, кабелей, вводится и определяется матрица расстояний L[N, N].

Каждый элемент матрицы расстояний L[N, N] в отличие от элементов матрицы смежности определяют следующим образом:

,                   (1)

где l_ij есть расстояние между смежными узлами i и j.

Матрица L[N, N] будет выглядеть аналогично B[N, N] за исключением того, что вместо значений «1» будут соответствующие l_ij , а вместо «0», кроме главной диагонали значения «∞».

Математическая модель размещения кабелей

Основные понятия, используемые для составления математической модели оптимального размещения кабелей:

вектор интенсивности

где  s_k - сечение   k -го кабеля.

Вектор интенсивности инкапсулирует информацию об адресах (узлах) начала и конца кабеля.

вектор d[N] – вектор пропускных способностей узлов сети:

                                                                             (2)

где α_i – пропускная способность i-го узла по сечению, см²; β_i - пропускная способность i-го узла по массе, приведенной к сечению, см².

Вектор пропускных способностей инкапсулирует информацию, соответственно, о пропускных способностях каждого из узлов структуры кабельной сети.

 - поток k-го кабеля из узла i в узел j, причем

Поток показывает, является ли отрезок между узлами i и j частью проложенного маршрута кабеля.

Задача нахождения маршрутов кабелей с ограниченными пропускными способностями состоит в минимизации стоимости размещаемых на судне кабелей:

,                                                      (3)

где c_ij – стоимость отрезка (i,j) k-го кабеля между узлами i и j, но вместо c_ij удобнее использовать длину l_ij, т.к. в стоимость в итоге зависит от длины, так, что выражение (3) будет выглядеть следующим образом:

                                                       (3.1)

Минимизация должна выполняться при следующих ограничениях:

 ;                                                (4)

 , ;               (5)

,  .                                   (6)

Условие (4) означает, что суммарное сечение кабелей, маршрут которых проходит через узел i , не должно превосходить пропускную способность этого узла. Без этого условия задача (3)-(6) вырождается в задачу нахождения кратчайших маршрутов.

Условие баланса (5) требует обязательного положения всех кабелей на сеть, т.е. для каждого узла разница между суммой входящих и исходящих потоков должна равняться интенсивности узла.

Из условия (6) следует, что искомый поток каждого кабеля не может быть отрицательным.

Линейное программирование. Использование симплекс-метода

При исследовании методов оптимизации, которые можно было бы применить для оптимальной прокладки кабелей, наибольший интерес вызвали методы линейного программирования, поскольку позволяли решать задачи оптимизации совместно с большим количеством ограничений, в отличие от типовых «транспортных» методов, которые решают только задачу оптимизации маршрута без учета ограничений. Но для применения этих методов необходимо преобразовать выражения (3)-(6) к стандартной форме задач линейного программирования.

Приведение общих уравнений математической модели оптимального размещения кабелей к стандартной форме задач линейного программирования

Преобразование системы уравнений задачи оптимизации размещения кабелей для применения алгоритма симплекс-таблиц:

;; Е – основная целевая функция.

  W – искусственная целевая функция.

где :

;

;                        - Система уравнений (7) -

;                       

Для решения системы уравнений (7) было решено использовать двухэтапный метод искусственного базиса с использованием алгоритма симплекс-таблиц.

Реализация алгоритма оптимального размещения кабелей с учетом пропускных способностей

Рис.4 Блок-схема «общий алгоритм работы метода оптимизации прокладки кабелей»

L[N,N] – матрица расстояний между узлами (N – количество узлов); B[N] – вектор интенсивности; D[N] – вектор пропускных способностей; message – сообщение об ошибках (изначально соответствует пустой строке); Check(L,B,D,out message) –методы проверяющие корректность данных; W(L) – искусственная целевая функция; E(L) – основная целевая функция; S(W,E,B,D) – матрица симплекс-таблица;

SimplexMax( S(W,B,D) ) – метод оптимизации, реализующий механизм симплекс-таблиц, максимизирующий  –1*W(L);

SimplexMax( S(E,B,D) ) – метод оптимизации, реализующий механизм симплекс-таблиц, максимизирующий  –1*E(L);

АРХИТЕКТУРА ПРИЛОЖЕНИЯ

Рис.5 Структура Windows-приложения проекта автоматизации проектирования судовых кабельных сетей.

Пользовательское Windows–приложение является «посредником» между базой данных и dll-модулем метода оптимизации прокладки кабелей. В базе данных хранится информация о кабельной сети судна и в нее, посредством  пользовательского Windows–приложения, размещаются результаты работы модуля оптимизации. Модуль оптимизации получает данные так же посредством  пользовательского Windows–приложения из базы данных.

БАЗА ДАННЫХ

Рис.6 Схема разработанной базы данных (MS Access 2003).

Связь между приложением и базой данных удобно осуществлять с помощью технологии ADO.NET, которая является встроенной в .NET_Framework 2.0.

Алгоритм работы приложения

Внешний вид приложения и порядок действий:

Рис.7 Внешний вид приложения.

Рис.8 Основной порядок действий над приложением.

1. Работа с таблицами параметров проекта:

a)      Пользователь должен выбрать проект судна из таблицы «Проекты».

b)      Выбор номера рабочей группы пользователя из таблицы «Рабочие группы»

2. Работа с узлами проекта:

a)      Добавление узлов по нажатию кнопок «Добавить узлы» или «Добавить все»

Рис. 9 Добавление узлов.

3.      Назначение узлу устройства, из таблицы «Устройства»

a)      Необходимо выбрать устройство из таблицы «Устройства», или добавить отсутствующее устройство и затем выбрать его.

b)      Выбрать узел из списка «Узлы в схеме».

c)      Нажать на кнопку «присоединить выбранное устройство к узлу».

Рис. 10 Узлы добавлены. Назначение узлам устройств.

4.      Работа с таблицами параметров кабелей:

a)      Формирование кабеля: выбрать тип кабеля из таблицы «Типы кабелей».

b)      Формирование кабеля: выбрать сечение кабеля и жильность из таблицы «Характеристики кабеля».

Рис. 11 Выбор параметров кабеля.

c)      Ввод наименования кабеля. Если в названии индекса кабеля не ввели необходимое значение, то система информирует об этом.

Рис. 12 Ввод наименования кабеля.

Рис. 13 Создание кабеля. Кабель зарегистрирован первым.

5.      Связывание кабеля со схемой

a)      Необходимо выбрать схему, из таблицы «Назначение схемы окончания кабеля», в которую собираемся прокладывать кабель.

b)      Нажать кнопку «Связать со схемой».

Рис. 14 Связывание кабеля со схемой. Кабель зарегистрирован первым.

Рис. 15 Отображение состояния готовности пути кабеля. Кабель в БД один.

Повторяя пункты с 1-го  по 5-й., регистрируем второй конец кабеля из той схемы куда отправили кабель, с тем же типом и сечением.

6.      Создание второго адреса кабеля из «схемы-оппонента».

Рис. 16 Создание второго адреса кабеля.

7.      Связывание второго адреса кабеля с первой схемой

Рис. 17 Определены оба адреса кабеля.

Т.к. оба адреса кабеля определены впервые, значит, кабель не проложен и система сделает это.

Рис. 18 Маршрут проложен.

Т.к. путь полностью определен, это отображается и в самой нижней таблице приложения.

Рис. 19 Путь полностью определен.

Информация сопутствующая проложенному пути:

В таблице «Наименование кабеля», в столбце «проведен» появилась «галочка» указывающая, что кабель проведен в базе данных, т.е. имеет маршрут (см. рис. 20)

Рис. 20 Проведенный кабель.

А в таблице «Назначение схемы окончания кабеля», например, для схемы в которой первым появился адрес кабеля, т.е. для узла №1 и нашего кабеля П-153 стоит «галочка» информирующая о том, что кабель из данной схемы от узла №1 идет в 4-ю схему №101 (собственная схема-3 с номером 100).

Рис. 21 Проведенный кабель в схеме.

Заключение

В заключение, хочется отметить, что в данной работе рассмотрена принципиальная возможность создания автоматизированной системы проектирования судовых кабельных сетей на основе методов линейного математического программирования и реализованы основные механизмы. Очевидно, что многое можно усовершенствовать, добавить функциональности (разработать графическую подсистему с 3D-моделированием, добавить новые ограничения в оптимизацию для универсальности, более тщательно проработать пользовательский интерфейс и.т.п.), однако сделано главное – разработана концепция, проработка же остальных деталей является вопросом времени и спроса и представляется вопросом чисто техническим.

Автор

Маликов Олег Валерьевич

С автором можно связаться по электронной почте malsmov@mail.ru или по телефону +7 921 742-67-28