一种用于建筑平面内电线设计的自动布线方法

本发明属于布线方法领域，尤其涉及一种用于建筑平面内电线设计的自动布线方法。

背景技术：

1、建筑内需要布置许多电器元件，例如火灾报警器、电灯等。设计师在设计建筑图纸时，不仅要设计元件的安装位置，还要设计如何从电源(如发电机)出发，利用电线将这些元件连接起来，同时满足避障、减少交叉、电流方向尽量从电源向外、线路尽量短以节省材料等设计原则。实际工作时，电线线路的设计非常耗费精力和时间，且最终效果非常依赖设计师的经验。

2、随着计算机的发展，cad(计算机辅助设计)软件的出现，建筑图纸的设计可以通过cad软件在计算机上完成。目前的cad软件开发中，还没有适用于建筑平面内电线设计的自动布线技术。所谓自动布线，就是利用计算机根据用户设定的相关参数和布线规则，自动的在各个元件之间进行连线，实现元器件之间的电路连接关系，进而快速完成电线线路的设计工作，提高设计师的工作效率。

3、布线方法是一个图论问题，即点集的线路连接问题，这类问题在建筑平面设计领域并没有公开的成熟方案，不过类似的问题在集成电路板的电路设计中有较多的研究，通常采用网格化加寻路算法生成。

4、然而集成电路的连线方案存在以下问题：一是网格化的问题，建筑图纸具有面积大、结构复杂、约束多的特点，网格化粒度太细会导致时间无法达到工业级，粒度太大则导致线路选择少、线路拥挤，无法充分利用图纸的空白区域；二是集成电路设计和建筑设计的区别问题，例如电路板元件边框基本在一个正交坐标系下横平竖直，而建筑平面内的墙体、房间等方向不固定，再如电路的线路可以中途分叉，而电线只能从设备到设备连接等等，这些区别导致集成电路的连线算法和后续的优化研究都无法应用到复杂的建筑平面图纸上，无法适应各种建筑设计原则的约束。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术的不足，提供了一种用于建筑平面内电线设计的自动布线方法，能够基于建筑平面和元件信息，自动生成电线，将各元件连接到电源，提高建筑平面设计质量和效率。

2、本发明采用的技术方案具体如下：

3、一种用于建筑平面内电线设计的自动布线方法，包括：

4、步骤一：获取建筑平面的相关信息，包括元件的位置坐标、电源的位置坐标及地图信息，地图信息包含布线空间的边界、障碍物、房间框线信息；

5、步骤二：基于建筑平面的相关信息构建只包含元件和电源的子完全图g，所述子完全图g的顶点为元件或电源，两顶点间的权值表示两点在地图上的最短绕障距离；

6、步骤三：从子完全图g中取子图gg，使子图gg不包含电源，只包含元件；

7、基于子图gg生成最小生成树mst，并保留各边的权值信息；

8、使用贪心策略删去一条边，将最小生成树mst分割为两个子树，再对子树不断重复这一过程，直到所有子树中元件的数量满足约束，得到的每个子树所包含的元件即为一组元件；

9、步骤四：基于每一组元件，从子完全图g中取子图gc，使子图gc只包含电源和该组的元件，并初始化gc中各边权值为信息素；根据信息素生成m个解，评价去除无效解；通过交叉操作生成更多解，更新全局最优解和局部最优解和信息素，重复生成、评价、更新的过程，经过多轮迭代后选取全局最优解作为最终解，即获得对应组元件的连接关系；

10、步骤五：通过寻路算法将元件连接并优化，完成自动布线。

11、进一步地，所述步骤二具体如下：

12、将元件、电源、障碍物各顶点、布线空间的边界、房间框线各顶点作为输入点集，将障碍物各边、布线空间的边界、房间框线各边作为输入限制边，进行限制性delaunay三角化，得到三角网cdt；

13、再将cdt转为完全图gcdt，删去障碍物内部和边界外部的边和补充；完全图gcdt表示地图各个顶点之间的距离和可达关系；

14、将元件和电源作为点集，建立子完全图g，各边权重初始化正无穷；

15、以每个元件或电源作为起点，在gcdt中做一次dijkstra算法，得到各元件和电源之间的最短绕障路径，将路径各边的权重之和作为子完全图g中两点之间的权重，得到子完全图g。

16、进一步地，所述步骤三中，使用贪心策略删去一条边，具体为：

17、根据约束条件计算每一边断开后的评价值，选择评价值最好的边断开删去；评价值的计算方法为：

18、

19、其中e为所选断开的边，t1和t2为e断开后形成的子树，μ为权重因子，表示各项的重要程度，b函数表示一个树的点集的最小正交包围盒中包含另一个树的结点个数，size函数表示一个树的结点个数，std函数表示一个树内所有边权值的标准差，len(e)表示边e的权值，mean函数表示一个树内所有边权值的均值。

20、进一步地，所述步骤四中，初始化gc中各边权值为信息素phi具体为：

21、

22、其中a和b为常数，di表示第i条边在原完全图g中的权值，即绕障距离。

23、进一步地，所述步骤四中，根据信息素生成m个解，具体为：

24、(1)初始化一个空点集，并将电源结点加入点集；基于子图gc寻找电源结点可以访问的所有边；

25、(2)在寻找的边中，根据概率随机选取一条边，各边i被选取的概率pi＝phi/∑jphj，将边对应的结点加入点集，记录添加的边；

26、(3)基于子图gc寻找当前点集可以访问的所有边，访问到的边，是从点集中的某一点连接另一个点，如果另一个点未被访问，即不在当前点集中，则将该点加入点集，重复步骤(2)的过程，直到没有新的点可以加入，得到一个解。

27、重复步骤(1)～(3)m次，得到m个解。

28、进一步地，所述步骤四中，评价去除无效解具体为：

29、不满足如下条件的解为无效解去除，并将满足如下条件的解加入解集：

30、a)电源结点的度为1；

31、b)元件结点的度小于等于4；

32、c)邻接结点之间能够到达。

33、进一步地，所述步骤四中，通过交叉操作生成更多解，更新全局最优解和局部最优解和信息素，具体为：

34、将新加入解集的生成解与全局最优解和局部最优解按一定概率进行交叉操作得到更多解，评价解为有效后加入解集；其中，全局最优解和局部最优解的初始值分别为第一轮获得的解集中评价值最高的ng和nl个解；评价值计算方法如下：

35、

36、其中t为无根树，α和a为常数，len_sum(t)表示树t中各边在原图g中权值之和，back函数表示树以电源结点为根时各边逆流长度之和，maxlen函数表示从电源出发到各结点最小距离的最大值，cross函数表示树中各边在非结点处互相交叉的次数；

37、更新最优解：根据解集中解的评价值，选取最高的nl个更新局部最优解，若有解的评价值高于全局最优解中的解，则进行替换；

38、更新信息素：gc中各边的信息素以一定比例进行挥发，然后根据局部最优解中每个解的评价值，加强该解所包含的边的信息素。

39、进一步地，所述步骤五具体为：

40、对要连接的两个元件或电源，在完全图gcdt中使用a-star算法得到绕障路径，路径为一个多段线；

41、对路径进行曼哈顿平滑：

42、(1)将多段线中相邻且共线的线段合并；

43、(2)若线段数量为1且水平或竖直，则为结果；

44、(3)若线段数量为1且为斜向，记端点为a(x1,y1)，b(x2,y2)，则有中间结点c(x1,y2)和d(x2,y1)可选，考察多段线acb和adb，若穿越障碍或超出边界，则舍弃；若都被舍弃，则将斜向线段作为结果；

45、(4)若线段数量大于1，采用贪心和分治策略，先对起点和终点进行曼哈顿平滑，若成功则作为最终结果，若失败则将终点前的点作为分界点，对前后两段路径分别进行曼哈顿平滑，最后合并得到结果。

46、进一步地，所述步骤五还包括：

47、对每个结点考察所连的线，计算四个方向上的连线数，根据重合情况处理，对线段进行偏移，得到最终自动布线结果。

48、一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述的一种用于建筑平面内电线设计的自动布线方法。

49、本发明的有益效果是：

50、传统布线方法无法满足建筑设计的要求，本发明方法，采用三角化建图使网格能够感知障碍物，并且在物体稀疏和密集处自适应粒度，降低网格复杂度，提高运行速度的同时更加适用于复杂的建筑平面图；使用启发式算法确定连接关系，以满足建筑平面布线设计多约束和多目标优化的需求。整个流程适用于建筑平面的布线，实现了元器件之间线路的自动布线，能够快速完成电线线路的设计工作，提高设计师的工作效率。