电器开关柜二次回路空间布线专家系统

1　引　言
　　成套电器开关柜作为高、低压行业的主导产品已经广泛应用于工矿企业的电力系统之中。目前关于它的计算机辅助设计软件大多是在二维下处理元件布置及母排布线情况，工程人员在设计阶段很少顾及到空间二次走线的美观及合理性。实际上，开关柜总是在整体结构设计完成后，才由接线工人根据经验进行连线，由于工人们并不知道接线的具体长度，只有凭感觉宁长勿短地裁线，因而常常造成很多浪费。针对以上问题，本文提出了自动生成三维二次走线的专家系统，它可以在开关柜的设计阶段便形成空间走线图，并且准确计算出每根连线的长度，从而为开关柜的进一步优化设计提供依据。在真正的生产中，可以根据软件求出的接线长度准确裁线，在每根线从头到尾都打上标号，这样就既方便工人接线，提高工作效率，又减少了接线错误。

2　关系数据库驱动的专家系统在空间二次走线中的应用
2.1　专家系统的引入
　　成套电器开关柜中的电器元件多种多样，各接线端的形状、位置及接线方式也有很多变化。为了准确反映三维空间中二次接线的起止位置及走线路径，计算机必须具备判断各种元件的不同情况，应付各种可能出现的接线端子的专家经验。进一步地考虑，为了适应以后可能出现的新的情况，计算机还应该可以不断地积累和学习知识。而这种能够根据不断积累、学习的知识推理出一定结论的计算机人工智能系统就是专家系统［1］。专家系统最主要的部分就是知识库，它又由事实库和规则库组成［2］。
2.2　关系型数据库驱动的专家系统
　　专家系统的建立涉及到知识库的获取(智能编辑器)、知识库的维护、推理机制、跟踪解释机制的生成、功能共享数据库的建立等一系列过程，通常都是依赖于专门的专家系统开发工具，经过知识工程师长期努力才能完成［3］。为了加快开发周期，利用现有的数据库技术缩减开发步骤，本文提出了一种由关系型数据库驱动的专家系统(Relational Database Drove Expert System简称RDDES)。
　　在RDDES中，组成知识库的事实库(自用户获取)和规则库(自领域专家获取)都由关系型数据库进行存贮。事实可以存贮在若干个表格中，表格之间通过数据库索引进行关联；规则库中的每项规则都由“如果”、“则”及“优先级别”三个数据域来表示。之所以称RDDES为数据库驱动，是因为在RDDES规则库的“如果”域中只能存贮在SQL(Structure Query Language)语言的Where子句中合法的字符串。SQL语言作为数据库查询的规范已被所有关系型数据库所采用［4］。在RDDES的推理机制中，事实与规则的模式匹配完全由SQL语言来决定，即系统根据规则库中“如果”域中的字符串生成Select...Where...语句从而查询出事实库中符合条件的记录进行处理，这样就不需要开发专门用于这个专家系统的事实库与规则库的匹配机制了。另外，由于关系型数据库表格间的相关性，在“如果”域中只要求输入主要事实，相关的辅助事实可以通过关联由相关的数据表格中读出。
2.3　连接网络概念的引入
　　一般情况下，布线问题可以归结为图论中的最短路径问题［5］，因此首先要生成一个以接线所经空间拐点为节点的拓朴网络。但是如果把每个接线端子及空间拐点都作为网络节点，那么这个拓朴网络将极其复杂以至无法求解。在实际生产中，接线工人为了方便走线，会在开关柜内设计出若干走线槽，二次连线都是成捆地从这些走线槽中经过。基于这种经验，将走线槽的概念扩展，可以在开关柜内生成一个连通的连接网络，如图1所示。虽然连接网络是一个空间的概念，但由它产生的拓朴网络是一个节点具有三维坐标的平面图，因此可以采用求网络最短路径的算法获得接线路径。采用了如图所示的连接网络后，只把连接网络中的拐点作为网络节点，这时除了同一元件上不同接线端子之间的连接外，专家系统总是分两步来解决走线问题：1、由专家系统决定如何将连线由两个接线端子走到距离各自最近的网线中；2、当某支连线的首尾两端都在连接网络中时，由专家系统在拓朴网络中生成两个新节点，然后用改进的狄克斯特拉算法求出这两点间最短路径。
 

图1　开关柜中的元件指示及连接网络

2.4　空间二次走线专家系统知识库结构
　　在空间二次走线专家系统中，专家求解的目的是找出接线起始端到终止端的路径，因此初始时的事实就是已知的这些接线端子的信息，而规则则是电器领域专家针对不同接线端而采用的走线方式。由于接线从起始端子出发到最终到达终止端子的过程中要遵循许多不同的规则，因此系统不可能根据这些初始事实一次性完成走线任务，而只能由初始事实进一步生成新的事实(先从接线端走到一个过渡点)，经过一次次地模式匹配，最终处理完所有事实(包括接线端及过渡点)。规则库的“如果”域中存放了符合SQL语言Where子句语法的字符串，“则”域中给出了相应的处理。系统直接由“如果”域生成Select语句，再由自身的编译机制读取处理信息，然后从功能共享数据库中找到相应函数进行处理。
2.5　模式匹配的里德算法(Rate Pattern Matching Algorithm)
　　不同于一般专家系统中采用的规则驱动所需事实库的模式匹配，如图2(a)所示，空间二次走线专家系统采用了以事实去驱动规则库搜索的里德匹配算法。它利用了基于规则的专家系统的时间冗余特性，把每个循环中匹配过程的状态都保留下来，仅对事实库中发生的变化重新计算状态的变化，如图2(b)所示，从而大大提高了效率。
 

图2　事实库与规则库的匹配

3　三维空间的显示
　　本文以三维图形规范OpenGL［6］为基础编制了图形后处理系统用于显示开关柜三维空间走线情况。首先，系统读取面板、元件数据生成面板及元件链表，链表中的每个节点存贮了实体的长、宽、高、X、Y、Z方向的坐标值和旋转角度以及颜色等信息。其次，专家系统求解时，连线在从起始端到终止端的走线过程中，每一步经过的路径都被记录在一个专门的数据表格中，后处理系统根据这个表格生成接线链表。最后，系统调用一系列OpenGL提供的API函数［7］，将面板链表和元件链表中的实体与接线链表中的线段连续显示出来，如图3所示。为了方便用户观察，系统还提供了三维缩放、平移及旋转工具。
 

图3　开关柜空间二次走线图及接线表

4　小　结
　　本文讨论了根据开关柜二次接线表自动生成柜内三维空间走线的方法。图1中给出了一个XL-21型动力箱的开关柜实例，当用户输入了接线端子的位置及二次回路接线关系，即初始事实后，由专家系统求解，最终生成三维空间的二次走线图及附有每根接线长度的连线表。图3为三维自动布线的结果。
　　由于开关柜内的走线大都是成捆的，当接线完成后很难直接看出每根连线的走向，因此系统提供了加亮被选择接线的功能，即用户在接线表中选定某根接线，三维图形中相应的接线便会以红色显示出来，见图3，这样可以非常方便地检查柜内是否有接线错误。另外，三维图形中以虚线表示的接线是二次线路连接到一次线路中的部分。由于这些部分平常通过的电流较大，接线被烧断的可能性也就较大，因此在实际生产中总是留出一些余度，并不一定象图中所示方向走线。系统在计算每根接线的长度时，一般情况是先根据从接线端子走到连接网络时所经节点的坐标求取接线端子到连接网络的距离，再加上连接网络中经过的所有边的权值得出连线总长的。对于这种直接和一次线路相接的端子，系统会另外再加上一定的冗余长度。
　　由于开关柜内所有二次接线的总长能够很快计算出来，设计人员只要调整元件位置(调整接线端子的空间位置)或调整走线槽的位置(改变连接网络走向)，系统会重新走线并计算出线路总长，设计人员根据两次计算结果的比较便可选择出更合理的设计方案。

　　作者单位:张继强　陈德桂(西安交通大学，西安710049)

参考文献