CN111950105A - 一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及计算机软件与汽机管道交叉专业技术领域，公开了一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法，实现三维模型在CAD和PDMS两个平台之间的快速、准确、稳定的转换，且能够生成满足CAESAR要求的中间文件格式，从而便于进行CAESAR应力分析计算。该方法包括：A、制定管道元件的信息格式；B、获取管道及其管件的CAD三维模型数据；C、根据CAD三维模型数据生成元件对象链表，并将访问标识设置为False；D、利用深度优先遍历算法对元件对象链表中的元件生成具有管道拓扑连接关系的集合；E、根据集合内不同分支的管系生成中间文件；F、根据中间文件生成与CAD三维模型相对应的火电厂管道PDMS三维模型。本发明适用于火电厂管道三维模型在两个平台之间的转换。

Description

一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法

技术领域

本发明涉及计算机软件与汽机管道交叉专业技术领域，具体涉及一种基于深度优先遍历 的火电厂管道三维模型转换方法。

背景技术

随着工业化和信息化融合的日益加深，数字化技术在工业领域的应用也逐渐深入，所谓 数字化就是通过计算机技术(IT)、通信技术(CT)、运营技术(OT)等ICT技术来使得传统 工业领域的实体对象形成与之对应的数字孪生体，继而后续利用云计算、大数据、物联网、 人工智能等新兴技术来提高生产效率降低企业运营成本的目的。数字化在传统火力发电厂设 计的应用也铺开了很久，现阶段各大电力设计院主要在CAD、PDMS两大平台上完成火电厂管 道三维模型的建模，并针对管道模型在各自平台完成了一系列相应的二次开发工作，以此来 设计三维管道模型达到满足火电厂设计规范的要求。

一般的，三维模型在两个平台上转换的方式，主要是通过在CAD模型上进行二次开发， 生成满足PDMS创建模型的宏文件的方式进行。这种生成宏文件的方式，通过逐行读取宏命令 创建不同规格的设备模型，所需要的数据量不大，不通过工程数据库访问的方式进行，在小 规模模型的创建上速度比较快，不会出现卡顿，但是在处理较大规模模型时就会卡顿甚至导 致程序崩掉，影响计算机硬件性能。并且，这种方式生成的中间宏文件的利用率也不高，不 能用作利于管道应力分析计算的中间文件，且多用于设备三维模型的转换，不太适用于火电 厂管道三维模型的转换。

另一种CAD三维模型生成PDMS模型的方式主要应用在总图专业，通过不规则三角网表示 法来表达数字高程模型的方式来实现。不规则三角网表示法利用所有采样点取得的离散数据， 按照优化组合的原则，把这些离散点连接成相互连续的三角面，通过这种方式在CAD上创建 电厂三维模型，三维模型数据按照PDMS所特有的数据格式进行二次加工和组织后导入到PDMS 中，从而实现PDMS中三维工厂模型的建立。这种方式提出了满足总图专业的解决方案，对于 大规模土建数字化工程具有一定的指导意义，但方案精细化度不够，不能转换创建需要精确 度高、创建速度快且满足布置需求的火电厂管道三维模型。

近几年国际火电工程也如火如荼地进行，在火电厂管道应力分析环节，国际上更看重通 过CAESAR软件(美国COADE公司研发的压力管道应力分析专业软件)计算的结果。

综上所述，生成满足CAESAR要求的中间文件格式具有举足轻重的作用，一方面可以实现 火电厂管道三维模型在CAD、PDMS两个平台上的转换创建，另一方面生成的中间文件利用率 也高，可以满足CAESAR计算。因此，提出了一种基于深度优先遍历算法的火电厂管道三维模 型转换方法，该方法通过深度优先遍历算法创建中间文件(CII格式文件)实现两个平台之 间的转换和快速创建。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换 方法，实现三维模型在CAD和PDMS两个平台之间的快速、准确、稳定的转换，且能够生成满 足CAESAR要求的中间文件格式，从而便于进行CAESAR应力分析计算。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法，包括以下步骤：

A、制定管道元件的信息格式；

B、获取管道及其管件的CAD三维模型数据；

C、根据CAD三维模型数据生成元件对象链表，并将访问标识设置为False；

D、利用深度优先遍历算法对元件对象链表中的元件生成具有管道拓扑连接关系的集合；

E、根据集合内不同分支的管系生成中间文件；

F、根据中间文件生成与CAD三维模型相对应的火电厂管道PDMS三维模型。

作为进一步优化，步骤A中，所述制定管道元件的信息格式，具体包括：

借助Cii文件格式的梳理，制定在CAD三维建模时需要在模型扩展属性XDATA里填写的 管道元件的属性信息的格式。

作为进一步优化，步骤B中，所述获取管道及其管件的CAD三维模型数据，具体包括：

识别当前CAD视图的三维模型，获取视图内所有管道及其管件的模型实体，将所有模型 实体的扩展属性XDATA通过数据流的方式写入到文本文件中,并过滤掉无用的XDATA。

作为进一步优化，步骤C中，所述根据CAD三维模型数据生成元件对象链表，具体包括：

逐行读取并解析文本文件中的XDATA信息，生成包含三维模型所有元件的对象链表。

作为进一步优化，步骤D中，所述利用深度优先遍历算法对元件对象链表中的元件生成 具有管道拓扑连接关系的集合，具体包括：

从元件对象链表里最靠近原点坐标的对象开始进行深度优先遍历，遍历过程为：

(1)将当前元件对象访问标志置为True，按照循环结构依次读取链表内元件对象的坐标， 判断坐标起点、终点或中心点与当前元件的起讫点是否相等；

(2)如果相等则将该元件对象置为当前元件对象并跳出循环，将其加入到临时存放管道 分支的list列表里，同时将其从所有元件对象的链表里删除；如果不相等，则将list列表 放入存储管系的集合中，即生成一个管系的分支；

(3)判断所有元件对象的访问标志，如果不均为True，则将链表内的第一个元件对象设 置为当前元件；

(4)重复步骤(1)-(3)，直至链表内所有元件均被访问，生成了存放管系的元件集合。

作为进一步优化，步骤E中，所述根据集合内不同分支的管系生成中间文件，具体包括：

读取存放管系的元件集合中的不同分支信息，生成满足CAESAR计算格式的后缀为.Cii 的中间文件，所述中间文件包括：控制数据单元、基本数据单元、辅助数据单元和其他数据 单元四个部分。

作为进一步优化，步骤F中，所述根据中间文件生成与CAD三维模型相对应的火电厂管 道PDMS三维模型，具体包括：

F1.根据中间文件读取基本数据单元起始点，存入单元节点表；

F2.按端点-三通的形式对节点表进行合并，删除重复的节点号，对同一个三通连接的分 支按方向向量的方式来处理三通的节点，任意两个分支向量相等则判定为主管段，另一分支 即为支管段，按此建立管系的每个分支branch；

F3.在建立好的分支branch基础上创建每个分支的元件，完成向PDMS模型的转换。

本发明的有益效果是：

该方法考虑了现有三维模型从CAD到PDMS平台转换的不足和局限性以及中间文件的可重 复利用性等因素，通过识别读取CAD模型数据并基于深度优先遍历算法完成火电厂三维模型 管系的解析创建，生成.Cii中间文件，最后在PDMS平台读取解析中间文件创建管系，创建 管系分支以及各分支上弯头、三通、阀门等元件的处理，生成管道三维模型，完成整个火电 厂管道三维模型的转换流程。本方法具有模型精度高、转换速度快、转换稳定等优点，克服 了传统在两个平台分别建模的重复工作以及传统转换方式不满足管道三维模型等困难情况， 同时解决了管道三维模型进行CAESAR应力分析计算的问题，对三维设计中模型转换数据生成 以及国际性应力分析要求等具有重要意义。

附图说明

图1为实施例中的基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法流程图。

具体实施方式

本发明旨在针对现有三维模型转换方式的不足，提出一种基于深度优先遍历算法的火电 厂管道三维模型转换的方法。此方法基于深度优先遍历通过计算机程序构建出记录有管道及 其管件三维模型信息的Cii中间文件，Cii文件除了完成不同平台的模型转换功能，也可用 于CAESAR应力计算分析。

在具体实现上，本发明中的转换方法包括以下步骤：

A.格式制定：根据CAESAR计算软件提供的用户使用手册中的CAESAR II NeutralFile(中 性文件)制定管道的管段、弯头、大小头、三通等管件的信息格式，便于CAD建模时在扩展 属性XDATA里面生成。

B.数据获取：识别当前CAD视图的三维模型，获取视图内所有管道及其管件的模型Entity(实体)，将所有Entity的扩展属性XDATA通过数据流的方式写入到文本文件中,并过滤出无用的XDATA。

C.生成拓扑关系：解析文本文件中所有XDATA信息，生成包含三维模型所有元件的链表， 对链表内无序的元件通过深度优先遍历算法生成具有管道拓扑连接关系的集合。

首先，根据CAD模型内XDATA内的acad Id生成三维模型所有元件的Object链表，并将 每个Object的访问标志Visit置为False；

然后，从链表里最靠近原点(0,0,0)坐标的Object开始进行深度优先遍历，遍历算法为：

(1)将该Object访问标志Visit置为True，并加入到临时的list列表里面，依次读取链表内每个Object的坐标，选取三维空间内与当前Object相关联的节点；

(2)判断现节点Object是否存在关联节点，如没有则将list加入集合中；

(3)判断链表内所有元件的Object标志Visit是否都为True，如所有节点均被访问， 则结束遍历，否则，则将链表内的第一个元件对象设置为当前元件；

(4)重复上述(1)-(3)过程，直至所有元件的Object均被访问。

D.生成中间文件：根据集合内有序的不同分支的管系集合，生成管件信息数据池，读取 数据池生成满足CAESAR计算格式的后缀为.Cii的中间文件。

E.创建PDMS模型：在PDMS的Design模块内，通过二次开发的插件打开Cii文件，解析Cii文件存储的各个信息模块,生成与CAD三维模型相对应的火电厂管道PDMS三维模型,具体包括：

(1)根据中间Cii文件读取基本数据单元起始点，存入单元节点表；

(2)按端点-三通的形式对节点表进行合并，删除重复的节点号，共2n+1个端点-三通 分支(其中n代表管系三通个数)，对同一个三通连接的分支按方向向量的方式来处理三通的 P1、P2及P3点，任意两个向量相等则认为是主管段即P1-P2，另一分支就为支管段即P3， 按此建立管系的每个分支branch；

(3)在建立好的branch基础上创建每个分支的元件，完成PDMS模型的转换。

实施例：

如图1所示，本实施例中的基于深度优先遍历算法的火电厂管道三维模型转换的方法流 程包括以下实施步骤：

A.格式制定：通过对CAESAR软件帮助文档的翻译阅读，借助手册CAESAR IINeutral File版块，梳理出符合应力分析计算的Cii中间文件格式。Cii文件分为文档控制数据记录 单元，基本数据记录单元，包含弯头、大小头、三通等元件数据的辅助数据记录单元，以及 包含材料的其它数据记录单元共四大部分。

借助Cii文件格式的梳理，制定在CAD三维建模时需要在模型扩展属性XDATA里填写的 不同元件的属性信息，这些元件包括：管道、弯头、大小头、方圆节、三通与接管座、通用 刚性件、阀门、支吊架逻辑点、端点热位移。针对每一类元件的不同形式，例如三通阀、角阀等特殊元件也做了相应的特别处理便于程序识别。

通过格式的制定统一了建模人员对创建三维模型的规范化、制度化、标准化处理。

B.数据获取：通过在CAD平台上进行二次开发的方式获取模型数据。具体的，基于.NET 框架，根据AutoCAD提供的二次开发接口AutoCAD.Net API访问当前打开的dwg图形。Application对象是API接口的根对象，通过该对象，可以访问主窗口以及任何打开的图形。一旦获得了图形，就可以访问图形中的Document对象、Database对象、Transaction对象 以及选择集对象SelectionSet，进而可获得当前视图中三维模型的所有元件的Entity对象，从而获取到模型各个数据，这些数据主要包括：标识编码、名称、外径壁厚、温度压力、材料、单重等。

将每个实体Entity对象的数据以字节流StringBuilder的方式存入文本文件中，此时的 文件即可认为是数据库文件，文件中每一行的String信息即是dwg视图内某个实体Entity 对象的具体描述。由于获取的视图内所有实体对象，存在着对生成管道cii文件无用的信息， 需要在文本文件中删除某些无用的行信息。

C.生成管道拓扑结构关系：逐行读取文本文件，根据步骤A中制定的XDATA格式将不同 元件的信息写入到程序对应的以Object基类为元素的链表中，主要包括有：TUBI类、Elbow 类、Tee类、Reduce类、Valve类、Atta类、Cap类、PipeEndPnt类。基于深度优先遍历将链表内无序的元件组合生成具有和CAD三维模型相同连接拓扑关系的管系。

C1.采用ORM对象关系映射模式，根据每行数据中的标识acadId以及其它属性信息，按 照顺序执行的程序基本控制结构读取属性第一个字段，首先判断PipeEndPoint即端点热位移 并生成PipeEndPnt类，继续判断zdjljdsx即逻辑支吊架并生成Atta类，最后判断第一个字 段为lbjsx的第三个字段名称，包含有阀字样则生成Valve类，包含有封头或堵头字样则生 成Cap类，包含有三通字样则生成Tee类，包含有弯头或弯管则生成Elbow类，包含有异径 管或大小头字样则生成Reduce类，包含有钢管或圆管则生成TUBI类。针对生成的每一个元 件对象将其访问标志Visit置为False并放入链表内，直至读取到文本最后一行，完成文本 到Object的映射。

C2.从所有元件对象组成的链表里坐标最靠近原点(0,0,0)的对象开始，利用深度优先遍 历算法对无序元件对象进行遍历，生成具有拓扑逻辑关系的管系：

a)将当前元件对象访问标志置为True，按照循环结构依次读取链表内元件对象的坐标， 判断坐标起点终点或中心点与当前元件的起讫点是否相等；

b)如果相等则将该元件对象置为当前元件对象并跳出循环，将其加入到临时存放管道分 支的list表里同时将其从所有元件对象的链表里删除。如果没有找到相等的，则将临时list 表放入存储管系的集合中，即生成一个管系的分支。

c)判断所有元件对象的访问标志Visit，如果均为True则所有元件对象均被访问生成了 分支的元件，集合就为最终的管系。如果并非全部是True则继续将链表内的第一个元件对象 设置为当前元件；

d)重复a)-c)步骤，直至链表内所有元件均访问即链表内元件对象数量为0，生成了存放 管系的元件集合。

D.生成中间文件Cii：根据步骤C中存放管系的集合，循环读取每一个分支branch。

生成Cii文件控制数据记录单元：读取管系集合内每一个分支，统计管系元件总个数 NUMELT，弹簧支吊架个数NOHGRS，大小头个数NORED，弯头个数BEND，刚性件个数RIGID，约束个数Restraint，端点热位移个数Displacement以及三通个数Intersection。

生成Cii文件基本数据记录单元：此单元涉及到某两个元件对象之间的数据。输出单元 起始结束节点的编号，管道编号按管道流向对直段和弯管以10为间隔，从10000开始编号， 弯头节点位置为弯管中心点；沿管道流向，管道自由端从501开始编号；三通元件的编号按 照已有的glif编号，沿管道流向从301开始编号；从管道分支头开始，支吊架以1为间隔， 从1开始编号；刚性件(法兰、阀门和垫片)不进行节点编号；偶然荷载点(集中荷载)以 100为间隔，从800开始编号；根据元件间坐标计算输出单元在坐标系中XYZ的投影距离，输出单元的外径、壁厚，输出单元保温层的厚度，输出工况下操作温度、压力，输出保温层密度，输出管道内流体密度，输出单元终止节点弯头的编号(没有则为0)，输出单元终止节点刚性件的编号，输出单元终止节点约束的编号，输出单元终止节点位移荷载的编号，输出单元终止节点三通的编号，输出单元终止节点大小头的编号。

生成Cii文件辅助数据记录单元：辅助记录单元分为弯单元、刚性元、约束、位移荷载、 三通单元、大小头单元。记录弯单元的弯头半径；记录刚性单元刚性件重；记录约束的节点 号(节点编号为基本数据记录部分对应元件)，约束类型，约束在XYZ上的方向余弦；记录位 移荷载的分支头或分支尾位移的分量Dx、Dy、Dz；记录三通单元的三通节点号，平面内应力 增强系数；记录大小头末端外径，末端壁厚。

生成Cii文件其它数据记录单元：记录材料表对应ID，需要根据Cii中的材料和PDMS 的材料映射关系，对应查找材料ID；记录单位换算的单位换算常量、单位；记录坐标校核中 管道起始节点号、节点XYZ坐标。

E.创建PDMS模型：在PDMS设计平台内通过自主开发的插件打开Cii文件并解析各个单 元数据到程序数据池中，针对步骤D完成与之相反的逆过程，生成PDMS与CAD三维模型逻辑 结构和数据属性完全一样的火电厂管道三维模型。

E1.由于在CAESAR计算软件中不完全是按照Cii文件格式输出相应管道三维模型(即通 过CAESAR完成应力计算后的Cii文件与步骤D中生成的文件不完全一样，但所表达的管道模 型是一样的)，为了使导入模型方式具有更大的适用性，通过读取Cii文件基本数据单元的单 元起讫节点号，将它放入单元节点表中。

E2.按端点-三通的形式对节点表进行合并，删除重复的节点号，共2n+1个端点-三通小 分支(其中n代表管系三通个数)，特别地在处理三通问题上，对同一个三通连接的不同小分 支按方向向量的方式来处理P1、P2及P3点，任意两个向量相等则认为是主管段即P1-P2， 另一分支就为支管段即P3，按此建立管系的每个分支branch；

E3.在PDMS上创建Zone及下面的Pipe层级，自动填充DBelement的名称、管道等级。针对每个branch分支，生成其下的所有元件，根据元件外径壁厚找到元件库等级，根据元件温度压强找到等级库属性，从而根据元件库等级库及不同元件的不同属性数据信息创建出管 道模型。

Claims (7)

1.一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、制定管道元件的信息格式；

B、获取管道及其管件的CAD三维模型数据；

C、根据CAD三维模型数据生成元件对象链表，并将访问标识设置为False；

D、利用深度优先遍历算法对元件对象链表中的元件生成具有管道拓扑连接关系的集合；

E、根据集合内不同分支的管系生成中间文件；

F、根据中间文件生成与CAD三维模型相对应的火电厂管道PDMS三维模型。

2.如权利要求1所述的一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法，其特征在于，步骤A中，所述制定管道元件的信息格式，具体包括：

借助Cii文件格式的梳理，制定在CAD三维建模时需要在模型扩展属性XDATA里填写的管道元件的属性信息的格式。

3.如权利要求2所述的一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法，其特征在于，步骤B中，所述获取管道及其管件的CAD三维模型数据，具体包括：

识别当前CAD视图的三维模型，获取视图内所有管道及其管件的模型实体，将所有模型实体的扩展属性XDATA通过数据流的方式写入到文本文件中,并过滤掉无用的XDATA。

4.如权利要求3所述的一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法，其特征在于，步骤C中，所述根据CAD三维模型数据生成元件对象链表，具体包括：

逐行读取并解析文本文件中的XDATA信息，生成包含三维模型所有元件的对象链表。

5.如权利要求1所述的一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法，其特征在于，步骤D中，所述利用深度优先遍历算法对元件对象链表中的元件生成具有管道拓扑连接关系的集合，具体包括：

从元件对象链表里最靠近原点坐标的对象开始进行深度优先遍历，遍历过程为：

(1)将当前元件对象访问标志置为True，按照循环结构依次读取链表内元件对象的坐标，判断坐标起点、终点或中心点与当前元件的起讫点是否相等；

(2)如果相等则将该元件对象置为当前元件对象并跳出循环，将其加入到临时存放管道分支的list列表里，同时将其从所有元件对象的链表里删除；如果不相等，则将list列表放入存储管系的集合中，即生成一个管系的分支；

(3)判断所有元件对象的访问标志，如果不均为True，则将链表内的第一个元件对象设置为当前元件；

(4)重复步骤(1)-(3)，直至链表内所有元件均被访问，生成了存放管系的元件集合。

6.如权利要求1所述的一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法，其特征在于，步骤E中，所述根据集合内不同分支的管系生成中间文件，具体包括：

读取存放管系的元件集合中的不同分支信息，生成满足CAESAR计算格式的后缀为.Cii的中间文件，所述中间文件包括：控制数据单元、基本数据单元、辅助数据单元和其他数据单元四个部分。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种基于深度优先遍历的火电厂管道三维模型转换方法，其特征在于，步骤F中，所述根据中间文件生成与CAD三维模型相对应的火电厂管道PDMS三维模型，具体包括：

F1.根据中间文件读取基本数据单元起始点，存入单元节点表；

F2.按端点-三通的形式对节点表进行合并，删除重复的节点号，对同一个三通连接的分支按方向向量的方式来处理三通的节点，任意两个分支向量相等则判定为主管段，另一分支即为支管段，按此建立管系的每个分支branch；

F3.在建立好的分支branch基础上创建每个分支的元件，完成向PDMS模型的转换。

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