海洋石油平臺電纜敷設優化設計軟件的開發及應用

黃太安，王 佳，張小鋼，邢蘭昌，賈明鑫，蔣小華，李玉明

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

海洋石油平臺電纜敷設優化設計軟件的開發及應用

黃太安，王 佳，張小鋼，邢蘭昌，賈明鑫，蔣小華，李玉明

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

海洋石油平臺建造過程中，電纜敷設路徑的精確定位和電纜材料的精確控制一直是一個難點。結合三維模型精確計算出電纜敷設路徑及長度，在此基礎上實現電纜預裁，無疑是解決該難點的有效方法。電纜敷設優化軟件利用電纜路徑的節點原理，基于PDMS平臺進行二次開發，通過高效算法在關鍵節點自動進行電纜排布，能夠準確計算出電纜長度，有效提高電纜路徑敷設效率，節省電纜材料成本。

海洋石油平臺；電纜敷設；PDMS；材料控制

0 引 言

隨著海洋石油平臺日趨大型化、復雜化和智能化，平臺上的電力電纜、儀表控制電纜、通信電纜等的種類規格日趨繁多，數量也日趨龐大。而由于海洋石油平臺的空間局限性，設備、管道、通風、電氣、儀表等專業必須共同使用有限的空間，導致電纜托架的空間布置錯綜復雜，給電纜敷設工作帶來了極大的困難。電纜作為平臺的“動脈和神經”，其施工是否符合相關標準規范、滿足安全運行要求，直接關系到平臺生產、運行、人員及設備的安全。電纜敷設既要滿足一定的施工規范，又必須考慮電纜材料的用量，以達到項目的成本目標。面對成千上萬根電纜，如何進行路徑優化設計[1-2]，毫無疑問是電纜敷設工作的關鍵點。針對這一問題，本文基于PDMS(Plant Design Management System)平臺進行二次開發，通過高效算法在關鍵節點自動進行電纜排布，利用開發的電纜敷設優化軟件，實現海洋石油工程領域電纜的精確設計和施工。

1 軟件設計原理

本系統的開發是利用節點原理，結合PDMS二次開發，制定高效準確的電纜敷設路徑，其算法考慮節點處的電纜排布，較為準確地計算出電纜使用長度，有效提高電纜路徑敷設效率，節省電纜的材料成本。

1.1 優化算法設計

算法不僅要實現尋找電纜敷設路徑的最短路徑，還要實現重要節點處的電纜排布優化，較為準確地計算出電纜的理論長度和電纜截面圓心的絕對坐標，提高電纜路徑定位的準確度。在進行路徑和截面優化的同時，還要兼顧填充率、彎曲半徑等工藝要求。

1.1.1最短路徑的實現

用于解決最短路徑問題的算法被稱作“最短路徑算法”，簡稱“路徑算法”。最常用的路徑算法有Dijkstra算法、Bellman-Ford算法、SPFA算法以及DAG 圖算法[3]。

Dijkstra算法解決了有向圖上帶權的單源最短路徑問題，時效性好，使用了貪心策略；Bellman-Ford 算法能在一般的情況下(存在負權邊的情況下)，解決單源最短路徑問題；SPFA 算法是Bellman-Ford 的隊列優化，時效性相對好，但SPFA 的算法時間效率是不穩定的，即它對于不同的圖所需要的時間有很大的差別；DAG 圖算法是有向無回路圖計算單源最短路徑的算法。

經過比較這四種算法，聯系海洋石油平臺電纜敷設的實際，本系統采用效率穩定和復雜度適中的Dijkstra算法進行路徑優化設計。

Dijkstra算法是典型最短路徑算法，在大量的最短路徑算法中，Dijkstra算法是一種最經典的方法，很多算法都是在該算法的基礎上經過改進發展而來。

Dijkstra算法主要思想為：通過遍歷整個圖找到每個點的最短路徑，從而確定目標點的最短路徑。Dijkstra 算法設置了一頂點集合S，從源點s到集合中的頂點的最終最短路徑的權值均已確定。算法反復選擇具有最短路徑估計的頂點u，u∈V-S，并將u加入S中，對u的所有出邊進行松馳。

隨著網絡空間數據的增大，網絡節點數的增加，直接使用Dijkstra算法會占用計算機的內存，降低處理效率，而且遍歷的節點過多會使算法速度下降。為了處理大數據量的最短路徑問題，我們通過避免使用關聯矩陣，利用網絡拓撲信息中的弧段的連接關系，對Dijkstra算法進行了優化。優化后該算法可以節約大量的內存，對于結點數比較大的網絡，或帶有大量拐向限制設置的網絡，具有較好的適用性[4]。

最短路徑將以路徑所經過的各個節點的編號的形式給出(編號之間用@分隔)，同時計算出路徑的總長度。將優化完成的路徑存儲待下面使用和進一步優化。

1.1.2處理存在必經點和回避點的路徑

首先我們要判斷是否存在必經點和回避點。若不存在必經點和回避點，仍使用第一次優化后的最短路徑，同時為防止算法出錯，賦值存放必經點和回避點的存儲空間為“無”。若經判斷存在必經點和回避點，則做進一步處理。

存在必經點時，把必經點當作中間點，進行兩次路徑優化，然后把得到的兩段路徑相加便得到經過必經點的最短路徑。

例如：求點A到點B的最短路徑，必經點為H。先求出點A到點H的最短路徑：A→C→D→H；再求點H到點B的最短路徑：H→L→M→O→B；把兩段最短路徑相加：A→C→D→H→L→M→O→B，便得到點A到點B且經過點H的最短距離。存在多個必經點采用相同的處理方法。若經過必經點路徑無法敷設，則報警輸出相應的警告信息。

存在回避點時，處理該路徑前把回避點對應的數據信息和連接關系暫時刪掉，求出的最短路徑就不包含回避點。刪掉回避點電纜無法敷設時，報警輸出相應的警告信息。

用經過必經點和回避點優化后的最短路徑代替之前的最短路徑，若有警告信息輸出，則沿用之前的最短路徑。

1.2 電纜排布優化的實現

當有多根電纜通過同一節點、電纜敷設路徑出現拐彎時，為防止電纜出現排布不合理、交叉、纏繞等情況，必須進行電纜排布的優化。

1.2.1排布的規則

(1) 先排粗電纜，后排細電纜。

(2) 先排總體路徑長的，后排路徑短的。若與(1)沖突，則優先考慮(1)。

(3) 先把底面布滿，然后再排到第二層第三層。

(4) 保證電纜的彎曲半徑不低于電纜直徑的10倍，如果電纜托架的彎曲半徑不夠，則把這個電纜放在最外側。

1.2.2截面排布優化

不同電纜在同一節點截面排布的優化是通過對電纜截面圓心絕對坐標的處理來實現的。根據電纜的半徑和排放規則，可以計算出各個圓心的絕對坐標，從而得出電纜在該節點的位置。

電纜走向不同，圓心絕對坐標的計算也不同，在計算之前需要判斷電纜的走向。根據電纜托架節點的坐標即可判斷電纜的走向。

不同走向的兩段電纜托架的俯視圖如圖1所示。A、B、C、D分別為電纜托架底面中心線的起始點，其絕對坐標分別為：A(x1,y1,z1)，B(x2,y2,z2)，C(x3,y3,z3)，D(x4,y4,z4)。空間直角坐標系符合右手螺旋法則。當x1=x2，y1≠y2時，托架方向為y軸正方向，即水平方向。當x3≠x4，y3=y4時，托架方向為x軸正方向，即豎直方向。

1.2.3托架拐彎處的處理

電纜托架俯視圖如圖2所示，托架拐彎處節點(A點、C點、E點、G點)是由連接拐彎處直托架的底面中心線的交點定義的。例如：拐彎處的節點A，是托架HA和托架AB底面中心線的交點。

圖2所示托架的拐彎處共有四種情況。設拐彎處節點(如A點)坐標為(x,y,z)，前一個節點(如H點)坐標為(x0,y0,z0)，后一個節點(如B點)坐標為 (x1,y1,z1)。

當x=x0，y>y0，xy1(逆時針敷設)時，該拐彎為A點處的拐彎。

圖2 托架拐彎處節點Fig.2 Cable tray corner node

當x>x0，y=y0，x=x1,y>y1(順時針敷設)，x=x0，y>y0，x>x1,y=y1(逆時針敷設)時，該拐彎為C點處的拐彎。

當x=x0，yx1,y=y1(順時針敷設)，x>x0，y=y0，x=x1,y

當x

針對上述四種不同的拐彎情況，在圓心絕對坐標的計算過程中做相應的處理。

1.2.4填充率優化

在電纜排布的過程中，填充率也是十分重要的因素。在一般情況下，電力電纜的梯架和托盤內的填充率可取40%～50%，控制電纜可取50%～70%，且宜預留10%～25%工程發展余量。在電纜托架的寬度和高度已經確定的情況下，可以通過控制電纜的數量使填充率在規定的范圍內。

2 軟件功能實現

電纜路徑敷設優化設計程序流程如圖3所示。

2.1 獲取已有電纜路徑

采用一種新的電纜布線解決方案，在獲取現有電纜托架路徑的基礎上用實體模型電纜進行布線設計。可以使用程序自動獲取已有的電纜托架路徑，并用Cableway進行標記。Cableway是PDMS電纜解決方案中自帶的電纜占位元素，用于電纜布置占位。Cableway包含5類主要的子元素：HATTA(頭)、TATTA(尾)、Route Point(位置定位點)、Route Note(多用途標記點)、Attachment Point(分支接入點)。可以將電纜托架的所有特殊位置點用Route Point點表示出來，包括托架的起止位置、彎頭、爬坡、變徑等。至于路徑寬度、高度、彎曲半徑等參數則需在Cableway Branch級進行設置。

首先獲取電纜托架路徑，包括電纜托架路徑和非電纜托架路徑。所有電纜可以使用的路徑均由Cableway定義完成。本系統直接使用Cableway的Route Point和Attachment Point作為電纜路徑關鍵點。關鍵點位置信息及關鍵點之間連接關系如圖4和圖5所示。

圖3 程序流程圖Fig.3 Flow chart of program

圖4 關鍵點位置信息Fig.4 Key point location information

圖5 關鍵點之間連接關系Fig.5 Connection relation information of cable route

2.2 導入電纜清冊

電纜清冊格式如圖6所示，其中包含了電纜編號、型號等信息。要進行電纜布線，除了這些信息我們還需要電纜的外徑、起止位置的關鍵點，這些信息需要手動補錄入表中。添加缺失屬性后的電纜清冊如圖7所示。

圖6 電纜清冊Fig.6 Cable list

圖7 修改后的電纜清冊Fig.7 Cable list revised

導入修改后的電纜清冊再加上獲取的電纜路徑，電纜路徑自動優化計算的數據準備就完成了，可以通過優化算法對電纜路徑進行優化。

2.3 電纜路徑優化

電纜鋪設路徑優化插件的功能包括：(1)導入所需數據，即電纜清冊和電纜路徑；(2)自動路徑尋優，即電纜路由優化和截面排放優化；(3)人工調整，即專業人員對自動路徑尋優結果的適度調整；(4)最優路徑導出，即輸出最終的電纜敷設路徑結果。

以上功能開發通過兩個步驟來實現：(1)優化算法的開發與驗證，即應用功能強大的數值計算軟件MATLAB所提出的優化算法進行程序實現，并通過實例進行算法驗證，以確保算法與程序的正確性與穩健性；(2)代碼轉換與插件開發，即將所開發的MATLAB程序進行代碼轉換，轉換為C程序，可直接用于開發PDMS的插件。

2.3.1信息預處理

以上數據準備已經為電纜路徑優化提供了必要的數據信息，即電纜可選擇的路徑(如電纜托架路徑、馬腳等)和電纜參數(如編號、型號、外徑、起始位置等)；除此之外，作為優化計算約束信息的設計工藝要求(如填充率、彎曲半徑等)也已經明確。

下面需要對以上數據信息和約束信息進行數學模型化預處理，即將這些信息轉換為優化算法能夠識別、處理的模型化數據。基于以上模型化數據，應用MATLAB畫出的電纜托架路徑圖如圖8所示。

圖8 應用MATLAB畫出的Cableway圖形Fig.8 Cableway graphics drawn by MATLAB

2.3.2路由優化計算

路由優化計算采用Dijkstra算法。Dijkstra算法是典型的單源最短路徑算法，用于計算一個節點到其他所有節點的最短路徑。主要特點是以起始點為中心向外層層擴展，直到擴展到終點為止。

下面通過計算實例說明如何采用Dijkstra算法進行電纜路由優化。假設電纜路徑由8個節點互聯而成，連接關系如圖9所示，每兩個節點之間的距離各自定義，可相同也可不同。現在需要鋪設電纜將節點1和節點8連接，應用路由優化算法尋找最短的路徑，轉化為以下模型。

(1) 各路徑起始節點： [1,1,1,1,1,2,2,3,3,4,4,5,5,6,6,7]。

(2) 各路徑終止節點：[2,3,6,7,5,3,4,4,5,5,8,8,6,7,8,8]。

(3) 各路徑權值：[1,2,4,8,7,2,5,1,5,3,6,4,3,2,6,4]。

(4) 尋找節點1到節點8的最優路徑。

圖9 節點以及路徑圖Fig.9 Node and route graph

進行路由優化計算，得到連接節點1和節點8最短的路徑為：節點1—節點3—節點4—節點8，總長度為9。計算結果如圖10所示。

圖10 最優路徑圖Fig.10 Optimalized route graph

2.3.3截面排放優化計算

以上路由優化計算的結果為電纜截面排放優化計算提供了初步的電纜路徑信息。在獲取了初步的電纜路由優化計算結果后，首先根據工藝設計要求對結果進行檢驗并給出是否符合工藝要求的判斷結果。如果在某一(或某些)方面違反了工藝要求，則需要重新進行路由優化計算；如果完全符合工藝要求，則進行截面排放優化計算。

電纜截面排放優化計算過程充分考慮以下設計要求，如果存在某些設計要求相互抵觸，則優先滿足填充率、電纜彎曲半徑、強弱電纜類型等要求。

(1) 儀表電纜的相關加工設計，主要參照《工程建設標準強制性條文 (石油和化工建設工程部分)》。在加工設計時，相關內容主要體現在電纜滾筒清冊、儀表安裝程序和電纜護管的布置和加工設計圖中。

(2) 當幾種電纜托架垂直分層安裝時，應按如下順序設計：儀表信號線路、安全連鎖線路、儀表用交流和直流供電線路及電氣托架。

(3) 托架拐直角彎時，其最小的彎曲半徑不應小于托架內最粗電纜外徑的10倍。

(4) 本質安全型儀表的信號線和非本質安全型儀表的信號線應加以分隔。當儀表有特殊要求時，應按儀表安裝使用說明書的規定進行配線。

(5) 電纜托架的寬度應根據所布電纜的數量確定，一般填充率不超過托架容量的60%。

電纜截面排放優化計算方法主要采用智能搜索算法：第一，將各種設計要求進行優先級排序并數值化，對現有的電纜路由計算結果進行逐一檢驗以及總體檢驗，評價目前路由對設計工藝條件的適用度；第二，適用度為100%即為完全符合設計工藝要求，若小于100%則需根據相應的不適用指標的優先級進行截面排布調整，若截面排布調整后仍不能使得適用度達到100%，則需進行附加約束條件的路由優化，然后再次進行截面排布優化；第三，如果經過以上步驟仍不能實現適用度為100%，則需要進行人工調整。

2.3.4人工調整

為了進一步保證路徑優化結果的準確性、合理性和實用性，需要專業人員重新審視路徑優化結果，在發現適用度達不到100%的情況下對優化結果進行權衡和處理，如優先保證哪個指標等，在此基礎上對優化結果進行手動調整，調整的內容包括兩方面，即路由調整和截面排放調整。

2.4 軟件系統功能模塊

電纜路徑敷設優化功能最終由一個PDMS插件來實現。插件頁面如圖11所示。具體步驟如圖12～14所示。

圖11 PMDS插件界面Fig.11 Interface of PMDS plug-in

圖12 應用Cableway編號系統對電纜路徑進行編號Fig.12 Number cable route using Cableway numbering system

圖13 應用自動布纜系統導入電纜清冊Fig.13 Import cable list using automatic cabling system

圖14 應用自動布纜系統導出包含最優電纜路徑的數據文件Fig.14 Export the data file containing the optimized cable path using the automatic cable distribution system

3 結 語

本文對利用電纜路徑節點原理、結合PDMS二次開發的電纜敷設優化設計軟件的設計原理以及功能實現進行了詳細論述。該軟件系統利用“最短路徑算法”并充分考慮工藝要求，對電纜敷設路徑進行優化設計，不僅可以準確地計算出電纜的使用長度，還能提取關鍵節點處的電纜空間排布圖，為海洋石油平臺電纜預裁提供了數據基礎，能夠有效提高電纜路徑定位效率，節省電纜材料成本。該方案填補了國內海洋石油工程領域的空白，為電纜的精確設計和施工提供了可行的方法。

[1] 張鵬．基于遺傳算法的船舶電纜布置優化設計的研究 [D]．大連：大連理工大學，2014.

[2] 林偉波．敷設軟件在核電廠路徑設計中的應用及深化 [J]．中國科技信息,2013(20):74.

[3] 鄭海虹. 常用最短路徑算法分析與比較[J]．安徽電子信息職業技術學院學報,2013(4):31.

[4] 張福浩, 劉紀平，李青元. 基于Dijkstra算法的一種最短路徑優化算法[J] ．遙感信息，2004(2):38.

DevelopmentandApplicationofCableLayingRouteOptimizationSoftwareinOffshoreOilPlatform

HUANG Tai-an， WANG Jia， ZHANG Xiao-gang， XING Lan-chang， JIA Ming-xin， JIANG Xiao-hua， LI Yu-ming

[OffshorePetroleumEngineering(Qingdao)Co.,Ltd.,Qingdao,Shandong266520,China]

In the construction of offshore oil platform, the precise positioning of cable laying route and material control is always a big challenge. To slove this problem, we can realize the cable precut on the basis of accurate calculation of cable laying route and construction length in three-dimensional (3D) model. By making secondary development based on the principle of the nodes of the cable path and PDMS, we develop the cable laying route optimization software. It uses the efficient algorithm at key nodes to make automatic cable layout, so that we can accurately calculate the cable length, effectively improve the cable route laying efficiency and save the cable material cost.

offshore oil platform； cable layout; PDMS； material control

2016-04-07

黃太安(1982—)，男，高級工程師，主要從事海洋石油工程三維設計方面的研究。

TE541;TP319

A

2095-7297(2016)05-0323-08