空調箱中靜電過濾器自動排布算法研究

張文曉

摘要：本文旨在介紹一種算法，實現空調箱過濾段中靜電過濾器的自動排布，以及參數輸出。

關鍵詞：空調箱；靜電過濾器；自動排布；CAD自動畫圖

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）09-0263-03

Abstract： This paper aims to introduce an algorithm to realize the automatic arrangement of electrostatic filters in the filter section of AHU and the output of parameters.

Key words： AHU； Electrostatic Filters； automatic arrangement； CAD automatic drawing

在發展中國家，隨著城市經濟的迅猛發展，機場、地鐵、火車站、酒店等大型公共建筑與人們的生活、工作日益密切。人們在享受著中央空調帶來前所未有的舒適的同時，卻正在失去或已經失去了可貴的健康！人類在經歷了“煤煙污染”“光化學煙霧污染”危害之后，正在進入以“空氣污染為主的第三代污染時期。如何治理改善密閉建筑的室內空氣質量，創造安全舒適的生活環境，已經成為近年來全球暖通空調專業人士關注的重點課題之一。

隨著對空氣過濾等級的要求越來越高，靜電過濾器以其高效凈化、高效節能、綠色環保等優點，受到客戶青睞。然而，為了滿足客戶需要，目前空調箱產品的最大特點是——配置多。配置的增加對于設計來說往往意味著工作量的增加，那么，如何找到一種辦法進行批量設計，成為亟待解決的問題。

基于這種現狀，本文介紹一種算法，使設計者可以在Excel（或其他軟件）中通過編程的方法，實現靜電過濾器的自動排布。以及，對排布之后的結果輸出，作為下游設計（如鈑金設計）輸入。

1解決方案

1.1背景介紹

1.1.1設計輸入與輸出

不同規格的空調箱，對應多種長寬尺寸，在本文所述自動排布的數學模型里，相當于有多個矩形框。靜電過濾器也有多種尺寸（本文實例中有2種型號），每個尺寸的靜電過濾器，相當于一個小的矩形框。于是，在空調箱的箱體空間里排布靜電過濾器，抽象成數學模型，就是如何選擇合適尺寸的小矩形框，來填充大矩形框的問題。至此，熟悉生產制造工藝的讀者可能會覺得，這個問題有點類似于板材切割下料時的排料問題。的確，二者有相似之處，筆者也曾嘗試用排料軟件來實現自動排布。但結論是，二者算法上還是存在差異，無法套用現成的軟件來實現。區別如下：

因此，無法用現成軟件來達到目的。

綜上，設計輸入為：

機組的長寬系列尺寸

可選靜電過濾器型號及尺寸

設計輸出為：

每個機組的靜電過濾器布局

確定布局后，輸出所用靜電過濾器的數量、前后左右的剩余間隙（為鈑金件設計提供數據）、對應風量（為系統計算阻力提供參數）；

1.1.2靜電過濾器型號及特點

本例可選靜電過濾器有兩種，代號分別為DV、SV，結構見下圖。二者結構特點為：

1.DV只能豎放；SV可以橫放也可以豎放；

2.一臺DV的通風量是SV的2倍；

3.一臺DV的成本低于兩臺SV的成本；

1.1.3靜電過濾器的排布規則

首先，請讀者想象，我們要像搭積木一樣，用可選的兩種靜電過濾器的“搭”出一個矩形框。考慮1.2.1中所述的靜電過濾器的特點，制定排布規則如下：

1.DV可以在單位成本下實現更大的通風量，因此從成本上考慮，應盡可能多用DV；

2.水平方向，對用DV排布之后，剩余的空間，嘗試用SV（豎放）填充；豎直方向，對DV排布之后，剩余的空間，嘗用SV（橫放）填充；

3.對某些空間尺寸，可能全部用SV（橫放）填充；

然后，我們要做的是，把靜電過濾器排出的矩形框，往空調箱的箱體空間里放，這個過程相當于把一個小矩形框放到令外一個大矩形框里。此過程規則如下：

1.考慮向一側靠邊的時候，可以節省一塊擋風板，但如果導致另一側間隙過大，則考慮居中；

2.底部需要有鈑金支撐，需要預留空間因此不能向下靠邊；

3.不能有兩側同時靠邊的情況，因為此時結構無法固定（兩邊懸空）；

1.2算法介紹

1.2.1總則

請讀者思考，當我們在CAD里人工排布的時候，會怎么做？我們一般會按照這樣的思路：

v首先，我們會沿著X方向先排第一行，當單純考慮一個方向，我們可能有兩種排法，即豎排和橫排，代碼為V和H；

v然后，我們會把第一行陣列，去排Y方向。這時，我們的排布結果可能是V，VH，H；

v最后我們會綜合X方向、Y方向的排布，做出對比，決定最后的排布方式。

程序設計邏輯亦是如此，下面分步介紹。

1.2.2計算由橫向尺寸決定的排布代碼

邏輯如下：

1.如果SV17_H < sec_w < DV34_W，說明機組寬度只能放下一個SV，則此時arg_cod_row = "V"

2.如果sec_w > DV34_W

a.判斷用n個DV排布之后，剩余空間能否放下一個SV

i.如果不能，則按照Hgap_V =sec_w - Int（1） （（sec_w - OverLap） / （DV34_W - OverLap）） * DV34_W，計算水平間隙；

ii.如果能，則按照Hgap_V = sec_w - Int（（sec_w - OverLap） / （DV34_W - OverLap）） * DV34_W - （SV17H_H - OverLap），計算水平間隙；

b.計算如果排列方式為H時的水平間隙，Hgap_H = sec_w Mod（2） SV17_H

c.對比兩種方案，如果Hgap_H < Hgap_V，則arg_cod_row = "H"，否則arg_cod_row = "V"；

（1）Int為取整函數；（2）Mod為取余函數

1.2.3計算由縱向尺寸決定的排布代碼

邏輯如下：

1.判斷用n個DV豎直擺放后Y方向的剩余間隙，能否放下一個SV（橫放）

a.如果不能，則Vgap_V = sec_h Mod DV34_H，arg_cod_col = "V"

b.如果能，則 Vgap_V = sec_h Mod DV34_H - SV17_W，arg_cod_col = "VH"

2.求當全部由SV橫放時，Y方向的剩余間隙Vgap_H = sec_h Mod SV17_W

3.對比步驟1所得間隙和步驟2所得間隙，如果Vgap_H < Vgap_V，則arg_cod_col = "H"

1.2.4綜合橫向排布代碼和縱向排布代碼，做出最終決策

針對可能的組合，分別判斷，邏輯如下：

Case1：毫無疑問，最終排布代碼arg_cod=V；

Case2： 組合最終排布方式可能是V和H，這時要用一個風量計算函數（3）比較兩種方式的出風量，如果V排布下風量大，則arg_cod=V，否則arg_cod=H；

Case3： 組合排布方式可能是V、H、或VH。這種情況比較容易造成誤判，而遺漏VH，需要特別注意。

問題在于，我們最后要拿由單個方向的最優排布策略決定的最終排布，去做對比。如果單純考慮垂直方向的最優策略為H，那么最終決策是H。如果單純考慮水平方向最優策略為V時，最終策略可能為V，也有可能是VH。那么我們得到三種可能的最終排布方式，即H、V、VH。

因此，我們需要比較排布為V、VH、H三種情況下的風量，風量大者為最終排布代碼；

Case4： 毫無疑問，最終排布代碼arg_cod=H；

Case5： 毫無疑問，最終排布代碼arg_cod=VH；

Case6： 組合最終排布方式可能是VH和H，比較兩種方式的出風量，如果VH排布下風量大，則arg_cod=VH，否則arg_cod=H；

（3）風量計算函數包含在結果輸出函數里，結果輸出函數的輸入是最終的排布代碼arg_cod，sec_w，sec_h，輸出為SV以及DV的行列數，以及在此種代碼排布下的風量；

1.3結果數據輸出

將上述步驟中計算得到的排布代碼、位置代碼、DV/SV的行列數、組合寬度、組合高度、底部間隙、左側間隙、風量等參數，輸出到相應的表單里。

其中，底部間隙、左側間隙即為設計鈑金件的輸入參數。

1.4數據檢驗

1.4.1Excel驅動CAD實現自動排圖

在結果數據輸出以后，如何驗證？直觀的辦法就是在CAD里作圖，看排布的情況到底如何。那么如果程序能夠根據結果數據，調用CAD自動畫排布圖，那么會使問題數據的檢驗、甄別非常高效。

自動畫圖實現的手段為：

先將DV、SV做成圖塊，存在一個固定模板里；

利用程序調用此模板，并調用1.3輸出的結果數據，實現圖塊的自動組裝；

與此同時，完成箱體邊框、風口的繪制，以及尺寸的標注等過程。

2優勢與不足

2.1優勢

2.1.1效率的提高

當組合數很多，再用傳統的手段在CAD中逐個排圖，效率很低。

程序對于批量的重復性勞動無疑是最好的選擇，一旦程序設計好，運行時間是可以忽略的。尤其在設計要變更，邏輯變化的時候，只需要修改少量代碼即可實時地得到運算結果。

2.1.2設計過程標準化

傳統設計手段在面臨如此大數據量的時候，只能通過分段，分項目逐次設計的辦法實現。但這樣很難保證兩次設計的一致性，從而使設計不能按照統一原則進行。為以后統型、修改帶來不便。

如果用程序設計，程序代碼本身就是對整個設計過程的很好記錄。程序運行可以保證結果數據是按照統一規則得到，可以大大降低錯誤發生率。

2.1.3方便后續擴展

用傳統的設計手段，如果想新增靜電過濾器型號，那意味著要重復整個設計過程。而用程序設計，只需要擴展基礎數據表，再運行一下程序，即可得到結果，大大方便了后續數據的擴展。

2.2不足

本文中所述算法，是以實現最大通風量作為選擇排布方式的主要依據的，但有的空調箱，不一定非要把過濾器排到最“滿”，就可以滿足系統風量的要求。這時，需要對結果數據中的風量，與系統要求風量對比。

另外，如果結構上不能按照一個統一的規則設計，那么輸出結果仍然需要再進一步處理，才能滿足工程需要。例如，當SV橫排時，即排布代碼為H時，如果小于2行，排布方式是兩個過濾器直接搭接。如果大于2行，那么每2行之間需要加隔板加強。這樣就意味著設計就不能按統一規律進行，這樣輸出的結果就要再考慮這些特殊因素進行修正后才能使用。

當然，即便如此，輸出結果對設計仍然具有很強的指導意義。

3結束語

本文主要闡述了一種實現靜電過濾器在空調箱里自動排布的算法，并且用程序的手段，將數據快速地變成AutoCAD中的圖形，以便實時進行數據可視化檢驗。

此外，就算法本身，也仍然可以拓展，例如，如果我們可以引入成本參數，把滿足設計需求的前提下成本最小化當作衡量指標，追求成本最低。這樣輸出結果，就可以作為降低成本項目方案選擇的指導。本文中靜電過濾器待選型號為2種，如果是多種，則排布方式將有所不同，需要對算法進行調整。

當然，如果用Creo軟件進行建模、出圖，那么可以將數據格式設計成和Creo里的族表里參數格式一致。這樣，從Excel里輸出的數據，作為三維建模時的輸入，直接復制到族表里，即可驅動Creo實現批量模型生成。如此，即可完成從設計輸入（參數表），到設計輸出（模型、圖紙）的整個過程的參數化、自動化。

參考文獻：

[1] 張帆，鄭立楷，王華杰 AutoCAD VBA 開發精彩實例教程[M].北京：清華大學出版社，2004.

[2] Excel Home，Excel VBA 實戰技巧精粹[M]. 北京：人民郵電出版社，2013.

[3] 靜電過濾器廠家樣本.

【通聯編輯：梁書】