空调箱中静电过滤器自动排布算法研究

张文晓

摘要：本文旨在介绍一种算法，实现空调箱过滤段中静电过滤器的自动排布，以及参数输出。

關键词：空调箱；静电过滤器；自动排布；CAD自动画图

中图分类号：TP391 文献标识码：A

文章编号：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

在发展中国家，随着城市经济的迅猛发展，机场、地铁、火车站、酒店等大型公共建筑与人们的生活、工作日益密切。人们在享受着中央空调带来前所未有的舒适的同时，却正在失去或已经失去了可贵的健康！人类在经历了“煤烟污染”“光化学烟雾污染”危害之后，正在进入以“空气污染为主的第三代污染时期。如何治理改善密闭建筑的室内空气质量，创造安全舒适的生活环境，已经成为近年来全球暖通空调专业人士关注的重点课题之一。

随着对空气过滤等级的要求越来越高，静电过滤器以其高效净化、高效节能、绿色环保等优点，受到客户青睐。然而，为了满足客户需要，目前空调箱产品的最大特点是——配置多。配置的增加对于设计来说往往意味着工作量的增加，那么，如何找到一种办法进行批量设计，成为亟待解决的问题。

基于这种现状，本文介绍一种算法，使设计者可以在Excel（或其他软件）中通过编程的方法，实现静电过滤器的自动排布。以及，对排布之后的结果输出，作为下游设计（如钣金设计）输入。

1解决方案

1.1背景介绍

1.1.1设计输入与输出

不同规格的空调箱，对应多种长宽尺寸，在本文所述自动排布的数学模型里，相当于有多个矩形框。静电过滤器也有多种尺寸（本文实例中有2种型号），每个尺寸的静电过滤器，相当于一个小的矩形框。于是，在空调箱的箱体空间里排布静电过滤器，抽象成数学模型，就是如何选择合适尺寸的小矩形框，来填充大矩形框的问题。至此，熟悉生产制造工艺的读者可能会觉得，这个问题有点类似于板材切割下料时的排料问题。的确，二者有相似之处，笔者也曾尝试用排料软件来实现自动排布。但结论是，二者算法上还是存在差异，无法套用现成的软件来实现。区别如下：

因此，无法用现成软件来达到目的。

综上，设计输入为：

机组的长宽系列尺寸

可选静电过滤器型号及尺寸

设计输出为：

每个机组的静电过滤器布局

确定布局后，输出所用静电过滤器的数量、前后左右的剩余间隙（为钣金件设计提供数据）、对应风量（为系统计算阻力提供参数）；

1.1.2静电过滤器型号及特点

本例可选静电过滤器有两种，代号分别为DV、SV，结构见下图。二者结构特点为：

1.DV只能竖放；SV可以横放也可以竖放；

2.一台DV的通风量是SV的2倍；

3.一台DV的成本低于两台SV的成本；

1.1.3静电过滤器的排布规则

首先，请读者想象，我们要像搭积木一样，用可选的两种静电过滤器的“搭”出一个矩形框。考虑1.2.1中所述的静电过滤器的特点，制定排布规则如下：

1.DV可以在单位成本下实现更大的通风量，因此从成本上考虑，应尽可能多用DV；

2.水平方向，对用DV排布之后，剩余的空间，尝试用SV（竖放）填充；竖直方向，对DV排布之后，剩余的空间，尝用SV（横放）填充；

3.对某些空间尺寸，可能全部用SV（横放）填充；

然后，我们要做的是，把静电过滤器排出的矩形框，往空调箱的箱体空间里放，这个过程相当于把一个小矩形框放到令外一个大矩形框里。此过程规则如下：

1.考虑向一侧靠边的时候，可以节省一块挡风板，但如果导致另一侧间隙过大，则考虑居中；

2.底部需要有钣金支撑，需要预留空间因此不能向下靠边；

3.不能有两侧同时靠边的情况，因为此时结构无法固定（两边悬空）；

1.2算法介绍

1.2.1总则

请读者思考，当我们在CAD里人工排布的时候，会怎么做？我们一般会按照这样的思路：

v首先，我们会沿着X方向先排第一行，当单纯考虑一个方向，我们可能有两种排法，即竖排和横排，代码为V和H；

v然后，我们会把第一行阵列，去排Y方向。这时，我们的排布结果可能是V，VH，H；

v最后我们会综合X方向、Y方向的排布，做出对比，决定最后的排布方式。

程序设计逻辑亦是如此，下面分步介绍。

1.2.2计算由横向尺寸决定的排布代码

逻辑如下：

1.如果SV17_H < sec_w < DV34_W，说明机组宽度只能放下一个SV，则此时arg_cod_row = "V"

2.如果sec_w > DV34_W

a.判断用n个DV排布之后，剩余空间能否放下一个SV

i.如果不能，则按照Hgap_V =sec_w - Int（1） （（sec_w - OverLap） / （DV34_W - OverLap）） * DV34_W，计算水平间隙；

ii.如果能，则按照Hgap_V = sec_w - Int（（sec_w - OverLap） / （DV34_W - OverLap）） * DV34_W - （SV17H_H - OverLap），计算水平间隙；

b.计算如果排列方式为H时的水平间隙，Hgap_H = sec_w Mod（2） SV17_H

c.对比两种方案，如果Hgap_H < Hgap_V，则arg_cod_row = "H"，否则arg_cod_row = "V"；

（1）Int为取整函数；（2）Mod为取余函数

1.2.3计算由纵向尺寸决定的排布代码

逻辑如下：

1.判断用n个DV竖直摆放后Y方向的剩余间隙，能否放下一个SV（横放）

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

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

2.求当全部由SV横放时，Y方向的剩余间隙Vgap_H = sec_h Mod SV17_W

3.对比步骤1所得间隙和步骤2所得间隙，如果Vgap_H < Vgap_V，则arg_cod_col = "H"

1.2.4综合横向排布代码和纵向排布代码，做出最终决策

针对可能的组合，分别判断，逻辑如下：

Case1：毫无疑问，最终排布代码arg_cod=V；

Case2： 组合最终排布方式可能是V和H，这时要用一个风量计算函数（3）比较两种方式的出风量，如果V排布下风量大，则arg_cod=V，否则arg_cod=H；

Case3： 组合排布方式可能是V、H、或VH。这种情况比较容易造成误判，而遗漏VH，需要特别注意。

问题在于，我们最后要拿由单个方向的最优排布策略决定的最终排布，去做对比。如果单纯考虑垂直方向的最优策略为H，那么最终决策是H。如果单纯考虑水平方向最优策略为V时，最终策略可能为V，也有可能是VH。那么我们得到三种可能的最终排布方式，即H、V、VH。

因此，我们需要比较排布为V、VH、H三种情况下的风量，风量大者为最终排布代码；

Case4： 毫无疑问，最终排布代码arg_cod=H；

Case5： 毫无疑问，最终排布代码arg_cod=VH；

Case6： 组合最终排布方式可能是VH和H，比较两种方式的出风量，如果VH排布下风量大，则arg_cod=VH，否则arg_cod=H；

（3）风量计算函数包含在结果输出函数里，结果输出函数的输入是最终的排布代码arg_cod，sec_w，sec_h，输出为SV以及DV的行列数，以及在此种代码排布下的风量；

1.3结果数据输出

将上述步骤中计算得到的排布代码、位置代码、DV/SV的行列数、组合宽度、组合高度、底部间隙、左侧间隙、风量等参数，输出到相应的表单里。

其中，底部间隙、左侧间隙即为设计钣金件的输入参数。

1.4数据检验

1.4.1Excel驱动CAD实现自动排图

在结果数据输出以后，如何验证？直观的办法就是在CAD里作图，看排布的情况到底如何。那么如果程序能够根据结果数据，调用CAD自动画排布图，那么会使问题数据的检验、甄别非常高效。

自动画图实现的手段为：

先将DV、SV做成图块，存在一个固定模板里；

利用程序调用此模板，并调用1.3输出的结果数据，实现图块的自动组装；

与此同时，完成箱体边框、风口的绘制，以及尺寸的标注等过程。

2优势与不足

2.1优势

2.1.1效率的提高

当组合数很多，再用傳统的手段在CAD中逐个排图，效率很低。

程序对于批量的重复性劳动无疑是最好的选择，一旦程序设计好，运行时间是可以忽略的。尤其在设计要变更，逻辑变化的时候，只需要修改少量代码即可实时地得到运算结果。

2.1.2设计过程标准化

传统设计手段在面临如此大数据量的时候，只能通过分段，分项目逐次设计的办法实现。但这样很难保证两次设计的一致性，从而使设计不能按照统一原则进行。为以后统型、修改带来不便。

如果用程序设计，程序代码本身就是对整个设计过程的很好记录。程序运行可以保证结果数据是按照统一规则得到，可以大大降低错误发生率。

2.1.3方便后续扩展

用传统的设计手段，如果想新增静电过滤器型号，那意味着要重复整个设计过程。而用程序设计，只需要扩展基础数据表，再运行一下程序，即可得到结果，大大方便了后续数据的扩展。

2.2不足

本文中所述算法，是以实现最大通风量作为选择排布方式的主要依据的，但有的空调箱，不一定非要把过滤器排到最“满”，就可以满足系统风量的要求。这时，需要对结果数据中的风量，与系统要求风量对比。

另外，如果结构上不能按照一个统一的规则设计，那么输出结果仍然需要再进一步处理，才能满足工程需要。例如，当SV横排时，即排布代码为H时，如果小于2行，排布方式是两个过滤器直接搭接。如果大于2行，那么每2行之间需要加隔板加强。这样就意味着设计就不能按统一规律进行，这样输出的结果就要再考虑这些特殊因素进行修正后才能使用。

当然，即便如此，输出结果对设计仍然具有很强的指导意义。

3结束语

本文主要阐述了一种实现静电过滤器在空调箱里自动排布的算法，并且用程序的手段，将数据快速地变成AutoCAD中的图形，以便实时进行数据可视化检验。

此外，就算法本身，也仍然可以拓展，例如，如果我们可以引入成本参数，把满足设计需求的前提下成本最小化当作衡量指标，追求成本最低。这样输出结果，就可以作为降低成本项目方案选择的指导。本文中静电过滤器待选型号为2种，如果是多种，则排布方式将有所不同，需要对算法进行调整。

当然，如果用Creo软件进行建模、出图，那么可以将数据格式设计成和Creo里的族表里参数格式一致。这样，从Excel里输出的数据，作为三维建模时的输入，直接复制到族表里，即可驱动Creo实现批量模型生成。如此，即可完成从设计输入（参数表），到设计输出（模型、图纸）的整个过程的参数化、自动化。

参考文献：

[1] 张帆，郑立楷，王华杰 AutoCAD VBA 开发精彩实例教程[M].北京：清华大学出版社，2004.

[2] Excel Home，Excel VBA 实战技巧精粹[M]. 北京：人民邮电出版社，2013.

[3] 静电过滤器厂家样本.

【通联编辑：梁书】