基于BIM技术的铁路变配电所线缆敷设优化

朱超平，刘珍珍，郑云水

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司 通信信号研究所， 北京 100081；2.兰州交通大学 自动化与电气工程学院， 兰州 730070）

在铁路变配电所的设计、施工过程中，线缆布置是一项重要且复杂的工程，面临着线缆布放规划复杂，施工工艺难于掌握，布线工艺要求高等问题。

以往在变配电所线缆敷设工程全周期中，设计及施工单位都使用Auto CAD 等二维设计软件。每个专业设计自己的内容，没有协同设计平台，各个阶段的信息无法共享，也无法对各专业设计的内容进行整合。不同专业间的设计内容在设计阶段无法进行施工碰撞预演，可能会在施工阶段出现专业间管线交叉碰撞问题，导致返工，降低施工效率。同时，线缆的位置及其走向布置规划非常复杂，对线缆的施工工艺要求较高，以往工作中经常出现线缆扭绞、窝工、返工等状况，这些问题会影响工程整体进度，造成较大损失。

本文通过将建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技术应用在铁路变配电所的线缆敷设上，搭建专业间的协同设计平台，使项目的各参与方基于同一平台开展协同工作，进行三维状态下的施工预演，可以减少专业间交叉碰撞情况的发生，有效地减少设计中的失误，加快施工进度。同时，三维设计施工可以提供清晰的设计模拟与施工模拟，方便非专业人员对于项目进行了解、检查、评估和监理。

本文将BIM 技术与改进的快速扩展随机树（RRT*，Rapidly Exploring Random Tree*）算法相结合，在三维状态下进行变配电所线缆的智能布置，减轻了设计人员的工作负担，同时也减少了因为布线复杂、工艺工法要求较高而产生的错误，减少了人工布线产生的扭绞、交叉、窝工等问题，提高了设计效率，降低了人工的投入。本文设计成果可以实现布线路径最优化，同时节省物资，达到节能优化的目的。

1 RRT*算法概述

RRT 算法[1]由 LaValle 在1999 年提出，特点是能够快速地在高维度和较大的环境中进行搜索，具有概率完备性，能得到一个收敛解。RRT 算法通过使用来自确定的搜索空间的随机样本，生长以起始配置为根的树。随着对每个样本的搜索，它会尝试与树中最近的状态进行连接。该算法在搜索空间中随机采样生成随机点，查找树上欧氏距离最邻近点，向随机点方向生长一个步长，若无障碍碰撞，就生成新节点，反之则重新采样，直到搜索到目标点。

RRT 算法的随机采样性使得其产生的路径往往只是可行路径，而不是最优路径。RRT*算法是RRT算法的一种改进算法，由S.Karaman 和E.Frazzoli 在2011 年提出。相比于RRT 算法，RRT*算法引入了对新生成节点的相邻节点的搜索，目的是重新选择父节点，除此之外，还有随机树的重布线过程，进一步减小了路径代价，是高维状态最优路径规划问题的一个突破性方法。若时间足够，RRT*算法会收敛到最优解，规划出变配电所的最优线缆布置路径[2]。

1.1 父节点重选过程

搜索过程中，算法以新产生的节点xnew为圆心，在规定的半径范围内寻找“邻居”，并将其作为父节点的备选方案。算法依次计算备选父节点到起点的路径代价，再加上xnew到每个备选节点的路径代价。图1a 是随机树扩展过程中的一个时刻，节点标号表示该节点的生成顺序，节点是初始节点，⑨节点即为新产生的节点xnew，此时⑥节点为⑨节点的父节点，节点与节点之间连线上的数字代表它们之间的路径代价。

图1 RRT*算法父节点重选过程

在父节点的重选过程中，以⑨节点xnew为圆心，以事先规定的半径画出一个圆，圆内的邻近节点即为备选父节点，也就是④、⑤、⑧节点。原来的路径-④-⑥-⑨的路径代价为10+5+1=16，3 个备选父节点与xnew组成的路径分别为-①-⑤-⑨，-④-⑨和-①-⑤-⑧-⑨，路径代价分别为11、14 和12。综上，将⑤节点作为⑨节点的新父节点使得路径代价最小，故将⑨节点的父节点由原先的⑥节点变为⑤节点，重新生成的随机树[3]，如图1b 所示。

1.2 随机树重布线过程

为xnew节点重新选择父节点后，可以通过对随机树重新布线的操作，将随机树节点之间的连接代价尽量减小。如果邻近节点的父节点改为xnew可以减小路径代价，则应对其进行更改。如图2a，⑨节点为新生成的节点xnew，⑤节点为其父节点，邻近节点分别是④、⑥、⑧。他们的父节点分别为、④、⑤。路径分别为-④-④-⑥和-①-⑤-⑧，路径代价分别为10、15 和9。如果将④节点的父节点改为⑨节点xnew，则到达④节点的路径变为-①-⑤-⑨-④，代价变为15，大于原来的路径代价10，因此④节点的父节点不应改变。若将⑥节点的父节点改为xnew，则其路径变为-①-⑤-⑨-⑥，代价由原来的15 变为12，故将⑥节点的父节点改为⑨节点，重新生成新的随机树如图2b 所示。

图2 RRT*算法随机树重布线过程

RRT*算法中重布线的意义在于，每当生成新的节点，都可尝试通过重新布线，使某些节点的路径代价减少。从整体来看，并不是每一个重新布线的节点都会出现在最终生成的路径中，但是在生成随机树的过程中，每一次的重布线都尽可能的为减小最终路径代价创造机会。

上述2 个过程是RRT*算法的核心。这2 个过程相辅相成，父节点重选使新生成的节点路径代价尽可能小，重布线使得生成新节点后的随机树减少冗余通路和路径代价。

2 变配电所线缆敷设约束

基于BIM 技术，在三维状态下进行变配电所内线缆的敷设，关键在于线缆路径的寻找与规划。以铁路变配电所中常用的圆截面单根线缆为例，线缆规划布置问题可以看作求解空间中球形刚体的运动规划问题。球形刚体的半径代表圆截面单根线缆的半径，运动路径的起始点与终止点分别代表变配电所中线缆连接的2 个终端。本文通过RRT*算法，规划出一条初始的可行移动路径，作为变配电所中线缆的初始路径。再通过对线缆布置时各种约束进行全面的考量，优化路径，制定最终设计方案。本文布线优化主要考虑的约束有基本约束、长度约束、贴壁约束、叠层约束4 部分。

2.1 基本约束

保证变配电所中2 个终端之间的线缆连接没有其他管线以及设备的交叉碰撞，与空间中的建筑结构无交涉。RRT*算法的基本扩展过程可以满足这一要求。

2.2 长度约束

线缆敷设优化的主要功能之一是节省物料，故规划的路径要尽可能短，以减少架空线缆的重量，降低线缆敷设成本。这一需求可以通过增加RRT*算法中的随机点个数，尽量缩短变配电所中2 个或者多个终端之间的连线来实现。

2.3 贴壁约束

在线缆敷设前，线缆沟和走线架都已设计完成，在相距较远的2 个终端之间进行布线规划时，应沿着装配体与线缆沟、走线架的表面进行布置，以便于对线夹的安装固定和保障线缆的稳定。可通过加入磁吸算法或在RRT*算法中沿着线缆沟、走线架内壁设置随机点来实现。

2.4 叠层约束

通常线缆的敷设只允许1 层，不允许叠加，若有条件限制，可进行双层布置，但是最多不能超过3 层。

3 RRT*算法在变配电所线缆敷设中的应 用

本文基于SoldWorks 软件，应用BIM 技术，结合RRT*算法[4-5]，对某新建铁路牵引变配电所线缆接线进行智能布置。在具体布线寻路过程中，运用RRT*算法优化线缆敷设路径[6]。

3.1 基础构建

（1）利用SolidWorks 软件勾画房屋，勾画时要规定房屋长度，墙面高度和厚度等信息。房屋构建完成后，将房屋属性，即建筑面积、实用面积、房屋名称等具体数据输入BIM 中。

（2）构建线缆沟，线缆沟有不同的种类，本文采用单边3 层和双边4 层线缆沟，沟内支架宽250 mm。

（3）构建并摆放铁路牵引变电室内设备，设备的摆放必须吸附在线缆沟边，使其符合真实场站对于室内的细节设计，同时方便设计人员对于不同的室内配电柜进行不同的线缆引出与引入。铁路变配电所基础构建如图3 所示。

3.2 基于RRT*算法的线缆敷设优化

3.2.1 初始化RRT*算法参数

（1）通过导入房屋属性和设备配线表，定义配置空间中的2 个子空间，障碍物空间和自由配置空间。其中，房屋属性包括建筑面积、实用面积、房屋名称等；设备配线表包括线缆起始设备名称、起点接线端子名称、线缆终到设备名称、终点接线端子名称、线缆型号（线缆直径）。

图3 铁路变配电所基础构建示意图

（2）将线缆敷设的起始点与终点作为RRT*算法的起点和终点，产生的树节点均匀的分布于配置空间中，从而近似地获取自由配置空间的连通性。

（3）设置路径的代价。在线缆沟内敷设线缆时，理论上同一层的线缆支架上不允许叠加线缆，只可布置一层线缆，因此线缆的层与层之间需赋予一定的路径代价值。但设备密集的地方，在线缆布线空间不够的情况下，也可以叠放2 层，该情况可通过降低路径代价值进行处理。根据线缆的顺序赋予路径代价值，布置线缆时，需要按照线缆的规定顺序进行布置，由上到下依次是：高压线缆、电力线缆、控制线缆、通信线缆，对其分别设置不同的代价值。布线过程中，线缆转向时，若发生扭绞情况，会造成线缆使用寿命缩短，对供电安全性有很大影响，故根据工程质量实施细则的要求，线缆拐直角弯时，设定线缆的弯曲半径不小于管槽内最粗线缆直径的10 倍，以保证线缆不发生扭绞[7-8]。

3.2.2 线缆敷设优化

在线缆路径的搜索过程中，通过1.1 和1.2 小节描述的RTT*算法进行布线选路。以新产生的路径节点xnew为圆心，在规定的半径范围内寻找邻近节点，作为xnew父节点的备选方案。依次计算备选父节点到起点的路径代价加上xnew到每个备选父节点的路径代价。以路径代价最小为约束条件进行收敛，直到产生最优路径。

线缆布置过程中，如果在某一方向上与障碍物发生碰撞，则利用碰撞检测计算得来的碰撞信息进行定向扩展。为了使得到的路径为最短，对分段后的路径段端点位置进行修正，经过位置修正优化后，插入中间点，计算得到曲线路径。

为了使路径符合曲率，对路径中局部曲率过大的部分进行修正。依次计算出各路径点处的曲线曲率，判断其是否超出了规定的阈值，若超出，则将其向曲率减小的方向移动一定的步长，得出最优的线缆路径。

3.3 设计成果

根据导入软件中的配线表和上述设计策略，生成的效果图如图4、图5 所示，图4 为室外线缆路径图，图5 为室内线缆路径图，两图中的红色线条代表线缆路径。

图4 牵引变电所室外线缆路径

图5 牵引变电所室内线缆路径

设计中会规避建筑结构和已有的管线结构，防止生成的线缆路径与其他结构发生交叉碰撞。规划出路径后，可生成线缆清单，清单内容包括：线缆起始设备名称、起点接线端子名称、线缆终到设备名称、终点接线端子名称、线缆型号、长度。

生成的线缆清单，可交与施工方进行备料，控制线缆用料，减少施工过程中的浪费，同时也方便了接线人员的工作，接线时直接找到对应端子即可，提高了施工效率。在交付后的运维阶段，也减少了运维人员寻找端子的时间，可以直接对相应端子进行维护。

4 结束语

本文将BIM 技术运用在铁路变配电所的线缆敷设中，与RRT*算法相结合。基于BIM 技术的协同设计平台进行智能布线，提高了设计人员的工作效率。通过建立桥架、线槽、线缆等的BIM，根据设计图纸的规划布置，结合BIM 特有的碰撞检测、施工工艺工法、RRT*算法，实现线缆敷设的自动排位和排序。在尽量避免线缆交叉的情况下，确保线缆敷设的路径最优化；同时以三维形式对整个线缆敷设过程进行模拟和演示，并生成线缆清单，提高施工效率及工艺水平。