基于对象的P＆ID设计软件无向图模型

基于对象的P＆ID 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 软件无向图模型 基于对象的P,ID设计软件无向图模型 2004年2月 第30卷第2期 北京航空航天大学 JournalofBeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics February2004 Vo1.30No.2 基于对象的P&ID设计软件无向图模型 郝国舜刘静华李士才 (北京航空航天大学机械工程及自动化学院,北京i00o83)(中国科学院计算技术研究所,北京100085) 需要表示实体问的逻辑拓扑 摘要:在开发P&ID辅助设计系统的过程中, 信息.为避免引入附加抽象实体来表示逻辑拓扑信息带来的复杂性,提出以面向对象 为基础将逻辑拓扑信息统一在实体本身数据结构中的方法,并介绍了从P&ID管网 图抽象建立P&ID无向图模型的过程.此方法和模型在实践中取得了很好的效果.对 P&ID无向图结构的特点做了深入分析,指出运用此模型建立P&ID系统的要点及运 用中应注意的问题,并讨论了P&ID无向图模型的扩展. 关键词:工厂;管网;图;数学模型;计算机辅助设计;工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图 中图分类号:TP391.72 文献标识码:A文章编号:1001.5965(2004)02.0122.05 Object—orientedundirectedgraphmodelinP&IDdesignsystem HaoGuoshunLiuJinghua (SchoolofMechanicalEn~neefingandAutomation,BeijingUniversityofAeronauticsand Astronautics,Beijing100083,China) LiShicai (InstituteofComputingTechnology,ChineseAcademyofSciences,Beijing100085,China) Abstract:WhendevelopingP&IDaideddesignsystem,thelogicaltopologyinformationbetweenentitiesneed— edtoberepresented.Inordertoavoidthecomplexityofimportingadditionalabstractentities,anewmodelisde— signedinwhichthelogicaltopologyinformationisunitedtotheprimaryentity'Sdatastructure.Thismodelhasbeen successfullypractised.ThemodelingprocessofP&IDundirectedgraphmodelfrompipingnetworkgraphWaspre— sented.AfteranalyzingthecharactersofP&IDundirectedgraph,itpointsoutwhatshouldbepaidattentiontowhen applyingthemodelandhowtoextendtheundirectedgraph. Keywords:factories;pipenetworks;graphs;mathematicalmodels;computeraideddesign;process&in' strumentdesign 1问题背景 P&ID设计是工厂设计的一个重要组成部分, 尤其对于石油和化工等行业.工厂设计的流程可 以分为三步: 1)工艺流程分析,探讨工厂如何使原材料经 过复杂的物理,化学变化,得到最终的制成品; 2)初步设计,由工艺人员根据流程分析的结 果,逐步求精地制订出详细的P&ID图(Process& InstrumentDiagram,工艺 流程图 破产流程图 免费下载数据库流程图下载数据库流程图下载研究框架流程图下载流程图下载word ),指导后面的详细 设计,同时生成施工必需的图表; 3)详细设计,如配管设计,钢结构设计,设备 选材和计算等,同时生成施工的所有图表. P&ID设计软件作为工厂设计软件的一个模 块.要实现的功能是辅助进行P&ID图的设计.参 见图1,P&ID图是无比例二维符号图,图中符号 主要用于表达工厂中物料的流动以及物料所起的 反应,同时表达实体间拓扑和几何关系,不严格表 示实体的几何大小,位置及轮廓等几何信息.主要 的工程元素有设备,管子,管件,仪表以及标注等. 收稿日期:2OO2—09.24 作者筒介:郝国舜(t978一),男,河北涞水人,硕士生,hgsbak@163.com 第2期郝国舜等:基于对象的P&ID设计软件无向图模型l23 图1P&ID图局部 开发P&ID辅助设计系统,最重要是建立与 实际工程类似的管网模型.管网模型的确立是 P&ID系统的核心.构件是模型中最基本的元素, 各个构件建立互相连接形成拓扑关系而构成管 网.所以,怎样描述构件间的关系是解决核心问题 的关键. 构件间的关系包括几何拓扑关系和逻辑拓扑 关系.前者表示比较简单,AutoCAD本身就可以支 持,所以,如何表达后者——构件间的逻辑拓扑关 系——就是P&ID核心问题的根本.关于此问题 已经有了不少探索,文献[1]提出了对偶点思想, 文献[2]提出了智能点和智能组思想.这些思想和 解决方法,都是通过引入附加辅助性实体来表达 逻辑拓扑信息.这种辅助性实体并非实际工程中 存在和需要的,仅仅是为了模型建立和信息表达 的需要,不可避免增加了模型复杂性和维护代价. 随着软件开发技术的发展,面向对象(O0)技 术被很多大型软件采用.AutoCAD从R14版本开 始,广泛采用了面向对象建模技术并提供了Ob— jectARX这个基于面向对象技术的二次开发工具, 这使得开发人员能够更灵活的建立实体模型. 2P&ID无向图结构模型的建立 2.1P&ID无向图 数据结构中,图是应用最广泛的一种数学结 构].如图2,图中每一个顶点可以与多个其他顶 点关联,这种顶点之间的关联用关系或边表示,描 述如下: Graph=(V,E) ={/3l/3E某个数据对象}是顶点集合; E={eleE顶点间的边}是顶点间关系的集 合,也叫边(edge)的集合. 图2图数据结构 如果将实体间的逻 分析如图3a的P&ID图, 辑关系也表示出来,就形成图3b.再进一步,忽略 各个实体的几何形状和实体间的几何拓扑信息, 并用逻辑关系作为实体间的连接边,就形成图 3c.图3c已经具有了图结构定义的形式,顶点集 合是P&ID的工程实体集合,边集合是所有的逻 辑关系的集合.这样,就将P&ID管网图抽象成数 据结构的无向图 管子1 敬备元 管子2 a原始P&ID图 b实体问的内部关系 c将逻辑关系用"图"表示 图3P&ID管网及抽象图 124北京航空航天大学2004年 2.2P&ID无向图中元素的描述 将P&ID管网图表示为关于逻辑关系的无向 图后,就要考虑如何通过数据结构来表示无向图 中的顶点和边. 顶点对应的是P&ID中具体的实体元素, P&ID中不同类型的实体需要存储不同的数据信 息,因此为每种实体建立不同的对象结构,存储相 关的几何位置,图形符号,工程数据以及实体类型 等信息.边的存储可以借鉴数据结构中无向图的 邻接表表示方法的思想,将边信息通过顶点元素 的结构来存储.如图4所示.对于顶点,,和它相 连的边包括R,R,R,只要在的数据结构中 建立相应的结构来存储这些信息就可以了,其他 借助这种方式,把图中所有的元素信息 顶点类似. 通过顶点元素的数据结构表达,达成了数据结构 的一致性.为了表示的简单并充分利用AutoCAD 的现有技术,通过邻接动态数组表示边元素(因为 AutoCAD中邻接动态数组结构提供了很完善的支 持),这样就形成了图5所示的顶点元素数据结 构. 图结构 vertexEdgeEdgeEdgeEdge'?? VlRlRdR5 RlR2 2凡 RdR3 图的动态邻接数组表示 图4无向图的表示 通过这样的顶点结构,表达了无向图所需的 点元素和边元素,就是说,不但包含了P&ID工程 实体和实体的工程信息和几何拓扑信息(点元素 图5无向图顶点元素的结构 信息),并且也充分表达了实体间的逻辑拓扑信息 (边元素信息).P&ID中各个实体的集合,就构成 了完整的P&ID管网图. 3P&ID图模型结构的应用 可见,以上的P&ID图模型从根本上区别于 以前管网建模的模式,它充分利用元素的结构灵 活表达了逻辑拓扑关系,使模型简单,灵活,高效. 下面对图的操作性进行分析. P&ID设计系统对实体主要的操作就是插入, 对应图结构的操作就是图元素添 删除和移动等, 加,图元素删除和图关系的改变等.这些操作属于 常用的图操作,通过普通的图操作算法就可以实 现. 另外,此模型针对P&ID辅助设计系统特有 的操作提供了很好的智能支持和扩充性,表现在 以下方面. 3.1P&ID图智能操作的实现 P&ID辅助设计系统非常需要在连通子图范 围内或在某种限制条件下的连通子图范围内对用 户的输入进行智能响应.如图6a中,移动管子1, 不但管子1要响应此输入,与管子1属于一个连 通子图的所有实体,如元件,设备,管子2以及管 子3,管子4都需要响应此操作,并做出相应的动 作,响应的结果如图6b所示,所有的连通实体都 作了相应的移动,并且保持了连接关系.也可以对 这个连通子图中实体的选择加以某种限制,如限 定在一根管线上或排除设备实体等.响应的结果 如图6c,设备被排除,并且隔离了左侧的实体.结 果只有管子1,元件以及管子2做出了移动响应. 这种对用户输入的智能响应,可以在图数据 结构的基础上,结合实体间消息响应机制来实现. 响应的限制范围根据工程设计习惯来制定,并可 以由用户定制.通过这些智能响应,辅助设计人员 进行符合工程习惯的设计,大大减少了设计人员 对于图形修改的工作量.这是作为P&ID辅助设 计系统最重要的功能之一,也是建立无向图数据 结构模型最主要的目的之一. 3.2P&ID图的管线连通性检查 在P&ID中具有很重要意义的一个操作就是 单根管线的遍历和连通性检查.其遍历操作非常 类似普通无向图的遍历算法,需要增加的就是遍 历过程中对实体类型和所属管线的判断,如果发 现属于不同管线,就停止. 如果遍历后的元件数量与实际应该得到的单 第2期郝国舜等:基于对象的P&ID设计软件无向图模型 元件 a移动前的原始P&ID图 b未加限制下的连通子图响应结构 c加限制的连通子图响应结果 图6管线智能操作 根管线实体数量不一致,就可以认为管线出现了 非连通部分.图7展示了一个存在逻辑错误的 P&ID图(为了图例的简单,图中只表示了错误出 现处的关系情况).遍历计算时,按照深度优先算 法,从.开始,依次得到.,,,,,., ,,这时,遍历到了,本应得到相连的管 子的信息,但由于逻辑拓扑关系没有正确的建立, ,就作为了管线的终点,开始返回继续搜索,依 次得到.,,,,,.这样,管子就不能被 遍历访问到,因此,得到的管子数量必然会小于管 线结构中实际记录的管子总数,从而可知此管线 存在连通性错误. 图7管线连通性检查 3.3P&ID图中不同类型实体问关系的区分 上文的图结构中,对所有关系的描述都统一 在实体数据结构中,不同种类实体之间的关系在 这样的确统一了关系的描 描述方法上没有区别, 述.但是,对于P&ID工程实际,还需要判断一个 关系属于何种类型,以便对用户的输入做出特定 反应.比如,设备与管子的连接关系和管子与管子 的连接关系就属于不同种类的关系.如何区别不 同连接的关系呢? 由图4或图5的结构,再结合面向对象的方 法,每种边元素信息都是存储在相关的点元素结 构中.为不同类型的工程实体,建立不同的对象类 型(实际上,这也是面向对象思想的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 ).比如, 设备通过特定的设备对象结构表达,而管件通过 特定的管件对象结构表达.这样,关系信息(即边 信息)也存储在不同类型的对象中.比如,一个设 备与一个管子的连接关系分别存储在所属的这个 设备和这根管子的结构中,类似于区别不同的实 体类型,可以很简单的区别关系的类型.当对此关 系进行处理时,就可以取得设备和管子的类型,并 根据此类型信息进行智能控制.类似的,一根管子 与一根管子的连接分别存储在了这两根管子的结 构中. 3.4P&ID图的扩充性 上面,用无向边的形式表示顶点间的关系,因 此属于无向图结构.也可以用表示介质流向的有 向边来表示逻辑关系,这样就构成了有向图.有向 图的优点是可以用边的方向代表内部介质的流 向,就可以很方便的获得介质流向信息,并做出流 向的合法性检查.当然,采用有向图结构时,为了 方便检索边的连接信息,最好采用一个邻接数组 和一个逆邻接数组,如图8所示.这种结构的数据 就比无向图结构的数据复杂,在程序的处理方面 也会大大增加复杂性.可以根据需求,选择适合的 图结构. 3.5P&ID图应用中应注意的问题 P&ID图的结构,以其与工程实际非常类似的 北京航空航天大学2004正 顶点 实体 元素 数据存储结构 几何位置 图形符号 实体类型 I程信息 动态邻接数组 动态逆邻接数组 图8有向图顶点元素的结构 结构,提供了对管网高效清晰的数据抽象.而且, 在实际的程序处理中,也非常容易控制.但是有一 个需要注意的问题就是对逻辑关系与几何关系一 致性的维护.如果一致性出现了错误,如图7中, 虽然合法性检查可以发现错误,但是在发现错误 前,它可能已经引起了其它的错误.因为当三.或 l,'处理与自身相关的关系时,对于同一响应,从 几何关系的角度处理与从逻辑关系的角度处理就 会出现歧义,也很难通过程序准确判断哪种关系 是正确的.这种错误具有较大的破坏性,不容易修 复.要避免这种错误,就需要在处理关系操作时, 充分考虑各种相关联系,确保不同实体间关系的 正确一致. 4结束语 本文的思想源于一个实际的P&ID设计系统 的开发过程.开发期间,文中介绍的数据结构充分 体现了模型统一性和简单性等优点,使得开发工 作能够顺利进行并对模型的合理性进行了初步验 证. 特别要感谢中科院计算所和中科辅龙公司唐 卫清,黄永红,戴肖锋,何涛等老师给予的大力支 持和帮助. 参考文献(References) [1]于铁峰,周晓云,何涛,等.基于对偶点和扩展图结构的化 工厂管网建模研究[J].计算机,1998,21(1):4754 YuTiefeng,ZhouXiaoyun,HeTao,etalTheresearchonthep- proachtopipingnetworkmodelingofchemicalplantsbasedOilthe dualitypointandtheenhancedgraph[Jj.ChineseJournalofComput- ers,1998,21(1):47—54(inChinese) [2]袁正刚,张保全,戴肖锋,等.基于智能点的工厂模型设计与 实现[J].计算机辅助设计与图形学,1999,11(3):207, 209 YuanZhenggang,ZhaoBaoquan,DaiXiaofeng,eta1.Designandim- plementationofplantmodelbasedonslna~point[Jj.JournalofCom— puter—AidedDesign&ComputerGraphics,1999,11(3):207—209 (inChinese) [3]殷人昆,陶永雷.数据结构(用面向对象方法与C++描述) [M].北京:清华大学出版社,1999 YinRenkun,TaoYonglei.Datastructures(describedusingobject- orientedwithC++)[M].Beijing:TsinghuaUniversityPress,1999 (inChinese) [4]BrownFE,CooperGS,BrandonP,etcd.Anintegratedapproach toCAD:modellingconceptsinbuildingdesignandconstruction[J]. 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