智能建筑综合布线路由优化研究

1、智能建筑综合布线路由优化研究摘 要：本文以AutoCAD 2004为图形平台,利用改进的迪杰斯特拉(Dijkstra)最短路算法、AutoCAD VBA开发技术以及数据库技术对综合布线各子系统路由优化设计方法进行了分析和研究，文中主要对配线子系统进行了研究，最后分析了应用该路由优化系统自动生成设备材料表和工程造价报表的方法。关键词：Dijkstra最短路算法；AutoCAD VBA；数据库技术；路由优化作为智能建筑的“中枢神经”系统，综合布线系统是智能建筑必备的基础设施。但发生故障导致智能系统瘫痪的根源，有70%以上是由于智能系统的布线不善1。当前国内相当数量综合布线的工程设计人员仍采用手工进

2、行设计，过程比较繁琐，而且综合布线系统施工图设计中各种器件和图形符号的绘制、编号和连线都较复杂，设计人员在绘制过程中存在较大的重复工作，且需要花费较多的时间考虑绘图的问题，以致没有足够的精力来考虑设计方案选择以及规范条文等问题，使得设计过程本末倒置。同时器件数量的统计和各种线缆长度的测量、计算既费力又很容易出错，再加上现在的网络系统越来越复杂，使得综合布线系统工程的设计工作量越来越大。因此，有必要对综合布线各子系统路由进行研究。1 最优化方法在综合布线优化设计中应用状况最优化技术是系统工程的主要内涵，最优化技术在工程中的应用不仅是一种现代的思维方式，更重要的是优化的结果可以通过数学手段对工程的

3、参数等完全达到量化，而且优化结果还可以适用于工程实践，给社会带来巨大的经济效益和社会效益。最优化方法中的网络优化理论与方法近年来在国内外发展十分迅速，人们对网络优化问题的兴趣在理论和应用两方面都在不断增长。网络优化问题的理论和应用研究已广泛应用于工程设计、计算机管理等诸多方面，并且日益受到普遍重视，同时吸引了图论、组合最优化、管理科学、系统工程、计算机科学等学科领域的众多工作者投身于它的研究之中。虽然网络优化中的“最短路问题”计算方法已应用于设计各城市之间的道路网、交通网、市政管网的敷设2等工程领域。而将网络优化中的“最短路问题”计算方法应用于智能建筑综合布线路由优化领域的还很少，真正应用于实

4、际工程的目前还未发现3。相信利用网络优化中的“最短路问题”计算方法，同时结合工程规范和实际可行性等的有关约束条件，进行综合布线系统优化计算和编程，应该能探索出一种设计综合布线系统最佳路由的方法。2 综合布线系统路由优化设计的基本思想2.1 综合布线系统路由优化设计的基本思想综合布线系统线缆路由走向应选择最短、最安全和最经济的路由2。由于综合布线规范要求采用开放式星型拓扑结构，且每一个子系统都互相独立，因此，综合布线系统采用模块化设计方法，即建筑群布线子系统、干线子系统、配线子系统、工作区子系统在线缆走向设计时分别进行优化，那么，整个布线系统达到最佳布线路由。根据综合布线系统的设计特点，综合布线

5、系统路由优化设计应分成两大部分进行。第一部分，考虑计算机房、电话主机房和设备间布置于所在建筑物的楼层，考虑每层楼的交接间、综合布线系统的弱电竖井在楼层平面的设计位置，即进行机房、设备间、交接间和弱电竖井优化位置的选择。这是由于在建筑设计初期，建筑图还未完成之前，进行综合布线系统的设计者就应给建筑设计者提供计算机房、电话主机房和设备间或BD所在楼层的位置和大小，提供每层楼的交接间或FD、综合布线系统的弱电竖井在楼层平面的设计位置及大小。所以，综合布线系统路由优化首先应当确定机房、设备间、交接间和弱电竖井等的优化布置位置。第二部分，考虑建筑群布线子系统、干线子系统、配线子系统、工作区子系统线缆走向

6、优化设计。在建筑图完成之后，综合布线系统的设计者就可以根据建筑物的成套建筑方案和用户设想的通信设备使用方案进行几个子系统的设计。因为综合布线系统可采用模块化设计方法，所以，要对建筑群布线子系统、干线子系统、配线子系统、工作区子系统线缆走向分别进行优化设计。2.2 综合布线各子系统路由优化的考虑2.2.1 干线子系统优化的考虑干线子系统线缆路由是干线线缆由设备间经垂直干线通道即弱电竖井至各楼层配线间。所以干线子系统线缆路由的布置随设备间、楼层配线间和弱电竖井位置的确定而确定。因此，干线子系统线缆路由优化主要就是设备间、楼层配线间和弱电竖井位置的优化选择，这些位置的选择除了尽量满足中心位置的选择外

7、，应尽量将设备间和楼层配线间设置在紧靠近弱电竖井旁，这样干线子系统线缆路由会更短，较容易满足线缆极限长度限制的要求、线缆传输性能更可靠、布线更经济、更简洁，便于安装、管理和维护。2.2.2 工作区子系统优化的考虑工作区子系统优化主要是根据工作区对信息点的需要，即根据办公设备的合理布置位置进行信息插座的布置。信息插座布置的基本原则是首先尽量满足用户使用的方便，然后以布线路由最短为指导思想来进行信息插座的布置，还要考虑今后对信息插座数量需求增加的情况。如果在设计时，用户方提不出详细的工作区办公设备布置方案，则按系统配置要求级别，对每个工作区的信息插座采取室内均匀布置或尽量沿墙布置两种方式。2.2.

8、3 配线子系统优化的考虑 配线子系统布置在同一楼层上，其布线路由是线缆从楼层配线架以星型布线的方式到工作区信息插座的线路。第一部分为办公室内的布线，以后简称为房间内布线；第二部分为该楼层由楼层配线间引出经过廊道至办公室的引入口处的布线，以后简称为廊道内布线。在进行布线路由考虑时，由于规范要求线缆敷设时必须穿线管或线槽，且埋地敷设线管槽处需加工或预留地沟来埋置线管槽，因此对线缆路由和线缆穿线管或线槽的情况应进行综合考虑，即连接不同信息插座而相同路由并排布置的几根线缆应尽可能的穿在同一根线管或线槽内，让线管槽路由达到综合最优。在进行布线路由考虑时，首先必须满足综合布线规范上的基本要求，即配线子系统

9、线缆长度不得超过90m。若配线子系统长度大于90m，此时信号将产生衰减，此时应考虑再设置一个楼层配线间。分析方法同只有一个楼层配线间的情况，也只需考虑比较廊道内各房间引入点、廊道拐点和汇合点等特殊点距离两起始点的距离，距离较近的与相对应的引入点相连以形成最短路由。其次，考虑规范对于穿管和线槽的要求，即4对8芯对绞电缆穿管时的管截面利用率为2530%，线槽截面利用率不超过50%。最后，由于规范要求线缆敷设时必须穿线管或线槽，且埋地敷设线管槽处需加工或预留地沟来埋置线管槽，因此对线缆路由和线缆穿线管或线槽的情况应进行综合考虑，即连接不同信息插座而相同路由并排布置的几根线缆应尽可能的穿在同一根线管或

10、线槽内，让线管槽路由达到综合最优。根据综合布线系统工程设计施工图集02X101-34，综合布线系统工程设计实例03X101-45及建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范GB/T50311-20006可知道导线在房间内穿管管径及在廊道内所用线槽规格，以下几张表反应了相应的要求。导线穿管管径选择如表1-1所示：表1-1导线穿管管径选择表Table 1-1 Selection table of cabling tube diameter注：表中实线为电线管管径，虚线为钢管管径。线槽允许布缆线数量如表1-2所示：表1-2 线槽允许布缆线数量表Table 1-2 Table of permitted nu

11、mber of cables laid in the metal slot线槽规格三类线超五类线25254对缆25对缆50对缆100对缆4对缆25对缆255081007075251731015250502753124350100367423255010074161056612100100150332211134257515016938251315128由表1-1、1-2可知，房间及廊道内用的线缆越多，所穿管的管径也就越大，如选用线槽则线槽的规格也就选大，因线缆路由和线管槽路由是相一致的，所以线管槽的路由优化最终归结于线缆的路由优化，本文要实现的就是线、管、槽路由的综合优化。下面主要对配线子系统

12、路由优化进行研究。3 综合布线配线子系统路由优化设计方法研究本文主要考虑对综合布线配线子系统的路由进行优化，可将其分为两部分来进行优化:房间内的布线和廊道内布线(即楼层配线间至房间引入点)两部分。该部分的优化计算方法是用改进的迪杰斯特拉算法3,7,8进行计算，找出楼层配线间V1至各布线点的最短路径。3.1 改进的迪杰斯特拉(Dijkstra)最短路算法原理设G=(V,D)为一有向图,与每一弧(ViVj)D，相应有一长度。寻求最短路问题的方法可以用表示各节点之间距离的矩阵D，通过对它的运算来求得最短距离。矩阵D的元素dij定义如下： 其最短路径网络图的初始化距离矩阵D可表示为：当网络图为无向连接

13、图时，则距离矩阵D可表示为如下的对称矩阵：如果从节点i到节点j是通过任意两条路径间接到达时，则其最短路径可以用式(1-1)进行计算： (1-1)式中i,j=1,2,，n；k=1,2,，n.如果从节点i到节点j是通过任意三条路径间接到达时，则其最短路径可以用式(1-2)进行计算： (1-2)式中i,j=1,2,，n；k=1,2,，n.如此，连续进行计算，直到，即可进行计算。这时距离矩阵的元素即表示从节点i到j的最短路径。改进的迪杰斯特拉(Improved Dijkstra)最短路算法不仅可以求出图中从一个特定顶点至所有其他顶点的最短路由，且能给出经过的最短路径点，计算出各点间的最短距离。知道了各

14、点间的最短路由及距离，就知道了各布线路由的分支情况，便于后面利用计算机对布线材料的自动统计。3.2 配线子系统路由优化设计方法1) 将楼层配线间处设为一特定顶点V1，通过计算机从CAD图中读取该点并收入集合S (集合S内的点为特定顶点V1、廊道内必须布线点和廊道走向形成的拐点和廊道汇合点等)；2) 由计算机从CAD图中读取廊道内必须布置到的布线点(即为各房间的引入点)作为网络图中的顶点并收入集合A，且集合A中的点同时收入集合S中；3) 廊道的拐点及交叉点也作为网络图中的顶点收入集合S中；4) 由集合S中所有点(共n个V)组成矩阵D.其优化设计的程序流程图如图1所示：图1 优化设计的程序流程图F

15、igure 1 Flow diagram of the optimization design program5) 计算从节点V1经过一个中间点到廊道内各布线点的最短路径矩阵如式(1-3)所示： (1-3)式中：,；i，j，k=1，2，n表示从i点经过中间点k到j点，即i点经过两段路到j点；如果且，则为从i点经过中间点k到j点的最短路长度，从i点j点的最短路径为：ikj，计算机储存并输出i点j点的最短路径。把k点从集合A中删除(但矩阵D不变)，如果集合，停止计算；否则，到下一步。6) 计算从节点V1经过m个中间点到廊道内各布线点的最短路径矩阵如式(1-4)所示： (1-4)式中i，j，k=1，

16、2，n表示从i点经过m段路到j点；如果且，则为从i点经过m个不同的中间点到j点的最短路长度，从i点j点的最短路径为：ik1k2kmj，计算机储存并输出i点j点的最短路径。如果集合，停止计算；否则，继续计算。7) 如上步骤，连续进行计算，直到布线点集合A中所有点均被连接到网络图中，即集合，则结束计算，或时，停止计算。8) 输出V1至各布线点的路径。最后计算出的距离矩阵如为，则的元素即表示从节点i到j的最短路长度，则从i点j点的最短路径为：ik1k2kmj。元素表示从节点V1到k点的最短路径。4 综合布线配线子系统路由优化设计本章主要分析如何正确地从AutoCAD图中读取优化网络图中需要的数据和构

17、建优化网络图矩阵，如何高效率地进行最短路径分析计算及如何由计算机自动地进行最短路径的布线绘制。4.1 构建优化网络图矩阵读取优化网络图中需要的数据和构建优化网络图矩阵是求解路径分析问题的基础，它描述了网络中点、线的连通关系。提取和构建布线优化网络图矩阵是指从*.dwg图中提取可能布线路由中相邻点的距离及编号信息，并利用提取的数据信息，通过适当的数据结构来正确构建优化网络图矩阵。从布线工程图中读取优化网络图中需要的数据时，计算机可以直接对各点编号，生成节点表。但在画出线缆路由前，各点是相互孤立的，计算机无法自动辨别哪些点按实际布线情况是不可能相连的。解决这个问题的思路是，因廊道内的线缆必定沿着廊

18、道走线，在廊道内初选楼层所有接至房间内引入口处的分支点和因廊道走向形成的拐点和廊道汇合点的坐标，然后将所选取的点中将任意点的X或Y值之差小于一定范围(程序中取2.5m)内的点修正在一条直线上，接着选取最靠近起始点(楼层管理间引出点)的一点(程序中取1m)作为最终的起始点，这时只有位于同一条这类直线上的点才可能相连，从而形成了廊道内可能的布线路由。这时，计算机就能够提取到廊道内的可能布线点和这些点间的距离即优化网络图中的弧长，而不在同一直线上的点，在优化网络图的矩阵中弧长初始值为，由此可以将这些数据形成和构建优化网络图的矩阵。4.2 自动绘制布线优化路径在进行优化路径分析计算时，采用改进的迪杰斯

19、特拉算法。该算法的网络图中的特殊点、其它点和距离参数对应于布线工程图中为：楼层配线间引出点设定为特定顶点V1，由每个房间的引出点定为必经点，廊道拐点形成廊道内可能的布线路由点。计算机从图中读取以上所有这些点(以下将所有这些点统称网络图顶点)收入集合S并作为网络图中的顶点；廊道内必须布置到的布线点(即为各房间的引入点)同时收入集合A。网络图中直接相连的顶点沿廊道形成的连线为相邻点距离，将其长度填入优化网络图矩阵对应两点的位置。然后经过改进的迪杰斯特拉算法进行廊道内布线路由优化计算。计算从V1经过m个中间点到各布线点的最短路径矩阵，直到布线点集合A中所有点均被连接到网络图中后，停止计算，输出V1至

20、各布线点的路径。对于仅有唯一通道的必经节点，因为不需作布置优化，在优化计算时可从网络图中删去，以减少计算工作量。最后计算机自动将前面生成的廊道内可能的布线路由按照优化计算结果进行修订，将优化计算结果中的节点连接，并生成廊道内的最优布线路由图，从而实现优化结果下的计算机自动布线。廊道内实现最短布线路由流程图如图2所示：图2 廊道内实现最短布线路由的流程图Figure 2 Flow diagram of realizing the shortest path in the passage5 设备材料表及工程造价报表的自动生成5.1 自动生成设备材料表和工程造价表的方法5.1.1 概述综合布线系统的

21、设备和材料用量是计算工程造价的主要依据之一。材料用量的统计计算是综合布线系统施工图设计中的一项重要工作，也是施工图设计过程中最繁琐和最容易出错的工作。要实现真正意义上的综合布线系统施工图的CAD，就必须实现计算机自动统计计算主要设备和材料的用量。综合布线的路由优化系统给出了计算机自动计算综合布线系统主要设备和材料用量并生成材料用量报表的程序。计算机自动统计和计算综合布线系统主要设备和材料用量的过程，实际上是计算机从数据库的相关表中读出已经存储的必须的参数进行计算，并将计算结果(设备或材料的用量)写入数据库的“材料用量报表”的过程。这部分程序对数据库的操作很频繁，因此采用AutoCAD VBA9

22、,10编写。5.1.2 信息插座及配线电缆用量的计算1.信息插座用量的统计计算平面图中有关信息插座的数据已经被写入数据库的“插座信息”表中，这里统计信息插座和插座模块用量就利用表中的这些数据。统计信息插座和插座模块的用量时，只需对“插座信息”表中的记录逐行检查。将“插座信息”表中的所有数据检查完后，将累加的结果写入“材料用量报表”就完成了信息插座和插座模块的统计计算过程。2.配线电缆用量的计算目前，国内综合布线工程中的配线电缆多采用非屏蔽双绞线，特殊情况下也有采用屏蔽双绞线的，本文考虑非屏蔽双绞线的用量。本文考虑从指定的楼层管理间引出点开始计算线缆用量，程序中求出从该楼层管理间引出点到其他各点

23、的线缆用量之和加上各房间内所用线缆之和即为最后应得的线缆用量总和。对于每根配线电缆，上述计算取所在楼层配线电缆平均长度的10%作为备用部分，端接容差取6m。由于配线子系统的配线间至每个信息插座应是一整根线缆，而且线缆以箱为单位出售，所以不能纯粹以线缆的米数计算。通常的包装方式有305m/箱和1000m/箱。每箱可走信息插座个数=包装长度平均线缆长度(F+N)/，所需订购箱数=信息插座总数每箱可走信息插座个数，最后将订购箱数取整，其中：F最远的信息插座离楼层配线间的距离N最近的信息插座离楼层配线间的距离通过对主要设备和材料用量的统计，将设备和材料的单价以及相关的预算定额输入到，即可使计算机自动生

24、成综合布线各子系统路由优化后的造价报表，原理与自动生成设备材料表原理相同。5.2 设备材料表和工程造价表的数据库设计设备材料表和工程造价报表的数据库具体逻辑结构设计如下：表1-3为综合布线各子系统设备材料及报价表，具体如工作区子系统、配线子系统、干线子系统、设备间子系统、管理间子系统、建筑群子系统。各子系统设备视具体子系统分析，如楼层配线架、线缆、光缆等相关设备。表1-3 综合布线各子系统设备材料及报价表Table 1-3 Device materials and cost tables of various subsystems in in various subsystems字段名数据类型

25、长度允许为空编号数字长整型否子系统名称文本10否各子系统设备文本10是单位文本5是数量数字5是单价(RMB)数字10是报价(RMB)数字10是表1-4为综合布线各子系统所用线缆、线缆穿管类型、穿管管径以及所用技术金属线槽规格表，视具体子系统进行分析，本文主要考虑配线子系统。表1-4 各子系统所用线缆、线缆穿管管径、线槽规格表Table 1-4 Device,pipe diameter, slot specs and cost tables of cables in various subsystems字段名数据类型长度允许为空编号数字长整型否各子系统名称文本5否所用线缆类型文本10是所用线缆截

26、面(mm2)数字5是所用线缆长度(m)数字5是穿管类型文本10是穿管管径(mm)数字10是所用金属线槽规格(a*b)数字5是线管槽敷设方式数字10是表1-5表示综合布线各子系统内的特殊点坐标表，结合实际工程，将尺寸按比例进行缩放，该表形象地表示出了各特殊点的大致位置，给设计人员和施工人员提供了方便。表1-5 各子系统内特殊点坐标表Table 1-5 Coordinate table of special various points in the passage in various subsystems字段名数据类型长度允许为空编号数字长整型否子系统名称文本5否各点X坐标(m)数字单精度型是

27、各点Y坐标(m)数字单精度型是6 结论本文开发的综合布线配线子系统路由优化系统，能快速选择出优化的布线路由，提高设计效率，减少设计人员的工作量。综合布线系统的设计人员可以本文在研究过程中编写的程序为基础，根据自己的需要继续进行二次开发。参考文献1 薛颂石.智能建筑与综合布线系统M北京：人民邮电出版社,20022 韦鹤平.最优化技术应用M，上海：同济大学出版社，20003 李江涛.智能建筑结构化布线施工图计算机辅助优化设计研究D 重庆大学硕士学位论文,20044 中国建筑标准设计研究院.综合布线系统工程设计施工图集02X101-3S，北京：中国建筑标准设计研究院出版社，20025 中国建筑标准设计研究院.综合布线系统工程设计实例03X101-4S，北京：中国建筑标准设计研究院出版社，20036 王炳南.GB/T 50311-2000.建筑与建筑群综合布线系统工程设计规范S，北京：中国计划出版社,20007 李腊元.最短路径算法及其实现J，计算机与数字工程，1999,23：5128 He Hong,Zhu