本发明涉及建筑智能化领域，具体涉及一种建筑内多条管路的管道路径自动规划方法。
背景技术：
1、建筑内管路的规划受机电安装工程影响，机电安装工程包含范围较广，主要有供电系统、通信系统、信号系统、综合监控、环境控制、通风空调、给排水、低压配电、门禁等。其中，通风空调、给排水、低压配电三个专业在设计、施工过程中，受其他专业影响较大，属于末端专业，变更非常频繁。频繁的变更会引起整个工程的人力资源和资金的浪费，延缓整个工程的进度，因此在实际建筑内对于风、水、电的管路布置极为重要。风管布置直接影响通风、空调系统的总体布置。布置中应使风管少占建筑空间并不妨碍生产操作，常沿着墙、柱、楼板屋梁或屋架敷设，安装在支架或吊架上。给水管道的布置受建筑结构、用水要求、配水点和室外给水管道的位置，以及供暖、通风、空调和供电等其他建筑设备工程管线布置等因素的影响。电管的布置需要符合相关的安全标准和规范，能够确保电力系统的输送效率和可靠性，确保建筑内各项电气设备的正常运行。
2、传统的建筑管道路径规划设计中存在着许多的弊端，设计时间长，严重依靠设计人员经验，各个专业设计出的管路容易交叉碰撞，建筑空间内的使用空间重复利用等。为了解决这样的问题，研究多条管道路径的自动规划方法就被提上了日程。建筑内科学合理的管道路径规划能极大地提高管道设计布局的质量，优化建筑空间内的使用率，能够更好地配置建筑过程中的人力资源。目前，广泛应用的基于中间点法的初始管道路径生成方法结合采用传统人工蜂群算法求解最优管道路径的方法，虽然在一定程度上能够实现建筑内多条管道路径的自动规划，但是基于中间点法的初始管道路径生成方法结合采用传统人工蜂群算法求解最优管道路径的方法存在一些缺点。基于中间点法的初始管道路径生成方法首先确定管道路径端点，之后在解空间内随机生成关键点，根据关键点的位置确定插入点，最后连接关键点获得完整的管道路径，这种方法所生成的关键点过于离散，导致自动生成的管道长度过长、弯头过多、能量值过高、管道未沿墙等合理位置敷设，并未达到实际建筑环境中的布置要求。其次，选取传统人工蜂群算法在求解管道最优路径时，采用固定的参数导致在算法后期搜索能力不足，从而导致无法得到最优的管道路径。
技术实现思路
1、鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种建筑内多条管路的管道路径自动规划方法。
2、本发明的技术方案是：
3、一种建筑内多条管路的管道路径自动规划方法，该方法包括如下步骤：
4、步骤1：将三维建筑空间等分为大小相同的栅格，并根据每个栅格所属三维建筑空间区域的属性对其赋予相应的能量值；对三维建筑空间建立坐标系，并设定三维建筑空间中待规划管道路径的每条管路的起点坐标和终点坐标；
5、步骤2：以最小化路径长度、弯头数量及能量消耗为目标，避免与障碍物发生碰撞为约束条件，基于概率选择为待规划管道路径的多条管路中的每条管路生成初始管道路径；
6、步骤3：对人工蜂群算法进行改进，基于每条管路的初始管道路径，利用改进的人工蜂群算法寻找每条管路的最优管道路径；
7、步骤4：引入协同进化思想对步骤3获得的多条管路的最优管道路径进行调整更新，获得所有管路的最终管道路径。
8、进一步地，所述根据每个栅格的所属区域属性赋予相应的能量值的规则为：对于无法敷设管道的区域内的栅格赋予高能量值，对于能够敷设管道的区域内的栅格赋予低能量值。
9、进一步地，基于概率选择为每条管路生成初始管道路径包括如下步骤：
10、步骤2.1：首先在三维建筑空间中随机生成一个关键点；
11、步骤2.2：根据当前关键点生成下一个预布置的关键点，直至生成所有预布置的关键点；
12、步骤2.3：将起点、关键点和终点连接起来，得到一条完整的管道路径，并且将该管道路径到达的栅格所对应的能量值赋予给该路径；
13、步骤2.4：重复步骤2.1-2.3，生成多条具有管道能量值的初始管道路径。
14、进一步地，步骤2.2所述的根据当前关键点生成下一个预布置的关键点包括如下步骤：
15、步骤2.2.1：确定关键点的方向选择概率值pdn：以当前关键点为坐标零点，赋予下一个预布置的关键点在三维建筑空间中的x轴正负方向、y轴正负方向和z轴正负方向6个方向上的选择概率值；
16、步骤2.2.2：确定关键点的弯头选择概率值pwn：对不产生弯头的预布置关键点赋予高选择概率值，对产生弯头的预布置关键点赋予低选择概率值；
17、步骤2.2.3：确定关键点的直线段选择概率值pln：按照式(1)分别计算在三维建筑空间中的x轴正负方向、y轴正负方向和z轴正负方向6个方向上的预布置关键点与当前关键点构成的直线段无障碍路径的终点与待规划管道路径的当前管路的终点之间的距离，确定关键点在各方向上的直线段选择概率值pln；
18、
19、其中，n表示方向，n＝1,2,..,6；pln表示预布置的关键点在方向n上的直线段选择概率值；(a,b,c)为直线段无障碍路径的终点坐标，(d,e,f)为待规划管道路径的当前管路的终点坐标；
20、步骤2.2.4：确定关键点的能量值选择概率值pen：按照式(2)计算预布置的关键点在方向n上的能量值选择概率值；
21、
22、其中，n表示方向，n＝1,2,..,6；pen表示预布置的关键点在方向n上的能量值选择概率值；ln表示在方向n上的直线段无障碍路径的长度；en表示在方向n上的直线段无障碍路径的能量值即该直线段无障碍路径到达的栅格的能量值；
23、步骤2.2.5：根据方向选择概率值pdn、弯头选择概率值pwn、直线段选择概率值pln和能量值选择概率值pen，按照公式(3)计算预布置的关键点选择方向n的初始管道路径选择概率代价pn；
24、pn＝r1×pdn+r2×pwn+r3×pln+r4×pen (3)
25、其中，r1、r2、r3、r4表示权重，r1+r2+r3+r4＝1；
26、步骤2.2.6：根据各方向的初始管道路径选择概率代价分别与所有方向的初始管道路径选择概率代价之和的比值，采用轮盘赌法从预布置的候选关键点中选择出所需的关键点。
27、进一步地，在步骤2.2.1中预布置的关键点在各方向上的选择概率值的大小由当前关键点与预布置的关键点之间的矢量方向决定：计算当前关键点分别与六个预布置关键点之间的矢量方向，选择与管路的终点方向夹角最小的矢量方向为指向终点的方向，其他三个矢量方向为远离终点的方向，对指向终点的方向赋予高选择概率值，对远离终点的方向赋予低选择概率值。
28、进一步地，所述对人工蜂群算法进行改进是对雇佣蜂阶段的搜索公式进行改进，改进后的搜索公式为：
29、
30、其中，
31、
32、其中，vi为雇佣蜂阶段搜索到的新的候选管道路径；xi代表第i条初始管道路径，i∈{1,2,...,sn}；xk代表第k条初始管道路径，k∈{1,2,...,sn}且k≠i；sn为初始管道路径总数；cmax为人工蜂群算法的最大迭代次数；c为人工蜂群算法的当前迭代次数；为[-1，1]的随机数。
33、进一步地，所述步骤4包括如下步骤：
34、步骤4.1：基于原始三维建筑空间和步骤3获得的除当前管路以外的其他管路的最优管道路径构成的进化环境，按照步骤3的方法基于步骤3获得的当前管路的最优管道路径，利用改进的人工蜂群算法再次寻找当前管路的最优管道路径；
35、步骤4.2：根据管道路径上的关键点和直线段判断各管路之间是否存在最优管道路径重叠，若是，则返回步骤2重新计算相关管道的路径，若否，则获得所有管路的最终管道路径，完成建筑内多条管路的管道路径规划。
36、进一步地，根据管道路径上的关键点和直线段判断各管路之间是否存在最优管道路径重叠的方法包括：(a)遍历所有管路的最优管道路径上的关键点，如果不同管路的最优管道路径上的关键点坐标是重复的，则认为对应的最优管道路径重叠；(b)根据管道路径上的直线段的起点坐标和终点坐标计算直线段的参数方程，根据几何学知识，联立两条管道路径上的直线段的参数方程求相交点，检查不同管路的最优管道路径上的直线段是否有相交点，如果有相交点，则认为对应的最优管道路径重叠。
37、与现有技术相比较，本发明具有如下有益效果：
38、(1)设计了一种基于概率选择的初始路径生成方法，考虑了方向、弯头、直线段和能量值等评价指标，使得生成的管路路径更加合理，减少了求解的复杂性，并提高了初始管道路径生成的质量。
39、(2)针对传统人工蜂群算法在搜索能力方面存在的不足，在求解管道最优路径时有可能会陷入局部极值，求解的精度不够的问题，本发明发现在雇佣蜂时期，搜索公式中的参数较大时，在整个算法初期的搜索能力较高，但是在算法后期的搜索精度不够；当参数较小时，初期的搜索速度降低，后期算法的搜索精度上升。为了更好地平衡在整个蜂群算法中的搜索能力，本发明考虑根据搜索的进程实时地对蜂群算法中的参数进行调整，使算法能够根据搜索进程实时调整参数即使前期较大，后期较小，保持搜索能力的高水平，从而获得建筑空间内所有管路的最优管道路径。
40、(3)引入了协同进化思想改进了人工蜂群算法，将每个管路视为一个独立进化的种群，同时选取每个种群的最优解，在接收到其他种群的最优解后，更新当前种群的最优解，达到同步进化，实现了对整个建筑空间中管道路径的搜索，最终获得了建筑内所有管路的最优管道路径。
41、(4)本发明通过改进的路径生成方法和引入协同进化的搜索算法得到的管道路径，在路径长度、弯头数量和沿墙敷设方面优于传统方法，完全满足了真实建筑环境中理想管道路径自动规划的要求。
1.一种建筑内多条管路的管道路径自动规划方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的建筑内多条管路的管道路径自动规划方法，其特征在于，所述根据每个栅格的所属区域属性赋予相应的能量值的规则为：对于无法敷设管道的区域内的栅格赋予高能量值，对于能够敷设管道的区域内的栅格赋予低能量值。
3.根据权利要求1所述的建筑内多条管路的管道路径自动规划方法，其特征在于，基于概率选择为每条管路生成初始管道路径包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的建筑内多条管路的管道路径自动规划方法，其特征在于，步骤2.2所述的根据当前关键点生成下一个预布置的关键点包括如下步骤：
5.根据权利要求1所述的建筑内多条管路的管道路径自动规划方法，其特征在于，在步骤2.2.1中预布置的关键点在各方向上的选择概率值的大小由当前关键点与预布置的关键点之间的矢量方向决定：计算当前关键点分别与六个预布置关键点之间的矢量方向，选择与管路的终点方向夹角最小的矢量方向为指向终点的方向，其他三个矢量方向为远离终点的方向，对指向终点的方向赋予高选择概率值，对远离终点的方向赋予低选择概率值。
6.根据权利要求1所述的建筑内多条管路的管道路径自动规划方法，其特征在于，所述对人工蜂群算法进行改进是对雇佣蜂阶段的搜索公式进行改进，改进后的搜索公式为：
7.根据权利要求1所述的建筑内多条管路的管道路径自动规划方法，其特征在于，所述步骤4包括如下步骤：
8.根据权利要求7所述的建筑内多条管路的管道路径自动规划方法，其特征在于，根据管道路径上的关键点和直线段判断各管路之间是否存在最优管道路径重叠的方法包括：(a)遍历所有管路的最优管道路径上的关键点，如果不同管路的最优管道路径上的关键点坐标是重复的，则认为对应的最优管道路径重叠；(b)根据管道路径上的直线段的起点坐标和终点坐标计算直线段的参数方程，根据几何学知识，联立两条管道路径上的直线段的参数方程求相交点，检查不同管路的最优管道路径上的直线段是否有相交点，如果有相交点，则认为对应的最优管道路径重叠。
