引领电气CAD、PLM以及模拟仿真的未来

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电气原理图的自动识别

发表时间:2017-10-31 作者: 朱江  孙家广  邹北骥  傅红普   来源: 互联网
关键字: 识别 属性图 图同构 
本文给出了一种识别通用CAD软件绘制的电气原理图的方法。该方法先根据电气符号的几何特征将其从图纸中提取出来并使用含两级属性的属性图表示,然后采用过滤图模式库和Ullman算法相结合的方法识别电气符号,最后提取图纸中各种文字标注和电气符号的连接关系。实验证明,该方法能够准确地识别电气原理图。

l 引言

    电气原理图是用来表示电气设备和控制元件动作原理的一种重要的工程图纸。它由电气符号、电路线和各种文字标注组成。目前,国内外一些专业电气CAD软件能够完成从绘制原理图到原理分析、自动生成安装接线图等一系列工作,极大地提高了设计人员的工作效率。但是,现实中存在大量使用通用CAD 软件绘制的电气原理图。在这些图纸中,电气符号和电路线都由互相分离的几何图元组成,不包含电气信息,无法被新的电气CAD 软件所利用。如果能够识别这些图纸,就能在此基础上用电气CAD软件对其进行加工(元件替换、移动、回路添加、删除等)和各种后续处理(原理分析和自动生成接线图),合理利用已有图纸资源,实现设计和生产的连续化。冈此,自动识别电气原理图具有重要的应用价值。

    识别电气原理图的核心是识别原理图中的电气符号。目前,基于属性图的方法是比较常见的符号识别方法。文献将包含大量符号的整张图纸用属性图表示,图的结点表示特征点,图的边表示连接于特征点间的部分。再将以上属性图用区域邻接图表示,减少了结点数目,加快了图匹配速度。这种属性图记录了符号的大量几何信息,能够精确地描述符号的形状。符号识别时,采取不精确匹配的方法,适用于手绘图纸的识别。其缺点是整张图纸用一个图表示,符号特征提取过程复杂,这种方法不符合CAD图形符号的特点。

    本文方法较好地解决了上述问题:根据电气设计原理图中电气符号的几何特征确定电气符号的位置,并将其分离并提取出来;提出了一种含两级属性的属性图表示方法,能够有效地描述电气符号。识别符号时,先提取属性图特征预先过滤图模式库,减少图匹配次数,再运用Ullman算法进行图匹配。最后,在此基础上提取出电气原理图中的各种文字标注和电气符号的连接关系,从而完成了对电气原理图的识别。实践证明,本文方法能快速、准确地识别电气原理图,提高了设计和生产的自动化程度。

2 电气符号的提取

    为了识别电气原理图中的电气符号,首先要将符号从图纸中分离出来。电路线与电气符号相比,其图元均为水平线和竖直线,几何尺寸大,分布松散。所以,先计算单个电气符号的大致尺寸,再结合构成它们的图元的特点把电气符号与电路线分离开来。

    电气符号的大致尺寸使用下式得到:

   

    接着,按照以下步骤将电气符号与电路线分离:(1)选取图纸中所有水平线和竖直线,组成一个链表L。(2)将链表L中包含于封闭图形(矩形、三角形、圆等)内的直线删除,将组成矩形、三角形的直线删除。(3)将链表L中长度小于d的直线删除。

    经过以上三步,链表L中剩下的直线为电路线。由于电路线的端点只可能与电气符号或与电路线相连,所以取出L中所有的直线,将其端点中不与L中其它直线相交的端点存人数组P,则P中的端点均与电气符号相连。然后,搜索数组P中距离较近的端点对,根据两端点位置构造适当大小的矩形搜索区域,提取双端元件(含两个接线端子);根据P中剩下的端点位置构造搜索区域,提取单端元件(仅含一个接线端子)。

3 电气符号的表示

3.1 含两级属性的属性图表示方法

    图是表示结构化对象的一种非常有效的数据结构,属性图是结点和边上含有属性信息的图。本文采用含两级属性的属性图表示电气符号。图的结点表示图元,图的边表示图元问关系。结点和边的属性均分为两级:第一级为定性属性,结点属性表示组成符号的图元类型,边属性表示图元间的连接关系;第二级为定量属性,包含了图元及图元间关系的几何量信息。

    如图1a左图所示,熔断器的电气符号由一个矩形和一条直线构成;右图中,结点1的属性为直线(长15,与水平线夹角90。),结点2的属性为矩形(长10,宽3),两条边(1,2)的属性均为相交(夹角90°)。使用以上含有两级属性的属性图表示符号,因为定量属性能够取连续值,所以能对符号的几何形状进行较精确的描述。由于CAD图形中图元及其连接关系的几何信息非常便于提取,该方法适合于对CAD绘制的图形符号进行描述。

   

    图1 部分电气符号及其属性图表示

3.2 电气符号的属性图表示

    电气原理图中的电气符号具有以下特点:与几何大小无关;对角度没有特别的规定;有水平或竖直放置两种方向。考虑到以上特点,把属性图的定量属性按以下标准离散化:不提取绝对的长度信息,仅提取相对的长度、位置信息;将角度的信息分为三个方向,即水平、竖直和其它;水平和竖直放置同等对待。表1所示为定量属性离散化后的含两级属性的属性图表示方法。在属性图中,属性值用两位编码表示,如表1第四列所示。在存储属性图时,将属性值对应的编码存人属性域即可,在识别时比较属性值仅需进行文本比较。

    表1 电气符号的属性图表示方法

   

    用上述属性图表示电气符号,图1a右图为熔断器的属性图表示,结点1的属性为直线(与水平线夹角0或90°),结点2的属性为矩形(长宽比>2);两条边(1,2)的属性均为交叉(夹角90°)。图1b右图为信号灯的属性图表示,结点1、3的属性为直线(与水平线夹角0或90°),结点2的属性为圆弧(弧度360°),结点4、5的属性为直线(与水平线夹角为其它值);边(1,2)、(2,3)的属性为一端顶点相连(夹角90°),边(2,4)、(2,5)的属性为包含,边(4,5)的属性为交叉(夹角90°)。