一种控制系统建模中的功能块智能布线方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种适用于复杂工业控制系统建模中的功能块智能布线方法，涉及智能布线技术。本发明专利技术根据工业控制系统建模过程中复杂控制关系、多功能块、多控制回路的特点，以及高效率、高灵活性的建模需求，设计出了一种智能布线方法，通过对连线折点个数的判断、连线的走向选取、连线索引确定、连线折点坐标以及布线版图区域中状态空间的转移过程，通过映射、逆映射方法，有效解决了工业控制网络结构复杂、设备繁多、组态关系复杂、组态界面凌乱的问题，并实现了不同功能块之间的互连问题，有较高的灵活性和适用性。本发明专利技术布线速度快，连线质量高，功能块达到一定规模时，时间复杂度及空间复杂度都很高，其优越性尤其显著，有一定的推广价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及人工智能技术、计算机技术和自动控制技术，具体是一种功能块智能 布线技术。
技术介绍
随着现代工业的生产技术、工艺过程日趋复杂，生产设备和装置的规模不断扩大， 人们对控制系统的需求越来越高。根据应用对象及控制任务的不同要求，用户需要灵活配 置、合理组合各个功能模块，以完善和逼真的显示方式正确地表达出目标系统所要求的控 制逻辑，并且保证生成系统的实用性和高效率性。控制系统组态是工业控制技术的核心技 术之一，它主要是针对不同工程应用进行系统建模、控制逻辑建模和监控图元建模，而控制 系统控制逻辑建模是由功能块及功能块之间的连线组成，主要完成工业控制系统输入、输 出变量参数的配置，构成数据传输路线。常见的工业控制系统都是采取“搭积木式”对话框形式，或在控制系统控制对象少 的情况下通过简单的连线生成相应的链接对象进行组态配置，而在复杂多回路控制系统的 情况下，这些配置方式存在工作量大、表述不直观等缺陷，同时在仿真测试软件中也很难寻 找直观的连接关系。在这种情形下，功能块布线工作变得越来越繁重，因此提供一种智能布 线方法是至关重要的。现有技术中针对布线方法的研究有很多，目前已经提出的有VI^R布局功能(基于 模拟退火功能)、PCP布局功能、迷路法、斯坦纳(Steiner)树算法、贪婪算法等，它们都是 以提高设计的可制造性、信号的完整性、使用资源少、能耗低、布通率高、布线面积(即通道 数)或通孔数最小等为目标函数进行考虑。上述的布线功能都是基于多层电路板及集成电 路线网或电网系统而设计的，而针对工业控制系统自动化领域很少涉及到，同时在工业控 制系统建模领域中，所提及到的布线目标强调的是布线版图的可操作性及灵活性，对布线 面积的要求并不高，因此在工业控制系统建模领域中，寻求一种适应的智能布线方法成为 技术发展的必要。本专利技术正是在这样的背景下提出的，主要是结合工业控制系统建模过程中复杂控 制关系、多功能块、多控制回路的特点，以及高效率、高灵活性的建模需求等特点，创新性地 提出了一种适合复杂工业控制系统建模过程中的功能块智能布线方法。该方法把人工智能 应用到自动布线领域中，这是一种新的探索，也是一个重要的、大有发展前途的领域，将对 传统的布线方式的创新产生积极的影响。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是，针对复杂工业控制系统控制对象数量多、数据结构复 杂的特点，以集成电路线网布线设计和电网系统中的布线方法为参考，结合分析面向区域 和面向网格的布线功能及控制策略组态的结构特点，综合多种算法模式来设计，充分考虑 了布线版图的可操作性和灵活性，能够高效率、更合理的对布局版图进行布线，为此提出了一种适合复杂工业控制系统的智能布线方法。要求线路绕过视图上已有的各种不同的功能 块，实现线路连线路径短，拐点少、整齐美观的设计效果。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是采用基于IEC61131-3国际标准的 图形化功能块方式对控制逻辑进行建模，用以在计算机平台上布设具有多功能块、多线路 的布线版图，将整个布线版图区域划分为若干个大小可变排列整齐的虚拟单元网格，从布 线起点开始，一直沿着水平方向或竖直方向探索目标点，借助图1所给出的连线折点个数 的判断方法、连线走向的确定方法、连线索引的确定方法、连线折点坐标的求解方法以及布 线版图区域中状态空间的转移过程，采用了智能搜索技术、迷宫探路思想，通过映射、逆映 射方法，自动确定一条功能块之间的最优路线，到达目标点。连线折点个数判断模块根据功能块的位置、连线点之间的位置关系以及功能块之 间是否存在其它功能块，确定连线折点个数；连线走向模块根据连线的折点个数、功能块之 间存在的其它功能块位置及数量，确定连线的走向；连线索引模块结合网络区域中的已有 布线状态信息，及连线的走向确定连线的索引值；位置模块根据连线之间的间距、连线的索 引值确定连线的折点坐标，由此确定连线的具体位置。状态空间转移模块结合连线的具体 位置对组态界面布局进行更新。 连线折点个数判断方法是控制系统布线算法的关键环节，为控制系统布线过程中 不出现交叉、重叠问题提供了保障，它的设计思想为根据功能块左上顶点、连线点的坐标判 断它们之间的位置关系以及功能块之间是否存在其它功能块，同时结合具体实施方式中的 连线折点个数选取情况表1，确定连线折点个数。连线走向确定方法采用映射策略和探索思想，为控制系统布线提供合理的、最优 的布线途径和方法。其基本思想是以网格区域中的网格线为映射目标，采用映射策略，将连 线的两布线点映射到网格线上，同时借助迷宫探索思想，根据已知的连线折点个数，采用退 化的k*算法，求解网格线上任意两点之间的最优路径，再借助布线点逆映射策略，以最优路 径原则完成所有布线点的逆映射过程，从而构成相应连线的走向。连线索引值求解方法步骤如下I、计算连线中横线段所在的网格区域的行数。II、在连线数据库中查询上述行中已存在的所有横线段，获取每条横线段所连接 的功能块、端子点信息，并确定横线段的影响实体是线头功能块或是线尾功能块。III、寻求该横线段与该行中其它横线段的上下位置关系的一种匹配模式。IV、获取两横线段的索引大小关系。V、通过二叉树排序法，两两比较，确定该横线段索引的取值范围。VI、通过逐步逼近，直至缩小到最小范围，从而获取该横线段的索引值。νπ、同横线段索引求解方法，计算连线中左竖线段、右竖线段的索引值。连线折点坐标求解方法步骤如下I、初始化布线版图中功能块等对象的数据信息及其间距；II、判断功能块、布线点之间的位置关系，确定连线的折点个数；III、参照连线索引的求解方法，计算连线中横线段、左竖线段、右竖线段的索引 值；IV、根据连线的走向及折点个数，结合折点坐标公式，获取连线的具体位置。布线版图区域状态空间转移是针对控制系统模型中功能块等控制对象发生改变 时，整个控制系统模型状态空间同时发生相应转移的过程，例如当添加、删除或者移动系统 中某一功能块对象时，引起整个布线版图区域中信息素发生相应的变化，其中包括改变布 线版图区域大小、网格区域大小、功能块位置、连线位置及折点数等。本专利技术提出的一种适合控制系统建模的规模自适应的、高效率的功能块智能布线 方法，可有效解决工业控制系统网络结构复杂、设备繁多、组态关系复杂情形下工程师组态 工作量大、组态界面凌乱的问题，避免了一般布线系统中障碍物在布线过程中位置固定不 变和布通率不高的情况，并能够更好地为用户提供直观友好的界面以及灵活操作的建模环 境，快速地完成不同功能块之间的互连。本专利技术方法思路简捷，易于编程，求解速度快，连线质量高，当功能块达到一定规 模时，时间复杂度及空间复杂度都很高，其优越性尤其显著，有一定的推广价值。附图说明图1布线方法总体流程2基于功能块和连线的概念模型图3路径探索方向选取4连线最优路径搜索流程5连线中横线段索引求解流程6横线段的位置关系比较模式7左竖线段的位置关系比较模式8右竖线段的位置关系比较模式9功能块、网格线、连线之间间距示意图具体实施例方式以下结合附图和具体实例对本专利技术的实施作具体说明。系统组态是工业控制系统的核心技术之一，它主要是针对不同工业控制系统不同 工程应用来进行建模，通过功能块输入输出端口之间的相互连接，完成系统输入、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种功能块智能布线方法，其特征在于：连线折点个数判断模块根据功能块的位置、连线点之间的位置关系以及功能块之间是否存在其它功能块，确定连线折点个数；连线走向模块根据连线的折点个数、功能块之间存在的其它功能块位置及数量，确定连线的走向；连线索引模块根据网络区域中的已有布线状态信息及连线的走向，确定连线的索引值；位置模块根据连线之间的间距、连线的索引值确定连线的折点坐标，由此确定连线的具体位置。状态空间转移模块结合连线的具体位置对组态界面布局进行更新。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王颋，刘思东，王平，蔡林沁，梁孟芹，陈学军，关学进，刘娟，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：85[中国|重庆]