沈 濤，徐玉龍，陳亞峰，曲金豹（中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 100048）

1 概述

中國共產(chǎn)黨十九屆五中全會和2021 年全國兩會均對加快數(shù)字化發(fā)展作出總體部署，國資委認(rèn)真貫徹落實黨中央、國務(wù)院決策部署，著力推動國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，在2021 年2 月印發(fā)了《關(guān)于加快推進(jìn)國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的通知》，明確了國有企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作的重要意義、主要任務(wù)和保障措施。中國聯(lián)通積極響應(yīng)黨中央和國資委的號召，將數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為企業(yè)改革發(fā)展的重點任務(wù)，積極推進(jìn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型工作。

工程圖紙是通信建設(shè)工程在工程設(shè)計階段的重要成果，以往均由設(shè)計工程師使用CAD 等繪圖工具完成。設(shè)計工程師先是現(xiàn)場查勘，分析設(shè)計，然后根據(jù)實際現(xiàn)場環(huán)境數(shù)據(jù)在CAD 工具里選擇預(yù)設(shè)好的模型，并拖拽到相應(yīng)的位置，最后生成可以供施工參考的設(shè)計圖紙。這種流程主要存在以下幾個問題。

a）設(shè)計圖紙不夠精細(xì)化，準(zhǔn)確度不高。如單個模型在區(qū)域內(nèi)的坐標(biāo)不精確，交接點的空間定位高度也很難確定，位置完全靠設(shè)計工程師人工判斷。

b）工程圖紙不一致。由于傳統(tǒng)基于CAD 設(shè)計主要是人工繪制，并且沒有統(tǒng)一的繪圖標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致圖紙千人千面，復(fù)用成本較高，產(chǎn)出效率較低。

c）生成的圖紙以及模型沒有數(shù)字化和語義化。由于設(shè)計人員流動性比較大，老的圖紙沒有數(shù)字化存儲和語義化表達(dá)，導(dǎo)致維護(hù)成本隨著時間推移越來越高，并且有丟失的風(fēng)險。

在中國聯(lián)通相關(guān)單位著力推進(jìn)通信工程設(shè)計領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，中國聯(lián)通在網(wǎng)絡(luò)資源管理、工程規(guī)劃、工程建設(shè)等領(lǐng)域的數(shù)字化方面取得了長足進(jìn)展，通信工程建設(shè)所需的網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、工程建設(shè)數(shù)據(jù)等均實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)化的存儲。設(shè)計工程師通過數(shù)據(jù)元和圖紙自動化生成方案，可以實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的快速生成和編輯模型，并且結(jié)合其他系統(tǒng)的接口數(shù)據(jù)，將圖紙里面的單個模型語義化，能夠比較方便和直觀地查看、編輯和導(dǎo)出設(shè)計圖紙，從而使利用數(shù)據(jù)自動化生成通信工程設(shè)計圖紙成為可能。

綜上所述，在通信工程設(shè)計企業(yè)實施數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大背景下，采用自動化的方式生成工程設(shè)計圖紙以替代原有的人工方式，對通信設(shè)計行業(yè)而言具有較大的應(yīng)用價值。

2 架構(gòu)及流程描述

基于上述通信工程中設(shè)計遇到的問題和需求，本文提出一套基于結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行圖紙自動化生成以及二維∕三維展示的技術(shù)解決方案，并基于該解決方案開發(fā)出原型系統(tǒng)。系統(tǒng)整體架構(gòu)包括真實物理世界數(shù)據(jù)、三維重建∕CAD 圖紙識別等方式生成的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、基于統(tǒng)一信息庫進(jìn)行數(shù)據(jù)管理、繪圖服務(wù)抽象化（包括機(jī)房服務(wù)、鐵塔服務(wù)、設(shè)備互聯(lián)服務(wù)、傳輸線路服務(wù)、配套電源服務(wù)等）、二維∕三維展示平臺，整體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 技術(shù)架構(gòu)

2.1 數(shù)據(jù)采集和生成

目前，傳統(tǒng)的數(shù)字化設(shè)計主要是針對機(jī)房和鐵塔場景，可以采用以下3種方式將機(jī)房和鐵塔數(shù)字化。

a）使用手持instan360 全景相機(jī)或者遙控?zé)o人機(jī)掃描機(jī)房∕鐵塔，將獲取到的圖片上傳到三維重建平臺，經(jīng)過點云重建、語義∕實例分割，生成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。

b）對紙質(zhì)的CAD圖紙進(jìn)行角點識別，通過識別每個設(shè)備的4 個邊角信息，連點成線，恢復(fù)出這個設(shè)備，實現(xiàn)對機(jī)房中墻體、窗、門、儀器設(shè)備的識別，最終生成結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。

c）前期查勘的工程資料很多是以表格的形式進(jìn)行存儲的，通過開發(fā)excel 導(dǎo)入功能，將數(shù)據(jù)批量存入數(shù)據(jù)庫。

通過以上3種方式實現(xiàn)機(jī)房和鐵塔基礎(chǔ)信息數(shù)字化，通過其他現(xiàn)有系統(tǒng)（機(jī)房動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)）提供的接口快速關(guān)聯(lián)內(nèi)部設(shè)備（服務(wù)器，通信設(shè)備等）信息，經(jīng)過統(tǒng)一的處理后，存入統(tǒng)一信息庫。

2.2 數(shù)據(jù)管理

通過屬性管理平臺和數(shù)字資產(chǎn)管理平臺進(jìn)行機(jī)房和鐵塔基礎(chǔ)信息的新增、編輯和關(guān)聯(lián)等管理工作，包括機(jī)房柜體布局圖、平面輪廓圖、機(jī)柜∕空調(diào)∕ups 等設(shè)備信息、站點與機(jī)房∕鐵塔的關(guān)聯(lián)關(guān)系、機(jī)房∕鐵塔與工程的關(guān)聯(lián)關(guān)系等。

2.3 繪圖服務(wù)

基于后端統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)化基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一個圖紙自動化生成及二維∕三維展示平臺。將各個行業(yè)的服務(wù)進(jìn)行抽象化、標(biāo)準(zhǔn)化，主要包括機(jī)房服務(wù)、鐵塔服務(wù)、設(shè)備互聯(lián)服務(wù)、傳輸線路服務(wù)、配套電源服務(wù)等。以機(jī)房設(shè)計服務(wù)為例。

a）基礎(chǔ)模型庫維護(hù)。平臺維護(hù)一套機(jī)房內(nèi)部設(shè)備的基礎(chǔ)模型，包括機(jī)柜、服務(wù)器、空調(diào)、設(shè)備、走線架等。

b）二維設(shè)計圖在線預(yù)覽。結(jié)合結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)模型庫，平臺通過設(shè)計好的算法快速生成預(yù)覽二維∕三維的設(shè)計圖，某機(jī)房的二維設(shè)計圖如圖2 所示。

圖2 機(jī)房二維設(shè)計圖

c）二維設(shè)計圖導(dǎo)出。平臺將多格式圖紙生成封裝成API 服務(wù)，從而達(dá)到自動化生成多種格式的圖紙的目標(biāo)，滿足各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)和工程化的需求。某機(jī)房的三維設(shè)計圖如圖3所示。

圖3 機(jī)房三維設(shè)計圖

2.4 圖紙生成

平臺還提供圖紙生成導(dǎo)出功能，將多種圖紙格式的導(dǎo)出服務(wù)進(jìn)行封裝，提供給設(shè)計人員使用，具體如下。

a）DWG 圖紙生成?；谥型鸆AD 平臺提供的SDK，進(jìn)行軟件的個性化定制和二次開發(fā)，將圖紙導(dǎo)出為DWG格式。

b）PDF 圖紙生成。使用PDF“虛擬打印機(jī)”技術(shù)將圖紙導(dǎo)出為PDF格式。

c）PNG 圖紙生成。使用PNG“虛擬打印機(jī)”技術(shù)將圖紙導(dǎo)出為PNG格式。

d）VISIO 圖紙生成。使用VISIO“虛擬打印機(jī)”技術(shù)將圖紙導(dǎo)出為VISIO格式。

可以通過PC Web∕APP∕H5 等多種前端系統(tǒng)展現(xiàn)方式將圖紙交付給客戶使用，從而大大提高用戶操作的方便性。

以下分別是機(jī)房（見圖4）和鐵塔（見圖5）圖紙數(shù)字化效果示意圖。

圖4 機(jī)房效果圖

圖5 鐵塔效果圖

3 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)生成及管理方案

3.1 結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來源

a）三維重建生成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。使用全景相機(jī)，按照預(yù)設(shè)好的規(guī)則，掃描指定的機(jī)房或鐵塔，將獲取到的圖片上傳到三維重建平臺，通過三維點云重建、模型重建、語義分割、全景圖、矢量模型生成，手動調(diào)整后輸出結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

b）對CAD圖紙識別生成的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。

c）前期查勘的工程資料或者人工采集的調(diào)研資料。

3.2 屬性管理平臺

基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫

屬性管理平臺可以非常方便地管理機(jī)房和鐵塔，包括其本身具有的和各個子設(shè)備的基礎(chǔ)屬性以及設(shè)備間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

a）屬性列表模塊?？梢圆榭葱略龅臋C(jī)房∕鐵塔屬性，包括機(jī)柜、空調(diào)、電池組、通信設(shè)備等屬性。

b）屬性分類模塊。支持創(chuàng)建1～N級分類，支持通過excel導(dǎo)入分類關(guān)系表；能夠直觀地看到屬性之間的依賴關(guān)系。

c）屬性新增∕編輯模塊。通過預(yù)設(shè)模版+屬性分類，用戶可以很方便地完成屬性的新增∕編輯。

d）屬性模版管理。支持屬性模版的增刪改查，方便用戶線下excel 導(dǎo)入屬性，提供多種屬性導(dǎo)入方式，提升用戶體驗。

3.3 數(shù)字資產(chǎn)管理平臺

數(shù)字資產(chǎn)管理平臺，可以查看管理數(shù)字化后的機(jī)房和鐵塔，并能夠基于此進(jìn)行迭代數(shù)字化設(shè)計。

a）機(jī)房列表模塊?？梢圆榭磾?shù)字化的機(jī)房∕鐵塔信息，包括機(jī)房ID、名稱、位置等屬性。

b）機(jī)房設(shè)備列表模塊。可以查看機(jī)房內(nèi)部包括的設(shè)備列表，包括設(shè)備ID、名稱、位置、類型、使用狀態(tài)等。

c）機(jī)房設(shè)備圖示模塊。將數(shù)字化后的機(jī)房∕鐵塔，通過圖像繪制引擎繪制到網(wǎng)頁上，能夠直觀地看到機(jī)房∕鐵塔的布局結(jié)構(gòu)，以及內(nèi)部包含的設(shè)備列表，為傳統(tǒng)設(shè)計提供服務(wù)支持。

4 基于結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的圖紙生成技術(shù)方案

4.1 圖元實現(xiàn)方案

工信部于2015年發(fā)布了《通信工程制圖與圖形符號規(guī)定》（YD∕T 5015-2015）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各個設(shè)計單位也根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求制定了自有標(biāo)準(zhǔn)圖形符號庫。工程設(shè)計圖紙一般需要使用標(biāo)準(zhǔn)圖形符號（以下稱為“圖元”）進(jìn)行繪圖，在圖紙自動化生成過程中主要通過繪制圖元的方式完成圖紙生成。圖紙自動化生成系統(tǒng)對圖元相關(guān)需求主要包括以下幾點。

a）圖元是虛擬打印機(jī)基本繪圖操作的組合，可實現(xiàn)繪圖單元的重復(fù)利用。

b）在繪制時可以平移、縮放、旋轉(zhuǎn)圖元，且操作后圖元表現(xiàn)的圖形符號輪廓不發(fā)生變化。

c）圖元可以由其他圖元及基本繪圖操作組合而成。

d）圖元可以以靜態(tài)代碼或動態(tài)數(shù)據(jù)加載方式生成。

圖元繪制實現(xiàn)的技術(shù)難點在于圖元可以在圖紙內(nèi)平移、縮放和旋轉(zhuǎn)，主要通過為圖元添加相對坐標(biāo)系來實現(xiàn)，即每個圖元均須具備相對坐標(biāo)系信息，主要包括原點相對X坐標(biāo)、原點相對Y坐標(biāo)、，縮放系數(shù)、旋轉(zhuǎn)角度。

具備了相對坐標(biāo)系信息后，在使用虛擬打印機(jī)的繪圖功能繪制圖元時，均需先使用相對坐標(biāo)系將坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為圖元在圖紙中的“實際坐標(biāo)”，然后再進(jìn)行繪制。

在圖元類使用的原始相對坐標(biāo)系參數(shù)一般為（0，0，1，0），即相對X、Y坐標(biāo)為0，縮放系數(shù)為1，旋轉(zhuǎn)角度為0。在實例化圖元對象時可傳入定制的相對坐標(biāo)系參數(shù)，亦可通過方法設(shè)定圖元的相對坐標(biāo)系參數(shù)，從而實現(xiàn)圖元在圖紙上的平移、縮放、旋轉(zhuǎn)。

4.2 多格式輸出方案

工程設(shè)計中一般采用CAD 工具制作設(shè)計圖紙，如需其他格式，一般需要用戶手動從CAD 格式圖紙轉(zhuǎn)換為其他格式。在采用圖紙自動化方案后，由于使用了結(jié)構(gòu)化的后端基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，使得利用同一套后端直接輸出多種圖紙格式成為可能。其核心技術(shù)方案是在架構(gòu)設(shè)計中將不同格式的基本繪圖操作抽象為“虛擬打印機(jī)”，在生成圖紙時使用不同格式的打印機(jī)完成不同格式圖紙文件的輸出，如圖7所示。

圖7 多格式輸出技術(shù)架構(gòu)

a）系統(tǒng)定義了“虛擬打印機(jī)”基類，打印機(jī)基類定義了畫點、畫線、畫文本、畫形狀等基本的繪圖操作。

b）不同輸出格式需要實現(xiàn)單獨的“虛擬打印機(jī)”類，按照輸出格式要求通過SDK、COM 接口、文件接口等方式實現(xiàn)格式的基本繪圖操作。

c）系統(tǒng)使用“工廠模式”根據(jù)業(yè)務(wù)需求產(chǎn)生“虛擬打印機(jī)”類。

d）圖紙繪制業(yè)務(wù)邏輯使用“虛擬打印機(jī)”類接口完成繪圖任務(wù)。由于所有的“虛擬打印機(jī)”類具備同樣的接口，因此系統(tǒng)只需要實現(xiàn)一份圖紙繪制業(yè)務(wù)邏輯即可支持多種格式文件的輸出。

4.3 圖層功能實現(xiàn)方案

在工程圖紙生成過程中，常常需要為圖紙增加除核心內(nèi)容之外的附加性內(nèi)容，如設(shè)計單位圖框、水印、固定的提示說明、通用裝飾性內(nèi)容等等。該部分內(nèi)容通常與圖紙的核心工程設(shè)計內(nèi)容無關(guān)，但在實際應(yīng)用過程中是必須具備的，而且常常隨著業(yè)務(wù)需求的變化而變動。一般采用圖層功能來實現(xiàn)上述需求，即將不同展示內(nèi)容的繪圖內(nèi)容抽象為圖層，通過圖層的組合、顯隱來裝配出需要的工程圖紙。

圖層功能可采用軟件工程設(shè)計模式中的“裝飾器模式”來實現(xiàn)。使用裝飾器模式完成圖層功能的主要實現(xiàn)過程為：

a）設(shè)計圖層類型，每個類型的圖層均實現(xiàn)Draw函數(shù)，其中核心圖層實現(xiàn)設(shè)計圖紙的核心內(nèi)容繪制。

b）裝飾器初始化時需傳入圖層類型，并保存為圖層成員變量，通過包裝方式實現(xiàn)裝飾器的Draw函數(shù)。

c）自定義圖層裝飾器可對傳入的圖層進(jìn)行裝飾，通過對引入不同的圖層成員及自定義繪制操作，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)所需要的繪圖效果。

d）由于圖層裝飾器與圖層具備相同的核心功能接口，可以通過多個裝飾器的靜態(tài)或動態(tài)組合完成靈活的圖層定制功能。

5 總結(jié)與展望

本文提出了一套圖紙自動化生成的方案以及平臺，相比于傳統(tǒng)繪圖，其設(shè)計理念發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的設(shè)計還是基于圖紙模型的迭代更新和細(xì)節(jié)補(bǔ)充，設(shè)計流程比較粗放，對于每一次的圖紙輸出也沒有時間留痕和版本管理，給圖紙追溯也帶來了很大的困擾。而圖紙自動化生成則是基于數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)圖紙的自動化呈現(xiàn)和輸出，設(shè)計人員每次設(shè)計只需要更改數(shù)據(jù)即可，每次圖紙輸出系統(tǒng)都會自動進(jìn)行版本記錄，方便隨時隨地追溯。不過這也給設(shè)計人員提出了更高的要求，需要精細(xì)化管理，從源頭保證數(shù)據(jù)邏輯的完整性，每次設(shè)計都需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的維護(hù)更新，保證數(shù)據(jù)的實時性和一致性。除此之外在通信工程設(shè)計中采用圖紙自動化生成方案還有以下優(yōu)點。

a）減輕了工程設(shè)計人員的勞動強(qiáng)度，提高了出圖效率。在工程設(shè)計過程中，圖紙不但要完成繪制，往往還需要進(jìn)行多次修改，制作、修改圖紙對工程設(shè)計人員來說是較重的勞動負(fù)擔(dān)，通過自動化生成圖紙方式，大大降低了勞動強(qiáng)度，提高了出圖效率和單位人員產(chǎn)出。

b）保證了工程圖紙的一致性，提升設(shè)計質(zhì)量。以往以人工方式產(chǎn)出設(shè)計圖紙時，同一站點的圖紙往往分散存儲在各個設(shè)計人員處，由于工程施工進(jìn)度不同步及溝通不及時等原因，常常產(chǎn)生工程圖紙信息不一致問題，導(dǎo)致工程設(shè)計質(zhì)量下降，嚴(yán)重時可能導(dǎo)致設(shè)計事故的產(chǎn)生。利用自動化生成圖紙方案，由于圖紙數(shù)據(jù)源統(tǒng)一來自結(jié)構(gòu)化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，較好地保證了圖紙數(shù)據(jù)的一致性、時效性，提升了出圖質(zhì)量。

c）有利于工程設(shè)計單位更有效地管理圖紙資產(chǎn)。采用自動化生成圖紙方案，工程圖紙的產(chǎn)出將統(tǒng)一在圖紙自動化生成系統(tǒng)中完成，從而便于工程設(shè)計單位對工程圖紙進(jìn)行統(tǒng)一的精細(xì)化的管理，形成自有圖紙資產(chǎn)。

除了上述優(yōu)點之外，該解決方案及平臺也有其局限性。像新的、不成熟的設(shè)計，其流程規(guī)范尚未清晰，服務(wù)和基礎(chǔ)模型標(biāo)準(zhǔn)尚未建立，對于這種目前還不能適用。

總之，圖紙自動化生成技術(shù)的研發(fā)大大降低了通信工程設(shè)計人員的勞動強(qiáng)度，對通信工程設(shè)計單位的數(shù)據(jù)利用效率、設(shè)計質(zhì)量提升、知識庫建設(shè)等均有較好的促進(jìn)作用。目前，圖紙自動化生成技術(shù)所生成的圖紙還不能完全達(dá)到直接應(yīng)用于設(shè)計文本的程度，仍然需要人工補(bǔ)充和修正部分圖紙內(nèi)容。究其原因主要是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)不夠完備，以及圖紙標(biāo)準(zhǔn)化程度不足而導(dǎo)致的個性化需求較多，無法采用自動化軟件程序?qū)崿F(xiàn)。隨著通信設(shè)計行業(yè)對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集利用的重視及通信工程設(shè)計單位圖紙標(biāo)準(zhǔn)化程度的提升，圖紙自動化生成技術(shù)將更加成熟完備，從而在通信工程設(shè)計工作中發(fā)揮更大的作用。