基于Visio的拓?fù)溥\算在電工仿真中的運用

劉平

摘? 要： 提出將電路圖描述為等電位點構(gòu)成的群落及其相互關(guān)系的抽象模型的方法，并據(jù)此重點探討在電工教學(xué)仿真的特定環(huán)境下，通過在矢量繪圖軟件Visio的后臺進(jìn)行二次開發(fā)，來實現(xiàn)電路圖上等電位點的搜索的方法。進(jìn)而通過模型對比的方式，從功能層面判定Visio 所作電路圖與標(biāo)準(zhǔn)接法的一致性。

關(guān)鍵詞： Visio; 二次開發(fā); 電工教學(xué)仿真; 拓?fù)? 等電位群

中圖分類號：TP391.9? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）02-43-03

Application of Visio based topology operation in electrical engineering simulation

Liu Ping

（Guiyang Vocational and Technical College， Guiyang， Guizhou 550008， China）

Abstract： A simple and intuitive method is proposed to describe the circuit diagram as an abstract model of community composed of equipotential points and their relationships. On this basis， this paper mainly discusses a search method of equal potential point on the circuit diagram through the network topology operation of Visio software in the specific environment of electrical engineering teaching simulation. Then， through the model comparison， the consistency of the circuit diagram made by Visio and the standard approach is determined from the functional level.

Key words： Visio; secondary development; electrical engineering teaching simulation; topology; group of equipotential point

0 引言

Visio作為一款較為流行矢量的繪圖軟件，已經(jīng)被廣泛運用于流程圖、工程圖的繪制等領(lǐng)域。它具有繪圖簡單、靈活和呈現(xiàn)效果好等優(yōu)點，這里不再累述。多數(shù)使用者或許沒有注意到，由于該軟件與Word、Excel和PPT等同為Microsoft公司Office系列軟件，它同樣具有強(qiáng)大的后臺編程控制能力，甚至在這方面其功能明顯強(qiáng)于上述其姊妹軟件，例如其表單（Shapesheet）集成了頁面上所有圖形（或是圖形組合）的所有可用屬性，通過在對應(yīng)的屬性欄填入相應(yīng)的Formula（公式）就能簡單地改變圖元的形態(tài)、色彩以及位置等屬性。同時，在Visio后臺的VB編程環(huán)境下，則能夠?qū)崿F(xiàn)對頁面中的圖元進(jìn)行較為復(fù)雜的控制，例如時序控制，也包括本文將要用到的拓?fù)溥\算等。不僅如此，通過其OCX的植入，還能夠在C/C++以及.NET編程環(huán)境下實現(xiàn)對Visio繪圖的控制[1]。正是由于Visio軟件不僅有簡單、靈活的繪圖功能，還具備強(qiáng)大的后臺編程控制能力，所以Visio軟件可視化仿真方面的運用正逐步得到重視。

1 電氣仿真過程中電路接線正確難以判斷的問題及其解決方案

在使用電氣仿真軟件中經(jīng)常會遇到一個尷尬的問題：接線完全正確，卻被系統(tǒng)判錯。通過分析和向相關(guān)廠商咨詢，發(fā)現(xiàn)問題在于仿真系統(tǒng)僅將某一種標(biāo)準(zhǔn)接法作為正確，但實際上，相對于液壓和機(jī)械等領(lǐng)域而言，電氣原件之間的連接具有較大的靈活性，這個特點給電氣接線的仿真帶來了困難。例如，在控制回路里面有m個線圈（每個線圈有兩個端頭，假定為 x和y），要求y端都與直流電源的負(fù)極相連接，從理論上說，至少有一種連接方法。可以想象，如果是一個完整的電路圖，實現(xiàn)同一個功能的接線方式會更多。顯然，在符合電氣安裝規(guī)范的前提下，從功能而言，不能僅將標(biāo)準(zhǔn)答案認(rèn)為是惟一答案。

經(jīng)過分析可知，解決該問題的關(guān)鍵是找到電氣上的等電位點問題。文獻(xiàn)[2]有論述：在電路中，如果兩點間沒有電阻，那么這兩個點就是等電位點。不論導(dǎo)線有多長，只要中間沒有電源、電器等，則導(dǎo)線兩端點均可以看成等電位點。在識別不規(guī)范電路的過程中，可將等電位點命名為相同的點，以達(dá)到簡化問題的目的?？梢?，以上問題實際上可以歸結(jié)為通過導(dǎo)線連接的節(jié)點構(gòu)成的等電位點（注：在后面的抽象模型中將其稱為等電位群）的判別，即不論如何連接，只要電源的負(fù)極與m個線圈的y端通過導(dǎo)線構(gòu)成等電位點都判定為正確。顯然，該結(jié)論還可以推廣到電路中其他有等電位點的存在的部分。

本方案在軟件上實現(xiàn)的思路是：將電氣接線圖（例如圖1，其中包含2個常開型觸頭B、C和3個線圈D、E、F，還有編號分別為1-12的12個節(jié)點以及若干導(dǎo)線組成）轉(zhuǎn)換為由等電位群及其相互關(guān)系來描述的抽象模型（例如圖2，其中包含4個等電位群，圖1中的12個節(jié)點被劃分到其中，4個等電位群則通過B、C、D、E、F等5個原件連接），然后，通過與標(biāo)準(zhǔn)接線方式的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行比較來判定當(dāng)前接線方式的正確性。其中，等電位節(jié)點的搜索，即等電位群的建立是關(guān)鍵，這也是本文的重點。

2 通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑袆e等電位點

在實際的電路接線圖中，等電位點的分布可能是比較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，所以，要從網(wǎng)絡(luò)等電位點層面來分析，而網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫欠治鲈搯栴}的有效手段。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治鲇卸喾N方式[3]，其中，運用效果較好的樹搜索法分又分為DFS和BFS兩種方式，即通常所說的深度優(yōu)先搜索法和廣度優(yōu)先搜索法。廣度搜索法進(jìn)行拓?fù)鋾r，對于網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和起始點沒有依賴性，可以很好地適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)[4]。所以本方案采用BFS法來對等電位點進(jìn)行搜索。

通過廣度搜索法進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D解析的過程中，搜索節(jié)點及其路徑是重點，關(guān)鍵是將這兩個抽象的概念與物理存在的電路建立對應(yīng)關(guān)系。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D中節(jié)點和路徑的概念，結(jié)合電氣接線圖可以發(fā)現(xiàn)電路圖與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D的相似之處。以圖1（電氣接線圖）為例，可以將電氣接線圖中表示接線端口的小圓作為節(jié)點，而將連接端口的連接線作為路徑，從而通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆椒▉硭阉魉械牡入娢稽c。但是這里會出現(xiàn)一個問題：Visio是一款繪圖軟，本身并沒有提供與用于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龅南嚓P(guān)函數(shù)和方法。前文所說的代表節(jié)點的小圓以及代表路徑的電氣連接線，在Visio中僅僅是一個普通的圖元。如何高效地解析相關(guān)節(jié)點及其生長路徑，這得要從Visio的一個重要屬性——連接（Connects）入手，在Visio繪制的電氣接線圖中，當(dāng)表示連接端口的那個小圓被連線連接后就生成一個連接。通過相關(guān)函數(shù)對該連接進(jìn)行分析，就可以得到構(gòu)成該連接的兩個對象的名稱以及連接的方向等相關(guān)信息。對于一張用Visio繪制的電氣接線圖，其中有多個連接。如果對其中所有的連接作上述分析，結(jié)合連接端口為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、連接線為路徑的思路，就可以算出該電氣連接圖的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型。

下面簡要說明具體的實施步驟和方法：首先，通過Visio后臺編程將當(dāng)前頁面指定為活動頁面（ActivePage），并用表1所示的Page.connects.counts函數(shù)獲取頁面上連接的數(shù)目，其中的第n個連接用Page.connect（n）來表示[5]。然后，逐一對所有連接進(jìn)行Tosheet.name屬性和Fromsheet.name屬性的解讀[7]，獲得所有連接的連接端口的名稱信息（也就是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的名稱）和連接線的名稱（也就是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渎窂降拿Q）。如果某連接對應(yīng)的連接端口名稱與初始化連接端口（一般取編號為0的端口）一致，則該連對應(yīng)的連接線就是初始化節(jié)點的一條生長路徑。所有具備該特征的連接線就是初始化節(jié)點的全部生長路徑。通過類似的方法，再次遍歷所有的連接點，如果其對應(yīng)的連接線名稱是上述路徑之一，并且是通過連接線的另一端連接（對于連接線這樣的一維圖形，Visio可以通過表1中的Frompart返回值是Visbegin還是Visend[8]來判斷該連接是通過連接線的始端和末端進(jìn)行連接），那么該連接對應(yīng)的接線端口就是下一層的節(jié)點。再對第二層的所有等電位節(jié)點做上述運算，就可得第三層等電位節(jié)點。如此循環(huán)，即由節(jié)點搜索路徑，又由路徑搜索節(jié)點的過程，直到該層節(jié)點都沒有新的生長路徑（在這里需要注意：拓?fù)渎窂讲荒芊聪蛏L，即同一路徑不能二次經(jīng)由），則得到的所有節(jié)點為等電位節(jié)點，也就是一個等電位群，如圖3所示。對剩余的節(jié)點再重復(fù)上述過程直到所有節(jié)點被分配到對應(yīng)的等電位群，即得到了電氣接線圖中的所有等電位群。

3 等電位群之間連接關(guān)系的判別

前面將所有節(jié)點歸屬到各自的等電位群。接下來還要解決一個問題——等電位群之間的連接關(guān)系。顯然，等電位群之間總是通過一個（多個）電氣元件連接的。如果某電氣元件圖的某兩個接線端口（節(jié)點）被歸屬到某兩個等電位群，就可以確定這兩個群通過該電氣元件進(jìn)行了一個連接，如圖1所示。根據(jù)這個思路，以電路中電氣元件的連接端口為對象，通過Shapes.items.name屬性確定其上節(jié)點名稱，然后搜索包含該節(jié)點所屬的等電位群[9]。符合條件的等電位群即是通過該電氣元件連接的群。在剔除搜尋過的電氣元件后繼續(xù)以上過程，直到所有電氣元件被識別后，就得到以群為節(jié)點的拓?fù)鋱D，如圖2所示。

為了便于對兩個電路模型進(jìn)行比較，需要建立一個統(tǒng)一格式的集合（Dataset）來存放以上得到的等電位群及其相互連接關(guān)系。該集合要包含表示等電位群的數(shù)量及其各自子集等條目，其中，等電位群子集又包含相關(guān)連接路徑和對應(yīng)的等電位群，以及其中包含的等電位點數(shù)目、各自名稱等條目。由于篇幅所限和已有文獻(xiàn)做過詳細(xì)論述，該集合的建構(gòu)和比較過程就不再累述，相關(guān)知識見文獻(xiàn)[6]。

4 結(jié)束語

該方案以電工學(xué)相關(guān)知識作為理論基礎(chǔ)，同時采用了數(shù)學(xué)的拓?fù)浜蜌w納等方法，將繁雜的電路抽象為描述等電位群及其相互連接關(guān)系的模型。將該模型與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行比較，以此作為判別接線正確的標(biāo)準(zhǔn)，能夠有效解決在電工仿真教學(xué)中，仿真軟件不能識別具有相同功能的其他接線方式的問題，從而提高電工仿真的實用性。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1] 劉強(qiáng)，劉向君.利用Visio二次開發(fā)實現(xiàn)邏輯圖自動分析[J].軟件導(dǎo)刊，2008.8（1）：13-14

[2] 陳榮高.利用等.電位點解決初中電路問題[J].物理教師，2012.6：33-35

[3] 黃正，陳凡等.電力拓?fù)浞治鏊惴ǖ脑芯縖J].南京工程學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2013.2：21-23

[4] 李冰劍，張學(xué)軍.電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞姆治雠c比較[J].圖書情報導(dǎo)刊，2011.21（1）：184-187

[5] （美）Microsoft著，萊恩工作室譯.開發(fā)Microsoft Visio解決方案[M].北京大學(xué)出版社，2002.

[6] 催競.Visual Basic 6.0基礎(chǔ)與實踐教程[M].電子工業(yè)出版社，2007.

[7] 王凱，李貴陽，應(yīng)文健.基于Visio故障樹的艦炮故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].艦船電子工程，2017.1：42-43

[8] 郭偉偉，張鋒，章健.Visio圖形化電力計算軟件中電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的識別[J].河南科學(xué)，2006.6：22-24

[9] 李平玉.自動測試系統(tǒng)圖形化資源建模與測試描述工具的實現(xiàn)[D].電子科技大，2016.