沈 濤，徐玉龍，陳亞峰，曲金豹（中訊郵電咨詢設計院有限公司，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，國資委認真貫徹落實黨中央、國務院決策部署，著力推動國有企業(yè)數(shù)字化轉型，在2021 年2 月印發(fā)了《關于加快推進國有企業(yè)數(shù)字化轉型工作的通知》，明確了國有企業(yè)數(shù)字化轉型工作的重要意義、主要任務和保障措施。中國聯(lián)通積極響應黨中央和國資委的號召，將數(shù)字化轉型作為企業(yè)改革發(fā)展的重點任務，積極推進數(shù)字化轉型工作。

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

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

b）工程圖紙不一致。由于傳統(tǒng)基于CAD 設計主要是人工繪制，并且沒有統(tǒng)一的繪圖標準，導致圖紙千人千面，復用成本較高，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，導致維護成本隨著時間推移越來越高，并且有丟失的風險。

在中國聯(lián)通相關單位著力推進通信工程設計領域數(shù)字化轉型的背景下，中國聯(lián)通在網(wǎng)絡資源管理、工程規(guī)劃、工程建設等領域的數(shù)字化方面取得了長足進展，通信工程建設所需的網(wǎng)絡資源數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡規(guī)劃數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡業(yè)務數(shù)據(jù)、工程建設數(shù)據(jù)等均實現(xiàn)了結構化的存儲。設計工程師通過數(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、編輯和導出設計圖紙，從而使利用數(shù)據(jù)自動化生成通信工程設計圖紙成為可能。

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

2 架構及流程描述

基于上述通信工程中設計遇到的問題和需求，本文提出一套基于結構化基礎數(shù)據(jù)進行圖紙自動化生成以及二維∕三維展示的技術解決方案，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構化數(shù)據(jù)、基于統(tǒng)一信息庫進行數(shù)據(jù)管理、繪圖服務抽象化（包括機房服務、鐵塔服務、設備互聯(lián)服務、傳輸線路服務、配套電源服務等）、二維∕三維展示平臺，整體技術架構如圖1所示。

圖1 技術架構

2.1 數(shù)據(jù)采集和生成

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

a）使用手持instan360 全景相機或者遙控無人機掃描機房∕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，生成結構化的數(shù)據(jù)。

b）對紙質的CAD圖紙進行角點識別，通過識別每個設備的4 個邊角信息，連點成線，恢復出這個設備，實現(xiàn)對機房中墻體、窗、門、儀器設備的識別，最終生成結構化的數(shù)據(jù)。

c）前期查勘的工程資料很多是以表格的形式進行存儲的，通過開發(fā)excel 導入功能，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)機房和鐵塔基礎信息數(shù)字化，通過其他現(xiàn)有系統(tǒng)（機房動環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)）提供的接口快速關聯(lián)內部設備（服務器，通信設備等）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)管理平臺進行機房和鐵塔基礎信息的新增、編輯和關聯(lián)等管理工作，包括機房柜體布局圖、平面輪廓圖、機柜∕空調∕ups 等設備信息、站點與機房∕鐵塔的關聯(lián)關系、機房∕鐵塔與工程的關聯(lián)關系等。

2.3 繪圖服務

基于后端統(tǒng)一的結構化基礎數(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)的服務進行抽象化、標準化，主要包括機房服務、鐵塔服務、設備互聯(lián)服務、傳輸線路服務、配套電源服務等。以機房設計服務為例。

a）基礎模型庫維護。平臺維護一套機房內部設備的基礎模型，包括機柜、服務器、空調、設備、走線架等。

b）二維設計圖在線預覽。結合結構化的基礎數(shù)據(jù)和基礎模型庫，平臺通過設計好的算法快速生成預覽二維∕三維的設計圖，某機房的二維設計圖如圖2 所示。

圖2 機房二維設計圖

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

圖3 機房三維設計圖

2.4 圖紙生成

平臺還提供圖紙生成導出功能，將多種圖紙格式的導出服務進行封裝，提供給設計人員使用，具體如下。

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

b）PDF 圖紙生成。使用PDF“虛擬打印機”技術將圖紙導出為PDF格式。

c）PNG 圖紙生成。使用PNG“虛擬打印機”技術將圖紙導出為PNG格式。

d）VISIO 圖紙生成。使用VISIO“虛擬打印機”技術將圖紙導出為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。

以下分別是機房（見圖4）和鐵塔（見圖5）圖紙數(shù)字化效果示意圖。

圖4 機房效果圖

圖5 鐵塔效果圖

3 結構化數(shù)據(jù)生成及管理方案

3.1 結構化數(shù)據(jù)來源

a）三維重建生成結構化數(shù)據(jù)。使用全景相機，按照預設好的規(guī)則，掃描指定的機房或鐵塔，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，手動調整后輸出結構化數(shù)據(jù)。

b）對CAD圖紙識別生成的結構化數(shù)據(jù)。

c）前期查勘的工程資料或者人工采集的調研資料。

3.2 屬性管理平臺

基礎設施數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫的結構如圖6所示。

圖6 基礎設施數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫

屬性管理平臺可以非常方便地管理機房和鐵塔，包括其本身具有的和各個子設備的基礎屬性以及設備間的關聯(lián)關系。

a）屬性列表模塊。可以查看新增的機房∕鐵塔屬性，包括機柜、空調、電池組、通信設備等屬性。

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

c）屬性新增∕編輯模塊。通過預設模版+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 導入屬性，提供多種屬性導入方式，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)字化后的機房和鐵塔，并能夠基于此進行迭代數(shù)字化設計。

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

b）機房設備列表模塊?？梢圆榭礄C房內部包括的設備列表，包括設備ID、名稱、位置、類型、使用狀態(tài)等。

c）機房設備圖示模塊。將數(shù)字化后的機房∕鐵塔，通過圖像繪制引擎繪制到網(wǎng)頁上，能夠直觀地看到機房∕鐵塔的布局結構，以及內部包含的設備列表，為傳統(tǒng)設計提供服務支持。

4 基于結構化數(shù)據(jù)的圖紙生成技術方案

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)標準，各個設計單位也根據(jù)自身業(yè)務需求制定了自有標準圖形符號庫。工程設計圖紙一般需要使用標準圖形符號（以下稱為“圖元”）進行繪圖，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)對圖元相關需求主要包括以下幾點。

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

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

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

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

4.2 多格式輸出方案

工程設計中一般采用CAD 工具制作設計圖紙，如需其他格式，一般需要用戶手動從CAD 格式圖紙轉換為其他格式。在采用圖紙自動化方案后，由于使用了結構化的后端基礎數(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。其核心技術方案是在架構設計中將不同格式的基本繪圖操作抽象為“虛擬打印機”，在生成圖紙時使用不同格式的打印機完成不同格式圖紙文件的輸出，如圖7所示。

圖7 多格式輸出技術架構

a）系統(tǒng)定義了“虛擬打印機”基類，打印機基類定義了畫點、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”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)務需求產(chǎn)生“虛擬打印機”類。

d）圖紙繪制業(yè)務邏輯使用“虛擬打印機”類接口完成繪圖任務。由于所有的“虛擬打印機”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容之外的附加性內容，如設計單位圖框、水印、固定的提示說明、通用裝飾性內容等等。該部分內容通常與圖紙的核心工程設計內容無關，但在實際應用過程中是必須具備的，而且常常隨著業(yè)務需求的變化而變動。一般采用圖層功能來實現(xiàn)上述需求，即將不同展示內容的繪圖內容抽象為圖層，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)設計圖紙的核心內容繪制。

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，其設計理念發(fā)生了巨大的變化。傳統(tǒng)的設計還是基于圖紙模型的迭代更新和細節(jié)補充，設計流程比較粗放，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，設計人員每次設計只需要更改數(shù)據(jù)即可，每次圖紙輸出系統(tǒng)都會自動進行版本記錄，方便隨時隨地追溯。不過這也給設計人員提出了更高的要求，需要精細化管理，從源頭保證數(shù)據(jù)邏輯的完整性，每次設計都需要進行數(shù)據(jù)的維護更新，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）減輕了工程設計人員的勞動強度，提高了出圖效率。在工程設計過程中，圖紙不但要完成繪制，往往還需要進行多次修改，制作、修改圖紙對工程設計人員來說是較重的勞動負擔，通過自動化生成圖紙方式，大大降低了勞動強度，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，提升設計質量。以往以人工方式產(chǎn)出設計圖紙時，同一站點的圖紙往往分散存儲在各個設計人員處，由于工程施工進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，導致工程設計質量下降，嚴重時可能導致設計事故的產(chǎn)生。利用自動化生成圖紙方案，由于圖紙數(shù)據(jù)源統(tǒng)一來自結構化的基礎數(shù)據(jù)，較好地保證了圖紙數(shù)據(jù)的一致性、時效性，提升了出圖質量。

c）有利于工程設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，從而便于工程設計單位對工程圖紙進行統(tǒng)一的精細化的管理，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、不成熟的設計，其流程規(guī)范尚未清晰，服務和基礎模型標準尚未建立，對于這種目前還不能適用。

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