一种面向变压器主绝缘DXF图纸的闭域修复与绝缘结构自动识别方法与流程

本发明属于电力设备计算机辅助设计图纸解析，特别是涉及一种面向变压器主绝缘dxf图纸的闭域修复与绝缘结构自动识别方法。

背景技术：

1、在变压器绝缘设计和校核过程中，工程人员通常以cad或dxf格式的图纸表达铁芯、绕组、绝缘层、端圈、静电屏、角环、油隙和绝缘油等结构。后续若需进行电场计算或绝缘校核，必须将这些图纸转化为可用于网格划分、材料赋值、边界条件配置和后处理分析的结构化区域模型。然而，实际工程中的dxf图纸由于绘图习惯、数据转换精度和版本兼容性等因素，普遍存在端点未严格重合、交叉线未节点化、重复线段、共线重叠、短毛刺以及微小断口等线网缺陷，导致通用闭域检测算法难以直接获得符合要求的闭合区域，进而阻碍了后续绝缘结构自动识别的实现。

2、现有技术中，处理上述问题通常采用以下手段：一是通过通用cad软件的图层过滤和几何类型识别功能对图纸进行基本分类，再由人工逐区域完成闭合区域的检查和修补；二是利用通用有限元建模软件中的几何清理工具手动闭合断面、删除重复线和填补微小断口，然后基于面积、边长、圆角半径等几何指标筛选出特定区域并人工赋予材料属性；三是通过用户手工指定绕组、绝缘件和导体区域的大致范围后，再生成有限元网格模型。上述方法在一定程度上能够辅助处理部分几何对象，但均存在效率低下、自动化程度不足的问题，尤其是面对区域数量多、结构嵌套复杂的大型变压器主绝缘图纸时，人工处理耗时冗长且结果一致性难以保证。

3、上述现有技术手段至少存在以下缺陷：首先，通用闭域检测算法对dxf线网的轻微缺陷极为敏感，端点未严格重合、交叉未打断、重复线段等常见问题容易导致闭域检测漏检、误检或产生碎片区域，而人工逐区域修补的工作量巨大。其次，通用几何识别方法通常仅能识别矩形、圆、圆角矩形等几何形态，无法可靠区分铜绕组、包绕绝缘、静电屏、端圈、角环、纸筒和绝缘油等具有相似几何外形但工程含义完全不同的变压器主绝缘结构，缺少面向变压器绝缘图纸的专用结构语义。再次，若闭域边界仅用折线表示，后续导出网格时难以保留圆弧、圆角和曲线等精确边界信息，导致网格质量和电场计算精度下降。最后，现有技术普遍缺少从dxf拓扑修复到绝缘结构识别的连续自动化链路，识别结果往往仅输出几何对象或图层信息，无法直接提供结构类型、线圈列编号、绕组编号和父子区域关系等后续计算所需的结构化信息。因此，需要提出一种面向变压器主绝缘dxf图纸的闭域修复与绝缘结构自动识别方法来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是提供一种面向变压器主绝缘dxf图纸的闭域修复与绝缘结构自动识别方法，旨在克服现有技术中因dxf图纸线网缺陷导致闭域检测失败、通用几何识别无法区分变压器绝缘结构语义以及人工识别效率低且结果不一致的问题，具有从存在轻微绘图缺陷的dxf图纸出发经拓扑修复、闭域检测、曲线边界重建到绝缘结构自动分类的端到端自动化处理的特点。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

3、一种面向变压器主绝缘dxf图纸的闭域修复与绝缘结构自动识别方法，包括以下步骤：

4、读取dxf文件，将其中的line、lwpolyline、polyline、arc、circle、ellipse、spline及可解析region边界展开为统一路径对象，每条路径记录源图元类型、源句柄、所属图层、路径点序列和曲线参数；

5、对路径线网执行拓扑预处理，依次包括端点吸附、重复线和共线重叠处理、交点节点化、短毛刺清理和短断口连接，得到规范化线段集合；

6、基于规范化线段集合进行闭合区域检测，得到最小闭合区域及各区域之间的父子嵌套关系；

7、对每个闭合区域执行边界重建，将区域折线边界与源路径进行匹配，对能匹配到源曲线图元的边界段恢复为arc、circle、ellipse或spline曲线边界，对无法精确匹配的边界段保留为折线边界并标记为回退边界，生成包含外环、内环、边序、边类型、采样点和源图元元数据的曲线边界对象；

8、对闭合区域进行几何类型识别，几何类型包括arc、circle、ellipse、rectangle、rounded_rectangle、regular_polygon、slot、polygon和other；

9、综合图层名称、几何特征、父子嵌套关系、线圈列布局、端部相对位置和共享边界关系，识别各闭合区域的变压器绝缘结构类型，结构类型包括铜绕组、包绕绝缘、静电屏、端圈、角环、小角环、纸筒、垫块、纸垫条、压板、绝缘油和铁芯；

10、输出结构化区域模型，每个区域包含结构类型、几何类型、面积、周长、父区域、内部标识、显示标识、图层、线圈列编号和绕组编号。

11、优选地，所述端点吸附具体为：在预设吸附容差范围内聚合相邻路径端点，将距离小于吸附容差的线端统一归并到同一规范节点位置。

12、优选地，所述重复线和共线重叠处理具体为：识别方向相反或位置重合的重复线段，合并共线且重叠的线段区间，减少闭域检测中的冗余边。

13、优选地，所述交点节点化具体为：检测不同线段之间的相交点以及单条曲线的自交点，在交点处将原线段切分为以交点为端点的子线段。

14、优选地，所述短毛刺清理具体为：对长度小于预设长度阈值且仅一端连接到其他线段的短线头进行移除或标记，避免毛刺线段被识别为闭合区域的边界。

15、优选地，所述短断口连接具体为：检测线网中距离小于预设断口连接容差且满足方向连续性条件的线端对，在满足条件的线端对之间创建补充连接线段。

16、优选地，所述闭合区域检测与边界重建进一步包括：

17、将区域折线边界的每条边与源路径进行匹配，匹配依据包括端点位置重合度和线段走向相似度；

18、对匹配到源曲线图元的边界段，从源路径中提取曲线参数并恢复为相应曲线边类型；

19、保留无法匹配的边界段为折线边界，并在元数据中标记为回退边界；

20、其中，所述端点位置重合度和线段走向相似度分别按下式计算：

21、；

22、；

23、其中，为折线边的端点坐标，为源路径上距离最近的点坐标，为两点间的欧氏距离，为归一化参考长度，取折线边的边长与源路径候选段长度的较大值，为折线边在端点处的方向角，为源路径在对应位置处的切线方向角；当且时判定匹配成功，其中为位置重合度判定阈值，为方向相似度判定阈值。

24、优选地，所述变压器绝缘结构分类包括：

25、建立候选线圈区域集合，候选线圈区域为几何类型属于rectangle或rounded_rectangle且长宽比在预设范围内的区域；

26、根据区域之间的接触关系和中心位置坐标将候选线圈区域组织为线圈列，同一线圈列内的区域在横向上对齐且沿高度方向排列；

27、在每个线圈列内，根据区域嵌套层级和边界共享关系识别铜绕组、包绕绝缘和静电屏；

28、根据线圈列的轴向包络范围和端部相对位置识别端圈、角环、小角环、垫块、纸垫条和压板；

29、将面积最大的外层闭合区域以及未被其他结构类型覆盖的背景空间统一识别为绝缘油；

30、其中，所述将候选线圈区域组织为线圈列，具体包括：对候选线圈区域按中心点坐标升序排序，沿方向逐一遍历，当相邻区域中心点坐标差的绝对值小于预设横向对齐阈值时，将两者归入同一线圈列，否则新建线圈列；同一线圈列内的区域按中心点坐标排序确定沿高度方向的排列序号；对每个线圈列计算列外接框，包括最小坐标、最大坐标、最小坐标和最大坐标，作为线圈列轴向包络范围。

31、优选地，还包括在图形用户界面中展示原始dxf图纸、检测得到的闭合区域边界、结构分类结果、显示标识号和拓扑预处理各步骤的处理报告，接受用户对结构类型、绕组编号、导出图层或内部标识的手动修正。

32、优选地，导出的结构化区域模型以分类dxf文件、json格式报告和图像文件形式输出，分类dxf文件以结构类型对应图层表达各区域。

33、优选地，所述端点吸附容差根据局部线密度自适应计算：对每个端点，计算其到个最近邻端点的平均距离，端点的自适应吸附容差按下式计算：

34、；

35、其中，为容差缩放因子，为图纸全局外接框的对角线长度，为路径展开后的线段总数。

36、优选地，所述方向连续性条件具体为：设候选连接的两个线端分别为端点和，分别计算所在线段在处的切线方向向量和所在线段在处的切线方向向量，当两个方向向量的夹角满足时判定满足方向连续性条件，其中为预设的最大方向偏转角，仅在距离条件和方向连续性条件同时满足时创建补充连接线段。

37、优选地，所述闭合区域检测中过滤伪闭域的最小面积阈值按下式自适应确定：

38、；

39、其中，为面积缩放系数，为图纸全局外接框的面积，为路径展开后的线段总数。

40、优选地，所述变压器绝缘结构分类采用两阶段分层决策：

41、第一阶段粗分类，根据图层名称、几何类型和长宽比将各闭合区域划分为绕组候选类、绝缘候选类和油背景类三个粗分类别；

42、第二阶段细分类，在绕组候选类内根据嵌套深度、与父区域的共享边界比例及在线圈列中的位置细分为铜绕组、静电屏或端圈；在绝缘候选类内根据嵌套深度、共享边界比例和相对线圈列端部的轴向位置细分为包绕绝缘、角环、小角环、纸筒、垫块、纸垫条或压板；在油背景类内根据面积排序和外接框覆盖比例细分为绝缘油、铁芯或残余区域；

43、其中，所述第一阶段粗分类的判定规则包括：当几何类型为rectangle或rounded_rectangle且长宽比大于或等于2.0时，归入绕组候选类；当几何类型为rectangle或rounded_rectangle且长宽比小于2.0时，根据其是否被绕组候选类区域嵌套而分别归入绝缘候选类或绕组候选类；当区域所属图层名称与预设的绕组相关图层关键字匹配时，直接归入绕组候选类；当区域所属图层名称与预设的绝缘相关图层关键字匹配时，直接归入绝缘候选类；当区域面积大于总外接框面积的50%且不符合以上任一条件时，归入油背景类。

44、优选地，对每个区域的细分类结果计算综合置信度：

45、；

46、其中，为图层名称匹配度，区域图层名出现在预设映射规则中为1，未出现为0；为几何特征吻合度，按下式计算：

47、；

48、其中，为区域实际几何参数值，为目标结构类型典型几何参数值；为嵌套关系符合度，区域实际嵌套深度与目标结构类型预期嵌套深度一致为1，每偏差一级扣减0.3；为线圈列布局匹配度，以区域中心点坐标与线圈列端部的相对位置偏差归一化计算；为端部位置匹配度，以区域是否位于线圈列的端部区域内判定，在端部区域内为1，否则若目标类型为非端部结构则为1，若目标类型为端部结构且不在端部区域内则为0；至为各维度的权重系数；

49、当综合置信度低于预设置信度阈值时，将该区域的分类结果标记为不确定类型，并在图形用户界面中突出显示以提示人工复核。

50、优选地，在第二阶段细分类之后，还包括基于邻域图的一致性投票校验：

51、以闭合区域为节点、区域之间的共享边界为边构建区域邻接图，边的权重为共享边界长度占两区域周长的比例；

52、对邻接图中的每个节点，计算其类型标签与邻居节点类型标签的一致性得分，定义为邻居节点中与节点的类型标签物理相容的节点数占邻居节点总数的比例，其中物理相容关系根据变压器主绝缘结构的物理邻接约束预先定义；

53、当节点的一致性得分低于预设一致性阈值时，对该节点重新执行第二阶段细分类，并将综合置信度低于的结果标记为不确定类型；

54、其中，所述物理相容关系预定义为以下相容类型对：铜绕组与包绕绝缘相容、包绕绝缘与绝缘油相容、静电屏与包绕绝缘相容、端圈与包绕绝缘相容、角环与绝缘油相容、角环与包绕绝缘相容、小角环与绝缘油相容、小角环与包绕绝缘相容、纸筒与绝缘油相容、垫块与包绕绝缘相容、绝缘油与所有类型均相容；不属于上述相容对中的类型相邻关系判定为不相容。

55、进一步地，所述容差缩放因子的取值范围为[0.2,0.8]，默认值为0.5。

56、进一步地，所述最大方向偏转角的取值范围为，默认值为。

57、进一步地，所述面积缩放系数的取值范围为[0.0005,0.005]，默认值为0.001。

58、进一步地，所述权重系数至满足，各系数取值范围为[0,1]，默认采用等权分配即；所述预设置信度阈值的取值范围为[0.5,0.8]，默认值为0.6；所述预设一致性阈值的取值范围为[0.4,0.7]，默认值为0.5。

59、优选地，一种面向变压器主绝缘dxf图纸的闭域修复与绝缘结构自动识别系统，用于执行所述的一种面向变压器主绝缘dxf图纸的闭域修复与绝缘结构自动识别方法，包括：

60、图元读取与路径展开模块，用于读取dxf文件并将各类图元展开为统一路径对象，其输出端与拓扑预处理模块的输入端连接；

61、拓扑预处理模块，用于对路径线网依次执行端点吸附、重复线和共线重叠处理、交点节点化、短毛刺清理和短断口连接，其输出端与闭域检测模块的输入端连接；

62、闭域检测模块，用于基于规范化线段集合检测最小闭合区域及父子嵌套关系，其输出端与边界重建模块的输入端连接；

63、边界重建模块，用于将区域折线边界匹配回源曲线图元并恢复曲线边界，其输出端分别与几何类型识别模块和结构分类模块的输入端连接；

64、几何类型识别模块，用于识别闭合区域的几何类型，其输出端与结构分类模块的输入端连接；

65、结构分类模块，用于综合多维度信息识别各区域的变压器绝缘结构类型，其输出端与结果输出模块的输入端连接；

66、结果输出模块，用于导出包含结构类型、几何类型、面积、周长、父区域、内部标识、显示标识、图层、线圈列编号和绕组编号的结构化区域模型。

67、优选地，一种计算机设备，包括存储器和处理器，存储器和处理器之间互相通信连接，存储器中存储有计算机指令，处理器通过执行计算机指令，从而执行所述的一种面向变压器主绝缘dxf图纸的闭域修复与绝缘结构自动识别方法。

68、优选地，一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机指令，计算机指令用于使计算机执行所述的一种面向变压器主绝缘dxf图纸的闭域修复与绝缘结构自动识别方法。

69、本发明的有益效果为：

70、1，本发明通过依次执行的端点吸附、重复线和共线重叠处理、交点节点化、短毛刺清理和短断口连接组成的五步拓扑预处理，将存在端点偏差、交叉未打断、重复线段和微小断口等缺陷的原始dxf线网修复为拓扑一致的规范化线段集合，使得原本因线网缺陷而无法检测的闭合区域能够被可靠识别，解决了现有技术中因dxf线网轻微绘图缺陷导致闭域检测漏检和误检的技术问题，实现了从有缺陷工程图纸到可分析规范线网的自动化修复。

71、2，本发明通过将闭域检测得到的折线边界与源dxf路径进行匹配，对匹配到源arc、circle、ellipse或spline曲线图元的边界段恢复为相应曲线边界，生成包含外环、内环、边序、边类型和源图元元数据的曲线边界对象，解决了现有技术中闭域边界仅以折线表示导致圆弧和曲线边界语义丢失、后续网格划分精度下降的问题，实现了在保持闭域检测稳健性的同时尽可能恢复源dxf曲线精确边界语义的技术效果。

72、3，本发明通过综合图层名称、几何特征、父子嵌套关系、线圈列布局、端部相对位置和共享边界关系等多维度信息，对闭合区域进行分类决策，自动识别铜绕组、包绕绝缘、静电屏、端圈、角环、小角环、纸筒、垫块、纸垫条、压板、绝缘油和铁芯等变压器主绝缘结构类型，并输出包含结构类型、几何类型、面积、周长、父区域、线圈列编号和绕组编号的结构化区域模型，解决了现有技术中通用几何识别方法无法可靠区分具有相似几何形态但工程含义不同的变压器绝缘结构、人工识别效率低且结果不一致的问题，实现了从dxf图纸到结构化绝缘区域模型的端到端自动识别。