feat: 完善经济性分析功能和优化界面显示

- 新增工程运行期限、折现率、年损耗小时数参数配置 - 实现总费用计算功能（包含电缆投资NPV和电费损耗NPV） - 修复total_investment函数调用时机问题，确保GUI模式正确计算 - 优化电缆单价显示为万元/km单位 - 总长度显示单位改为公里 - 方案对比结果新增总费用列，支持全生命周期成本比选 - 代码格式化和导入顺序优化 - 添加IFLOW.md项目上下文文档
2026-01-06 15:09:52 +08:00
parent c54ad369a4
commit 61fa870778
4 changed files with 1334 additions and 656 deletions
--- a/IFLOW.md
+++ b/IFLOW.md
@@ -0,0 +1,240 @@
+# 海上风电场集电线路设计优化系统 - 项目上下文
+
+## 项目概述
+
+这是一个用于设计和优化海上风电场集电系统拓扑的综合工具，专为海上能源业务开发部电气专业设计。该系统通过多种先进的拓扑优化算法（MST、旋转扫描法、Esau-Williams等），根据风机坐标、功率以及海缆规格，自动生成投资成本最低、损耗最优的设计方案。
+
+### 核心功能
+- 🖥️ **图形化界面**：基于 NiceGUI 的现代化桌面应用，支持原生窗口模式
+- 🌊 **多种布局生成**：支持规则网格和随机分布布局的模拟数据生成
+- 🔌 **多算法优化**：
+  - MST (Minimum Spanning Tree)：无容量约束基准方案
+  - Capacitated Sweep (Base)：基础扇区扫描分组
+  - Rotational Sweep：全局最优起始角度旋转扫描优化
+  - Esau-Williams：经典启发式算法，在距离与容量间寻找最优平衡
+- ⚙️ **灵活参数配置**：通过 Excel 自定义系统电压、功率因数、电价及电缆规格
+- 📊 **智能方案对比**：自动运行三大场景（标准方案、含可选电缆方案、限制最大截面方案）
+- 📁 **多格式导出**：CAD图纸(.dxf)、Excel报告、压缩包
+
+### 技术栈
+- **语言**：Python 3.12+
+- **GUI框架**：NiceGUI 3.4.1 + PyWebview 6.1
+- **核心库**：
+  - numpy 2.4.0：数值计算
+  - pandas 2.3.3：数据处理
+  - matplotlib 3.10.8：可视化
+  - scikit-learn 1.8.0：聚类算法
+  - networkx 3.6.1：图算法
+  - ezdxf 1.4.3：CAD导出
+  - scipy 1.16.3：科学计算
+
+## 项目结构
+
+```
+D:\code\windfarm\
+├── main.py                 # 核心算法和业务逻辑（1388行）
+├── gui.py                  # NiceGUI图形界面（1067行）
+├── esau_williams.py        # Esau-Williams算法实现（242行）
+├── generate_template.py    # Excel模板生成器
+├── make_version.py         # 版本号自动生成脚本
+├── pyproject.toml          # 项目依赖配置
+├── Makefile                # 构建脚本
+├── 使用说明/               # 中文操作手册和截图
+├── build/                  # 构建输出目录
+└── dist/                   # 打包输出目录
+```
+
+## 构建和运行
+
+### 环境配置
+项目使用 `uv` 作为包管理器，也支持 `pip`：
+
+```bash
+# 使用 uv（推荐）
+uv sync
+
+# 或使用 pip
+pip install -r requirements.txt  # 如果有requirements.txt
+# 或手动安装依赖
+pip install numpy pandas matplotlib scikit-learn scipy networkx ezdxf nicegui openpyxl pywebview
+```
+
+### 运行方式
+
+#### 1. 图形化界面（推荐）
+```bash
+python gui.py
+```
+启动后，程序将弹出独立窗口，提供完整的交互式界面。
+
+#### 2. 命令行模式
+```bash
+python main.py --excel your_data.xlsx
+```
+
+### 构建可执行文件
+
+使用 Makefile 进行构建：
+
+```bash
+# 构建exe文件（自动生成版本号）
+make build
+
+# 重新构建（先清理再构建）
+make rebuild
+
+# 清理构建文件
+make clean
+
+# 查看帮助
+make help
+```
+
+构建过程：
+1. 运行 `make_version.py` 生成版本号
+2. 使用 `nicegui-pack` 打包为单文件exe
+3. 重命名输出文件包含版本号
+
+构建输出位于 `dist/` 目录，文件名格式：`海上风电场集电线路设计优化系统_{VERSION}.exe`
+
+## 输入数据规范
+
+### Excel文件格式
+输入Excel文件应包含以下三个Sheet：
+
+#### 1. Coordinates（坐标数据）- 必需
+| Type | ID | X | Y | Power | PlatformHeight |
+|------|----|---|---|-------|----------------|
+| Substation | Sub1 | 4000 | -800 | 0 | 0 |
+| Turbine | 1 | 0 | 0 | 8.0 | 25 |
+
+- **Type**: `Substation` 或 `Turbine`
+- **X/Y**: 投影坐标（米），建议使用高斯投影坐标
+- **Power**: 功率（MW），升压站填0
+- **PlatformHeight**: 塔筒/平台高度（米）
+
+#### 2. Cables（电缆规格）- 必需
+| CrossSection | Capacity | Resistance | Cost | Optional |
+|--------------|----------|------------|------|----------|
+| 35 | 150 | 0.524 | 80 | |
+| 400 | 580 | 0.0470 | 600 | Y |
+
+- **CrossSection**: 导体截面（mm²）
+- **Capacity**: 额定载流量（A），需考虑降容系数
+- **Resistance**: 交流电阻（Ω/km）
+- **Cost**: 综合单价（元/m）
+- **Optional**: 可选标记（Y表示可选大截面电缆）
+
+**重要规则**：
+- 电缆必须按截面从小到大排列
+- `Optional` 为 'Y' 的电缆最多只能有一条
+- 若存在可选电缆，它必须是列表中截面最大的一条
+
+#### 3. Parameters（系统参数）- 必需
+| Parameter | Value |
+|-----------|-------|
+| Voltage (kV) / 电压 (kV) | 66 |
+| Power Factor / 功率因数 | 0.95 |
+| Electricity Price (元/kWh) / 电价 (元/kWh) | 0.4 |
+
+## 核心算法说明
+
+### 1. MST（最小生成树）
+- **原理**：基于 Kruskal 或 Prim 算法，寻找连接所有风机且总路径长度最短的树状结构
+- **特点**：不考虑电缆载流量限制，仅作为理论距离基准参考
+- **适用场景**：小规模风电场的理论分析
+
+### 2. Capacitated Sweep（基础扇区扫描）
+- **原理**：以升压站为中心，将平面划分为扇区，按顺时针扫描风机
+- **特点**：计算速度快，拓扑结构简单清晰
+- **局限**：对起始扫描角度敏感，可能产生"长尾巴"连线
+
+### 3. Rotational Sweep（旋转扫描优化）
+- **原理**：尝试 0° 到 360° 之间的所有起始扫描角度
+- **优势**：比基础扫描法节省 3%~8% 的线缆成本
+- **适用场景**：最接近人工精细化排布的自动化算法
+
+### 4. Esau-Williams 启发式算法
+- **原理**：约束最小生成树（CMST）算法，迭代计算互联操作的成本节省
+- **优势**：能发现树状、多分叉等复杂但更经济的拓扑结构
+- **适用场景**：风机分布不规则、离岸距离较远或电缆造价极高的情况
+
+## 方案场景说明
+
+系统自动运行三种场景：
+
+1. **Scenario 1 (Standard)**：仅使用非可选（标准）电缆进行优化
+2. **Scenario 2 (With Optional)**：包含标记为 'Y' 的大型电缆，适用于尝试增加单回路容量
+3. **Scenario 3 (No Max)**：排除最大截面电缆，测试电缆供应受限时的最优拓扑
+
+## 输出文件说明
+
+- **Excel报告**：`[文件名]_result.xlsx` - 包含所有方案总览及详细连接清单
+- **CAD图纸**：`design_[方案名].dxf` - 分层分色的拓扑图
+- **全部方案**：`[文件名]_result.zip` - 包含所有图纸及Excel报告
+
+## 关键常量和配置
+
+### 电气参数
+- **系统电压**：66,000 V (66kV)
+- **功率因数**：0.95
+- **电价**：0.4 元/kWh
+
+### 电缆规格示例
+- 最小截面：35mm² (载流量150A)
+- 最大截面：400mm² (载流量580A)
+- 降容系数：0.8（实际载流量 = 额定载流量 × 0.8）
+
+### 算法参数
+- 默认风机数量：30台
+- 默认布局：随机分布或网格
+- 默认间距：800米（网格布局）
+
+## 开发约定
+
+### 代码风格
+- 使用中文注释和文档字符串
+- 函数命名使用 snake_case
+- 类名使用 PascalCase
+- 常量使用 UPPER_CASE
+
+### 版本管理
+- 版本号通过 `make_version.py` 自动生成
+- 版本号格式：v{major}.{minor}.{patch}
+- 版本号存储在 `version.py` 文件中
+
+### 构建约定
+- 使用 `nicegui-pack` 进行打包
+- 单文件模式（--onefile）
+- 无窗口模式（--windowed）
+- 输出文件名包含版本号
+
+### 测试约定
+- GUI测试使用 frontend-tester agent
+- Python代码测试使用 python-pro agent
+- 测试覆盖率要求：核心算法部分 > 80%
+
+## 常见问题
+
+### Q1: MST算法显示极高的成本和损耗？
+**A**: 这是预期行为。MST算法不考虑载流量约束，会产生单一树状结构导致根部电缆严重过载。这仅作为理论基准参考。
+
+### Q2: 如何在CAD图纸中找到图形？
+**A**: 双击鼠标滚轮（Zoom Extents）全屏显示。风机坐标通常是大地坐标（数值很大），如果CAD当前视口在(0,0)附近，可能会找不到图形。
+
+### Q3: 可选电缆的使用规则是什么？
+**A**: 
+- 可选电缆（Optional='Y'）最多只能有一条
+- 必须是列表中截面最大的电缆
+- 用于特定场景（如增加单回路容量）
+
+## 技术支持
+
+- **适用对象**：海上能源业务开发部 - 电气专业
+- **技术支持**：杜孟远
+- **文档版本**：v1.0
+- **编制日期**：2026年1月5日
+
+## 许可证
+
+本项目仅供工程学习、研究和初步设计评估使用。详细计算应以专业设计院规范为准。
--- a/generate_template.py
+++ b/generate_template.py
@@ -38,15 +38,15 @@ def create_template(output_file='windfarm_template.xlsx'):
    
    # Create Cable data
    cable_data = [
-        {'CrossSection': 35, 'Capacity': 150, 'Resistance': 0.524, 'Cost': 80, 'Optional': ''},
-        {'CrossSection': 70, 'Capacity': 215, 'Resistance': 0.268, 'Cost': 120, 'Optional': ''},
-        {'CrossSection': 95, 'Capacity': 260, 'Resistance': 0.193, 'Cost': 150, 'Optional': ''},
-        {'CrossSection': 120, 'Capacity': 295, 'Resistance': 0.153, 'Cost': 180, 'Optional': ''},
-        {'CrossSection': 150, 'Capacity': 330, 'Resistance': 0.124, 'Cost': 220, 'Optional': ''},
-        {'CrossSection': 185, 'Capacity': 370, 'Resistance': 0.0991, 'Cost': 270, 'Optional': ''},
-        {'CrossSection': 240, 'Capacity': 425, 'Resistance': 0.0754, 'Cost': 350, 'Optional': ''},
-        {'CrossSection': 300, 'Capacity': 500, 'Resistance': 0.0601, 'Cost': 450, 'Optional': ''},
-        {'CrossSection': 400, 'Capacity': 580, 'Resistance': 0.0470, 'Cost': 600, 'Optional': ''}
+        {'CrossSection': 35, 'Capacity': 150, 'Resistance': 0.524, 'Cost': 8, 'Optional': ''},
+        {'CrossSection': 70, 'Capacity': 215, 'Resistance': 0.268, 'Cost': 12, 'Optional': ''},
+        {'CrossSection': 95, 'Capacity': 260, 'Resistance': 0.193, 'Cost': 15, 'Optional': ''},
+        {'CrossSection': 120, 'Capacity': 295, 'Resistance': 0.153, 'Cost': 18, 'Optional': ''},
+        {'CrossSection': 150, 'Capacity': 330, 'Resistance': 0.124, 'Cost': 22, 'Optional': ''},
+        {'CrossSection': 185, 'Capacity': 370, 'Resistance': 0.0991, 'Cost': 27, 'Optional': ''},
+        {'CrossSection': 240, 'Capacity': 425, 'Resistance': 0.0754, 'Cost': 35, 'Optional': ''},
+        {'CrossSection': 300, 'Capacity': 500, 'Resistance': 0.0601, 'Cost': 45, 'Optional': ''},
+        {'CrossSection': 400, 'Capacity': 580, 'Resistance': 0.0470, 'Cost': 60, 'Optional': ''}
    ]
    df_cables = pd.DataFrame(cable_data)
    
@@ -54,7 +54,10 @@ def create_template(output_file='windfarm_template.xlsx'):
    param_data = [
        {'Parameter': 'Voltage (kV) / 电压 (kV)', 'Value': 66},
        {'Parameter': 'Power Factor / 功率因数', 'Value': 0.95},
-        {'Parameter': 'Electricity Price (元/kWh) / 电价 (元/kWh)', 'Value': 0.4}
+        {'Parameter': 'Electricity Price (元/kWh) / 电价 (元/kWh)', 'Value': 0.4},
+        {'Parameter': 'Project Lifetime (years) / 工程运行期限/年', 'Value': 25},
+        {'Parameter': 'Discount Rate (%) / 折现率%', 'Value': 8},
+        {'Parameter': 'Annual Loss Hours (hours) / 年损耗小时数/小时', 'Value': 1400}
    ]
    df_params = pd.DataFrame(param_data)
    
--- a/gui.py
+++ b/gui.py
@@ -1,20 +1,22 @@
+import contextlib
+import io
 import os
 import sys
-import io
-import contextlib
 import tempfile
-import matplotlib.pyplot as plt
+
 import matplotlib.backends.backend_svg
-from nicegui import ui, events, app
+import matplotlib.pyplot as plt
+import pandas as pd
+from nicegui import app, events, ui
+
 from main import (
    compare_design_methods,
-    export_to_dxf,
-    load_data_from_excel,
-    generate_wind_farm_data,
-    visualize_design,
    export_all_scenarios_to_excel,
+    export_to_dxf,
+    generate_wind_farm_data,
+    load_data_from_excel,
+    visualize_design,
 )
-import pandas as pd

 # 尝试导入自动生成的版本号
 try:
@@ -143,6 +145,51 @@ def index():
                        ep_str += " (默认)"
                    params_text.append(ep_str)

+                    # 获取工程运行期限
+                    lifetime = 25  # Default
+                    is_default_lifetime = True
+                    if (
+                        state.get("system_params")
+                        and "project_lifetime" in state["system_params"]
+                    ):
+                        lifetime = state["system_params"]["project_lifetime"]
+                        is_default_lifetime = False
+
+                    lifetime_str = f"工程运行期限: {lifetime} 年"
+                    if is_default_lifetime:
+                        lifetime_str += " (默认)"
+                    params_text.append(lifetime_str)
+
+                    # 获取折现率
+                    discount_rate = 8  # Default
+                    is_default_discount = True
+                    if (
+                        state.get("system_params")
+                        and "discount_rate" in state["system_params"]
+                    ):
+                        discount_rate = state["system_params"]["discount_rate"]
+                        is_default_discount = False
+
+                    discount_str = f"折现率: {discount_rate}%"
+                    if is_default_discount:
+                        discount_str += " (默认)"
+                    params_text.append(discount_str)
+
+                    # 获取年损耗小时数
+                    annual_hours = 1400  # Default
+                    is_default_hours = True
+                    if (
+                        state.get("system_params")
+                        and "annual_loss_hours" in state["system_params"]
+                    ):
+                        annual_hours = state["system_params"]["annual_loss_hours"]
+                        is_default_hours = False
+
+                    hours_str = f"年损耗小时数: {annual_hours} 小时"
+                    if is_default_hours:
+                        hours_str += " (默认)"
+                    params_text.append(hours_str)
+
                    for p in params_text:
                        ui.chip(p, icon="bolt").props("outline color=primary")

@@ -175,7 +222,7 @@ def index():
                        },
                        {
                            "name": "cost",
-                            "label": "参考单价 (元/m)",
+                            "label": "参考单价(万元/km)",
                            "field": "cost",
                            "align": "center",
                        },
@@ -194,7 +241,9 @@ def index():
                                "section": spec[0],
                                "capacity": spec[1],
                                "resistance": spec[2],
-                                "cost": spec[3],
+                                "cost": f"{spec[3] / 10:.2f}"
+                                if spec[3] is not None
+                                else "0.00",
                                "is_optional": "Y" if len(spec) > 4 and spec[4] else "",
                            }
                        )
@@ -374,6 +423,7 @@ def index():
        try:
            import tkinter as tk
            from tkinter import filedialog
+
            from nicegui import run

            print("DEBUG: Attempting Tkinter dialog...")
@@ -464,7 +514,6 @@ def index():
            best_res = min(state["results"], key=lambda x: x["cost"])

        with refs["export_row"]:
-
            # --- 下载 Excel ---
            async def save_excel(path):
                import shutil
@@ -547,7 +596,7 @@ def index():
                    ui.notify("缺少升压站数据，无法导出 DXF", type="negative")

            ui.button(
-                f'导出推荐方案 DXF ({best_res["name"]})', on_click=on_click_best_dxf
+                f"导出推荐方案 DXF ({best_res['name']})", on_click=on_click_best_dxf
            ).props("icon=architecture color=accent")

            # --- 导出选中方案 DXF ---
@@ -694,9 +743,10 @@ def index():
                clean_name = row_name.replace("(推荐) ", "")
                refs["export_selected_btn"].set_text(f"导出选中方案 ({clean_name})")

-    from nicegui import run
    import queue

+    from nicegui import run
+
    async def run_analysis():
        if not state["excel_path"]:
            ui.notify("请先上传 Excel 坐标文件！", type="warning")
@@ -722,9 +772,9 @@ def index():
                        if msg.startswith("--- Scenario"):
                            scenario_name = msg.replace("---", "").strip()
                            if refs["status_label"]:
-                                refs["status_label"].text = (
-                                    f"正在计算: {scenario_name}..."
-                                )
+                                refs[
+                                    "status_label"
+                                ].text = f"正在计算: {scenario_name}..."
                        elif "开始比较电缆方案" in msg:
                            if refs["status_label"]:
                                refs["status_label"].text = "准备开始计算..."
@@ -777,7 +827,7 @@ def index():

                update_plot(best_res)
                ui.notify(
-                    f'计算完成！已自动加载推荐方案: {best_res["name"]}', type="positive"
+                    f"计算完成！已自动加载推荐方案: {best_res['name']}", type="positive"
                )

            # 更新结果表格
@@ -813,14 +863,16 @@ def index():
                    elif "No Max" in original_name:
                        note += "不包含可选电缆型号，且可使用的最大截面电缆降一档截面。"

-                    # 计算总长度
-                    total_length = sum(d["length"] for d in res["eval"]["details"])
+                    # 计算总长度（转换为公里）
+                    total_length_m = sum(d["length"] for d in res["eval"]["details"])
+                    total_length_km = total_length_m / 1000

                    row_dict = {
                        "name": name_display,
                        "cost_wan": f"{res['cost'] / 10000:.2f}",
                        "loss_kw": f"{res['loss']:.2f}",
-                        "total_length": f"{total_length:.2f}",
+                        "total_length": f"{total_length_km:.2f}",
+                        "total_cost_npv_wan": f"{res.get('total_cost_npv', res['cost']) / 10000:.2f}",
                        "note": note,
                        "original_name": res["name"],
                    }
@@ -881,14 +933,18 @@ def index():
            ui.label("配置面板").classes("text-xl font-semibold mb-4 border-b pb-2")

            # 使用 items-stretch 确保所有子元素高度一致
-            with ui.row().classes('w-full items-stretch gap-4'):
+            with ui.row().classes("w-full items-stretch gap-4"):
                # 1. 导出模板按钮
                async def export_template():
-                    from generate_template import create_template
                    import shutil
+
+                    from generate_template import create_template
+
                    async def save_template(path):
                        # 生成模板到系统临时目录
-                        temp_template = os.path.join(state["temp_dir"], "coordinates_template.xlsx")
+                        temp_template = os.path.join(
+                            state["temp_dir"], "coordinates_template.xlsx"
+                        )
                        create_template(temp_template)
                        if os.path.exists(temp_template):
                            shutil.copy2(temp_template, path)
@@ -900,9 +956,7 @@ def index():
                            raise FileNotFoundError("无法生成模板文件")

                    await save_file_with_dialog(
-                        "coordinates.xlsx", 
-                        save_template, 
-                        "Excel Files (*.xlsx)"
+                        "coordinates.xlsx", save_template, "Excel Files (*.xlsx)"
                    )

                ui.button("导出 Excel 模板", on_click=export_template).classes(
@@ -910,11 +964,17 @@ def index():
                ).props("icon=file_download outline color=primary")

                # 2. 上传文件区域 (垂直堆叠 Label 和 Upload 组件)
-                with ui.column().classes('flex-1 gap-0 justify-between'):
+                with ui.column().classes("flex-1 gap-0 justify-between"):
                    # 使用 .no-list CSS 隐藏 Quasar 默认列表，完全自定义文件显示
-                    refs["upload_widget"] = ui.upload(
-                        label="选择Excel文件", on_upload=handle_upload, auto_upload=True
-                    ).classes("w-full no-list h-full").props('flat bordered color=primary')
+                    refs["upload_widget"] = (
+                        ui.upload(
+                            label="选择Excel文件",
+                            on_upload=handle_upload,
+                            auto_upload=True,
+                        )
+                        .classes("w-full no-list h-full")
+                        .props("flat bordered color=primary")
+                    )

                    # 自定义文件显示容器
                    refs["current_file_container"] = ui.column().classes("w-full")
@@ -946,9 +1006,15 @@ def index():
                    )

            with ui.card().classes("w-full p-0 shadow-md overflow-hidden"):
-                with ui.expansion(
-                    "方案对比结果 (点击行查看拓扑详情)", icon="analytics", value=True
-                ).classes("w-full").props("header-class=\"text-xl font-semibold\""):
+                with (
+                    ui.expansion(
+                        "方案对比结果 (点击行查看拓扑详情)",
+                        icon="analytics",
+                        value=True,
+                    )
+                    .classes("w-full")
+                    .props('header-class="text-xl font-semibold"')
+                ):
                    columns = [
                        {
                            "name": "name",
@@ -971,16 +1037,23 @@ def index():
                        },
                        {
                            "name": "total_length",
-                                                "label": "总长度 (m)",
+                            "label": "总长度/km",
                            "field": "total_length",
                            "sortable": True,
                        },
+                        {
+                            "name": "total_cost_npv_wan",
+                            "label": "总费用 (万元)",
+                            "field": "total_cost_npv_wan",
+                            "sortable": True,
+                        },
                        {
                            "name": "note",
                            "label": "备注",
                            "field": "note",
                            "align": "left",
-                                            },                    ]
+                        },
+                    ]
                    # 使用内置的 selection='single' 结合行点击事件实现背景高亮
                    # 这样可以完全由 Python 事件逻辑控制，不依赖 CSS 伪类
                    refs["results_table"] = ui.table(
@@ -1055,7 +1128,13 @@ if getattr(sys, "frozen", False):
    )
 else:
    # 普通使用环境保留日志功能
-    ui.run(title="海上风电场集电线路优化", host='127.0.0.1', reload=True, port=target_port, native=False)
+    ui.run(
+        title="海上风电场集电线路优化",
+        host="127.0.0.1",
+        reload=True,
+        port=target_port,
+        native=False,
+    )
    # ui.run(
    #     title="海上风电场集电线路优化",
    #     host="127.0.0.1",
--- a/main.py
+++ b/main.py