PyQt5实现一个管道铺设系统

这几天有很多项目，算法的、编译原理的、计算机控制原理的、计算机组成原理的。反正这学期学的计算机课程几乎全有项目，不过有的很简单，就比如这个管道铺设系统。我在昨天就已经写完了这个项目，这篇文章用于记录一下本项目。本项目已经上传到github上，地址：https://github.com/qi1x/pipe-laying-system。

题目

以下内容来自于实验指导书。

本课程的三级项目是要求学生设计实现一个管线铺设辅助系统。引导学生积极思考、主动学习，锻炼和提高学生的交流、沟通和表达能力以及团队合作能力，培养学生的责任感和职业道德。

1、问题描述

开发一个管线铺设辅助系统，以我校西校区为例，在里仁学院教学楼、学生公寓、学生食堂、第一、二、三、四教学楼、材料学院、电气学院、理学院、艺术学院、经管学院、西里西亚学院和信息学院之间铺设输水管道，设计算法并实现使铺设的输水管道距离最短（各建筑之间的距离，可以通过百度地图获取）。系统要求具备从文本读取数据、显示最佳铺设方案，以及绘制最佳方案的简单示意图等功能。

2、功能需求
用最小生成树算法实现，需要满足如下要求。
（1）将管线经过的建筑物以及建筑物之间的距离，抽象成无向图，并以矩阵的形式表示，并保存在文本中，系统通过读取文本的方式，获取该矩阵；
（2）从 Prim 算法和 Kruskal 算法中至少选择一种实现管线铺设的最优方案，系统可以最优方案的生成过程，并且可以文本的形式输出；
（3）在系统上可以生成最优方案的简易图。

预览

整个界面由两部分组成：主地图和按钮组。在地图上点击可以选点，就是你要铺设的管道的端点，然后点击“计算”后就可以画出最小生成树了。此外，界面还可以放大和缩小，以及清除记录。整个程序有完整的日志系统，你对程序做出的操作都会被记录。

选择坐标点（注意看红点）

计算最小生成树

控制台输出日志

实现

项目文件夹

img为地图背景，需要提前绘制好。application.log是日志文件，main.py为项目主文件。程序从main.py文件开始执行。

现在来看看main.py文件的代码组成。

首先是导入必要的模块。

import logging  # 导入日志模块
import sys  # 导入sys模块

import numpy as np  # 导入numpy库
...

有些模块需要安装，可在虚拟环境中使用如下命令一键安装。

pip install -r requirements.txt

接下来是初始化日志对象。有关于日志的知识请前往我的云笔记中关于日志模块的介绍。这里不再赘述。

# 创建一个日志记录器
logger = logging.getLogger()
logger.setLevel(logging.INFO)
...

然后是初始化坐标列表。

coordinates = []  # 初始化坐标列表

接下来就是制作按钮和画布的容器了。首先创建一个画布，使用PyQt5的QGraphicsView类，这个就是画布面板，然后为面板添加一个画布QPixmap，然后再为画布添加事件监听，点击的时候添加坐标到坐标列表中，并在图中画出一个点后更新画布。

# 自定义Canvas类，继承自QGraphicsView类
class Canvas(QGraphicsView):
    # Canvas类的构造函数
    def __init__(self, parent=None):
        super().__init__(parent)  # 调用父类的构造函数
        self.setBaseSize(1000, 1000)  # 设置画布基本大小

...

画布创建完成后，接下来就是创建主窗体，这个主窗体要包含画布和下方的几个按钮。

class MainWindow(QMainWindow):
    # MainWindow类的构造函数
    def __init__(self):
        super().__init__()  # 调用父类的构造函数

        self.canvas = Canvas()  # 创建Canvas对象
        layout = QVBoxLayout()  # 创建垂直布局管理器
        layout.addWidget(self.canvas)  # 将Canvas组件添加到布局中
...

这部分代码包含添加组件，配置槽函数，设置大小与位置。接下来就是实现这几个槽函数。窗体中共有五个按钮，它们分别是“放大”、“缩小”、“计算”、“清除生成树”，以及“清除所有点”。其中计算按钮使用kruskal算法实现的，具体算法如下。

    def kruskal(self):
        edges = []  # 创建边列表
        for i in range(len(coordinates)):  # 遍历顶点
            for j in range(i + 1, len(coordinates)):  # 遍历其他顶点
                dist = np.sqrt(  # 计算距离
                    (coordinates[i][0] - coordinates[j][0]) ** 2 + (coordinates[i][5] - coordinates[j][6]) ** 2)
                edges.append((i, j, dist))  # 将结果添加到边列表
        edges.sort(key=lambda x: x[2])  # 对边列表进行排序

        parent = [i for i in range(len(coordinates))]  # 创建父节点列表
        rank = [0] * len(coordinates)  # 创建等级列表
        mst = []  # 创建最小生成树列表
        for edge in edges:  # 遍历边
            x, y, weight = edge  # 获取边的起点、终点和权重
            x_root = self.find(parent, x)  # 获取x的根节点
            y_root = self.find(parent, y)  # 获取y的根节点
            if x_root != y_root:  # 如果根节点不同
                mst.append((x, y, weight))  # 将结果添加到最小生成树中
                self.union(parent, rank, x_root, y_root)  # 进行合并操作

        return mst  # 返回最小生成树

kruskal就是先选一条权值最小的边，作为最小生成树的一个边，然后这个边会连接两个顶点，这两个顶点会连接其他的边，再从这边中选出一个最小的边，以此下去。注意不能形成环。

这里返回最小生成树后，就可以绘图了。在calculate_minimum_spanning_tree方法中，最后一段代码就是绘制最小生成树的。

        # 将最小生成树的边和权重添加到场景中
        for edge in result:
            node1 = edge[0]
            node2 = edge[1]
            weight = edge[2]
            start_point = coordinates[node1]
            end_point = coordinates[node2]
            # 在场景中添加一条蓝色线条，表示一条边
            self.canvas.scene.addLine(start_point[0], start_point[1], end_point[0], end_point[1], QPen(Qt.blue, 2))
            # 在场景中添加简单文本，显示边的权重
            text = self.canvas.scene.addSimpleText(f"{weight * 200 / 115:.2f}m", QFont("Arial", 8))
            text.setPos((start_point[0] + end_point[0]) / 2, (start_point[1] + end_point[1]) / 2)

这部分代码会向图中添加一条蓝色的边以及一条黑色的数字，表示这个边的权值。在图的右下角标注了比例尺，在图中绘制的距离实际上就是按照比例尺换算成米了。

最后就是写主程序入口，这部分程序就完成了。