許璟琳，高 尚，余芳強

基于圖論的建筑機電設備邏輯關(guān)系自動提取方法

許璟琳，高 尚，余芳強

(上海建工四建集團有限公司，上海 201103)

隨著建筑信息模型(BIM)在建筑施工及運維階段的深入應用，建筑機電設備的邏輯關(guān)系自動提取成為進一步應用的瓶頸。針對建筑機電系統(tǒng)信息模型應用過程中邏輯連接關(guān)系應用需求高、判斷復雜的問題，提出了一種基于圖論的建筑機電設備邏輯關(guān)系自動提取方法。基于BIM，將機電系統(tǒng)抽象為無向連通圖，連接器抽象為圖的邊，機電設備、管道、管道附件等抽象為圖的節(jié)點，將一片管道抽象為管道團，將設備與大量管道的復雜連接轉(zhuǎn)換為設備到幾個管道團的簡單連接，從而將機電系統(tǒng)邏輯關(guān)系自動生成的問題轉(zhuǎn)換為無向連通圖求解的問題，建立了機電構(gòu)件物理連接關(guān)系提取方法、設備邏輯連接關(guān)系自動生成和設備連接路徑計算方法，實現(xiàn)了建筑機電系統(tǒng)邏輯關(guān)系快速、準確、智能的提取。該方法在工程中的實施有利于基于BIM的機電系統(tǒng)運營維護管理，有利于實現(xiàn)建筑的全生命期信息管理。

建筑信息模型；機電設備；邏輯關(guān)系；連接路徑；圖論；運維

建筑信息模型(building information modeling， BIM)通過數(shù)字手段表達建筑設施設備的物理特性和功能特性，能夠包含建筑工程從概念到設計、施工、運維乃至拆除階段的大量信息，目前被廣泛應用于施工階段的碰撞檢查、施工工藝模擬和優(yōu)化、建筑運維管理[1]。在建筑工程的機電專業(yè)施工中，通過BIM模型輔助管線的綜合排布、管道預制加工，可有效克服圖紙質(zhì)量粗糙、經(jīng)常調(diào)改變更等施工問題[2]。在建筑工程的機電系統(tǒng)運營維護管理中，機電系統(tǒng)BIM模型可以輔助工程人員直觀了解機電系統(tǒng)管線的來龍去脈，取代傳統(tǒng)的二維系統(tǒng)圖、平面圖和局面詳圖。通過將樓宇自動化系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)集成到BIM運維模型上，可以即時反應現(xiàn)場機電設備的運行和報警狀態(tài)[3]，運維管理人員借助三維可視化的BIM查看機電系統(tǒng)的上下游關(guān)系，可迅速定位故障，鎖定受影響的下游設備或者空間；設備維護人員通過運維模型可快速學習機電系統(tǒng)運行知識，減少翻閱圖紙的時間和培訓成本，及時響應設備維修維保，實現(xiàn)建筑的安全管理[4-5]。

隨著建筑全生命期應用的研究和深入，如何實現(xiàn)建筑機電系統(tǒng)施工BIM模型向運維模型的轉(zhuǎn)換，成為相關(guān)應用研究的關(guān)鍵。目前流行的BIM軟件，如Autodesk Revit，一般可存儲每個建筑構(gòu)件的信息，包括機電設備與管線、管線與管線之間的物理連接信息，但未直接記錄設備與設備之間的邏輯連接關(guān)系，設備與設備之間的管道可能是一段或是多段。在廣泛使用的工業(yè)基礎類(industry foundation classes，IFC)標準中也未明確考慮機電系統(tǒng)中的邏輯信息。文獻[6]研究了基于Revit數(shù)據(jù)庫的MEP系統(tǒng)的邏輯關(guān)系檢索，建立機電設備間的邏輯關(guān)系過程較為繁瑣，不適合在大型項目中應用。文獻[7]提出一種借助預定義或用戶定義的識別規(guī)則從BIM生成MEP系統(tǒng)的邏輯鏈，對于大部分邏輯關(guān)系的準確率高于90%，具有較好的工程適用性；然而，此方法中大部分邏輯鏈是基于先驗知識生成的，而且文中并未提及如何從BIM自動提取設備之間的聯(lián)通路徑。

本文針對建筑機電系統(tǒng)信息模型應用過程中邏輯連接關(guān)系應用需求高，當前已有的方法難以自動提取設備邏輯連接關(guān)系等問題，提出了一種基于圖論的建筑機電設備邏輯關(guān)系自動提取方法?；贐IM，將機電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為無向連通圖，機電設備和管件等效為圖的節(jié)點，連接器等效為圖的邊；將一片管道抽象為管道團，將設備與大量管道的復雜連接轉(zhuǎn)換為設備到管道團的簡單連接，使用無向連接圖解決了機電設備邏輯關(guān)系的自動提取問題，實現(xiàn)了施工BIM向運維BIM的有效轉(zhuǎn)換。

1 建筑機電系統(tǒng)等效模型

建筑機電系統(tǒng)能夠完成一定功能的機電設備及其附件的有序組合，以空調(diào)水系統(tǒng)為例，電能或者燃氣通過溴化鋰機組進行反應，冷熱水通過水泵的提升傳送給大樓的空調(diào)機組和風機盤管，便可實現(xiàn)建筑內(nèi)的制冷和制熱控制。圖1為空調(diào)水系統(tǒng)BIM模型局部，通常包含各個機電設備(如溴化鋰機組、提升泵、閥門等)，管件(如管道、彎頭、三通、變徑等)和連接器。連接器是指在BIM中用以將一個構(gòu)件連接到另一個構(gòu)件的抽象接口，借助連接器完成機電設備與管件、管件與管件之間的關(guān)聯(lián)，通常將連接器介質(zhì)流源頭稱為宿主，連接器介質(zhì)流的末端稱為目標。通過連接器，可獲得連接器位置、介質(zhì)流動方向、關(guān)聯(lián)的宿主和目標構(gòu)件等信息。

圖1 典型的機電系統(tǒng)BIM模型構(gòu)成

圖是圖論的主要研究對象，通過抽象的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示現(xiàn)實中事物之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，一般使用頂點表示現(xiàn)實的事物，使用頂點之間的邊表示事物間的關(guān)聯(lián)[8]。圖的本質(zhì)是反應事物之間的連接關(guān)系，因此可以使用圖論的方法求解建筑機電設備之間的連接關(guān)系。由于機電系統(tǒng)BIM的連接器已包含提取建筑機電設備邏輯關(guān)系所需信息，因此可忽略其機電設備及管件的幾何信息，只保留連接器在世界坐標系中的位置坐標、法線方向、連接到的構(gòu)件編號等信息，以簡化建筑機電系統(tǒng)等效模型的構(gòu)建過程。將連接到同一個連接器的2個構(gòu)件記錄為互相連通的構(gòu)件，從而建立模型構(gòu)件之間的鄰接關(guān)系。圖2(b)通過簡化的圖反應了圖2(a)中閥門與管道、彎頭、三通和泵之間的連接關(guān)系。

圖2 使用圖表示設備連接關(guān)系

由于建筑機電系統(tǒng)中實際的邏輯連接數(shù)較少，即無向圖的邊較為稀疏，若使用鄰接矩陣，將消耗較多的儲存空間存儲0元素。因此，本文選用鄰接表完成建筑機電系統(tǒng)無向圖的存儲，圖2(b)的生成如圖3所示。

圖3 圖2(b)所生成的鄰接表

應用圖論求解本文的方法為，首先需依據(jù)建筑機電系統(tǒng)BIM模型的特點構(gòu)造圖論求解模型，將構(gòu)件與構(gòu)件之間的連接器抽象為無向連通圖的邊，將機電設備、閥門、管道、管件等建筑構(gòu)件抽象為無向連通圖的節(jié)點，從而將建筑機電系統(tǒng)抽象為無向連通圖?？照{(diào)水系統(tǒng)的等效模型如圖4所示。

根據(jù)以上圖論求解模型能夠建立機電系統(tǒng)中各個設備、管道、管道附件之間的鄰接矩陣，如果2個節(jié)點之間有邊連接，則對應鄰接矩陣中的元素為2個節(jié)點構(gòu)件元素中心點的距離，即w=Dist，否則為0?；诮ㄖC電BIM，建立無向網(wǎng)絡圖的算法如圖5所示。

圖4 空調(diào)水系統(tǒng)的等效模型示意圖

圖5 建筑機電BIM的無向連接圖創(chuàng)建算法

2 設備邏輯關(guān)系提取算法設計

對于代表建筑機電系統(tǒng)的無向圖(,)，具有如下性質(zhì)：

圖6反應了設備邏輯關(guān)系提取過程，具體步驟如下：

輸入：存儲機電系統(tǒng)頂點和連接信息的鄰接矩陣。

輸出：設備與設備之間兩兩關(guān)聯(lián)的列表。

圖6 設備邏輯關(guān)系生成步驟

圖7 刪除設備頂點集合

步驟4. 將所有二分有向圖合并后形成的圖G即為機電系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)圖，圖10為最終提取的空調(diào)供水系統(tǒng)局部設備連接關(guān)系結(jié)果圖。

圖8 管道連接子圖

圖9 設備邏輯關(guān)系及流向

圖10 空調(diào)供水系統(tǒng)局部設備連接關(guān)系

3 設備連接路徑提取方法

基于機電BIM，可以追溯介質(zhì)流通的管道，為BIM的使用者提供關(guān)于設備連接來龍去脈的有效指引。確定了設備的邏輯關(guān)系之后，需要研究如何從管道團中提取設備之間連接路徑，本質(zhì)是尋找從設備起點到設備終點的最短聯(lián)通路徑，亦即，將設備連接路徑提取問題抽象為尋找2個設備頂點之間的最短路徑問題。

DIJKSTRA[9]算法主要用來處理圖的單源最短路徑問題，該算法是一種廣度優(yōu)先算法，本文將其作為圖論算法的子模塊，求解每個設備連接子圖中設備與設備之間的最短連接路徑，具體步驟如下：

輸入：機電設備連接子圖的鄰接矩陣。

輸出：源頭設備和末端設備之間經(jīng)過的所有管件列表。

步驟2.遍歷所有的管件和閥門節(jié)點，每條邊的權(quán)值為兩個連接器的歐幾里得距離，求得源頭設備和末端設備之間的最短路徑。

步驟3.記錄最短路徑所經(jīng)過的所有管道、管道附件。

由以上方法得到G的設備間連接路徑結(jié)果如圖11所示。

圖11 設備之間的聯(lián)通路徑

4 應用案例

利用本文提出的基于圖論的建筑機電系統(tǒng)邏輯關(guān)系自動生成方法，分別在上海市兩個三甲醫(yī)院的新建大樓(以下簡稱項目A)和老大樓(以下簡稱項目B)基于BIM的智慧運維管理平臺研發(fā)過程中進行了應用。

項目A建筑面積83162m2，地上24層，地下2層，BIM模型創(chuàng)建于項目建造階段。項目B建筑面積16 519 m2，地上8層，地下2層，在大樓投入使用6年后通過竣工圖紙和現(xiàn)場勘查，使用Revit創(chuàng)建了大樓BIM模型。2個項目均包含幕墻模型、結(jié)構(gòu)模型和空調(diào)水、空調(diào)風、給排水、送排風、配電系統(tǒng)、醫(yī)用氣體、污水處理等機電系統(tǒng)模型。以表1空調(diào)水系統(tǒng)為例，對比了2個項目的應用效果，圖12為項目B全樓空調(diào)水系統(tǒng)邏輯連接提取結(jié)果，對于學習機電系統(tǒng)的工作原理具有非常直觀的效果；圖13為實際應用過程中，通過手機移動端推送故障點對應的設備連接關(guān)系，有助于輔助維修工人快速定位故障源頭，提高維修效率。

表1 項目A和項目B空調(diào)系統(tǒng)邏輯關(guān)系提取效果比較

圖12 項目B全樓空調(diào)水系統(tǒng)邏輯連接提取結(jié)果

圖13 某房間空調(diào)故障后借助邏輯關(guān)系進行溯源

5 結(jié)束語

BIM技術(shù)的廣泛應用為建筑項目的運維管理提供了信息集成和可視化的良好條件，然而，已有的方法對先驗知識或用戶定義規(guī)則的要求較高，而且僅提取設備邏輯關(guān)系難以滿足實際應用需求。因此本文提出了一種基于圖論的建筑機電設備邏輯關(guān)系自動提取方法，在實際項目中測試了本文方法的可行性和準確性。應用結(jié)果表明，本文方法可從不同機電系統(tǒng)快速準確地提取設備連接關(guān)系和設備間的聯(lián)通路徑，可給類似的建筑工程BIM應用提供借鑒。

本文方法適用于可直接提取連接器及其所連接到的構(gòu)件信息的機電系統(tǒng)BIM模型，對機電模型的建模質(zhì)量要求較高。接下來的工作將著重于提高前期建模的效率，自動修復一些手動建模帶來的錯誤，并探索BIM模型在運維管理期間的應用方法，輔助機電系統(tǒng)安全運營管理。

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Automatic extraction method of logic relationship of electromechanical device based on graph theory

XU Jing-lin, GAO Shang, YU Fang-qiang

(Shanghai Construction No.4 (Group) Co. LTD, Shanghai 201103, China)

With the in-depth application of building information modeling (BIM) in the phrases of construction, operation and maintenance, the automatic extraction of logical relationship of building electromechanical devices has become a bottleneck for further application. This article proposes an automatic extraction method of logic relationship of electromechanical system based on graph theory. First, the electromechanical system was abstracted as a non-directional connected graph base on the BIM model, and the connector was abstracted as the edge of the graph. Then, the devices, pipelines and pipeline attachments were abstracted as the nodes of the graph. Next, a flat of pipelines were abstracted as a pipeline cluster so that the complex connection could be converted into a simple connection from the device to several pipe clusters. Finally, the problem of automatically generating the logical relationship was changed into the problem of solving the undirected connected graph. This article established a method of extracting the physical connection relationship of electromechanical components, automatically generating logical relations and calculating connection path of devices. In this way, the logical relations can be extracted fast, accurately and intelligently. In addition, the implementation of this method in engineering is beneficial to the operation and maintenance management of electromechanical system based on BIM.

building information modeling; electromechanical device; logical relation; connecting path; graph theory; operation maintenance

TP 391

10.11996/JG.j.2095-302X.2020020313

A

2095-302X(2020)02-0313-06

2019-09-16；

2019-11-06

上海市青年科技英才揚帆計劃項目(18YF1410400)

許璟琳(1989–)，女，福建漳州人，工程師，碩士。主要研究方向為計算機輔助建筑物運維管理。E-mail：xujinglin510@163.com