一種顧及精細層級的室內拓撲模型

黃 鴻，趙志鵬，張 磊

(廣州都市圈網絡科技有限公司，廣東 廣州 510000)

隨著智慧城市建設的不斷深入，建設的內容也逐漸從城市細化到樓宇，由室外覆蓋到室內。據相關統計，人類在室內空間活動的平均時間達到87%，遠超戶外活動所占日常生活時間[1]，如何打造1個更加智慧化的室內空間是現階段智慧城市建設面臨的又一難題。

近些年，針對室內場景的研究比較廣泛，成果也比較多。在數據模型方面，已經產生了集幾何、語義信息于一體的三維建筑物數據模型，包括CityGML[2]、IFC[3]、IndoorGML[4]及基于這幾類標準發展出來的模型等[5]。這些數據模型已作為工業標準投入使用，但是這類標準模型比較臃腫，無法滿足目前Web數據瀏覽輕量化的要求。除了這類通用的標準規范，也有相當多的研究是針對特定的應用場景，如側重于室內導航的室內數據模型研究[1,6-8]，這類研究更關注室內拓撲網絡的組織和重建；針對可視化調度的數據模型則關注室內數據的分層分塊組織[9]；室內外一體化的模型則偏重于室內場景和室外場景的連通和無縫切換[5,10]。

隨著智能樓宇建設的發展，上述室內模型的研究存在兩個問題：①現階段的城市樓宇中除了主體的空間單元，還承載了大量的智能化設施設備，但在傳統的室內地理模型中主要是對空間的管理，對于物的管理則顯得比較薄弱，因而現階段需要在室內模型層級上將模型的粒度也由建筑本身延伸到室內的設備/設施，以滿足樓宇中設施/設備的管理需求；②現有模型比較關注室內固有空間的管理，但是大量管理的業務場景是需要對固有空間進行重新組織、劃分已形成能夠滿足特定場景的業務單元。針對上述兩個問題，本文提出一種顧及精細層級的室內拓撲模型。

1 室內語義建模

室內語義建模是銜接應用和模型數據組織的重要紐帶，其主要任務是分析室內空間的實體集、各實體集的空間和屬性特征，因此需要在分析應用需求和室內空間結構的基礎上，明確室內場景的結構層次、空間特征及組成要素的基本類型[8]?；诖耍疚膶⑹覂瓤臻g單元劃分為“主體對象-連通對象-虛擬對象”3種類型的空間對象，如圖1所示。

1.1 主體對象

主體對象指占據一定空間，具有明確的邊界形態，具備一定的內向性、收斂性和向心性的空間單元。將室內空間按照“整體到局部”“先垂直后水平”的順序進行空間剖分，可將主體對象劃分為“樓棟-樓層-房間-設施”4個級別的層次結構。

(1)樓棟。在地理空間中每個室內場景通過建筑樓棟進行要素區分，因此從語義上樓棟是每個室內場景數據組織的基本單位，用于區分、標識每個獨立的室內空間，在地理場景中具有明確的空間范圍邊界。

(2)樓層。在垂直方向上，樓層是室內空間結構的重要組成部分，是建筑物中用來分隔空間的水平分隔構件，它將室內空間沿豎直方向分隔成若干樓層，在邏輯概念上，向上連接樓棟，向下承載房間。

(3)房間。在水平方向上，也就是樓層空間上，通過房屋和走廊對空間進行二次劃分，每個房間形成1個封閉的有界空間，房間是室內空間中最基礎的有界空間單元，體現出一定的內向性、收斂性和向心性的特征[9]。

(4)設施?！皹菞?樓層-房間”三級劃分只能滿足室內主體空間管理需求，但無法滿足目前越來越多的精細場景的管理需求，如化學藥品的定位管理、智能樓宇的樓控設備管理等，從而需要劃分出設施層級。設施對象是指附屬于走廊和房屋，不具備空間容納屬性，但具備功能屬性的一類室內元素，包括家電、儀器、設備等。

1.2 連通對象

連通對象主要為了解決空間和設備的聯系和疏散問題，具備一定的空間界限，具有通透性、流動性和發散性[9]。具備容納屬性的主體對象將室內空間劃分為4個級別，每個級別內的空間對象之間并不是獨立的，相互之間通過連通空間或設施進行連通。樓棟之間的連通對象是室外走廊、橋梁等；樓層之間通過電梯、樓梯等連通空間進行空間連接；房間之間通過室內走廊進行空間連通；設備設施之間通過管道或管線這類線狀連通對象進行連通。除了同一層級對象的連通，跨級別的連通對象之間也可以進行相互連通，如樓梯和室內走廊。

1.3 虛擬對象

虛擬對象是為了實現對室內空間單元的精細管理而抽象出來的虛擬空間，借助虛擬對象可以實現對物理空間的二次組織。如可以將多個房間劃分為1個重點消防管理區域，該消防區域就可以劃分為1個虛擬對象，虛擬空間對象只存儲和管理對物理對象的引用，虛擬節點在概念上只屬于一級主體對象-樓棟。

2 模型拓撲組織

基于上述對室內空間的語義劃分，本文將主體對象、連通對象、虛擬對象作為模型組織關注的重點，并對每種類型里面包含的實體對象進行“實體-關系”建模，得到如圖2所示的室內對象關系。為了能夠對空間對象進行更好地管理，本文基于拓撲關系原理將主體對象和虛擬對象退化為節點，將連通對象抽象為邊，將室內對象按照拓撲關系進行重新組織，得到如表1所示節點和表2所示“節點-邊”關系。

節點由抽象節點類型中的公共屬性組成，包含標識、節點類型、父節點、名稱及所屬虛擬節點，用于維護主體對象和虛擬對象之間的層級關系。父節點類型指向當前節點上一級節點的標識，如果沒有上級節點則標識-1；虛擬節點指示當節點所屬虛擬對象的標識，如果不存在虛擬節點，則此處默認為-1。

表1 節點

節點-邊關系由抽象邊類型中的公共屬性組成，包含標識、對象類型、A類型、端點A、端點B、B類型、名稱、虛擬節點，用于維護連通對象和主體對象之間的關聯關系。A和B分別標識一條邊的兩端，邊表存儲了一條邊兩端的對象類型和對象標識，每個端點上既可以是節點也可以是邊類型，這樣就可以避免需要針對Portal類型單獨從主體對象中劃分出一個類型出來，此處端點類型：0表示端點類型為點類型，1表示端點類型為邊類型。

表2 節點-邊關系

3 試驗與應用

3.1 試驗環境

本文試驗的硬件環境為Intel(R)Core(TM)i5-5200U CPU @ 2.20 GHz 2.19 GHz，內存為4 GB，操作系統環為64位Windows 10，壓縮算法實現開發語言為JavaScript，前端加載測試瀏覽器為Chrome 65，前端WebGL渲染引擎為Cesium.js。

3.2 結果及分析

為驗證本文提出的室內模型數據的組織方法的有效性，以圖3(a)所示的建筑物為試驗對象。試驗分為以下步驟：①根據室內語義模型的對象劃分方法對室內三維模型進行數據組織，形成以主體對象為主的室內四級結構，如圖3(b)、(c)、(d)、(e)所示，分別表示“樓棟-樓層-房屋-設備”；②使用虛擬對象將二層劃分為5個消防分區，以驗證虛擬對象二次管理空間對象的有效性，如圖3(f)所示；③基于模型的拓撲關系組織方法，在模型對象之間建立拓撲管理，并以二層的走廊為例，查找和當前走廊關聯的房間對象，如圖3(g)所示，以驗證本文方法的有效性。

4 結 語

室內場景的數據模型是各種室內環境分析和管理應用的基礎，為了滿足設備管理和室內空間的二次劃分需求，本文提出了一種顧及精細層級的室內拓撲模型的建模及拓撲組織方法，將室內模型構件根據“主體對象-連通對象-虛擬對象”的形式進行對象分類和拓撲建立，構建了可以滿足精細管理的四層級室內場景，有效地提高了室內三維模型數據的管理效率和管理靈活度。