基于圖論的建筑機電設備邏輯關系自動提取方法

許璟琳，高 尚，余芳強

基于圖論的建筑機電設備邏輯關系自動提取方法

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系自動提取成為進一步應用的瓶頸。針對建筑機電系統信息模型應用過程中邏輯連接關系應用需求高、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系自動提取方法?；贐IM，將機電系統抽象為無向連通圖，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換為設備到幾個管道團的簡單連接，從而將機電系統邏輯關系自動生成的問題轉換為無向連通圖求解的問題，建立了機電構件物理連接關系提取方法、設備邏輯連接關系自動生成和設備連接路徑計算方法，實現了建筑機電系統邏輯關系快速、準確、智能的提取。該方法在工程中的實施有利于基于BIM的機電系統運營維護管理，有利于實現建筑的全生命期信息管理。

建筑信息模型；機電設備；邏輯關系；連接路徑；圖論；運維

建筑信息模型(building information modeling， BIM)通過數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、施工工藝模擬和優化、建筑運維管理[1]。在建筑工程的機電專業施工中，通過BIM模型輔助管線的綜合排布、管道預制加工，可有效克服圖紙質量粗糙、經常調改變更等施工問題[2]。在建筑工程的機電系統運營維護管理中，機電系統BIM模型可以輔助工程人員直觀了解機電系統管線的來龍去脈，取代傳統的二維系統圖、平面圖和局面詳圖。通過將樓宇自動化系統的監測數據集成到BIM運維模型上，可以即時反應現場機電設備的運行和報警狀態[3]，運維管理人員借助三維可視化的BIM查看機電系統的上下游關系，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，如何實現建筑機電系統施工BIM模型向運維模型的轉換，成為相關應用研究的關鍵。目前流行的BIM軟件，如Autodesk Revit，一般可存儲每個建筑構件的信息，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。在廣泛使用的工業基礎類(industry foundation classes，IFC)標準中也未明確考慮機電系統中的邏輯信息。文獻[6]研究了基于Revit數據庫的MEP系統的邏輯關系檢索，建立機電設備間的邏輯關系過程較為繁瑣，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則從BIM生成MEP系統的邏輯鏈，對于大部分邏輯關系的準確率高于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通路徑。

本文針對建筑機電系統信息模型應用過程中邏輯連接關系應用需求高，當前已有的方法難以自動提取設備邏輯連接關系等問題，提出了一種基于圖論的建筑機電設備邏輯關系自動提取方法。基于BIM，將機電系統轉換為無向連通圖，機電設備和管件等效為圖的節點，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系的自動提取問題，實現了施工BIM向運維BIM的有效轉換。

1 建筑機電系統等效模型

建筑機電系統能夠完成一定功能的機電設備及其附件的有序組合，以空調水系統為例，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機組和風機盤管，便可實現建筑內的制冷和制熱控制。圖1為空調水系統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中用以將一個構件連接到另一個構件的抽象接口，借助連接器完成機電設備與管件、管件與管件之間的關聯，通常將連接器介質流源頭稱為宿主，連接器介質流的末端稱為目標。通過連接器，可獲得連接器位置、介質流動方向、關聯的宿主和目標構件等信息。

圖1 典型的機電系統BIM模型構成

圖是圖論的主要研究對象，通過抽象的數據結構表示現實中事物之間的關聯關系，一般使用頂點表示現實的事物，使用頂點之間的邊表示事物間的關聯[8]。圖的本質是反應事物之間的連接關系，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系。由于機電系統BIM的連接器已包含提取建筑機電設備邏輯關系所需信息，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、連接到的構件編號等信息，以簡化建筑機電系統等效模型的構建過程。將連接到同一個連接器的2個構件記錄為互相連通的構件，從而建立模型構件之間的鄰接關系。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系。

圖2 使用圖表示設備連接關系

由于建筑機電系統中實際的邏輯連接數較少，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，首先需依據建筑機電系統BIM模型的特點構造圖論求解模型，將構件與構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、管件等建筑構件抽象為無向連通圖的節點，從而將建筑機電系統抽象為無向連通圖?？照{水系統的等效模型如圖4所示。

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

圖4 空調水系統的等效模型示意圖

圖5 建筑機電BIM的無向連接圖創建算法

2 設備邏輯關系提取算法設計

對于代表建筑機電系統的無向圖(,)，具有如下性質：

圖6反應了設備邏輯關系提取過程，具體步驟如下：

輸入：存儲機電系統頂點和連接信息的鄰接矩陣。

輸出：設備與設備之間兩兩關聯的列表。

圖6 設備邏輯關系生成步驟

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即為機電系統邏輯結構圖，圖10為最終提取的空調供水系統局部設備連接關系結果圖。

圖8 管道連接子圖

圖9 設備邏輯關系及流向

圖10 空調供水系統局部設備連接關系

3 設備連接路徑提取方法

基于機電BIM，可以追溯介質流通的管道，為BIM的使用者提供關于設備連接來龍去脈的有效指引。確定了設備的邏輯關系之后，需要研究如何從管道團中提取設備之間連接路徑，本質是尋找從設備起點到設備終點的最短聯通路徑，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過的所有管件列表。

步驟2.遍歷所有的管件和閥門節點，每條邊的權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果如圖11所示。

圖11 設備之間的聯通路徑

4 應用案例

利用本文提出的基于圖論的建筑機電系統邏輯關系自動生成方法，分別在上海市兩個三甲醫院的新建大樓(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場勘查，使用Revit創建了大樓BIM模型。2個項目均包含幕墻模型、結構模型和空調水、空調風、給排水、送排風、配電系統、醫用氣體、污水處理等機電系統模型。以表1空調水系統為例，對比了2個項目的應用效果，圖12為項目B全樓空調水系統邏輯連接提取結果，對于學習機電系統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空調系統邏輯關系提取效果比較

圖12 項目B全樓空調水系統邏輯連接提取結果

圖13 某房間空調故障后借助邏輯關系進行溯源

5 結束語

BIM技術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則的要求較高，而且僅提取設備邏輯關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。應用結果表明，本文方法可從不同機電系統快速準確地提取設備連接關系和設備間的聯通路徑，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件信息的機電系統BIM模型，對機電模型的建模質量要求較高。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