基于图论的建筑机电设备逻辑关系自动提取方法

许璟琳，高 尚，余芳强

基于图论的建筑机电设备逻辑关系自动提取方法

许璟琳，高 尚，余芳强

(上海建工四建集团有限公司，上海 201103)

随着建筑信息模型(BIM)在建筑施工及运维阶段的深入应用，建筑机电设备的逻辑关系自动提取成为进一步应用的瓶颈。针对建筑机电系统信息模型应用过程中逻辑连接关系应用需求高、判断复杂的问题，提出了一种基于图论的建筑机电设备逻辑关系自动提取方法。基于BIM，将机电系统抽象为无向连通图，连接器抽象为图的边，机电设备、管道、管道附件等抽象为图的节点，将一片管道抽象为管道团，将设备与大量管道的复杂连接转换为设备到几个管道团的简单连接，从而将机电系统逻辑关系自动生成的问题转换为无向连通图求解的问题，建立了机电构件物理连接关系提取方法、设备逻辑连接关系自动生成和设备连接路径计算方法，实现了建筑机电系统逻辑关系快速、准确、智能的提取。该方法在工程中的实施有利于基于BIM的机电系统运营维护管理，有利于实现建筑的全生命期信息管理。

建筑信息模型；机电设备；逻辑关系；连接路径；图论；运维

建筑信息模型(building information modeling， BIM)通过数字手段表达建筑设施设备的物理特性和功能特性，能够包含建筑工程从概念到设计、施工、运维乃至拆除阶段的大量信息，目前被广泛应用于施工阶段的碰撞检查、施工工艺模拟和优化、建筑运维管理[1]。在建筑工程的机电专业施工中，通过BIM模型辅助管线的综合排布、管道预制加工，可有效克服图纸质量粗糙、经常调改变更等施工问题[2]。在建筑工程的机电系统运营维护管理中，机电系统BIM模型可以辅助工程人员直观了解机电系统管线的来龙去脉，取代传统的二维系统图、平面图和局面详图。通过将楼宇自动化系统的监测数据集成到BIM运维模型上，可以即时反应现场机电设备的运行和报警状态[3]，运维管理人员借助三维可视化的BIM查看机电系统的上下游关系，可迅速定位故障，锁定受影响的下游设备或者空间；设备维护人员通过运维模型可快速学习机电系统运行知识，减少翻阅图纸的时间和培训成本，及时响应设备维修维保，实现建筑的安全管理[4-5]。

随着建筑全生命期应用的研究和深入，如何实现建筑机电系统施工BIM模型向运维模型的转换，成为相关应用研究的关键。目前流行的BIM软件，如Autodesk Revit，一般可存储每个建筑构件的信息，包括机电设备与管线、管线与管线之间的物理连接信息，但未直接记录设备与设备之间的逻辑连接关系，设备与设备之间的管道可能是一段或是多段。在广泛使用的工业基础类(industry foundation classes，IFC)标准中也未明确考虑机电系统中的逻辑信息。文献[6]研究了基于Revit数据库的MEP系统的逻辑关系检索，建立机电设备间的逻辑关系过程较为繁琐，不适合在大型项目中应用。文献[7]提出一种借助预定义或用户定义的识别规则从BIM生成MEP系统的逻辑链，对于大部分逻辑关系的准确率高于90%，具有较好的工程适用性；然而，此方法中大部分逻辑链是基于先验知识生成的，而且文中并未提及如何从BIM自动提取设备之间的联通路径。

本文针对建筑机电系统信息模型应用过程中逻辑连接关系应用需求高，当前已有的方法难以自动提取设备逻辑连接关系等问题，提出了一种基于图论的建筑机电设备逻辑关系自动提取方法。基于BIM，将机电系统转换为无向连通图，机电设备和管件等效为图的节点，连接器等效为图的边；将一片管道抽象为管道团，将设备与大量管道的复杂连接转换为设备到管道团的简单连接，使用无向连接图解决了机电设备逻辑关系的自动提取问题，实现了施工BIM向运维BIM的有效转换。

1 建筑机电系统等效模型

建筑机电系统能够完成一定功能的机电设备及其附件的有序组合，以空调水系统为例，电能或者燃气通过溴化锂机组进行反应，冷热水通过水泵的提升传送给大楼的空调机组和风机盘管，便可实现建筑内的制冷和制热控制。图1为空调水系统BIM模型局部，通常包含各个机电设备(如溴化锂机组、提升泵、阀门等)，管件(如管道、弯头、三通、变径等)和连接器。连接器是指在BIM中用以将一个构件连接到另一个构件的抽象接口，借助连接器完成机电设备与管件、管件与管件之间的关联，通常将连接器介质流源头称为宿主，连接器介质流的末端称为目标。通过连接器，可获得连接器位置、介质流动方向、关联的宿主和目标构件等信息。

图1 典型的机电系统BIM模型构成

图是图论的主要研究对象，通过抽象的数据结构表示现实中事物之间的关联关系，一般使用顶点表示现实的事物，使用顶点之间的边表示事物间的关联[8]。图的本质是反应事物之间的连接关系，因此可以使用图论的方法求解建筑机电设备之间的连接关系。由于机电系统BIM的连接器已包含提取建筑机电设备逻辑关系所需信息，因此可忽略其机电设备及管件的几何信息，只保留连接器在世界坐标系中的位置坐标、法线方向、连接到的构件编号等信息，以简化建筑机电系统等效模型的构建过程。将连接到同一个连接器的2个构件记录为互相连通的构件，从而建立模型构件之间的邻接关系。图2(b)通过简化的图反应了图2(a)中阀门与管道、弯头、三通和泵之间的连接关系。

图2 使用图表示设备连接关系

由于建筑机电系统中实际的逻辑连接数较少，即无向图的边较为稀疏，若使用邻接矩阵，将消耗较多的储存空间存储0元素。因此，本文选用邻接表完成建筑机电系统无向图的存储，图2(b)的生成如图3所示。

图3 图2(b)所生成的邻接表

应用图论求解本文的方法为，首先需依据建筑机电系统BIM模型的特点构造图论求解模型，将构件与构件之间的连接器抽象为无向连通图的边，将机电设备、阀门、管道、管件等建筑构件抽象为无向连通图的节点，从而将建筑机电系统抽象为无向连通图。空调水系统的等效模型如图4所示。

根据以上图论求解模型能够建立机电系统中各个设备、管道、管道附件之间的邻接矩阵，如果2个节点之间有边连接，则对应邻接矩阵中的元素为2个节点构件元素中心点的距离，即w=Dist，否则为0。基于建筑机电BIM，建立无向网络图的算法如图5所示。

图4 空调水系统的等效模型示意图

图5 建筑机电BIM的无向连接图创建算法

2 设备逻辑关系提取算法设计

对于代表建筑机电系统的无向图(,)，具有如下性质：

图6反应了设备逻辑关系提取过程，具体步骤如下：

输入：存储机电系统顶点和连接信息的邻接矩阵。

输出：设备与设备之间两两关联的列表。

图6 设备逻辑关系生成步骤

图7 删除设备顶点集合

步骤4. 将所有二分有向图合并后形成的图G即为机电系统逻辑结构图，图10为最终提取的空调供水系统局部设备连接关系结果图。

图8 管道连接子图

图9 设备逻辑关系及流向

图10 空调供水系统局部设备连接关系

3 设备连接路径提取方法

基于机电BIM，可以追溯介质流通的管道，为BIM的使用者提供关于设备连接来龙去脉的有效指引。确定了设备的逻辑关系之后，需要研究如何从管道团中提取设备之间连接路径，本质是寻找从设备起点到设备终点的最短联通路径，亦即，将设备连接路径提取问题抽象为寻找2个设备顶点之间的最短路径问题。

DIJKSTRA[9]算法主要用来处理图的单源最短路径问题，该算法是一种广度优先算法，本文将其作为图论算法的子模块，求解每个设备连接子图中设备与设备之间的最短连接路径，具体步骤如下：

输入：机电设备连接子图的邻接矩阵。

输出：源头设备和末端设备之间经过的所有管件列表。

步骤2.遍历所有的管件和阀门节点，每条边的权值为两个连接器的欧几里得距离，求得源头设备和末端设备之间的最短路径。

步骤3.记录最短路径所经过的所有管道、管道附件。

由以上方法得到G的设备间连接路径结果如图11所示。

图11 设备之间的联通路径

4 应用案例

利用本文提出的基于图论的建筑机电系统逻辑关系自动生成方法，分别在上海市两个三甲医院的新建大楼(以下简称项目A)和老大楼(以下简称项目B)基于BIM的智慧运维管理平台研发过程中进行了应用。

项目A建筑面积83162m2，地上24层，地下2层，BIM模型创建于项目建造阶段。项目B建筑面积16 519 m2，地上8层，地下2层，在大楼投入使用6年后通过竣工图纸和现场勘查，使用Revit创建了大楼BIM模型。2个项目均包含幕墙模型、结构模型和空调水、空调风、给排水、送排风、配电系统、医用气体、污水处理等机电系统模型。以表1空调水系统为例，对比了2个项目的应用效果，图12为项目B全楼空调水系统逻辑连接提取结果，对于学习机电系统的工作原理具有非常直观的效果；图13为实际应用过程中，通过手机移动端推送故障点对应的设备连接关系，有助于辅助维修工人快速定位故障源头，提高维修效率。

表1 项目A和项目B空调系统逻辑关系提取效果比较

图12 项目B全楼空调水系统逻辑连接提取结果

图13 某房间空调故障后借助逻辑关系进行溯源

5 结束语

BIM技术的广泛应用为建筑项目的运维管理提供了信息集成和可视化的良好条件，然而，已有的方法对先验知识或用户定义规则的要求较高，而且仅提取设备逻辑关系难以满足实际应用需求。因此本文提出了一种基于图论的建筑机电设备逻辑关系自动提取方法，在实际项目中测试了本文方法的可行性和准确性。应用结果表明，本文方法可从不同机电系统快速准确地提取设备连接关系和设备间的联通路径，可给类似的建筑工程BIM应用提供借鉴。

本文方法适用于可直接提取连接器及其所连接到的构件信息的机电系统BIM模型，对机电模型的建模质量要求较高。接下来的工作将着重于提高前期建模的效率，自动修复一些手动建模带来的错误，并探索BIM模型在运维管理期间的应用方法，辅助机电系统安全运营管理。

[1] AZHAR S. Building information modeling (BIM): trends, benefits, risks, and challenges for the AEC industry[J]. Leadership and Management in Engineering, 2011, 11(3): 241-252.

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[4] 余芳强. 基于BIM的医院建筑智慧运维管理技术[J]. 中国医院建筑与装备, 2019, 20(1): 88-91.

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[9] DIJKSTRA E W. A note on two problems in connexion with graphs[J]. Numerische Mathematik, 1959, 1(1): 269-271.

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扬帆计划项目(18YF1410400)

许璟琳(1989–)，女，福建漳州人，工程师，硕士。主要研究方向为计算机辅助建筑物运维管理。E-mail：xujinglin510@163.com