樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)算法

高莉莉 高 雪 林鈺浩 吳鈺博 范金鵬

（中建八局第三建設(shè)有限公司 南京 210000）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，為滿足人們對(duì)高質(zhì)量生活環(huán)境的需求，建筑越來(lái)越智能化。同時(shí)，由于其龐大的系統(tǒng)，能源消耗將增加[1]。智能建筑包括電梯系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、視覺系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等，建筑空調(diào)系統(tǒng)能耗占整個(gè)建筑能耗的一半以上。為了提高空調(diào)系統(tǒng)的制冷和制熱性能，系統(tǒng)中增加了現(xiàn)代化的設(shè)備，主要包括風(fēng)冷熱泵、排煙設(shè)備、智能化風(fēng)機(jī)盤管等[2]。

空調(diào)系統(tǒng)的突發(fā)故障是指設(shè)備突然發(fā)生故障而不能運(yùn)行。這類故障具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，不能被提前發(fā)現(xiàn)?？照{(diào)系統(tǒng)的漸進(jìn)性故障是由于系統(tǒng)參數(shù)和設(shè)備之間的錯(cuò)誤連接引起的，通過(guò)早期檢測(cè)可以減少這種情況[3]。空調(diào)系統(tǒng)的管理和維護(hù)非常重要。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，設(shè)備之間會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤的連接關(guān)系，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗增加甚至設(shè)備故障，無(wú)法正常工作[4]。

文獻(xiàn)[5]的方法以提高冷站能效比為目標(biāo)，對(duì)某大型公共建筑的冷站主要設(shè)備進(jìn)行了智能優(yōu)化控制，將群控系統(tǒng)優(yōu)化后冷站的能效比由2.6 提高到5.5，雖然取得一定成效，但增加了人工成本，樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系復(fù)雜度高，人工檢測(cè)存在滯后性。文獻(xiàn)[6]的方法分析了當(dāng)前空調(diào)系統(tǒng)能耗優(yōu)化算法存在的不足，將空調(diào)系統(tǒng)分為3 個(gè)目標(biāo)解，提出了外部參照的多目標(biāo)粒子群改進(jìn)算法，但是其難以檢驗(yàn)其連接關(guān)系的正確性與安全性。

為此，本文研究樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)算法，以BIM 模型為基礎(chǔ)，將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成無(wú)向連通圖，通過(guò)圖論檢測(cè)出樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備間的連接關(guān)系，并簡(jiǎn)化設(shè)備與管道的復(fù)雜連接關(guān)系，使建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系檢測(cè)效果提升。

1 樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)算法

1.1 樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型

樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)可確?？照{(diào)設(shè)備正常有序進(jìn)行，為整個(gè)建筑提供冷能與熱能[7,8]。利用BIM技術(shù)建立樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型如圖1所示。

由圖1可知，管件、機(jī)電設(shè)備、連接器構(gòu)成樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型。為實(shí)現(xiàn)管件與管件、機(jī)電設(shè)備與管件的有效連接，需利用連接器連接BIM 內(nèi)構(gòu)件，得出介質(zhì)流動(dòng)走勢(shì)和相關(guān)關(guān)系數(shù)據(jù)。

圖1 樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型Fig.1 BIM Model of building air conditioning system

1.2 設(shè)備邏輯關(guān)系提取

采用圖論方法提取樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備邏輯關(guān)系，圖論檢測(cè)目標(biāo)為圖，事物連接關(guān)系是利用抽象數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表描述，通常事物用頂點(diǎn)描述，事物間連接關(guān)系用邊描述，把系統(tǒng)BIM 模型看作無(wú)向連通圖，簡(jiǎn)化設(shè)備與管道的復(fù)雜連接關(guān)系[9]，使檢測(cè)效果提升。

在所建立BIM 模型中提取設(shè)備邏輯關(guān)系，需要先提取全部BIM 構(gòu)件，再提取有效連接器后構(gòu)建無(wú)向連接圖。設(shè)置樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)中包含n個(gè)節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)無(wú)向圖用G（M,F）描述，其中，全部邊的集合用F描述，全部機(jī)電設(shè)備節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)邊集合用cF描述，全部機(jī)電設(shè)備頂點(diǎn)集合合用Mc′描述，M是系統(tǒng)無(wú)向圖每個(gè)頂點(diǎn)集合，排除節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)邊集合用Fq描述，設(shè)備連接關(guān)系子圖集用Gc′描述，全部管件節(jié)點(diǎn)集合用Mq′描述，全部管件連接子圖集合用Gq′描述。

Step 1：為篩除非聯(lián)通管道團(tuán)，將設(shè)備頂點(diǎn)集合實(shí)施刪除，簡(jiǎn)化設(shè)備和眾多管道連接關(guān)系[10]。求解全部管件連接子圖集合Gq′，需要?jiǎng)h除全部設(shè)備頂點(diǎn)集合Mc′，將圖變分為割裂圖，管道間聯(lián)通模式用各子圖描述。

Step 2：設(shè)備連接子圖構(gòu)建是設(shè)備邏輯關(guān)系提取的核心?？照{(diào)系統(tǒng)中設(shè)備重新連接Step 1 求出管線團(tuán)，就是為求解Gc′，需要在全部管件連接子圖集合qG′重新連接刪除全部設(shè)備頂點(diǎn)集合Mc′。有時(shí)，多個(gè)設(shè)備可以連接到同一子圖，或者多個(gè)子圖可以連接到同一設(shè)備，利用設(shè)備與管線組關(guān)系建立設(shè)備邏輯連接關(guān)系[11]，將連接到同管線團(tuán)的設(shè)備判定為有關(guān)系。

Step 3：設(shè)備間連接方向的判定。為求解Gc′中各子圖iG，需構(gòu)建完全二分有向圖Gci，依據(jù)設(shè)備連接器方向，將全部連接至iG的設(shè)備完成Gci構(gòu)建。為檢測(cè)構(gòu)件的兩端邏輯關(guān)系，利用設(shè)備間管路流向數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化設(shè)備連接關(guān)系實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。

Step 4：為得出樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備邏輯關(guān)系圖，需要將全部二分有向圖合并。

1.3 設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)

1.3.1 設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系描述

（1）跨文件斷點(diǎn)

樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型內(nèi)存儲(chǔ)不同設(shè)備的文件，有時(shí)會(huì)引起不同設(shè)備文件發(fā)生物理性錯(cuò)誤連接[12]。例如：樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備1 分別包括E1、E2 兩層管道，位于每層構(gòu)件上，由連接器使兩個(gè)構(gòu)件相互連接，但因不同文件劃分，無(wú)法創(chuàng)建連接器，發(fā)生跨文件斷點(diǎn)的樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系，具體如圖2所示。

圖2 跨文件斷點(diǎn)Fig.2 Cross-file breakpoints

由圖2可知，連接器是管件和設(shè)備的連接工具，構(gòu)件1、2 的接口法向量用W1、W2表示，接口中心用O1、O2表示，兩個(gè)構(gòu)件生成完整的連接關(guān)系。

（2）幾何錯(cuò)位斷點(diǎn)

在同一文件中，雖然建立了建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的BIM 模型，但由于構(gòu)件數(shù)量較多，建模人員的誤差也會(huì)導(dǎo)致管道位置或設(shè)備出口的誤差[13]，無(wú)法準(zhǔn)確建立建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備的物理連接。例如：管道與管件的物理連接關(guān)系錯(cuò)誤，包括彎頭連接管道時(shí)，兩個(gè)表面沒有對(duì)接，導(dǎo)致與連接面垂直錯(cuò)位；管帽與管道連接時(shí)，發(fā)生平面錯(cuò)位。

（3）連接器方向錯(cuò)誤

連接關(guān)系提取受上下游關(guān)系誤差的影響較大。例如：在BIM 模型軟件的構(gòu)建過(guò)程中，由于對(duì)設(shè)備進(jìn)出關(guān)系沒有明確規(guī)定，無(wú)法通過(guò)人工檢測(cè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接關(guān)系的誤差檢測(cè)。在管道介質(zhì)流動(dòng)趨勢(shì)下，當(dāng)建筑空調(diào)水泵設(shè)備接頭兩端發(fā)生相反方向力時(shí)，信息提取失敗，無(wú)法得到介質(zhì)流動(dòng)趨勢(shì)。

1.3.2 錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)

（1）跨文件斷點(diǎn)與幾何錯(cuò)位檢測(cè)

樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備連接的構(gòu)件1 和構(gòu)件2，依據(jù)下面流程檢測(cè)兩者間的連接關(guān)系：

針對(duì)跨文件斷點(diǎn)錯(cuò)誤檢測(cè)，因不同模型均用相同的坐標(biāo)系，為檢測(cè)出因文件拆分生成物理連接缺失問(wèn)題，需位于不同文件構(gòu)件1 和構(gòu)件2 連接平面滿足：O1=O2，W1=W2，S1=S2條件。

Step 2：方向檢測(cè)

為檢測(cè)構(gòu)件1 和構(gòu)件2 的物理連接關(guān)系，通過(guò)W1、W2的夾角α與容差角dα比較，當(dāng)α＜dα?xí)r，此時(shí)兩個(gè)構(gòu)件不存在物理連接關(guān)系。

Step 3：連接平面內(nèi)距離檢測(cè)

為求解O1到O′2的距離d，設(shè)置構(gòu)件2 接口中心為O2，在構(gòu)件1 接口平面的投影用O′2描述。樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)中，小管徑管道稠密[14]，大管徑管道的軸線間距大，假設(shè)管徑連接器用D表示，當(dāng)d

Step 4：垂直于連接平面的距離檢測(cè)

南安板鴨購(gòu)于江西南安板鴨有限公司；沙縣竹炭板鴨購(gòu)于三明綠康食品有限公司；重慶白市驛板鴨購(gòu)于白市驛板鴨食品旗艦店；南京板鴨購(gòu)于南京聚客維食品有限公司；揚(yáng)州板鴨購(gòu)于揚(yáng)州口緣食品有限公司；雷官板鴨購(gòu)于安徽雷官板鴨有限公司。每種板鴨各買六只，均為2018年春季生產(chǎn)，取腿部肌肉進(jìn)行試驗(yàn)。

為檢測(cè)兩個(gè)連接器連接關(guān)系，需求解構(gòu)件1 接口中心O1到構(gòu)件2 接口平面E2的距離d。當(dāng)d小于容差時(shí)，判斷兩個(gè)連接器存在連接關(guān)系。

（2）連接方向檢測(cè)

通過(guò)設(shè)備邏輯關(guān)系提取方法將樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系轉(zhuǎn)化為無(wú)向連通圖，利用簡(jiǎn)單連接的管道團(tuán)代替復(fù)雜的大量管道與設(shè)備鏈接，改善樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)邏輯關(guān)系自動(dòng)生成過(guò)于復(fù)雜的缺陷。

依據(jù)樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型實(shí)際應(yīng)用可知，多入口以及多出口情況將不存在于樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)中，通常情況下存在單個(gè)入口與出口、單個(gè)入口眾多出口以及多入口單個(gè)出口的情況[15]。設(shè)樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)中存在出口與入口的管路團(tuán)數(shù)量為n，用V1,V2, …,Vn表示樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)的接口方向，檢測(cè)系統(tǒng)中存在連接方向錯(cuò)誤的公式如下：

2 實(shí)例測(cè)試

為驗(yàn)證所研究算法自動(dòng)檢測(cè)樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系有效性，選取某建設(shè)公司新建規(guī)劃區(qū)域作為研究對(duì)象，該規(guī)劃區(qū)域包含住宅樓4棟，辦公樓1 棟?？傄?guī)劃區(qū)域面積為11.52 萬(wàn)平方米，住宅樓均為地上六層，辦公樓為地上四層。樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)中包含給排水、送排風(fēng)、空調(diào)水、空調(diào)風(fēng)等機(jī)電系統(tǒng)模型。

研究區(qū)域樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)包含設(shè)備統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。

表1 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of air-conditioning system equipment

采用BIM 技術(shù)建立研究區(qū)域辦公樓建筑空調(diào)系統(tǒng)的BIM 模型如圖3所示。

圖3 建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型Fig.3 BIM model of building air conditioning system

建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型的信息查詢效率表達(dá)式如下：

式（2）中，m與T分別表示待查詢信息數(shù)量以及所采用時(shí)間。固定查詢信息數(shù)量時(shí)，所需消耗的查詢時(shí)間越短，查詢效率越高。利用信息查詢時(shí)間體現(xiàn)所建立BIM模型查詢效率。對(duì)比未采用BIM技術(shù)所建立樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)模型與采用BIM 技術(shù)所建立樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)模型的信息查詢時(shí)間，對(duì)比結(jié)果如圖4所示。

圖4 信息查詢時(shí)間對(duì)比Fig.4 Comparison of information query time

從建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型中查詢所包含的設(shè)備，對(duì)比BIM 模型以及未采用BIM 模型時(shí)的查詢效率。由圖4對(duì)比結(jié)果可知，采用BIM 技術(shù)建立建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備模型時(shí)，可在200ms 內(nèi)快速獲取所需查詢空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備具體位置以及信息，未采用BIM 技術(shù)的空調(diào)系統(tǒng)模型中查詢建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備時(shí)，查詢時(shí)間明顯有所增加。本文算法所建立建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型可快速獲取設(shè)備所在位置，提升模型應(yīng)用性能。采用BIM 技術(shù)建立樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)可為設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)提供有效的模型基礎(chǔ)，相比于未采用BIM 技術(shù)建立模型具有明顯的優(yōu)勢(shì)。這是因?yàn)槠湟罁?jù)全部管件連接子圖集合，構(gòu)建了樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型，簡(jiǎn)化了設(shè)備連接關(guān)系，降低數(shù)據(jù)維度與數(shù)據(jù)量，信息查詢時(shí)間隨之減少。

從所建立建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型中，提取空調(diào)機(jī)房邏輯連接結(jié)果，隨機(jī)截圖結(jié)果如圖5所示。

圖5 邏輯連接結(jié)果截圖Fig.5 Screenshot of the logical connection result

由圖5實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，采用本文算法可有效從所建立建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型中提取空調(diào)機(jī)房邏輯連接結(jié)果，有助于提升設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)性能。

采用本文算法提取研究區(qū)域樓宇空調(diào)系統(tǒng)中的邏輯關(guān)系中的構(gòu)件數(shù)量，提取結(jié)果如圖6所示。

圖6 構(gòu)件數(shù)量提取結(jié)果Fig.6 Results of component quantity extraction

采用本文算法提取空調(diào)系統(tǒng)邏輯關(guān)系，提取時(shí)間結(jié)果如圖7所示。

圖7 提取時(shí)間Fig.7 Extraction Time

由圖6與圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本文算法可有效提取所構(gòu)建建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型的邏輯連接結(jié)果，不同項(xiàng)目的空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)以及空調(diào)水系統(tǒng)的構(gòu)件數(shù)量均高于6000 個(gè)，可將提取時(shí)間控制在3s 之內(nèi)，具有較高的邏輯連接結(jié)果提取性能，這是因?yàn)槠浞治隽藰?gòu)件間的連接關(guān)系，使樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM模型內(nèi)存儲(chǔ)不同設(shè)備的文件相互聯(lián)系起來(lái)，可實(shí)時(shí)根據(jù)構(gòu)件數(shù)量獲取邏輯連接情況，提升提取效率。

采用本文算法自動(dòng)檢測(cè)建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型的錯(cuò)誤連接關(guān)系，自動(dòng)檢測(cè)與修復(fù)物理連接缺失、幾何錯(cuò)位以及錯(cuò)誤連接方向結(jié)果如圖8所示。

圖8 自動(dòng)檢測(cè)與修復(fù)結(jié)果Fig.8 Automatic detection and repair results

由圖8實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，所研究算法可有效實(shí)現(xiàn)樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型中物理連接缺失、幾何錯(cuò)位以及錯(cuò)誤連接方向的自動(dòng)檢測(cè)與修復(fù)，誤差在20 個(gè)以下，具有較高的檢測(cè)與修復(fù)效果。這是因?yàn)槠浍@取正確的樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備邏輯關(guān)系后，依據(jù)重合檢測(cè)、方向檢測(cè)、連接平面內(nèi)距離檢測(cè)、連接方向檢測(cè)等多方面的聯(lián)合檢測(cè)結(jié)果，依次檢測(cè)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系具有序列屬性與自動(dòng)化屬性，智能解決智慧運(yùn)維管理樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)的重要問(wèn)題，發(fā)揮所建立樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)BIM 模型的重要價(jià)值。

截取采用本文算法檢測(cè)建筑空調(diào)系統(tǒng)走廊交叉處管道存在重合情況結(jié)果如圖9所示。圖中紅色標(biāo)識(shí)處為本文算法檢測(cè)出的管道重合問(wèn)題。

圖9 管道重合檢測(cè)結(jié)果Fig.9 Pipeline coincidence detection results

由圖9實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備連接間存在錯(cuò)誤時(shí)，當(dāng)原有BIM 模型中存在原始信息缺失情況，而圖紙中未顯示設(shè)備之間所存在關(guān)系以及管道流向時(shí)，需充分結(jié)合設(shè)備在系統(tǒng)中的拓?fù)潢P(guān)系以及工程經(jīng)驗(yàn)。所研究算法雖可自動(dòng)檢測(cè)樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備之間存在的物理連接丟失情況，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)問(wèn)題的全部修復(fù)，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍需將本文算法與人工修復(fù)相結(jié)合，提升算法的應(yīng)用性能。

3 結(jié)論

針對(duì)樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤連接問(wèn)題，研究樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)算法，提高空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)維管理水平。在樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)采用建筑信息模型，提高空調(diào)系統(tǒng)的機(jī)電設(shè)備有序組合，但設(shè)備和管線間會(huì)發(fā)生連接關(guān)系錯(cuò)誤，導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行，對(duì)此，將圖論技術(shù)應(yīng)用在樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)中，以無(wú)向連通圖的形式，使設(shè)備和復(fù)雜的管道連接關(guān)系變得簡(jiǎn)單化，提高檢測(cè)效率，使其在200ms 內(nèi)快速獲取所需查詢空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備具體位置以及信息，并將提取時(shí)間控制在3s 之內(nèi)，幾何錯(cuò)位數(shù)量的自動(dòng)檢測(cè)與修復(fù)誤差控制在20 個(gè)以下，本文算法檢測(cè)樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接速度快。

因本人時(shí)間與精力有限，仍有許多不足，本文僅涉及對(duì)樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備錯(cuò)誤連接關(guān)系自動(dòng)檢測(cè)，今后將研究方向進(jìn)一步擴(kuò)展：

（1）樓宇建筑空調(diào)系統(tǒng)中的故障種類繁多，需要研究其他故障的檢測(cè)與維修；

（2）需要深入研究空調(diào)系統(tǒng)多重故障現(xiàn)象；

（3）全面分析空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行情況。

在本文算法的基礎(chǔ)上，不斷添加新的技術(shù)，提高對(duì)樓宇建筑各系統(tǒng)的檢測(cè)與管理。