基于图论的建筑电气设备连接逻辑自动生成模型.pdf

Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023文章编号：10 0 7-7 5 7 X（2 0 2 3)0 9-0 2 0 0-0 4开发应用基于图论的建筑电气设备连接逻辑自动生成模型微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期荆志良，张鑫，陈波，郑明（中建八局第三建设有限公司，江苏，南京2 10 0 0 0)摘要：为了更好地描述建筑电气设备之间的连接关系，设计了基于图论的建筑电气设备连接逻辑自动生成模型。依据图论原理和建筑电气设备的共通性，以设备和配件连接关系的交叉点作为连接器，以连接关系的边为无向拓扑图的边，形成电气设备拓扑图并以邻接矩阵形式存储，利用Dijkstra算法计算设备最短连接路径，完成电气设备连接逻辑自动生成。实例结果表明：该模型获取的阀门、泵和机组之间的逻辑关系清晰明了，且当建筑配件数量为2 0 0 0 个时，其逻辑提取耗时仅为9.2 3S，逻辑提取能力强，能有效获取设备连接最短路径，清晰描述电气设备之间逻辑关系。关键词：图论；建筑电气；连接逻辑；生成模型；无向图中图分类号：TP391文献标志码：AAutomatic Generation Model of Building Electrical Equipment Connection LogicBased on Graph TheoryJING Zhiliang,ZHANG Xin,CHEN Bo,ZHENG Ming(The Third Construction Co.,Ltd.of China Construction Eighth Engineering Bureau,Nanjing 21ooo0,China)Abstract:In order to better describe the connection relationship for building electrical equipment,an automatic generation modelof building electrical equipment connection logic based on graph theory is designed.According to the principle of graph theoryand the commonality of building electrical equipment,taking the intersection of the connection relationship between equipmentand accessories as the connector and the edge of the connection relationship as the edge of the undirected topology,the electricalequipment topology is formed and stored in the form of adjacency matrix.The Dijkstra algorithm is used to calculate the shor-test connection path of equipment and complete the automatic generation of electrical equipment connection logic.The exampleresults show that the logical relationship among valves,pumps and units obtained by the model is clear.When the number ofbuilding accessories is 2000,the logic extraction time is only 9.23 s.It illustrates that the logic extraction ability is strong,theshortest path of equipment connection can be effectively obtained,and the logical relationship between electrical equipment canbe clearlydescribed.Key words:graph theory;building electrical;connection logic;generative model;undirected graph0引言由于建筑电气设备主要设施和次要配件众多，包含范围较广1，且各个小配件之间连接关系繁琐，通常一个配件与3个甚至更多配件相连，为提升建筑电气设备管理效率，均以逻辑图的形式展示各个电气设备以及配件之间的关系。图论是以图的形式，将多个物件之间的联系转换为抽象的数据结构，其本质就是呈现物体之间的逻辑关系2 ，建筑电气设备之间的逻辑关系也能够以图的形式呈现。因此，本文依据图论原理，设计基于图论的建筑电气设备连接逻辑自动生成模型，为建筑电气设备管理、维护等提供电气设备之间的清晰脉络关系。作者简介：荆志良（197 4一），男，本科，高级工程师，研究方向为建筑电气施工技术；张鑫（198 2 一），男，本科，高级工程师，研究方向为建筑环境与设备工程；陈波（198 5 一），男，本科，高级工程师，研究方向为建筑环境与设备工程；郑明（197 2 一），男，硕士，高级工程师，研究方向为工商管理。1基于图论的建筑电气设备连接逻辑自动生成模型1.1图论原理本文使用图论方式表达建筑电气设备之间的逻辑关系，在此之前，需对图进行定义，过程如下。图可作为电气设备之间关系的数学呈现形式3，令U、E分别表示非空节点集和有限边集，由二者共同组成一个图，非空节点集和有限边集表达式如下：U=(u,uz,u)E=(e1,e2,.,em)式中，n和m分别表示节点数量和边数量。式（1)的二元素子集均由有限边构成，由（ui，u,表示，通.200.(1)(2)Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023过非空节点集内的节点之间关联构成具有互相连接关系的边集合，由此形成图。按照具有关联关系边的属性，图又分为有向和无向，当节点u,的前驱为ui时，且符合该边二元素子集成某种顺序排列，则2 个节点之间的边是有向的，当图内所有节点均符合上述关系，则该图称为有向图5 。令有向图内存在3个节点，则边集合内边表达式如下：(3)les=(ui,u3)当所有边的二元素子集混乱排列，则该图为无向图，在无向图内，边的表达式如下：(el=(u2,ui)=(ui,u2)Je2=(u3,uz)=(u2,us)(es=(us,ui）=(u i,u s)分别研究了图的定义、有向图、无向图和边的表达形式，为后续的建筑电气设备等效模型提供图的基础。1.2建筑电气设备数值等效数值模型建立BIM软件是以三维数字技术为依托，通过PC终端的建筑建模工具，以数值模型的形式展示建筑相关信息。本文依据建筑电气设备的共通性C6-7，利用BIM软件建立建筑电气设备等效模型。为更简洁明了地展示建筑电气设备关联关系，仅以位置坐标、法线方向展示连接器（BIM软件内设备之间连接交点），与连接器相连的设备均以编号表示。将连接线两端的设备标记为互通设备，形成了设备的相邻关联。图1为使用图论方式表达的建筑电气设备连接示意图。弯头管道1一一管道弯头1一一泵图1建筑电气设备连接示意图令G(U,E)表示建筑电气设备的无向拓扑图，该图内具有n个节点，U、E分别表示该无向拓扑图内顶点集合与边集合，Ud、U 分别表示全部电气设备节点集合与连接配件节点集合，因此无向拓扑图内顶点集合为U=(Ua，U），全部电气设备节点集合与连接配件节点集合表达形式如下：Ua=(udi,ud2,uan)U,=(upl up2,um)令Ed、E分别表示无向拓扑图内电气设备节点连接边集合与配件连接边集合，则无向拓扑图内边集合为E=（Ea，E），电气设备节点连接边集合与配件连接边集合表现形式如下：Ea=(edl,ead2,edn)E,=(epleep2,em)电气设备的无向图生成后，由于现实中逻辑关联数量较少，相对应的无向拓扑图内边也较少，通过邻接矩阵方式保存，建筑电气设备无向拓扑图的邻接矩阵表达式如下：开发应用式中，w;表示边权值，且i=1,2，k，j=1,2，p。其中，边的权值为邻接矩阵内具备关联关系的设备连接中间点距离，其表达式如下：Wij=Disti式中，W;表示边权值，可以表示不同的属性或特征，如距离、(ei=(u2,ui)成本、延迟、带宽等，这里令w;为距离，dist表示距离。Ae2=(us,u2)依据图论定义获取建筑设备无向拓扑图过程：利用BIM软件建立建筑电气设备图论等效数值模型，将设备和配件连接关系的交叉点作为连接器，以连接关系的边为无向拓扑图的边，将电气设备以标记形式呈现，利用BIM数值模型构建电气设备邻接矩阵并保存，从而完成建筑电气设备无向拓扑(4)图建立，其具体流程如图2 所示。开始获取BIM构件获取有效连接器利用邻接矩阵存储无向拓扑图结束图2 建筑电气设备无向拓扑图建立示意图1.3设备逻辑关系获取依据1.2 小节获取到的电气设备无向拓扑图，计算各个设备之间的逻辑关系，由于建筑电气设备应用性不同且构成复杂，本文在此仅针对设备的性质与功能之间的逻辑关系进三通行提取，以电气设备无向拓扑图内的核心设备作为提取的第一元素，图内边展示了各个设备之间的连接关系，为更好地获取其逻辑关系，需提取所有设备之间的联通元素，设备的标记序号为BIM软件内的“指纹”，坐标则表达该设备所处位置，而管道则是电气设备连接的必要元素，依据上述数据，阀门可完整地表达电气设备的连接关系，获取设备逻辑关系具体流程如下。第一步：依据BIM软件内的建筑信息模型，获取建筑设备标高，即设备坐标。第二步：提取所有电气设备图元信息。第三步：遍历无向拓扑图内所有边，获取配件元素信息。第四步：判断不同设备之间是否有公用配件，若存在对(5)其进行标记后形成E(G)。(6)第五步：将所有电气设备均看作一个节点，形成节点集合U(G)。第六步：依据节点集合与边集合关系，输出设备逻辑关系数据并保存。1.4提取设备连接路径(7)利用Dijkstra(迪克斯特拉)算法计算设备最短连接路径，(8)以最短的可连接路径为最优连接模式，减少计算量，进而减少模型中的穴余噪声量，优化建筑设备无向拓扑图生成效果。该算法将建筑电气设备无向拓扑图内所有节点的顶点划分为2 个组，分别由S、U 一S表示。其中,S内涵盖从顶点.201.微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期wij,(ui,u,)E E(G)Ai,=o,(u;,u,)E(G)(9)(10)Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023uo向其他设备延伸的最短距离路径终点集合，uo为该集合唯一源点，包含穴余噪声，U一S内则涵盖不属于最短路径的顶点以及全部顶点，源点除外。依据路径长度由短到长进行排序后，计算所有顶点的最短路径，而后将U一S内的顶点按照顺序添加至S内直至2 组节点数量相同为止，具体流程如下。将权值引人电气设备无向拓扑图内，由G=表示，其中uo,ui,umEU,ei，e 2,emEE,在边集合内，e;表示顶点ui-1与u;相连的边，2 个顶点之间的权值由wij表示，uo至um序列是2 个顶点之间的路，路的长度则由Wo1至W(n-1)的相加之和表示。长度最短的路为2 个顶点之间最短路径。以邻接矩阵形式表示电气设备无向拓扑图，当顶点u；和u；之间没有可直接相连的路径时，其邻接矩阵表达式如下：costi=w(n-1)n-wo1(11)当顶点u；和u,之间存在直接相连的路径时，其邻接矩阵表达式如下：costij=(W(r-I)nwoi)min wj当顶点相同时，在顶点集合S内，其邻接矩阵为0 时，可放置最短路径源点，结合设备之间的联通元素和顶点之间的权值，即可计算最短路径顶点s一次加人到顶点集合S内，源点到所有顶点的最短路径，计算步骤如下。第一步：初始化源点集合S，减少初始噪声的干扰，引入欧氏距离函数dist，则识别出所有顶点，剩余路径（仅涉及边）的表达式如下：(13)dist(i)=i.cost(i)(14)式中,i=0,1,.n一1。第二步：选择顶点uj，使其符合如下条件：dist(j)=min(dist(i)|ui E(U-S)s=sUuj第三步：更正从源点uo到顶点uE（U 一S)的最短路径长度，偏移角度的余弦值为cost(j)，u s 为顶点集合内U一S任意顶点，进行相似性度量系数cost(j),则有：dist(j)+cost(j)k distk(i)dist(k)=dist(j)+k cost(j)第四步：重复第二步和第三步，获取最优的相似性度量结果，直至所有源点到所有顶点最短路径均获取到为止，即相似性度量结果是否最优是最短路径的客观评判标准，结合放置由源点到所有顶点的最短路径权值dist(i），以此控制噪声干扰程度。经过上述步骤获取到所有设备的最短路径后，可自动生成建筑电气设备连接逻辑。2实例分析为验证本文模型实际使用效果，以某大型建筑的空调供水设备为实例对象，构建该建筑设备BIM数值等效模型如图3所示，从多角度对本文方法展开验证。2.1设备逻辑关系提取能力建立该建筑空调供水设备无向拓扑图并依据其节点集合与边集合关系，获取设备逻辑关系数据，利用绘图软件绘开发应用制设备逻辑关系与流向，结果如图4所示。机组A口H泵阀门泵口机组B口口泵B口泵机组D泵D口口阀门泵一口口(12)机组C图3空调供水设备数值等效模型图阀门阀门B泵泵泵泵泵泵ABCDEF阀门（阀门D）dist.S=(uo)机组A机组B机组机组D图4设备逻辑关系与流向分析图4可知，该建筑空调供水流向是由阀门A流向泵(15)A、B、C 后流向阀门C,最后流向机组B和机组A；由阀门B(16)流向泵D、E、F后流向阀门D后流向机组C和机组D。从图4可简洁地展示各个阀门、机组以及泵之间的逻辑关系，空调供水流向清晰明了，由此可知，本文模型的设备逻辑关系提取能力较好。(17)为多元化呈现本文模型的逻辑关系提取能力，以不同数(18)量配件设备为出发点，测试该模型逻辑关系提取耗时，结果如表1所示。表1逻辑关系提取耗时与准确率配件数量/个逻辑提取耗时/s2001.544002.096003.118003.8610004.1212004.5914005.2416006.5518007.8120009.23.202微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期口阀门A阀门B提取数量/个198400600799100012001400160018002000Microcomputer Applications Vol.39,No.9,2023分析表1可知，随着建筑电气设备配件数量的增加，模型提取逻辑耗时也随之增加，从最初2 0 0 个配件逻辑提取耗时为1.5 4s到2 0 0 0 个配件逻辑提取耗时为9.2 3s，逻辑数量增加10 倍，但逻辑提取耗时仅上升7.6 9 s，仅在2 0 0、8 0 0个配件数量中，存在提取误差，且误差较小，提取准确率较高，由此可见，本文模型电气设备逻辑提取运行效率高，提取能力强。2.2设备连接路径获取以阀门A和泵A、泵C为实例分析对象，使用本文模型获取阀门A到2 个泵之间的最短路径，结果如图5 所示。阀门A顶点中泵泵C(a）阀门A至泵C路径图5 设备连接路径获取结果分析图5 可知，在阀门A至泵A、泵C的路径内，表示顶点的灰色方块均缺一不可，无其他多余顶点。由此可知，本文模型计算无向拓扑图内所有节点顶点间的最短距离能力强，可有效获取建筑电气设备逻辑关系之间的最短路径，清晰地描述电气设备的逻辑关系。2.3泛化性能测试ROC曲线又称受试者工作特征曲线，是呈现模型泛化能力的重要工具。ROC曲线的横坐标为假正率，纵坐标为真正率，绘制本文模型的ROC曲线，测试其泛化性能，结果如图6 所示。分析图6 可知，本文模型ROC曲线的真正率数值达到0.95以上接近1.0，而假正率数值初始为0 而后增至0.0 5，虽有所增加但增加幅度较小。从AUC面积看（ROC曲线以下面积数值），面积约占总面积的90%左右，面积占比较大，因此本文模型具备较强的泛化性能，实际施工中环境因素对模型的影响较小。2.4抗噪声干扰能力测试测试本文模型在应用过程中，空调供水设备与建筑总控系统中源信息存在高斯噪声、乘性噪声和无噪声情况下的抗噪性能，结果如图7 所示。1.00.8一0.6率亚章10.40.20图6 模型ROC曲线开发应用阀门分析图7 可知，半径为0.2 的圆内，模型运行性能较好，顶圆半径数值越大，则表示模型受噪声干扰运行稳定性较差。点在无噪声情况下，本文模型测试半径约为0.0 1左右，该数值较小可忽略不计；在高斯噪声和乘性噪声情况下时，抗噪声干扰测试半径分别为0.1和0.0 5，二者抗噪声干扰测试半径泵泵AA泵泵BB（b）阀门A至泵A路径0.20.40.6假正率微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第9 期乘性噪声0.2/无噪声图7 抗噪声干扰测试均远低于模型性能较好的半径数值，由此可知，本文模型抗噪声干扰能力优秀，实际应用性能得到保证。3总结使用该模型提取的阀门、机组和泵之间的逻辑关系清晰明了，逻辑关系提取能力好。当配件数量为2 0 0 0 个时，逻辑提取耗时仅为9.2 3S，逻辑提取运行效率高。可有效获取电气设备无向拓扑图内节点与顶点间的最短路径。1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J.图学学报，2 0 2 0，41（2）：313-318.2 高旭，于庆广，马迎新，等.基于图论深度遍历算法的智能变电站光纤虚实回路对应方法研究J.电测与仪表，2 0 2 0,5 7(2)：1-6.3梁礼明，陈明理，刘博文，等.基于图论的支持向量机核函数选择J.计算机工程与设计，2 0 19，40（5）：1316-1321.4缪辉，丁晓群，叶晨晖，等.基于图论和OBDD的含分布式电源配电网故障恢复算法.电工电能新技术，2018,37(9):59-66.5 戈志华，梁洪波，何洁，等.基于图论的复杂供热管网设计J.热能动力工程，2 0 18，33（6）：9 4-9 8.6李海涛，刘建湖，何斌，等。基于时域分析的设备抗冲击连接件简化方法J.中国舰船研究，2 0 18，13（3）：85-89.7 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