基于ifc的三维室内空间路径规划

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基于ifc的三维室内空间路径规划

摘要:路径规划是一个基本问题,特别是各种AEC应用,如建筑设计、室内外导航和紧急疏散。然而,传统的路径规划方法主要是在二维图纸或建筑布局图上进行,仅仅考虑几何信息,而丢失了大量的建筑构件语义信息。针对这一问题,本文提出了一种以IFC (Industry Foundation Classes)文件为输入的三维室内空间路径规划新方法。IFC标准作为建筑信息建模(BIM)的主要数据交换标准,能够同时恢复建筑构件的几何信息和丰富的语义信息,支持生命周期数据共享。方法包括三个主要步骤:(1)提取几何和语义信息的组件中定义IFC文件,(2)离散化和映射成一个平面网格提取的信息,(3)最后找到最短路径基于映射使用快速行进的路径规划方法。本文的目的是对不同类型的构件及其属性进行处理,以获得丰富的语义信息,从而增强路径规划的应用。在路径规划方面,实现了基于ifc的分布式数据共享和管理。通过实验验证了该方法的准确性、有效性和适应性。视频演示可从http://cgcad.thss.tsinghua.edu.cn/liuyushen/ifcpath/获得。

关键词:路径规划 BIM IFC FMM

1.引言

路径规划一般是指找到连接两点的最短路径,同时避免与障碍物的碰撞。它是机器人、自动化、计算机辅助设计和计算机图形学中的一个基本问题。尤其是路径规划在建筑自动化的各种应用中,如建筑设计[1]、室内外导航[2,3]、紧急疏散[4,5]、建筑工地路径规划[6,7]。许多相关文献已经探讨了一种解决建筑自动化中路径规划问题的常见方法,该方法主要在2D图纸或建筑布局上操作,可能很少附加障碍物属性。虽然已经有几种以三维CAD形式出现的数字建筑模型用于路径规划,但它们通常只包含几何信息,而丢失了大量的建筑构件语义信息(如建筑构件的类型、属性及其关系)。因此,开发一种结合构件几何信息和语义信息的可靠路径规划方法就显得尤为重要。

BIM (Building Information Modeling)技术在AEC (Architecture, Engineering and Construction)行业[8]中得到了越来越多的关注。与传统的CAD技术相比,BIM能够恢复建筑构件的几何和丰富的语义信息,以及构件之间的关系,支持生命周期数据共享。作为BIM的主要数据交换标准,由buildingSMART(前身为国际互操作性联盟(IAI))领导的IFC (Industry Foundation Classes)标准在[9]过程中起着至关重要的作用。IFC数据模型包含构建组件的几何和丰富的语义信息,旨在促进AEC行业的互操作性。它是一个中立和开放的规范,不受单个供应商或一组供应商的控制。今天,IFC标准已经得到了大多数BIM软件供应商的支持。提供国际金融公司导入和/或导出功能的软件应用程序/实用程序列表可在buildingSMART网站[10]上获得。最近的一些研究文章涉及到提取和管理IFC形式的建筑构件的语义信息,用于各种应用,如基于规则的自动检查[1]、设计解决方案评估[11]、建筑成本估算[12]、建筑管理[13]、IFC文件之间的比较和度量[14]。

本文以IFC建筑模型为输入,研究三维室内空间路径规划的具体问题。本文开发的系统从IFC文件中自动提取和管理建筑空间及其内部构件的几何和语义信息,增强了路径规划的应用。

2.相关工作

在过去的30年里,计算机科学和机器人领域发展了许多路径规划方法[15,16]。目前,随着计算机能力的显著提高,一些研究已经开始将路径规划方法应用于各种AEC应用中。一个直接的应用是室内和室外导航(如盲人/车辆/行人)[2,3,17],其中快速有效的路径规划算法往往生成无碰撞的路径,提供导航辅助。另一个应用是公共建筑的紧急疏散模拟(如测量消防安全设计)[4,5],规划的路径在不同的危险发生过程中提供了可能的疏散选择。此外,路径规划可以帮助建筑设计者实现基于规则的建筑设计自动检查[1];例如,公共空间和消防出口之间的最短循环路径长度应小于许多消防规范检查中的最小值。

在许多建筑自动化应用中,路径规划也是一个关键因素[18-21]。例如,Kang和Miranda[18]开发了三种路径规划算法,用于在施工过程中实现自动化机器人起重机的安装过程。Sivakumar等[20]提供了一种路径规划算法来辅助协同提升计划。Soltani等[6,7]提出了一种基于交通、安全性和可见度措施的多准则评价的建筑工地路径规划的新应用。[7]这个应用程序可以帮助工地规划者减少危险,为工地操作人员和车辆选择最佳的可用路线。

在路径规划中,上述大部分工作都需要2D图纸或建筑布局作为输入,可能很少附带障碍属性。然而,它们通常只包含几何信息,而丢失了丰富的语义信息。在不同的AEC应用中,许多可用的路径规划方法的研究超出了本文的讨论范围。相反,下面的小节简要回顾了与BIM模型相关的最相关的工作。

3.基于ifc的路径规划算法

要实现室内建筑环境的路径规划,问题在于如何获取建筑的内部结构信息,并将这些信息转化为可用于生成无碰撞最短路径的形式。图1为本文算法的主要流程。以IFC文件作为输入开始,该算法主要包括以下三个步骤。

(1)首先,从输入的IFC文件中提取有价值的几何和语义信息,识别建筑物内障碍物的坐标和属性。如图1所示,此步骤处理的建筑构件包括墙、门、柱、家具构件、分布构件、空间等(见3.1节)。

(2)然后,将空间建筑构件离散化,映射到包含第一步提取的几何和语义信息的平面网格中。空间标准(例如距离、安全、类型等)可以用网格中每个节点的一组数值来表示(见3.2节)。

(3)最后,通过计算各准则在网格节点上的数值,求出从固定起点到目标目的地的最短路径(见3.3节)。如果起点和终点在同一层,分别使用传统FMM和修改后的FMM计算无碰撞最短路径;否则,楼梯、电梯等垂直循环将被进一步处理(见4.4节)。

3.1从IFC中提取几何和语义信息

IFC2x3最终版本包含653个实体和超过300个补充数据类型以及可扩展的属性集。因此,我们有必要确保从输入的IFC文件中为路径规划应用程序提取什么样的信息。IFC文件基本上是在一个层次结构中构造的。图2显示了IFC标准中当前定义的部分元素的层次结构,其中所有元素都继承自实体IfcProduct。在路径规划中处理的元素在灰色背景中突出显示

直观地说,我们必须考虑给定空间的信息以及空间中包含的组件来进行路径规划。空间(IfcSpace)是IfcSpatialStructureElement的子类型之一,IfcSpatialStructureElement是定义空间结构的所有空间元素的概括。元素(IfcElement)可以逻辑上包含在空间(IfcSpace)中,其中在其子类型的级别引入了IfcElement的详细规范(例如IfcBuildingElement、IfcFurnishingElement和IfcDistributionElement)。这里IfcBuildingElement是建筑的主要功能部分,如墙(IfcWall)、门(IfcDoor)、柱(IfcColumn)和楼梯(IfcStair)。下面展示了如何使用空间及其相关组件进行路径规划,其中实体的定义都引用了IFC2x3规范[28]。


以上内容讨论了路径规划的空间类型及其内部构成要素。下面将介绍从IFC模型中提取每个建筑构件的几何和语义信息.

3.1.1几何信息提取

如图2所示,空间及其内部组件都继承自IFC规范中的实体IfcProduct。IfcProduct定义了所有构建产品之间的公共类型信息。IfcProduct的子类型通常持有建筑组件的几何表示和位置,它们对应于两个IFC实体:IfcProductRepresentation和IfcObjectPlacement,如图3所示。

图3的右边部分说明了对象的位置及其坐标系统的定义。IfcObjectPlacement描述了产品在空间中的位置。放置可以是绝对的(相对于世界坐标系统)、相对的(相对于另一个产品的对象放置)或约束(例如相对于网格轴)。它由IfcObjectPlacement的各种子类型确定,其中包括用于确定对象坐标系的转换的轴位置信息。从IfcProduct继承的任何对象都可以有一个或多个几何表示。IfcProductRepresentation定义了产品的表示形式,包括其几何或拓扑表示形式。图3的左边部分显示了形状表示的定义,其中IfcRepresentation(或其子类型IfcShapeRepresentation)继承自IfcProductRepresentation。IFC2x3版本定义了多种几何表示类型,本文中使用的一些类型如下。

从IfcProduct继承的每个对象实例可能具有多种几何表示类型。在路径规划中,所提出的算法首先提取出图2所示的空间表征类型及其内部建筑构件。通过识别表现类型,不同物体的几何信息将在下面被区别地处理。

3.1.2语义信息提取

除了几何表示外,为保证所提出的路径规划算法能够应用于实际应用,还应考虑建筑的语义信息。为了达到这一目的,需要添加一些额外的属性,并与空间及其内部组件相关联,以服务路径规划,如门的打开/锁状态,房间的私人/公共属性,分布元素的风险级别,等等。然而,上面提到的一些用户可能想要交换的属性类型还没有包括在当前的IFC标准中。

幸运的是,为了允许用户附加他们需要的附加属性,IFC模型提供了属性定义机制,其中一部分在IfcKernel模式中,其余部分在IfcPropertyResource模式中。这种机制允许用户和开发人员用对象定义、连接和使用数据驱动的、可扩展的属性。基于这一机制,许多商业BIM建模软件(如Autodesk Revit和GRAPHISOFT ArchiCAD)都支持用户定义并与IFC属性集(PSet)交换自定义属性。

本文开发了一个基于IFC的路径规划系统,该系统可以自动从IFC模型的PSet中提取IFC模型的附加属性,为路径规划服务。系统主界面如图4所示,中间显示室内空间的IFC模型,右边列出所选组件(如门)对应的属性。右上角突出显示了在IFC模型中定义的完整属性信息,其中添加了一个名为“IsLocked”的特定IFC语义属性,并与IfcDoor相关联。IFC文件中相应的部分显示在左上角。


表1总结了空间和其内部组件的处理算法,提出在“PSet”表示的附加属性中定义的国际金融公司实体中提取语义信息,“RepType”表示的集合表示类型用于提取几何信息,和“障碍”是判断一个国际金融公司实体应该映射一个障碍。该表中的每一行都提供了每个对应的构建组件的信息。例如,向IfcSpace实例添加一个额外的属性,该属性的值被设置为' Public '或' Private ',以标记是否可以直接跨越空格。对于构建组件,IfcDoor有一个名为“IsLocked”的附加属性,其值类型定义为IfcBoolean。这意味着‘IsLocked’属性的值只能设置为0或1。与此同时,一个名为“RiskLevel”的属性被分配给IfcDistributionElement,用于标记建筑设备的危险级别。如果属性值为零,则该设备对人类无害,这意味着它可以作为障碍物直接映射到网格节点上;否则,如果属性值大于零,则存在路径规划的危险区。下面将介绍如何处理设备危险区。



4.结论

介绍了一种基于ifc的三维室内空间路径规划方法。传统的路径规划方法以二维图纸或建筑布局为主,考虑几何信息,却丢失了建筑构件的丰富语义信息,而本文采用IFC文件作为路径规划的输入。IFC标准是BIM的主要数据交换标准,它既包含建筑构件的几何信息,又包含丰富的语义信息,支持生命周期数据共享。本文开发的系统从IFC文件中自动提取和管理建筑构件和空间的几何和语义信息,增强了路径规划的应用。同时,使用IFC文件作为输入,使系统具有更好的可扩展性。实验结果表明,该方法能够较好地处理构件的特性,并且比已有的A /⁄算法和蚁群算法等路径规划方法具有更高的精度和效率。此外,本文还通过IFC模型提取语义信息,证明了该算法在处理门的状态、设备的风险等级、功能空间以及对多层建筑的扩展等特殊应用时的适应性。此外,选取了我国徐州市图书馆BIM模型作为案例研究。最后,在路径规划中实现了基于ifc的分布式数据共享和管理。

目前本文提出的算法仍存在一定的局限性。一是算法的执行效率和精度,这部分取决于网格的大小,网格用于恢复离散化的建筑环境。如果引入具有大而复杂环境的IFC模型进行路径规划,提高结果精度的一个可能方法是增加网格的大小。当网格节点数为无限时,理论上可以得到路径的连续方向。然而,较大的网格会增加路径规划计算的存储和计算成本。此外,精度的提高仍然受到最小障碍物大小的限制。离散化的自动确定仍然是一个未来的研究问题。

为了提取语义信息,构建组件的附加属性之前应该由IFC属性集定义。对于一些没有定义这些附加属性或使用不同名称的IFC文件,当前实现不能自动处理语义信息,而只处理几何信息。此外,我们算法的另一个局限性是在多层建筑的情况下。随着楼梯和电梯数量的增加,这种环境下的路径规划将变得更加复杂。以上问题将在今后的工作中进行研究。

出处:Ya-Hong Lina, Yu-Shen Liua,b,c,⇑, Ge Gaoa,d,Advanced Engineering Informatics【J】,Advanced Engineering Informatics  (2012) 


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