一种室内环保装饰三维计算机辅助设计系统的制作方法

本发明涉及室内装饰三维计算机辅助设计与建筑信息模型，具体涉及一种结合物理信息神经网络代理模型与多目标遗传优化算法、能够在设计阶段实现室内污染物浓度实时仿真与环保约束驱动材料自动优化的室内环保装饰三维计算机辅助设计系统。

背景技术：

1、室内装饰三维计算机辅助设计软件通常包括几何建模模块、材质渲染模块、属性管理模块及图纸输出模块，用于构建墙面、地面、家具等三维几何体并赋予颜色、纹理等视觉材质属性，在污染物检测领域，现行标准主要采用环境测试舱法对单一装饰材料样品进行释放速率测定，得到该材料在特定温湿度条件下的甲醛、挥发性有机化合物释放速率数据，在流体仿真领域，计算流体力学软件通过对目标空间进行网格划分并对质量、动量、浓度输运方程进行数值迭代求解，能够获得空间内污染物浓度场的分布结果，但计算耗时通常以分钟至小时计，与本发明最接近的实现方式为计算机辅助设计建模结合离线计算流体力学仿真的组合工作流，即设计师在三维设计软件中完成建模及材质选型后，将几何模型导出并导入计算流体力学软件进行网格划分、边界条件设置及迭代求解，进而得到污染物浓度分布结果，若发现浓度超标则返回设计软件手动调整方案并重复上述过程，该组合工作流中，计算机辅助设计工作站与计算流体力学仿真工作站之间通过文件导入导出方式进行单向数据传递，设计与仿真流程相互割裂，且缺乏将室内空气质量标准作为约束条件驱动材料自动优化替换的机制，该现有技术方案难以满足设计阶段实时调整方案并同步获得环保性能反馈的需求，也无法在竣工前对多种材料叠加释放效应进行有效预测。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：现有室内装饰三维计算机辅助设计软件在设计阶段无法对多种装饰材料在同一空间内叠加释放的污染物浓度分布进行实时仿真评估，现有设计流程与专业计算流体力学仿真软件之间存在数据割裂、计算延迟高的技术壁垒，且现有设计软件缺乏将室内空气质量标准作为约束条件驱动材料自动优化替换的机制，导致污染问题只能在竣工后被动发现，纠错成本高。

2、为解决上述技术问题，本发明提供一种室内环保装饰三维计算机辅助设计系统，包括三维建模与属性管理模块、多源污染物三维空间耦合释放实时仿真模块、环境约束驱动的生成式材料协同优化模块以及可视化交互渲染模块。

3、三维建模与属性管理模块用于接收建模操作构建室内空间三维几何模型，并为几何模型中的墙面、地面、家具几何图元关联装饰材料的种类、几何暴露面积、空间坐标信息，同时对接材料环保属性数据库获取材料的甲醛和挥发性有机化合物释放速率数据。

4、多源污染物三维空间耦合释放实时仿真模块与三维建模与属性管理模块相连，接收几何暴露面积、空间坐标以及温度、湿度、通风路径环境参数，通过预先训练完成的物理信息神经网络代理模型进行前向推理，输出室内空间内甲醛和挥发性有机化合物叠加浓度的三维分布场数据，该代理模型训练过程中将对流扩散方程以物理残差损失项的形式嵌入训练损失函数，使代理模型在训练完成后无需进行网格划分即可完成前向推理。

5、环境约束驱动的生成式材料协同优化模块与仿真模块相连，将三维分布场数据与预设的室内空气质量标准限值进行比对，在存在浓度超过该限值的评估单元时，调用材料环保属性数据库并运用多目标遗传算法，在满足预设的美学色彩约束与工程预算约束的条件下，计算并输出材料替换方案。

6、可视化交互渲染模块与仿真模块及优化模块相连，将三维分布场数据以三维云图形式叠加渲染于三维空间几何模型中，并将材料替换方案以交互界面形式呈现，同时接收设计师确认结果并反馈至三维建模与属性管理模块，形成闭环数据流转结构。

7、本发明达到的有益效果包括：

8、1.通过物理信息神经网络代理模型替代传统计算流体力学网格划分与迭代求解过程，实现三维设计阶段多材料叠加污染物浓度分布的毫秒级实时仿真，使设计师在调整材料或布局后能够即时获得环保性能反馈；

9、2.将对流扩散方程以物理残差损失项形式嵌入训练过程，使代理模型在保证推理速度的同时具备物理规律约束下的预测准确性，减少纯数据驱动模型在训练数据覆盖范围之外产生的预测偏差；

10、3.以室内空气质量标准限值作为生成式设计的约束条件，构建超标判定与多目标优化联动机制，在污染物超标、美学色彩偏差及工程预算偏差三项目标之间求解材料替换方案，将环保治理环节由竣工后的被动补救提前至设计阶段的主动预防，降低治理成本并提升方案落地的可靠性。

1.一种室内环保装饰三维计算机辅助设计系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述材料环保属性数据库中存储有材料种类、单位面积释放速率、价格及色彩特征数据，所述单位面积释放速率数据以温度和湿度为自变量的释放速率曲线形式存储。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述物理信息神经网络代理模型为多层全连接神经网络，其输入为空间坐标、材料几何暴露面积、释放速率及环境参数组成的特征向量，输出为对应位置的污染物浓度预测值，所述训练损失函数由数据拟合损失项、物理残差损失项及边界条件损失项按预设权重系数加权求和构成，所述数据拟合损失项表征所述代理模型在计算流体力学仿真真值采样点处的预测值与真值之间的均方误差，所述物理残差损失项表征所述代理模型输出对坐标及时间的偏导数代入对流扩散方程后得到的残差。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多源污染物三维空间耦合释放实时仿真模块还用于：在检测到设计师完成材料选型调整或空间布局调整中的至少一种操作后，自动提取调整后场景的几何暴露面积、空间坐标及环境参数，组装为覆盖室内空间三维网格采样点的特征向量集合，并将所述特征向量集合输入所述物理信息神经网络代理模型进行前向推理，得到更新后的三维分布场数据。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述环境约束驱动的生成式材料协同优化模块中的多目标遗传算法以待优化空间内各装饰材料的替换方案作为染色体个体进行编码，每个染色体个体对应污染物超标目标函数值、美学色彩偏差目标函数值及工程预算偏差目标函数值三项目标函数值，所述污染物超标目标函数值表征各评估单元浓度预测值超出所述室内空气质量标准限值的部分之和，所述美学色彩偏差目标函数值表征替换后材料与原设计材料色彩特征向量之间的加权距离之和，所述工程预算偏差目标函数值表征替换材料总费用与预设工程预算总额之间的偏差绝对值。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述多目标遗传算法按照非支配排序及拥挤度距离对种群个体进行分级与选择，通过交叉操作及变异操作生成子代种群，将父代种群与子代种群合并后重新进行非支配排序与拥挤度计算，并按照预设种群规模选取个体构成下一代种群，在种群迭代次数达到预设最大迭代次数、和/或连续预设代数内帕累托解集未发生变化时，输出帕累托解集，并依据预设的目标偏好权重从所述帕累托解集中选取材料替换方案进行推荐。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可视化交互渲染模块还用于接收设计师对所述材料替换方案的确认结果，并将确认后的调整结果反馈至所述三维建模与属性管理模块，形成设计、仿真、生成、反馈的闭环数据流转结构。

8.一种室内环保装饰三维计算机辅助设计方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述物理信息神经网络代理模型的训练包括：

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，计算材料替换方案的步骤包括：