一种建筑信息物理模型及其构建方法

1.本发明涉及一种面向智慧建筑应用场景的建筑模型构建技术，属于建筑与土木工程技术领域，具体涉及一种建筑信息物理模型及其构建方法。


背景技术：

2.随着人们对建筑安全、舒适、方便、节能等要求的不断提高，有关智慧建筑的研究和应用不断涌现。智慧建筑旨在追求更低的能源消耗和更智能的生命周期管控，因此，对于建筑实时状态与未来演变趋势的感知与预测成为智慧建筑研究中的热点，而这首先需要一种逼真度高、具备计算能力的数字化模型的支持。
3.建筑信息建模(building information modeling,bim)是土木建筑领域目前广泛应用的技术手段之一，通过构建标准且机器可读的信息模型，bim技术为建筑设计、施工、管理、维护等阶段提供了先进的信息收集与共享手段，其所提供的建筑信息模型成为建筑物理与功能特性的标准数字化表示，主要用于工程可视化、碰撞检测和模型漫游等应用场景，并在降低经济开销，缩短工期等方面取得了可观的效果。然而，面向建筑生命周期中不断增长的流程复杂性与数据多样性，bim侧重于建筑几何形状、位置关系、质量管理的定义与刻画能力已经不能满足智慧建筑发展，尤其是运维阶段需要。传统bim模型对建筑静态信息刻画并不包含建筑物理系统动态运行机理，因此缺少对建筑物理实体状态的实时精确呈现，相关人员要掌握建筑状态还需要借助其他技术手段，增加了建设与学习成本；智慧建筑的智能性体现在其能够自主综合当前各类数据做出有益于建筑运维的判断，这要求基于bim的运维系统具有匹配的计算能力，能够以实时数据、历史数据为输入，通过智能控制逻辑，做出适当优化和精确预测，但传统的bim模型本质上是一种标准数据集，不具备复杂计算能力，也难以向建筑物理实体反馈计算结果，与物理世界形成交互。由于传统bim模型注重数据的集成与融合，对模型开发过程较少关注，导致模型开发要求门槛较高，流程复杂。
4.针对上述问题挑战，不断有研究提出有关bim的扩展问题。在3d bim模型所提供的视觉呈现与控制的基础上，通过扩展描述维度，增加建筑设施生命周期的每个阶段所需的多方面设计信息得到nd bim模型。在传统3d模型中增加时间维度所得到的4d bim模型使相关人员可以从时域角度对建筑数据进行呈现和分析；成本作为bim的第5维度也得到了研究者和业界普遍认可，而在5d之上的更多维度，则在不同的项目中有着不同的认识，例如为解决铁路道岔系统生命周期中的数据共享问题而建立的6d bim模型，是在传统bim模型3个维度的基础上，增加了时间规划、成本开销以及碳排放量等3个维度而构建的。但bim设计的初衷是伴随建筑从设计到废弃的生命周期，而nd bim模型，尤其是4d、5d bim模型更多局限于施工准备和施工过程中，因为这些阶段更加强调不同部门间的协调与交流，这无疑简化了各部门的数据交互成本，带来了大量的信息汇报。但进入运维阶段，设计和施工阶段的大部分信息丢失，bim模型回归3d，仍要面临前文所述的问题挑战。而且这种以扩展维度、构件叠加的改进方法缺少通用性，主要集中在某一特定工程实践中，“bim ”模型关注的问题领域较小，模型之间差异化大，内联性不强，模型间的交互还需要额外开发数据接口，这无疑增
加了开发工作量，降低开发效率，进而阻碍了这一思路方法的广泛应用。
5.因此，迫切需要一种具有交互性、动态性和智能性特征的全新建筑信息物理模型(building information physical model)，为高效构建基于信息物理融合系统(cyper-physical systems,cps)的虚拟建筑实体提供统一的方法支撑。这一问题的有效解决对于形成我国自主可控的建筑信息模型技术体系，促进建筑物理实体实时态势与数字模型的动态融合、有效提升建筑设计、施工、运维等过程中的辅助决策和实时响应能力具有重要意义。


技术实现要素：

6.基于背景技术存在的技术问题，本发明目的之一在于提供一种建筑信息物理模型及其构建方法，探究建筑信息物理模型的构造机理，研究建立一种具有交互性、动态性和智能性特征的全新建筑数字模型，实现数字模型对物理实体的感知呈现与交互控制。
7.一种建筑信息物理模型，所述建筑信息物理模型包括建筑静态模型、建筑物理模型、建筑交互模型，
8.建筑静态模型是对建筑的静态信息的反映，建筑静态模型在信息世界中用于标识相应的建筑物理实体，是建筑物理实体在信息世界的存在描述；
9.建筑物理模型是对建筑物理行为内在规律的刻画，包括时变特性和功能特性；
10.建筑交互模型基于建筑静态模型与建筑物理模型，是建筑信息物理模型的核心部分，从运动角度刻画了建筑物理实体与建筑信息物理模型的反馈交互行为。
11.优选的是，本发明的时变特性描述建筑物理实体在时间维度上的结构疲劳、材料老化损耗的规律；功能特性则描述建筑物理实体对外界刺激作何动态响应，是建筑物理实体在信息世界的内涵描述。
12.优选的是，本发明建筑交互模型的核心是基于“感知-控制-执行”的闭环，其中的控制逻辑体现了建筑信息物理模型的智能性，是建筑物理实体在信息世界的生命力描述。
13.优选的是，本发明的建筑静态模型，将建筑静态信息映射为一种结构化的数据模型，再使用图像引擎渲染数据模型，直观呈现建筑真实状态。
14.优选的是，本发明的建筑物理模型，由一个或多个反映所研究物理过程中变量关系的多项式组成；其中，多项式的各项系数基于智能算法进行参数识别，并随着时间推移伴随物理建筑真实状态迭代更新。
15.优选的是，本发明的建筑交互模型，包括感知器实体、控制器实体、执行器实体以及动画实体。
16.基于本发明的建筑信息物理模型的构建方法，包括如下步骤：
17.步骤1，建筑静态模型表示，建立建筑物理实体3d数字模型，将建筑外观、材质与结构的数据从一种标准化的格式数据渲染为可视化图像；
18.步骤2，建筑物理模型拟合，基于建筑物理过程，选择相关系数高，同时易于观察与控制的变量，建立求解目标变量的多项式，利用历史数据对多项式进行参数辨识，得到满足误差阈值的数学表达式作为建筑物理模型的内核；
19.步骤3，建筑交互模型构建，基于建筑物理实体运维目标，将交互过程中可能发生的各类动作进行归纳整理，完成各类物理实体与虚拟实体的映射匹配，定义建筑交互模型
的动作集与信息流；
20.步骤4，建筑物理模型演化，基于建筑物理实体真实状态数据与建筑物理模型预测数据的比对结果，当二者误差超过可接受阈值，影响控制策略的正确性与最优性时，重复步骤2中的参数辨识过程，更新拟合多项式系数；
21.步骤5，虚实交互闭环实现，基于步骤3所构建的建筑交互模型与建筑物理实体间的映射关系，以及实际信息流向，结合物联网平台实现建筑信息物理模型的物联接口，遵循接口标准与现场通讯协议进行代码实现，实现数据与指令的上行下载。
22.本发明提出的一种建筑信息物理模型及其构建方法用于解决建筑信息物理模型的定义，以及组成部分的解构、实现、耦合等问题。
23.与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
24.本发明提出的一种建筑信息物理模型及其构建方法，基于认知规律切分信息深度，分析提炼的建筑静态模型、建筑物理模型和建筑交互模型刻画了具有时变特性与行为特性的全维度建筑物理实体，形成一套描述建筑信息物理模型构建过程及其实现方法，丰富了建筑信息化与智能化的理论与方法体系。
25.本发明提出的一种建筑信息物理模型及其构建方法，打破了数字模型与建筑物理实体融合交互的信息藩篱，不仅实现了建筑信息物理模型对物理实体的实时镜像，同时突出了模型的能动性与自主性，即以智能算法为核心，实时数据为驱动的自演化与决策过程，从而与建筑物理实体形成完整交互闭环，使得建筑信息模型技术能更高效、更贴切地应用于建筑生命周期，尤其是动态管控、健康评估、故障定位、策略优化等运维过程，有效拓展新型技术应用空间。
附图说明
26.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
27.图1为一种建筑信息物理模型构建示意图；
28.图2为一种建筑信息物理模型及其构建方法的建筑物理模型演化流程；
29.图3为一种建筑信息物理模型及其构建方法的建筑交互模型控制闭环；
30.图4为一种建筑信息物理模型及其构建方法中三元组子模型的耦合关系图；
31.图5为基于建筑信息物理模型及其构建方法实现的冷机建筑信息物理模型中子模型的耦合关系与实现技术；
32.图6为实现冷机建筑信息物理模型这一实施例的时序流程图。
具体实施方式
33.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。
34.图1为一种建筑信息物理模型示意图。基于建筑物理实体与数字建筑的信息物理映射关系，构建了上述建筑信息物理模型，包括建筑静态模型、建筑物理模型、建筑交互模型。通过三个子模型的相互耦合与共同演化，实现建筑物理实体的生命周期状态在信息世界的复刻和参与物理过程的计算。建筑静态模型、建筑物理模型与建筑交互模型的切分方
法符合对现实世界认知规律，即由直观形象到内涵机制，最后产生行为交互的过程。除了对建筑物理实体信息的映射，通过建筑交互模型赋予建筑信息物理模型行为能力，在模型与模型之间、模型与建筑物理实体之间完成信息交换与指令传达。
35.图2为一种建筑信息物理模型及其构建方法的建筑物理模型演化流程示意图。建筑物理模型反映了建筑物理实体在参与现实活动的过程中所遵循的客观规律，区别于建筑静态模型，是具有时变特性的动态模型。每一个物理规律可以高度抽象为“输入-响应-输出”的过程链路。其中，简单物理过程由单一链路组成，复杂物理过程由多个链路经过串/并联组成，其中的逻辑由相应变量之间的数学关系表达，是一种透明的“白盒模型”，但“白盒模型”在实际应用中会存在以下挑战：一是理想性的前提条件。某些数学公式的推导是以简化条件为前提的，但现实工作条件却充满了不确定性，因某些关键因素的忽略导致的误差可能是严重的；二是数学公式的不变性。所构建的建筑信息物理模型需要伴随建筑物理实体生命周期，但随着时间推移，建筑材料的老化会导致某些物理特性随着时间推移产生变化。如果使用确定的数学公式作为建筑物理模型的内核，难以体现建筑物理实体的时变特性。因此，建筑物理模型应当是在满足测控需求的前提下，能够随时间迭代进化的。如图2所示，选定符合测试要求与控制要求的变量构造拟合多项式，使用智能算法，以建筑运行的历史数据作为训练和测试样本进行参数辨识，所得到的多项式简化了物理变量之间的复杂耦合关系，更加专注于自变量与因变量之间的数值关系。通过不断比较建筑物理模型预测值与实际值之间的误差，当误差超过所能接受的阈值，使用新的数据重复参数辨识过程，从而使模型精度在动态中保持最优。
36.图3为一种建筑信息物理模型及其构建方法的建筑交互模型控制闭环示意图。建筑交互模型使建筑信息物理模型成为一种不仅限于仿真，而是具有互动能力的智能体。建筑交互模型的核心为反馈控制闭环，构成闭环的有4类实体：感知器实体、控制器实体、执行器实体和动画实体等。感知器实体用于实时感知建筑物理实体的状态(例如冷水出口温度或门的打开或关闭状态)，并完成从物理世界向信息世界的数据传输。控制器实体是建筑信息物理模型自主化、智能化的重要保障。基于模糊规则或智能算法，在感知器实体所感知数据的驱动下，实现故障预测、性能老化评估、工况优化等控制目标。基于控制策略生成指令并将其传递给执行器实体，执行器实体接收指令以完成各种控制动作，并驱动物理实体作出相应行为，从而将控制信息从信息世界传送到物理世界。动画实体用于在信息世界直观动态显示对应的建筑物理实体的运动状态，以保证建筑信息物理模型与相应的建筑物理实体运动状态的一致呈现。
37.图4为一种建筑信息物理模型及其构建方法中三元组子模型的耦合关系图。建筑静态模型、建筑物理模型和建筑交互模型是建筑信息物理模型在不同表达层次的刻画，它们之间通过数据通道实现模型整体的融合。建筑交互模型通过感知通道获取建筑物理实体真实状态，既为建筑物理模型提供验证模型预测精度和参与计算的数据，又为自身提供辅助决策、状态预测的数据。建筑交互模型为建筑物理模型提供数据的同时，建筑物理模型将自身计算得到的数据(如能耗预测结果)反馈给建筑交互模型作为决策依据。建筑交互模型与建筑物理模型所关联的数据中涉及视觉呈现的部分都将由建筑静态模型作为参数实时调整3d模型的呈现形态。
38.为进一步说明本发明的技术方案，提供对本发明的技术理解，使用冷机的建筑信
息物理模型解释本发明。基于建筑信息物理模型中子模型的耦合关系，相应地提出冷机的静态模型、物理模型、交互模型的实现方式，如图5所示，鉴于bim技术在建筑领域应用的广泛与认可程度，使用冷机bim模型作为冷机建筑信息物理模型的静态模型，这种方法不仅允许重用现有模型，简化了开发过程，而且保持了底层技术的一致性，以便更复杂模型的扩展。物理模型与交互模型则围绕冷机制冷系数(coefficient of performance，cop，指单位功耗所能获得的冷量)化这一具有实际研究意义的物理过程建立。
39.为了构建准确合适的冷机bim模型与cop计算模型，需要绘制bim模型，而后结合影响cop的各类参数的可测量性与可控制性选择拟合cop计算公式的变量，将冷机运行历史数据作为输入，使用智能算法拟合出各个变量的系数。在本实施例中，cop的计算公式由冷冻水进出口温度的温差(δt
chw
)和冷却水进出口温度的温差(δt
cw
)共同表达，通过综合对比“粒子群算法”、“模拟退火算法”、“准牛顿法”和“最大继承法”对cop的拟合效果，模拟退火算法的均方差、残差平方和、相关系数以及相关系数平方表现最优，因此得到的cop初始计算公式为：
40.cop＝0.1952δt
chw-0.0398δt
cw
7.6592
ꢀꢀ
(1)
41.将上述bim模型文件与cop计算方法与web开发者沟通后，则进入冷机建筑信息物理模型的软件实体开发阶段。web开发者首先根据bim文件格式选择合适的解析工具用来渲染冷机静态模型，在本实施例中，xbim wexplorer因其对web解析bim文件的良好支持性而被选择作为冷机bim模型的解析引擎。
42.对于交互模型中的感知过程与反馈执行过程，则首先依赖于物理冷机与软件实体之间的连接通道，在本实施例中使用的物理冷机自身装配了集中控制箱，可供工作人员现场操作冷机。
43.图6展示了冷机集中控制箱与运行软件实体的计算机的连接方法。控制箱中两条rs485总线分别负责对冷机状态数据的读和对冷机控制指令的写，两条总线接至串口转换器后，转换为usb接口，从而接至计算机，与软件实体建立连接。由于本实施例中的软件实体使用python作为编程语言，并且物理冷机通讯遵循modbus通讯协议，所以直接使用python中“modbus_tk”包处理连接建立与数据解析问题。
44.在本实施例中，控制器中编写的主要逻辑通过以下伪代码进行说明：
[0045][0046][0047]
感知器实时将冷机状态数据传递给控制器，当控制器发现冷机cop小于5，触发上述控制器逻辑，通过过滤历史数据中与当前环境相似的工况环境，得到冷机cop处在较优运行区间的历史配置信息，将这些信息作为输入，训练求取cop最优解的神经网络，并基于此神经网络求取目标cop值下冷机的最优配置。
[0048]
控制器计算得到的冷机配置将发送给物理模型进行预先验证，如果物理模型计算得到的cop大于5，控制器得到反馈后将配置推送给执行器，执行器将配置封装为机器可读的指令后，通过rs485总线传递给物理冷机。
[0049]
冷机运行新的配置达到稳态后，如果cop仍小于5，则重复上述过程。而物理模型此时判断自身cop预测值与实际值是否在误差阈值内，如果超出误差阈值，则使用冷机新近运行数据重复物理模型中cop计算公式辨识过程。
[0050]
基于软件控制，工作人员可以远程、及时地获取冷机实时运行数据，监控冷机的状态，避免冷机的噪声和高温环境对人员健康造成的潜在危害。为工作人员设计了操作界面，实现人在环的控制过程。
[0051]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。