CN108959716A - 一种建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的转换方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的转换方法及装置，对现有的建筑信息模型质量现状进行定性分析，以此为依据，综合考虑建筑能耗模拟模型的空间信息需求，设计一个广泛适用于建筑信息模型的空间数据提取算法，解决高质量建筑信息模型依赖问题。以计算几何的多边形运算作为技术支撑，研究空间信息转换过程中的热传递表面匹配算法、凹多边形表面转换算法、热区缺口检测与填补算法，实现建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的精准转换。
Description
技术领域
本发明属于信息技术领域，具体地，涉及一种建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的转换方法及装置。
背景技术
在能源危机日益加剧和环境破坏日益严重的双重背景下，节能环保成为21世纪世界各国发展的重大目标之一。建筑能耗已成为当今能源消耗第一大户，例如美国的比例是37％，欧洲的比例是41％，中国的比例是35％，而且绝大多数建筑拥有较为低下的能效表现。为了提升建筑能效，我国颁布了《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)，于2015年1月1日起实施。建筑能效的优化将减少能源物质消耗，缓解能源危机，改善环境污染问题，推动社会经济发展。
近年来，国内外学者一直将如何提高建筑能效作为研究热点之一。根据现有研究，建筑能效低下的原因可归结为：建筑设计阶段因素、建筑施工阶段因素、建筑运行阶段因素。伴随上述问题，传统建筑行业的局限性逐渐凸显，同时信息技术的引入与结合已经成为建筑行业变革的必然趋势，这将对建筑能效的优化起到积极的推动作用。
建筑能耗模拟(Building Performance Simulation,BPS)结合建筑体型、构造、气候条件、设备性能、运行参数，利用计算机逐时、动态、精确地计算建筑热状态和能源消耗。能耗模拟可以帮助工程师们分析建筑体型、材料构造的能耗表现，精确计算建筑的冷热、照明等负荷，准确选取相关设备，计算不同设备控制策略的能耗表现。它的能效优化作用贯穿于建筑的整个寿命周期(i.e.设计、施工、运行)，多个建筑能耗模拟内核被开发并得到越来越广泛的运用，例如LNBL的DOE-2和EnergyPlus，清华大学的DeST，基于Modelica的IEAAnnex60等。
建筑能效评价作为一种评估建筑用能效率的方法，将在建筑节能方面扮演越来越重要的角色(e.g.我国的绿色建筑标准与国外的LEED、BREEAM和GreenStar)。影响建筑能效的因素很多，包含设计、施工、运行管理等多个方面，还有不同气候区域内的建筑用能差异、不同建筑类型的服务对象差异。对此，工程师设计出不同的能效指标，精确地量化建筑在体型设计、围护结构、建筑设备、室内舒适与健康等方面的表现。建筑能效评价结果能够帮助设计师和建筑管理者分析绿色建筑能效的关键要素和建筑能效的合理化建议，提高建筑能源利用效率，减少能源浪费。
综上所述，基于建筑能耗模拟的能效评价对建筑能效优化起着至关重要作用。它的优势与作用体现在：(1)在设计阶段，建筑设计师通过能耗模拟结果评价建筑设计模型的能效，优化建筑模型的设计和建筑材料的使用；(2)在运行阶段，建筑管理者和工程师利用建筑能耗模拟结果分析不同设备控制策略和建筑改造策略的能效，达到最佳的能效优化结果。
基于建筑能耗模拟与能效评价的能效优化流程如图1所示。在能耗模拟阶段，工程师将建筑信息模型转换为建筑能耗模拟模型，使用相应内核(e.g.EnergyPlus)生成能耗模拟结果。在能效评价阶段，工程师不仅需要完成单个能效指标的计算，还需结合多个能效指标完成建筑能效的综合评价。两个关键点的研究现状如下：
如图1所示，建筑能耗模拟模型是进行能耗模拟的必要条件，基于建筑信息模型的几何转换是生成建筑能耗模拟模型的主要途径。两者之间存在两种转换方法：A)手动转换；B)基于程序自动转换。第一种方法指建筑设计师使用相关的工具(e.g.Sketchup)重新构建建筑能耗模拟模型，该方法费时费力，生成的建筑能耗模拟模型精确性较低。
第二种方法指利用信息技术实现从建筑信息模型到建筑能耗模拟模型的自动转换。Gourlis等学者将gbXML标准作为信息交换的桥梁，实现了建筑信息模型与建筑能耗模拟模型直接的转换。MVD(Model View Definition)子模型视图也被视作两者之间转换算法的有效工具，MVD被用于提取建筑信息模型中与能耗模拟相关的信息，生成建筑能耗模拟模型。Choi等学者通过构建Modelica建筑组件库的方式实现了一个半自动转换算法，即基于组件库将建筑信息模型中的实体转换为建筑能耗模拟模型中的实体。Ahn等学者通过分析IFC标准(建筑信息模型)和IDF标准(建筑能耗模拟模型)之间的关系，完成二者之间的实体匹配。Rose与Bazjanac等学者肯定了建筑信息模型与建筑能耗模拟模型之间的转换是一个几何问题，并首先使用几何方法尝试完成二者之间的转换。
上述研究存在一定不足：A)依赖高质量建筑信息模型，现有模型质量不足以支撑精确的转换；B)未解决建筑信息模型中凹表面的转换问题。C)未解决热区不封闭(有缺口)问题。这些问题对建筑能耗模拟模型的准确性产生极大的影响，导致能耗模拟结果不准确。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的转换方法，解决了现有技术中现有模型不够精确的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种实现建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的自动转换方法，包括：
构建建筑信息模型，所述建筑信息模型用数位化的建筑元件表示建筑实体，其中，所述建筑实体由多个建筑表面构成，所述建筑表面由多个顶点构成；
提取出所述建筑信息模型的建筑三维空间数据，采用三维平面仿射算法，将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间；
采用热传递表面匹配算法计算所述建筑二维向量空间中的热传递属性，所述热传递属性包括所述建筑实体表面与空气热传递属性、所述建筑实体表面与其他建筑实体表面热传递属性及热绝缘属性；
构建凹多边形表面转换算法，将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合；
基于所述建筑二维向量空间、热传递属性及凸多边形组合，构建建筑能耗模拟模型，所述建筑能耗模拟模型与所述建筑信息模型相一致。
可选地，所述将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间，包括：
构建笛卡尔三维坐标系，将所述建筑三维空间信息转换为在所述三维坐标系中不同表面组成的三维数据的集合；
获取三维表面的向量参数，及所述向量参数与三维坐标原点的距离信息；
将所述三维表面的多个三维坐标点转换为对应的二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离；
通过链表结构存储所述二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离。
可选地，所述将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合，包括：
检测所有建筑实体表面是否包含凹多边形区域；
若存在凹多边形区域，获取所述所有凹多边形区域中的最大纵坐标值及最小纵坐标值，并存储在一个链表中；
获取所述链表内两个相邻坐标点的纵坐标值，基于所述构建一个开放式矩形，将该矩形与原来的凹多边形求交集，所述交集为一个或多个凸多边形；
重复上述步骤，构建出多个多边形，所述多个多边形的集合为所述凸多边形组合，所述凸多边形组合用于在所述建筑能耗模拟模型中替代所述建筑信息模型的原始表面数据。
可选地，在将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模型的凸多边形组合之后，所述方法还包括：
构建建筑能耗模拟模型中热区缺口填补算法，利用该算法检测已生成所有热区的封闭性；
针对不封闭热区，使用边缘计算获取热区缺口的坐标，利用坐标迭代创建多个新建筑表面，通过所述新建筑表面与热区缺口的匹配寻找正确的缺失表面，完成热区缺口的自动填补。
可选地，当所述热传递属性为所述建筑实体表面与其他实体表面热传递属性时，所述方法还包括：
针对任意一个建筑表面，计算所述建筑表面与其平行的建筑表面之间的距离，当二者距离小于预设阈值时，所述两个平行表面被视为潜在的热传递表面；
对所述两个进行热传递的表面是否具备一致的形状及面积进行检测，当所述两个潜在的热传递表面不一致时，通过多边形布尔运算裁剪出所述两个潜在的热传递表面的公共区域，并对剩下的区域进行热传递表面匹配。
本发明实施例还提供了一种实现建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的自动转换装置，包括：
构建建筑信息模型单元，用于构建建筑信息模型，所述建筑信息模型用数位化的建筑元件表示建筑实体，其中，所述建筑实体由多个建筑表面构成，所述建筑表面由多个顶点构成；
三维平面仿射单元，用于提取出所述建筑信息模型的建筑三维空间数据，将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间；
热传递表面匹配单元，用于计算所述建筑二维向量空间中的热传递属性，所述热传递属性包括所述建筑实体表面与空气热传递属性、所述建筑实体表面与其他建筑实体表面热传递属性及热绝缘属性；
凹多边形表面转换单元，用于将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合；
构建建筑能耗模拟模型单元，用于基于所述建筑二维向量空间、热传递属性及凸多边形组合，构建建筑能耗模拟模型，所述建筑能耗模拟模型与所述建筑信息模型相一致。
可选地，所述三维平面仿射单元将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间，包括：
构建笛卡尔三维坐标系，将所述建筑三维空间信息转换为在所述三维坐标系中不同表面组成的三维数据的集合；
获取三维表面的向量参数，及所述向量参数与三维坐标原点的距离信息；
将所述三维表面的多个三维坐标点转换为对应的二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离；
通过链表结构存储所述二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离。
可选地，所述凹多边形表面转换单元将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合，包括：
检测所有建筑实体表面是否包含凹多边形区域；
若存在凹多边形区域，获取所述所有凹多边形区域中的最大纵坐标值及最小纵坐标值，并存储在一个链表中；
获取所述链表内两个相邻坐标点的纵坐标值，基于所述构建一个开放式矩形，将该矩形与原来的凹多边形求交集，所述交集为一个或多个凸多边形；
重复上述步骤，构建出多个内嵌多边形，所述多个多边形的集合为所述凸多边形组合，所述凸多边形组合用于在所述建筑能耗模拟模型中替代所述建筑信息模型的原始表面数据。
可选地，所述装置还包括：
热区缺口填补算法，用于构建建筑能耗模拟模型中热区缺口填补算法，利用该算法检测已生成所有热区的封闭性；
针对不封闭热区，使用边缘计算获取热区缺口的坐标，利用坐标迭代创建多个新建筑表面，通过所述新建筑表面与热区缺口的匹配寻找正确的缺失表面，完成热区缺口的自动填补。
本发明实施例还提供一种建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的转换装置，所述装置包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器；其中，所述处理器用于运行所述计算机程序时，执行上述建筑能耗模拟模型的转换方法。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令用于执行上述建筑能耗模拟模型的转换方法。
本发明实施例的方法及装置具有下列优点：
本发明实施例揭示的建筑能耗模拟模型的转换方法及装置，将模型转换的实质归纳为几何运算问题，以多边形运算为支撑，解决了当前能耗模拟模型构建不精确的问题，生成了更准确的建筑能耗模拟模型，为建筑能效评价提供更现实客观的能耗模拟数据。
附图说明
图1是现有技术中建筑能效分析流程示意图；
图2是本发明实施例中建筑能耗模拟模型转换方法流程示意图；
图3是本发明实施例中建筑能耗模拟模型转换方法另一流程示意图；
图4a是本发明实施例中三维平面仿射示意图；
图4b是本发明实施例中三维平面仿射中分类排序链表示意图；
图5是本发明实施例中热传递表面匹配示意图；
图6是本发明实施例中凹多边形表面切换示意图；
图7是本发明实施例中热区缺口示意图；
图8是本发明实施例中热区缺口填充示意图；
图9是本发明实施例中建筑能耗模拟的转换装置结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例一
本发明实施例拟在CGAL计算几何算法库的基础上，实现建筑信息模型(IFC模型)与建筑能耗模拟模型(IDF模型)的自动转换算法(流程如图2所示)。CGAL(ComputationalGeometry Algorithms Library)是一个基于C++的开源算法库，该库为几何计算相关的应用或算法提供了高效、可靠的几何运算程序API，例如三角剖分、多边形运算等。
为达到以上目的，如图2所示，本发明提供了一种建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的转换方法，该方法包括：
S101、构建建筑信息模型，所述建筑信息模型用数位化的建筑元件表示建筑实体，其中，所述建筑实体由多个建筑表面构成，所述建筑表面由多个顶点构成；
建筑信息模型已经在背景技术部分做了说明，这里不再累述。
S102、提取出所述建筑信息模型的建筑三维空间数据，采用三维平面仿射算法，将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间；
建筑信息模型IFC与建筑能耗模拟模型IDF的转换涉及大量多边形运算，但CGAL计算几何库仅支持二维平面运算，建筑信息模型的空间数据由三维平面所构成。为解决两者之间的协同问题，本发明实施例拟设计三维平面仿射(affine transformation)算法，将三维向量空间进行一次线性变换并接上一个平移，变换为二维向量空间。该算法需要确保仿射后的平行平面相对位置不发生变化，实现运算后的平面可正确还原为三维平面。
其中，将建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间，具体可以为：
构建笛卡尔三维坐标系，将所述建筑三维空间信息转换为在所述三维坐标系中不同表面组成的三维数据的集合；
获取三维表面的向量参数，及所述向量参数与三维坐标原点的距离信息；
将所述三维表面的多个三维坐标点转换为对应的二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离；
通过链表结构存储所述二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离。
S103、采用热传递表面匹配算法计算所述建筑二维向量空间中的热传递属性，所述热传递属性包括所述建筑实体表面与空气热传递属性、所述建筑实体表面与其他建筑实体表面热传递属性及热绝缘属性；
本发明实施例将热传递表面匹配算法用于计算能耗模拟模型中表面的热传递属性，包括：与空气热传递，与其他表面热传递，和不进行热传递(热隔离)。第二种热传递属性较难计算也较为关键，发生于两个平行表面之间，它们之间的距离小于一定阈值并拥有完全一致的形状与面积。当两个潜在热传递表面不一致时，需构建的热传递表面匹配算法通过多边形布尔运算裁剪出它们的公共区域，并对剩下的区域再进行热表面匹配。
其中，当所述热传递属性为所述建筑实体表面与其他实体表面热传递属性时，所述方法还包括：
针对任意一个建筑表面，计算所述建筑表面与其平行的建筑表面之间的距离，当二者距离小于预设阈值时，所述两个平行表面被视为潜在的热传递表面；
对所述两个进行热传递的表面是否具备一致的形状及面积进行检测，当所述两个潜在的热传递表面不一致时，通过多边形布尔运算裁剪出所述两个潜在的热传递表面的公共区域，并对剩下的区域进行热传递表面匹配。
S104、构建凹多边形表面转换算法，将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合；
凹多边形表面转换算法：建筑信息模型使用多个顶点队列完成凹多边形的描述，但建筑能耗模拟模型中的表面则只允许包含一个顶点队列，无法直接描述凹多边形。我们将构建凹多边形表面转换算法以解决该问题，基于三角形的裁剪可将凹多边形转为多个三角形，但过多面积较小的三角形将增加热表面匹配和能耗模拟负荷，同时降低能耗模拟结果准确性。本算法拟使用多边形运算将凹多边形裁剪为面积更大的凸多边形组合，提升转换算法的效率和能耗模拟的准确性。
需要说明的是，将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合，具体可以为：
检测所有建筑实体表面是否包含凹多边形区域；
若存在凹多边形区域，获取所述所有凹多边形区域中的最大纵坐标值及最小纵坐标值，并存储在一个链表中；
获取所述链表内两个相邻坐标点的纵坐标值，基于所述构建一个开放式矩形，将该矩形与原来的凹多边形求交集，所述交集为一个或多个凸多边形；
重复上述步骤，构建出多个多边形，所述多个多边形的集合为所述凸多边形组合，所述凸多边形组合用于在所述建筑能耗模拟模型中替代所述建筑信息模型的原始表面数据。
可选地，在将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模型的凸多边形组合之后，该方法还包括：
构建建筑能耗模拟模型中热区缺口填补算法，利用该算法检测已生成所有热区的封闭性；
针对不封闭热区，使用边缘计算获取热区缺口的坐标，利用坐标迭代创建多个新建筑表面，通过所述新建筑表面与热区缺口的匹配寻找正确的缺失表面，完成热区缺口的自动填补。
热区缺口填补算法：热区中的柱子和空间信息不完整等问题容易导致热区不封闭问题，该问题将对能耗模拟结果产生很大影响。为了提升能耗模拟模型的准确性，本发明实施例将研究热区缺口填补算法以解决该问题,该算法先检测每个生成热区的封闭性。针对不封闭热区，该算法拟使用边缘计算获取热区缺口的坐标，利用坐标迭代创建多个可能的新建筑表面，通过这些表面与热区缺口的匹配寻找正确的缺失表面，完成热区缺口的自动修复。
S105、基于所述建筑二维向量空间、热传递属性及凸多边形组合，构建建筑能耗模拟模型，所述建筑能耗模拟模型与所述建筑信息模型相一致。
实施例二
实施例二是建筑能耗模拟模型的转换方法的另一实施例。实施例二并不是独立于实施例一而独立存在的，相反地，实施例二是实施例一的细化及延伸，实施例二中的技术细节描述同样适用于实施例一。实施例二流程图如图3所示，本发明实施例按照流程的处理顺序包含了四种算法，第一算法S21将建筑实体的3维表面转换为二维表面，并根据预定义规则将二维表面数据进行分类；第二算法S22则是热传递表面匹配算法，使用布尔运算(如“和”、“或”、“非”)对相邻且平行的表面进行匹配；第三算法S23则是凹多边形表面转换算法，将凹多边形转换为多个凸多边形的组合；第四算法S24则是热区缺口填补算法，检测热区缺口，并生成新的表面填充该热区缺口。
第一算法S21又被称之为三维平面仿射算法(affine transformation)，在IFC模型中，建筑实体的信息可用笛卡尔坐标系的三维空间坐标(X、Y、Z轴)来表示，建筑实体在该坐标系中呈现出三维多边形形状，然而，计算机几何技术中，三维表面很难采用布尔运算进行计算，因此，需要将三维进行降维转换。三维的坐标点采用三轴表示，而在二维平面中只有两个轴来表示(X和Y轴)，因此，还需要其他两个参数，分别是原始三维平面向量以及该向量相对于三维坐标起点(0，0，0)的距离。为了方便说明，下面将采用A,B,C,D四个点进行说明，三维转换为二维的公式如下：
如公式(1)，ABCD四个点在三维坐标中具备固定的数值，而映射在二维空间中其X和Y轴的数值不变，另增加了原始三维平面向量及距离的值。为了提高计算机几何技术的计算效率，本算法定义了一个特殊的规则进行建筑平面的二维多边形分类。在该规则内，原始三维平面向量为第一类(first sort level)，原始三维平面向量与三维原点的距离为第二类(second sort level)。其分类的一个示例如图4a和图4b所示，图4a是一建筑实体的二维俯视图，图4b是建筑表面进行分类的示意图(链表形式进行分类及排序)。
在根节点之后，生成的两个节点(向量和向量)分别对应图4a的两个平面向量。对于图4a的不同表面(墙面)而言，其平面向量均为的表面可作为一个集合，附属于图4b的链表中的向量(如相互平行的表面1-4、表面2-4、表面3-2和表面3-4等)，并按照升序将该表面集合距离原点的距离放在向量之下(如d1,d2和d3)，该距离节点即为向量节点的下一节点(子节点)。具备同样距离的表面设置在链表中距离节点之下(作为距离节点的子节点)，例如图4b中，表面1-4和表面2-4设置在距离节点d3之下。
第二算法S22为热传递表面匹配算法，IDF模型中，建筑表面会具备热传递属性，该属性具备三种不同类别：1.热隔离；2.与外部空气的热交换/热传递；3.与另外一个表面的热交换/热传递。第三种热传递属性最为重要，也最为困难获取。与外表面热传递的属性必须一对一匹配，某一表面必须匹配到另一表面，且二者平面相互平行且面积和结构相等，二者之间的距离小于某一预设阈值。
为了将不同表面分配正确的热传递属性，本算法需要计算不同表面的热传递概率及发生热交换区域。基于图4b的表面分类链表，该算法在同一个向量节点中进行热传递匹配过程的计算。该算法以中的最小距离(例如d1)对应的表面为起点，如果该表面与另一面(例如d2)之差小于预设阈值(例如二者之差小于0.8m)，则这两个表面将被作为可能的热传递配对面(heat-transfer pair)。如果这两个表面之间的空间不为空，则该空间中将生成两个新的表面，这两个新的表面将作为热传递配对面，因此，原始的两个表面将被该空间及剩下的空间裁剪，裁剪后的空间将被视为多边形输入进行下一轮匹配循环。
热传递表面匹配示意图如图5所示，三个区域的外墙(例如空间1的表面1-1和表面1-2)热传递属性被标记为与外空气进行热传递，而内墙(例如空间2的表面2-1)热传递属性被正确地标记为与其他表面进行热传递.需要说明的是，空间3的原始表面3-2将被切分为三个子表面。其中，表面3-2-1和表面1-4将被标记为热传递匹配面，同理表面3-2-3和表面2-4也标记为热传递匹配面。表面3-2-2被标记为热隔离面。
第三算法S23为凹多边形表面转换算法。对于凹多边形表面(surface withholes)，IFC模型及IDF模型采用了不同的形式来进行描述。在IFC模型中，凹多边形表面被分解为多个顶点队列(vertex list)，其中一个顶点队列描述表面的外轮廓，其余的顶点队列描述该表面内的凹多边形区域。然而，IDF只允许一个顶点队列来描述一个表面，并没有多余的属性来描述该表面内的凹多边形区域。而凹多边形表面转换算法则解决了这一问题，该算法将凹多边形表面转换为多个凸多边形的组合，多个凸多边形在IDF模型中将作为独立的表面。
首先，凹多边形表面切换算法将对所有建筑实体的表面进行检测，确认每一个表面是否包含了凹多边形区域(即表面是否有洞)。若检测到某一个表面存在凹多边形区域，则获取该凹多边形区域的最大纵轴值及最小纵轴值(ymax,ymin)，并按升序存储在队列中，若存在多个凹多边形区域，则重复上述步骤，此时基于队列中相邻的两个纵轴坐标值生成一个开放式矩形，将该矩形与原来的凹多边形求交集，所述交集为一个或多个凸多边形；
重复上述步骤，构建出多个内嵌多边形，所述多个多边形的集合为所述凸多边形组合，所述凸多边形组合用于在所述建筑能耗模拟模型中替代所述建筑信息模型的原始表面数据。
图6是上述算法的一个示例图，如图6所示，左边部分房间的二维视图，该房间具备两个地面。中间矩形是地面1，而地面2则是由xmax,xmin、y1和y4组成的大矩形与地面1的剩余地面(地面2由y1-y4，xmax和xmin决定)，二者构成了一个“回”字形的矩形内嵌结构。而图6右边的图形中，原来的表现由4个新的凸多边形来代替。(房间2-1、2-2、2-3、2-4)。
第四算法S24为热区缺口填补算法，建筑实体中经常会出现墙面不平的情况(例如存在柱状物的情况)，不平整的墙面会出现热区缺口。如图7所示，在IFC的两个热区之间存在一个柱状物，对于两个热区而言，均会产生两个热区缺口(如左上图及右下图所示)，而现有技术中，在IDF模型中无法进行热区缺口的计算。热区缺口填补算法则解决了这个问题。该算法应用在IDF模型中，其基本原则在于检测潜在的热区缺口边缘。这些边缘属于地板或屋顶平面的表面，但不属于墙面。该算法从地板和屋顶平面的表面中提取出边缘(如erl1,efl1)，另外两个边缘(erl2,efl2)结构为：第一边缘为屋顶平面和墙面所共享；第二边缘为地板和墙面所共享。erl1和erl2之间的erl3将作为潜在的热区缺口边缘。同理，efl1和efl2之间的efl3也作为热区缺口边缘。而erl3和efl3将被用于创建新的表面，该表面用于填充该热区缺口，形成封闭热区。如图8所示，该算法从链表erl3中挑选其中一个边缘(例如eri)，从另一个链表efl3中挑选另外一个边缘efi。如果两个边缘组成一个平面多边形，该平面多边形并没有与热区内的任何墙面交叉。该多边形用于生成一个新的用于填充热区缺口的墙面。
本发明实施例揭示的建筑能耗模拟模型的转换方法及装置，对现有的建筑信息模型质量现状进行定性分析，以此为依据，综合考虑建筑能耗模拟模型的空间信息需求，设计一个广泛适用于建筑信息模型的空间数据提取算法，解决高质量模型依赖问题。以计算几何的多边形运算作为技术支撑，研究空间信息转换过程中的热传递表面匹配算法、凹多边形表面转换算法、热区缺口检测与填补算法，实现建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的精准转换。
实施例三
如图9所示，本发明实施例公开了一种建筑能耗模拟的转换装置，所述装置包括：
构建建筑信息模型单元91，用于构建建筑信息模型，所述建筑信息模型用数位化的建筑元件表示建筑实体，其中，所述建筑实体由多个建筑表面构成，所述建筑表面由多个顶点构成；
三维平面仿射单元92，用于提取出所述建筑信息模型的建筑三维空间数据，将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间；
其中，三维平面仿射单元92将建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间，具体可以为：
构建笛卡尔三维坐标系，将所述建筑三维空间信息转换为在所述三维坐标系中不同表面组成的三维数据的集合；
获取三维表面的向量参数，及所述向量参数与三维坐标原点的距离信息；
将所述三维表面的多个三维坐标点转换为对应的二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离；
通过链表结构存储所述二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离。
热传递表面匹配单元93，用于计算所述建筑二维向量空间中的热传递属性，所述热传递属性包括所述建筑实体表面与空气热传递属性、所述建筑实体表面与其他建筑实体表面热传递属性及热绝缘属性；
其中，当所述热传递属性为所述建筑实体表面与其他建筑表面热传递属性时，三维平面仿射单元92还用于：
针对任意一个建筑表面，计算所述建筑表面与其平行的建筑表面之间的距离，当二者距离小于预设阈值时，所述两个平行表面被视为潜在的热传递表面；
对所述两个进行热传递的表面是否具备一致的形状及面积进行检测，当所述两个潜在的热传递表面不一致时，通过多边形布尔运算裁剪出所述两个潜在的热传递表面的公共区域，并对剩下的区域进行热传递表面匹配。
凹多边形表面转换单元94，用于将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合；
需要说明的是，凹多边形表面转换单元94将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合，具体可以为：
检测所有建筑实体表面是否包含凹多边形区域；
若存在凹多边形区域，获取所述所有凹多边形区域中的最大纵坐标值及最小纵坐标值，并存储在一个链表中；
获取所述链表内两个相邻坐标点的纵坐标值，基于所述构建一个开放式矩形，将该矩形与原来的凹多边形求交集，所述交集为一个或多个凸多边形；
重复上述步骤，构建出多个多边形，所述多个多边形的集合为所述凸多边形组合，所述凸多边形组合用于在所述建筑能耗模拟模型中替代所述建筑信息模型的原始表面数据。
可选地，本装置还包括：
热区缺口填补单元95，用于在建筑能耗模拟模型中，检测已生成所有热区的封闭性；针对不封闭热区，使用边缘计算获取热区缺口的坐标，利用坐标迭代创建多个新建筑表面，通过所述新建筑表面与热区缺口的匹配寻找正确的缺失表面，完成热区缺口的自动填补。
构建建筑能耗模拟模型单元96，用于基于所述建筑二维向量空间、热传递属性及凸多边形组合，构建建筑能耗模拟模型，所述建筑能耗模拟模型与所述建筑信息模型相一致。
本发明实施例还提供了一种建筑能耗模拟的转换装置，所述装置包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器；其中，所述处理器用于运行所述计算机程序时，执行上述建筑能耗模拟的转换方法。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令用于执行上述建筑能耗模拟的转换方法。
本发明实施例以1st-level空间数据为切入点，完成一种适用性更广的建筑信息模型空间数据提取方法及装置。基于精确的几何多边形运算，构建凹多边形表面转换、热区缺口填补等关键算法，提高两种模型之间的一致性，提升建筑能耗模拟的质量。该方法可望突破现有研究依赖高质量建筑信息模型、生成能耗模拟模型不精准等局限。
应理解，在本申请的各种实施例中，各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块及方法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的装置、装置和模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本说明书的各个部分均采用递进的方式进行描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点介绍的都是与其他实施例不同之处。尤其，对于装置和装置实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例部分的说明即可。
最后，需要说明的是：以上所述仅为本申请技术方案的较佳实施例而已，并非用于限定本申请的保护范围。显然，本领域技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的范围。倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的转换方法，其特征在于，包括：
构建建筑信息模型，所述建筑信息模型用数位化的建筑元件表示建筑实体，其中，所述建筑实体由多个建筑表面构成，所述建筑表面由多个顶点构成；
提取出所述建筑信息模型的建筑三维空间数据，采用三维平面仿射算法，将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间；
采用热传递表面匹配算法计算所述建筑二维向量空间中的热传递属性，所述热传递属性包括所述建筑实体表面与空气热传递属性、所述建筑实体表面与其他建筑实体表面热传递属性及热绝缘属性；
构建凹多边形表面转换算法，将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合；
基于所述建筑二维向量空间、热传递属性及凸多边形组合，构建建筑能耗模拟模型，所述建筑能耗模拟模型与所述建筑信息模型相一致。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间，包括：
构建笛卡尔三维坐标系，将所述建筑三维空间信息转换为在所述三维坐标系中不同表面组成的三维数据的集合；
获取三维表面的向量参数，及所述向量参数与三维坐标原点的距离信息；
将所述三维表面的多个三维坐标点转换为对应的二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离；
通过链表结构存储所述二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合，包括：
检测所有建筑实体表面是否包含凹多边形区域；
若存在凹多边形区域，获取所述所有凹多边形区域中的最大纵坐标值及最小纵坐标值，并存储在一个链表中；
获取所述链表内两个相邻坐标点的纵坐标值，基于所述构建一个开放式矩形，将该矩形与原来的凹多边形求交集，所述交集为一个或多个凸多边形；
重复上述步骤，构建出多个多边形，所述多个多边形的集合为所述凸多边形组合，所述凸多边形组合用于在所述建筑能耗模拟模型中替代所述建筑信息模型的原始表面数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模型的凸多边形组合之后，所述方法还包括：
构建建筑能耗模拟模型中热区缺口填补算法，利用该算法检测已生成所有热区的封闭性；
针对不封闭热区，使用边缘计算获取热区缺口的坐标，利用坐标迭代创建多个新建筑表面，通过所述新建筑表面与热区缺口的匹配寻找正确的缺失表面，完成热区缺口的自动填补。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述热传递属性为所述建筑实体表面与其他实体表面热传递属性时，所述方法还包括：
针对任意一个建筑表面，计算所述建筑表面与其平行的建筑表面之间的距离，当二者距离小于预设阈值时，所述两个平行表面被视为潜在的热传递表面；
对所述两个进行热传递的表面是否具备一致的形状及面积进行检测，当所述两个潜在的热传递表面不一致时，通过多边形布尔运算裁剪出所述两个潜在的热传递表面的公共区域，并对剩下的区域进行热传递表面匹配。
6.一种建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的转换装置，其特征在于，包括：
构建建筑信息模型单元，用于构建建筑信息模型，所述建筑信息模型用数位化的建筑元件表示建筑实体，其中，所述建筑实体由多个建筑表面构成，所述建筑表面由多个顶点构成；
三维平面仿射单元，用于提取出所述建筑信息模型的建筑三维空间数据，将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间；
热传递表面匹配单元，用于计算所述建筑二维向量空间中的热传递属性，所述热传递属性包括所述建筑实体表面与空气热传递属性、所述建筑实体表面与其他建筑实体表面热传递属性及热绝缘属性；
凹多边形表面转换单元，用于将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合；
构建建筑能耗模拟模型单元，用于基于所述建筑二维向量空间、热传递属性及凸多边形组合，构建建筑能耗模拟模型，所述建筑能耗模拟模型与所述建筑信息模型相一致。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述三维平面仿射单元将所述建筑三维空间数据进行一次线性变换及平移变换，获取变换后的建筑二维向量空间，包括：
构建笛卡尔三维坐标系，将所述建筑三维空间信息转换为在所述三维坐标系中不同表面组成的三维数据的集合；
获取三维表面的向量参数，及所述向量参数与三维坐标原点的距离信息；
将所述三维表面的多个三维坐标点转换为对应的二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离；
通过链表结构存储所述二维坐标点、向量参数及所述向量参数与所述三维坐标原点的距离。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述凹多边形表面转换单元将所述建筑信息模型的凹多边形表面转换为所述建筑能耗模拟模型支持的凸多边形组合，包括：
检测所有建筑实体表面是否包含凹多边形区域；
若存在凹多边形区域，获取所述所有凹多边形区域中的最大纵坐标值及最小纵坐标值，并存储在一个链表中；
获取所述链表内两个相邻坐标点的纵坐标值，基于所述构建一个开放式矩形，将该矩形与原来的凹多边形求交集，所述交集为一个或多个凸多边形；
重复上述步骤，构建出多个多边形，所述多个多边形的集合为所述凸多边形组合，所述凸多边形组合用于在所述建筑能耗模拟模型中替代所述建筑信息模型的原始表面数据。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
热区缺口填补算法，用于构建建筑能耗模拟模型中热区缺口填补算法，利用该算法检测已生成所有热区的封闭性；
针对不封闭热区，使用边缘计算获取热区缺口的坐标，利用坐标迭代创建多个新建筑表面，通过所述新建筑表面与热区缺口的匹配寻找正确的缺失表面，完成热区缺口的自动填补。
10.一种建筑信息模型与建筑能耗模拟模型的转换装置，其特征在于，所述装置包括：处理器和用于存储能够在处理器上运行的计算机程序的存储器；其中，所述处理器用于运行所述计算机程序时，执行权利要求1至5任一项所述的建筑能耗模拟模型的转换方法。
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