CN111797485A - 一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，该算法可用于空调水系统原理图的自动成图，分为以下步骤：S1.对绘制的图形拓扑分层抽象简化，对输入参数分层归纳；S2.进行环路拓扑层次的环路布局；S3.进行部件拓扑层次的部件布局；S4.进行成图拓扑层次的布局，连线，细节细化；S5.进行部件拓扑层次的部件连线；S6.进行环路拓扑层次的环路连线，成图数据完成；S7.成图数据可视化。本发明针对暖通空调领域空调水系统原理图的具体特点，提出了自动成图方法，填补了暖通空调领域空调水系统原理图自动成图技术的空白，推动人工智能技术在暖通空调领域，尤其是自动绘制暖通空调相关二维图纸相关研究的发展。

Description

一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法

技术领域

本发明涉及暖通空调领域及可视化数据技术领域，具体涉及一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法。

背景技术

空调系统是现代建筑不可缺少的组成部分，它能为人们创造舒适的居住办公环境。与早早实现标准化的家用空调不同，集中式空调系统受限于建筑的复杂性，其设计过程仍需定制，自动化程度很低。在科技高速发展的今天，人工智能技术已广泛应用于建筑设计及优化中，它具有显著的缩短时间，减少成本以及项目生命周期中涉及的其他设计和人力资源成本的潜力。近几年，随着人工智能技术的不断发展，在暖通空调领域，人工智能方法开始被广泛应用，但目前关于自动绘制暖通空调相关二维图纸的研究尚属空白。

发明内容

本发明就是为了达成上述空调水系统原理图自动成图目标而提供的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其目的在于处理好图形间的强等级关系及强物理意义的连接关系，同时满足图形简明易读的工程需要，从而推动自动生成暖通空调领域相关二维图纸研究的发展。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，包含如下步骤：

S1.对待绘制的图形进行拓扑分层抽象简化，对输入参数进行分层归纳。

S2.进行环路拓扑层次的环路布局。

S3.进行部件拓扑层次的部件布局。

S4.进行成图拓扑层次的布局，连线，细节细化。

S5.进行部件拓扑层次的部件连线。

S6.进行环路拓扑层次的环路连线，成图数据完成。

S7.成图数据可视化。

进一步的，步骤S1所述的拓扑分层抽象含义如下：

第一层级：成图拓扑模型。是指经过一定的拓扑简化之后的水系统图成图拓扑，它包含了水系统图成图所需的所有设备，简化而清晰地描述了成图目标。与一般系统图相比，成图拓扑模型同一环路的设备集中放置，供回水管道同路，简化为单线模型的特征。在这一层次上的概念包括具体的某一台设备，如某一台水泵，某一台冷机等。

第二层级：部件拓扑模型。在成图拓扑模型的基础上，去除连接简单的非主要设备，简化同类设备成为部件。部件仍需带有简化前的形状特征，即图形的长与宽。在这一层次上的概念包括各类设备，如水泵，冷机，冷却塔等。

第三层级：环路拓扑模型。在部件拓扑模型的基础上，进一步对同一环路设备进行拓扑合并简化，此步将拓扑模型完全抽象为单线模型，每一环路被抽象为一个点，但该点仍具有拓扑抽象前形状属性(长与宽)。在这一层次上的概念包括各环路或环路间核心的连接设备，如冷却水环路、冷冻水环路、分集水器、末端环路等。

进一步的，步骤S1的具体方法如下：

S11.提取输入信息中的环路信息，对每一环路进行初始化，并定义属性记录环路间的连接关系。

S12.提取各环路的设备信息，对各环路中的每一种设备进行部件初始化，并联同种设备仅进行一次初始化，定义属性记录部件间的连接关系，确定部件中的设备个数。

S13.提取各部件中的各个设备信息，定义属性存储设备的型号等信息，将设备包含属性与其所属的部件关联。

进一步的，步骤S2的具体方法如下：

S21.根据画布大小，确定各环路布局范围。

S22.根据初始化后的环路，确定代表各环路绘制范围的矩形大小。

S23.将布局范围、待布局的环路点、环路团块大小、环路连接关系作为输入变量，使用合适的布局方法实现布局。

S24.进行具体意义的布局调整，实现末端环路中末端立管与分集水器供回水管的对齐等。

进一步的，步骤S3的具体方法如下：

针对每一个环路内部，通过以下步骤来确定部件的位置：

S31.根据S21确定各环路绘制范围的矩形大小，确定布局范围。

S32.根据初始化后的部件，确定代表各部件绘制范围的矩形大小。

S33.根据环路内部部件的复杂程度，确定使用默认排列布局或使用布局方法。

进一步的，步骤S4的具体方法如下：根据S3确定的部件位置及S13提取的部件内部各设备信息，对每一部件都进行部件细化图线数据生成，并确定部件的连接进出口点位置和进出口连线方向，并存储图线数据。

进一步的，步骤S5的具体方法如下：

S51.根据S12初始化的部件连接关系，将S4确定的部件的连接进出口点位置和进出口连线方向两两配对成连接组，存入待连接集。

S52.根据S21确定各环路绘制范围的矩形大小，及S11初始化的环路连接关系，确定环路的连接进出口点位置和进出口连线方向。并将该进出口点与其即将连接的部件连接点一起组成连接组，加入待连接集。

S53.将S51、S52待连接集、连线范围(是由各环路绘制范围确定，即为图纸范围)作为输入变量，进行连线形成图线数据。

S54.存储图线数据。

进一步的，步骤S52中确定环路的连接进出口点位置和进出口连线方向，具体方法如下：

分为几种情况：

(1)左右分离模式：两环路的左右位置关系完全独立，于横轴上不存在坐标范围重叠，且于纵轴上存在坐标范围重叠时，考虑将连接点布置于环路左右边界线上。

当两环路存在绝对的上下关系，即两环路上下边界线的位置关系一致时，连接点布置于纵坐标范围不重叠处(如图4-1所示)。当两环路不存在绝对的上下关系，即两环路上下边界线的位置关系不一致时，当本环路位于相连环路左侧时，连接点布置于边界线的上部，靠近角点；当本环路位于相连环路的右侧时，连接点布置于边界线的下部，靠近角点(如图4-2所示)。

(2)上下分离模式：两环路的上下位置关系完全独立，于纵轴上不存在坐标范围重叠，且于横轴上存在坐标范围重叠时，考虑将连接点布置于环路上下边界线上。

当两环路存在绝对的左右关系，即两环路左右边界线的位置关系一致时，连接点布置于横坐标范围不重叠处(如图4-3所示)。当两环路不存在绝对的左右关系，即两环路细胞上下边界线的位置关系不一致时，当本环路位于相连环路上侧时，连接点布置于边界线的左部，靠近角点；当本环路位于相连环路的下侧时，连接点布置于边界线的右部，靠近角点(如图4-4所示)。

(3)上下左右完全分离模式：两环路的上下左右位置关系完全独立，于横轴、纵轴上均不存在坐标范围重叠，考虑将连接点优先布置于环路上下边界线上，并尽量靠近相连环路布置(如图4-5所示)。

进一步的，步骤S6的具体方法如下：

S61.根据S11初始化的环路连接关系，将S52步骤获得的环路的连接进出口点位置和进出口连线方向两两配对成连接组，存入待连接集。

S62.将S61待连接集、连线范围(图纸范围)作为输入变量，进行连线形成图线数据。

S63.存储图线数据。

进一步的，步骤S7的具体方法如下：

将S4、S5、S6存储的图线数据，用符合制图规范的方式可视化绘制。

自此，通过以上技术方案即可实现将待绘制的设计结果(输入参数)绘制成符合制图规范的水系统原理图。

上述技术方案，其核心思想在于以拓扑分层抽象的概念，在该概念下将复杂的待绘制图形进行抽象简化，并将复杂的成图问题简化成逻辑清晰的几个绘图步骤。具体的说，将复杂的待绘制图形进行了两步抽象(即对应三个拓扑模型)，先从细节丰富的成图拓扑模型，略去一些细节，抽象到部件拓扑模型，再略去一些细节，抽象到环路拓扑模型。更具体说，在这个抽象过程的基础上，将复杂的成图问题分解成布局及连线两大步骤。

布局是指确定待绘制图形中的各个设备在一张空白图纸上的具体位置，本发明所采用的布局方式是基于分层抽象的概念，从抽象到具体，一步步地细化设备绘制具体位置。先从最抽象的环路拓扑模型入手进行布局，这一步的布局可将一张空白图纸分割为几个大的区域(对应着每一个环路)；随后在每个环路对应的区域中，对部件拓扑模型进行布局，即进一步地将每个大区域分割为几个小的区域(对应着一个环路中的每一个部件)；再在每个小区域中，将部件拓扑模型简化为成图拓扑模型时省略的细节补充完整。

连线是指将已确定好具体位置的设备用图线连接起来，本发明所采用的连线方式也是基于分层抽象的概念，与布局方式恰相反，从具体到抽象，一步步地将设备间的连接关系表示出来。先在部件拓扑层次，形成同一个环路中不同部件间的连线，相当于先表达出起每个大区域内部的几个小区域(对应着一个环路中的每一个部件)间的连接关系；再在抽象一些的环路拓扑层次进行连线，形成不同环路间的连线，相当于把图纸上的几个大区域(对应着每一个环路)连接起来。

最后将经过布局和连线两大步骤形成的成图数据可视化，则可完成水系统原理图的绘制。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

首次解决了暖通空调领域空调水系统原理图自动成图的问题。与现有算法相比，本发明针对暖通空调领域空调水系统原理图的具体特点，提出了一种自动成图方法，填补了暖通空调领域空调水系统原理图自动成图技术的空白，有利于推动人工智能技术在暖通空调领域，尤其是自动绘制暖通空调相关二维图纸相关研究的发展。

附图说明

图1为本发明基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法流程；

图2为实施例基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法流程；

图3-1、图3-2、图3-3展示了图形拓扑抽象的过程；

图3-1为成图拓扑模型；

图3-2为部件拓扑模型；

图3-3为环路拓扑模型；

图4-1、图4-2、图4-3、图4-4、图4-5展示了连接进出口点位置和进出口连线方向具体方法中提到的相连环路的几种位置关系；

图4-1为左右完全分离、绝对上下关系示意；

图4-2为左右完全分离、不绝对上下关系示意；

图4-3为上下完全分离、绝对左右关系示意；

图4-4为上下完全分离、不绝对左右关系示意；

图4-5为上下不完全分离示意。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细说明。

本申请公开的算法来源于设计暖通空调领域空调水系统原理图自动成图技术的试验中。一般二维平面原理图的绘制主要涉及的步骤有两个：布局和连线。但具体到空调水系统原理图的自动成图中，图形的强物理含义、内含图形的强等级区分性及复杂的连接关系使得空调水系统原理图的自动成图不同于一般的二维自动成图。想要完成空调水系统原理图的自动成图实践，需要处理好各待绘制图形的等级区分，以及为它们之间的物理连接关系找到合理的表示方式，否则生成的图形可能凌乱而不易阅读。除此之外，本申请技术方案在成图体现出以下优势，以达成下述目标：

(1)连线尽可能短。有连接关系的两个设备/环路，距离应尽可能接近，从而使连线具备尽可能短的必要条件；两设备/环路间的连线应简短而直接。

(2)交叉尽可能少。若将有连接关系的设备作为一组，则设备组间应减少连线的相互干扰；连线应避免多余的交叉，两线不应出现重复交叉。

(3)设备/环路应尽可能均匀分布。作为工程图纸，画布区域是确定且大小有限的，各部件应在画布范围内合理布局，使得画布得到均匀合理利用。

空调水系统原理图的自动成图与一般问题的主要不同是需要处理好各待绘制图形的等级区分，以及为它们之间的物理连接关系找到合理的表示方式。

首先需要明确拓扑分层抽象概念：

(a)成图拓扑模型(见图3-1)：

成图拓扑模型是指经过一定的拓扑简化之后的水系统图成图拓扑，它包含了水系统图成图所需的所有设备，简化而清晰地描述了成图目标。与一般系统图相比，成图拓扑模型同一环路的设备集中放置，供回水管道几乎同路，具有可简化为单线模型的特征。

(b)部件拓扑模型(见图3-2)：

在成图拓扑模型的基础上，去除连接简单的非主要设备(简化成直线段)，简化同类设备，则可以得到部件拓扑模型。值得一提的是，为避免成图重叠，在简化为单一设备的过程中，简化结果仍需带有简化前的形状特征，即图形的长与宽。

(c)环路拓扑模型(见图3-3)

在部件拓扑模型的基础上，进一步对同一环路设备进行合拓扑合并简化，此步将拓扑模型完全抽象为单线模型，每一环路被抽象为一个点，但该点仍具有拓扑抽象前形状属性(长与宽)。

因为水系统图的连线在部件没有确定时没有办法确定连线点，连线只能在最后完成，故无法将水系统图的成图完全将各层拓扑分离进行。但成图过程中各层拓扑之间依然存在着类似套环的紧密联系。

在实际成图中，首先完成环路拓扑的布局，确定各个环路的布置位置；随后对不同的环路，分别进行部件拓扑布局，确定部件的具体位置；在每个部件中绘制图线，完成成图拓扑的细化，随后可以获得部件拓扑间的连线点；紧接着完成部件拓扑的连线，最后是环路拓扑的连线。

各成图拓扑之间是互相包含的关系，先从抽象到具象布局，获得连线点，再从具象回到抽象连线。

以下给出实施例。

实施例为一个包含冷却塔环路、冷机环路、分集水器、末端环路及水箱的6层空调水系统原理图，本实施例基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，可用于空调水系统原理图的自动成图。过程如图1、图2所示，包含以下步骤：

(1)在实践自动成图之前，对待绘制的图形进行拓扑分层抽象简化，对输入参数进行分层归纳，包括:

成图拓扑简化：提取各部件中的设备信息，定义属性存储设备的型号等信息，将设备包含属性与其所属的部件关联。

部件拓扑简化：提取上述6个环路的设备信息，对各环路中的每一种设备进行部件初始化，并联同种设备仅进行一次初始化，定义属性记录部件间的连接关系，部件中的设备个数。对于冷源侧，主要设备包括冷机和水泵；对于末端侧，主要设备主要是各类末端以及供回水立管。

环路拓扑简化：提取输入信息中的环路信息，对冷却塔环路、冷机环路、分集水器、末端环路及水箱环路进行初始化，并定义属性记录环路间的连接关系。

(2)进行环路拓扑层次的环路布局。

首先根据画布大小，确定布局范围。随后根据初始化后的环路，确定代表各环路绘制范围的矩形大小。接着将布局范围、待布局的环路点、环路团块大小、环路连接关系作为输入变量，使用合适的布局方法实现布局。最后进行具体意义的布局调整，如实现末端环路中末端立管与分集水器供回水管的对齐等。

(3)进行部件拓扑层次的部件布局。

分别针对冷却塔环路、冷机环路、分集水器、末端环路及水箱环路进行部件拓扑层次的布局，其中在本实例中，分集水器、水箱都只有一个部件，不需要布局。

首先根据各环路绘制范围的矩形大小，确定布局范围。随后根据初始化后的部件，确定代表各部件绘制范围的矩形大小。最后，由于本实例所涉及的部件复杂程度较低，使用默认排列布局。

(4)进行成图拓扑层次的布局，连线，细节细化。

根据前面确定的部件位置及内部存储的设备相关属性，对每一部件都进行部件细化图线数据生成，并确定部件的连接进出口点位置和进出口连线方向并存储。具体到本实例中，部件包括冷却塔组、冷却水组、水冷螺杆机组、冷冻水泵组、末端立管组、风机盘管组、新风机组、水箱组、分集水器组等。

(5)进行部件拓扑层次的部件连线。

首先根据已初始化的部件连接关系，将前确定的部件的连接进出口点位置和进出口连线方向两两配对成连接组，存入待连接集。随后根据各环路绘制范围的矩形大小及环路连接关系，确定环路的连接进出口点位置和进出口连线方向。并将该进出口点与其即将连接的部件连接点一起组成连接组，加入待连接集。最后将待连接集，连线范围(各环路绘制范围)作为输入变量，使用合适的连线方法进行连线。最后存储图线数据。

(6)进行环路拓扑层次的环路连线，成图数据完成。

首先根据初始化的环路连接关系，将环路的连接进出口点位置和进出口连线方向两两配对成连接组，存入待连接集。然后将待连接集、连线范围(图纸范围)作为输入变量，使用合适的连线方法进行连线。最后存储图线数据。

(7)成图数据可视化。

为符合制图规范，在本实例中，应将供回水管路分线集存储，最后分开线型可视化绘制。

以上所述，为本发明易于描述的一种具体实施方式，本发明的保护范围不限于此。本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，所述算法的特征在于，包含以下步骤：

S1.对待绘制的图形进行拓扑分层抽象简化，对输入参数进行分层归纳；

S2.进行环路拓扑层次的环路布局；

S3.进行部件拓扑层次的部件布局；

S4.进行成图拓扑层次的布局，连线，细节细化；

S5.进行部件拓扑层次的部件连线；

S6.进行环路拓扑层次的环路连线，成图数据完成；

S7.成图数据可视化。

2.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其特征在于，所述的步骤S1中的拓扑分层抽象具体为：

第一层级：成图拓扑模型

是指经过拓扑简化之后的水系统图成图拓扑，它包含了水系统图成图所需的所有设备，简化而清晰地描述了成图目标，具有可简化为单线模型的特征；在这一层次上每个所述成图拓扑模型具体为某一台设备；

第二层级：部件拓扑模型

在成图拓扑模型的基础上，简化同类设备成为部件；所述部件带有形状特征，即图形的长与宽；在这一层次上所述部件拓扑模型包括各类设备；

第三层级：环路拓扑模型

在部件拓扑模型的基础上，进一步对同一环路设备进行拓扑合并简化，此步将拓扑模型完全抽象为单线模型，每一环路被抽象为一个点，该点具有拓扑抽象前形状属性(长与宽)；在这一层次上所述环路拓扑模型包括各环路或环路间核心的连接设备。

3.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其特征在于，所述的步骤S1具体为：

S11.提取输入信息中的环路信息，对每一环路进行初始化，并定义属性记录环路间的连接关系；

S12.提取各环路的设备信息，对各环路中的每一种设备进行部件初始化，并联同种设备仅进行一次初始化，定义属性记录部件间的连接关系，部件中的设备个数；

S13.提取各部件中的设备信息，定义属性存储设备的型号信息，将设备包含属性与其所属的部件关联。

4.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其特征在于，所述的步骤S2具体为：

S21.根据画布大小，确定布局范围；

S22.根据初始化后的环路，确定代表各环路绘制范围的矩形大小；

S23.将布局范围、待布局的环路点、环路团块大小、环路连接关系作为输入变量，使用合适的布局方法实现布局；

S24.进行具体意义的布局调整。

5.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其特征在于，所述的步骤S3具体为：

针对每一个环路内部，有：

S31.根据S21确定各环路绘制范围的矩形大小，确定布局范围。

S32.根据初始化后的部件，确定代表各部件绘制范围的矩形大小；

S33.根据环路内部部件的复杂程度，确定使用默认排列布局或使用布局方法。

6.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其特征在于，所述的步骤S4具体为：

根据S3确定的部件位置及S13提取的部件内部各设备信息，对每一部件都进行各设备的细化图线数据生成，并确定部件的连接进出口点位置和进出口连线方向并存储。

7.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其特征在于，所述的步骤S5具体为：

S51.根据S12初始化的部件连接关系，将S4确定的部件的连接进出口点位置和进出口连线方向两两配对成连接组，存入待连接集；

S52.根据S21确定各环路绘制范围的矩形大小，及S11初始化的环路连接关系，确定环路的连接进出口点位置和进出口连线方向；并将该进出口点与其即将连接的部件连接点一起组成连接组，加入待连接集；

S53.将S51、S52所述待连接集、连线范围(各环路绘制范围)作为输入变量，使用合适的连线方法进行连线；

S54.存储图线数据。

8.根据权利要求7所述的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其特征在于，所述的步骤S52中的确定环路的连接进出口点位置和进出口连线方向具体为：

分为几种情况：

(1)左右分离：两环路的左右位置关系完全独立，于横轴上不存在坐标范围重叠，且于纵轴上存在坐标范围重叠时，考虑将连接点布置于环路左右边界线上；

(2)上下分离：两环路的上下位置关系完全独立，于纵轴上不存在坐标范围重叠，且于横轴上存在坐标范围重叠时，考虑将连接点布置于环路上下边界线上；

(3)上下左右完全分离：两环路的上下左右位置关系完全独立，于横轴、纵轴上均不存在坐标范围重叠，考虑将连接点优先布置于环路上下边界线上，并尽量靠近相连环路布置。

9.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其特征在于，所述的步骤S6具体为：

S61.根据S11初始化的环路连接关系，将S52步骤获得的环路的连接进出口点位置和进出口连线方向两两配对成连接组，存入待连接集；

S62.将S61所述待连接集、连线范围(图纸范围)作为输入变量，使用合适的连线方法进行连线；

S63.存储图线数据。

10.根据权利要求1所述的一种基于拓扑分层抽象的空调水系统原理图自动成图方法，其特征在于，所述的步骤S7具体为：

将S4、S5、S6存储的图线数据，用符合制图规范的方式可视化绘制。

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