CN116956619A - 一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，包括获取目标BIM模型，拆分模型零件组成，提取零件模型的表面点云数据，构建约束特征集合；采用拆分获取的模型零件，划分约束传递方式，生成目标BIM模型的约束传递网络，构建零件约束特征的匹配关系，生成装配序列；采用构建的匹配关系，构建约束位姿求解器，计算零件的位姿变换矩阵，获取零件的最终位姿，实现目标BIM模型的虚拟装配；本发明方法避免轻量级环境下对模型复杂特征的识别困难问题；相较于复杂的特征位姿计算方法而言，具有更加直观，易于使用的优点；本发明方法具有易用性、可轻量化、能动态调整。
Description
技术领域
本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法。
背景技术
随着建筑业的发展和人们对建筑质量和效率的要求提高，建筑信息模型(BIM)的设计和制作也越来越重要；虚拟装配方法是指利用虚拟现实技术，在虚拟环境中对工程模型的零部件进行动态拆装和组合，模拟真实的装配过程，并提供实时的碰撞检测、装配路径规划、装配约束和装配序列等功能；通过虚拟装配方法，可以提高工程模型的设计效率和质量，同时也可以增强工程模型的交互性和展示效果。
虚拟装配方法在航空航天、汽车制造、机械设计等领域广泛的应用，但是它们主要依靠设计人员手动进行虚拟装配和校准。然而，土木工程领域的项目具有规模大、结构复杂、环境多变等特点，导致虚拟装配方法还没有得到充分的开发和利用。目前，土木工程领域使用的虚拟装配系统大多是基于通用的三维建模软件或者专业的BIM软件手动开发的，它们往往不能满足土木工程项目特有的需求和效率。例如，铁路扣件、铁路接触网等特有的装配式结构，与机械设计等领域的标准化产品不同，它们在零件型号、可动位置等方面有不同的变化，因此单纯依赖设计人员的手动虚拟装配不能满足客观的效率需求。另外，大规模土木工程模型还需要适应轻量级环境(如移动设备或低配置计算机)和调动大量资源的能力。综上所述，当前通过BIM模型完成装配的方法并不能够满足土木工程领域的项目需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有易用性、可轻量化、能动态调整的轻量级环境下土木工程模型虚拟装配方法。
本发明提供的这种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，包括如下步骤：
S1.获取目标BIM模型，拆分模型零件组成，提取零件模型的表面点云数据，构建约束特征集合；
S2.采用步骤S1拆分获取的模型零件，划分约束传递方式，生成目标BIM模型的约束传递网络，构建零件约束特征的匹配关系，生成装配序列；
S3.采用步骤S2构建的匹配关系，构建约束位姿求解器，计算零件的位姿变换矩阵，获取零件的最终位姿，实现目标BIM模型的虚拟装配；
步骤S1所述的获取目标BIM模型，拆分模型零件组成，提取零件模型的表面点云数据，构建约束特征集合，具体包括：
获取零件模型的全部表面点云数据，定义为自然特征集合(Natural FeatureSet，NFS)；基于相关联的约束特征从定义的NFS中提取约束特征集合(Constraint FeatureSet，CFS)；
通过特征控制组件间的约束关系，同时表征组件模型的尺寸和位姿信息；
基于点簇的表面性质将CFS划分为三种基本图元，分别为柱曲面(Cylinder)、平面(Flat)、球曲面(Sphere)，通过处理点云数据的开源工具(Cloud Compare)分割实例点云；
采用下述公式表示提取过程：
其中，P为Point，表示模型的每一个表面点的三维坐标；C为Cylinder表示柱曲面特征点集；F为Flat，表示平面特征点集；S为Sphere，表示球曲面特征点集；
步骤S2所述的采用步骤S1拆分获取的模型零件，划分约束传递方式，生成目标BIM模型的约束传递网络，构建零件约束特征的匹配关系，生成装配序列，具体包括：
(2-1)划分约束传递方式：
基于零件间的接触关系或约束关系，将约束传递方式划分为三种，包括点约束传递、线约束传递、面约束传递，具体包括：
点约束指在凸球面与平面(S-F′)、凸球面与凸柱面(S-C)情形下，两个特征面仅需有一点的约束，表示CFS之间是点集的部分配对关系；
球面点集仅需取任一点与另一个特征面有配对关系；
线约束指在凸柱面与平面(C-F′)、凸球面与凹柱面(S-C)情形下，两个特征面仅有一条的线的约束，表示CFS之间是点集的部分配对关系；
柱面点集需取沿柱体方向的一列线性点集与另一个特征面有配对关系；
面约束指在平面与平面(F-F′)、凸柱面与凹柱面(C-C′)、凸球面与凹球面(S-S′)情形下，两个特征面具有充分的接触关系，表示CFS之间是完全配对关系；
(2-2)生成目标BIM模型的约束传递网络：
按照下述规则生成目标BIM模型的约束传递网络，具体包括：
规则规定零件间的约束传递是单向的；零件的位姿由基础面开始，按照零件间的接触关系与表面特征传递至每一个零件，接触关系决定约束传递的方式，表面特征决定位姿的具体数据；
采用下述步骤生成约束传递网络：
(1)明确零件合和约束：
定义目标模型的所有零件和零件间的约束关系；
(2)生成约束网络：
将所有零件和约束关系构建成一个网络图；采用网络图的节点表示零件、网络图的边表示约束、网络图内的箭头表示约束传递方向或零件控制关系；
(2-3)构建零件约束特征的匹配关系，确定零件的装配顺序：
1)转换成拓扑序列：根据约束网络，将所有的零件按照拓扑序列排列，保证前面的零件不会影响后面的零件；
2)生成装配序列：采用步骤1)中转换后的拓扑序列，将拓扑序列中的每个零件依次添加到装配序列中；
在添加一个零件时，需要考虑该零件与前面已添加的零件之间的约束关系：
如果约束关系能够满足，则将该零件添加到零件中；否则需要回溯并重新选择前面的零件，直到找到一个符合约束条件的序列；
步骤S3所述的采用步骤S2构建的匹配关系，构建约束位姿求解器，计算零件的位姿变换矩阵，获取零件的最终位姿，实现目标BIM模型的虚拟装配，具体包括：
依次计算装配序列中的每个零件的位姿变换矩阵，使得每个零件由初始位姿变换为最终位姿，进而实现目标BIM模型的虚拟装配；具体包括：
(3-1)建立图元关系：
采用零件CFS的匹配关系确定点集CFSx、CFSy，并建立图元对应关系：
其中，Fy1表示约束模型y的1号平面图元点集；Fx1表示被约束模型x的1号平面图元点集；Cy2表示约束模型y的2号圆曲面图元点集；Cx2表示约束模型x的2号圆曲面图元点集；表示图元点集之间的约束对应关系；
(3-2)求解基本图元的点集质心：
基于质心的点对应关系SVD求解初始的位姿变换矩阵，每个图元点集对应存在一个质心，根据图元点集之间的约束对应关系得到质心点之间的点对关系，根据多组点对关系通过SVD求解初始的位姿变换矩阵；采用下述公式描述位姿矩阵：
其中，R表示旋转矩阵，t表示平移向量；
采用下述公式计算R：
其中，c表示cos函数；s表示sin函数；α表示绕Z轴的角度；β表示绕Y轴的角度；γ表示绕X轴的角度；
采用下述公式计算t：
t3×1＝[px py pz]T
其中，px表示沿X轴平移的距离；py表示沿Y轴平移的距离；pz表示沿Z轴平移的距离；
(3-3)根据对应传递方式对应的最近邻搜索算法建立点集中的对应点对，具体包括：
最近邻搜索算法包括三种情况，分别为面约束、线约束、点约束，不同的情况对应不同的点对匹配方法，具体包括：
面约束：面约束CFS之间是完全配对关系，通过最近邻搜索算法，直接完成点对匹配；
线约束：线约束CFS之间是点集的部分配对关系，具体包括：
柱面点集需要取沿柱体方向的一列线性点集与另一个特征面有配对关系；柱面的点沿柱面方向被分割成线性点集，分割过程包括如下步骤：
①采用开源算法“RANSAC”拟合圆柱体的形状，并确定对应的轴线和半径；
②根据步骤①中确定的轴线和半径，沿圆柱体表面均匀地构建八个平行线段；
③判断点集和线段之间的空间距离，使用1/16周长的阈值，将柱面点集划分为八个线性点集；
④计算根据步骤③划分得到的八个线性点集的质心与目标点集之间的距离，选择最小距离对应的一个线性点集，通过最近邻搜索算法，进行点对匹配；
点约束：点约束CFS之间是点集的部分配对关系，具体包括：
球面点集需要取任一点与另一个特征面有配对关系；基于最远点采样算法，将球面点集划分为若干个均匀分布在球面上的点簇，分割过程包括如下步骤：
⑴从球体上随机选择一个初始点作为第一个采样点；
⑵计算步骤⑴中选择的采样点与所有其他点之间的距离，选择距离最大的点作为下一个取样点，一直持续到获得16个点簇；
⑶根据步骤⑵中获得的16个聚类点集的质心与目标点集之间的最小距离，选择一个聚类点集，通过最近邻搜索算法，进行点对匹配；
上述建立点对过程所述的最近邻搜索算法，具体包括：
a.获取源点集Fx1中的一个点qi；
b.在目标点集Fy1中找到与步骤a.中获取的点qi的欧氏距离最近的点pi，并作为点qi的对应点；
c.重复上述步骤，直到找到源点集Fx1中所有点的对应点；
(3-4)采用步骤(3-3)中建立的对应点对，通过SVD解算位姿变换矩阵，具体包括：
采用下述公式构建优化目标函数：
其中，argmin表示使得整体公式达到最小值时的变量R、t的取值；wi表示每个点的权重；R表示旋转矩阵；t表示平移向量；SO(d)表示特殊正交群的d维表示；Rd表示d维实数空间；
针对上述公式中构建的优化目标函数进行处理，获取下述计算公式：
其中，R*表示待求解的旋转矩阵；表示使得整体公式达到最小值时的变量R的取值；pi′表示源点集中每个点对的去质心坐标；q′表示目标点集中每个点对的去质心坐标；
采用下述公式计算pi′、q′：
基于上述计算结果得到待求解的平移向量公式：
其中，t*表示待求解的平移向量；
将上述公式计算得到的R*进行展开处理，如下所示：
其中，表示源点集中每个点对的去质心坐标的转置；/>表示目标点集中每个点对的去质心坐标的转置；RT表示现有的旋转矩阵的转置；I表示酉矩阵，表示两组点集的质心去中心坐标的协方差矩阵的奇异值分解的一个因子；
采用下述公式描述两组点云的质心去中心坐标的协方差矩阵W：
通过奇异值分解处理W，得到下述公式：
W＝UΣVT
其中，U、V均表示酉矩阵；Σ表示对角矩阵；当W满秩时，对应存在唯一的U、V组合；
基于上述计算结果，得到下述的计算公式：
R*＝UVT
进而求解得到位姿变换矩阵；
(3-5)采用步骤(3-4)中计算获得的结果，计算迭代判断数值，选择平均距离平方差值的绝对值作为判断数值，如果数值小于设定阈值，结束上述算法，重新计算步骤(3-2)；否则，重新选择对应点对；采用下述公式计算平均距离平方差：
其中，wi表示每个点的权重，设定为固定值，0.5；R表示旋转矩阵；t表示平移向量；pi表示目标点集中的点；qi表示对应的源点集中的点；
(3-6)基于上述步骤的计算结果，通过动态调整，实现虚拟装配的效果，具体包括：当零件的型号发生改变时，改变前后同步零件CFS的变化，驱动装配链下游其余相关零件位姿的实时更新，进而实现虚拟装配的效果；
不同型号的零件CFS的改变后，不再进行最近邻搜索，直接根据继承的点对关系进行SVD解算位姿，减少装配链下游其余零件位姿计算的耗时；继承点对指基于图元点集变换前后每一个点的编号维持前一次装配时的最近邻点对关系。
本发明提供的这种轻量级环境下土木工程模型虚拟装配方法，采用轻型三维模型的表面点集，描述模型表面几何特征，避免轻量级环境下对模型复杂特征的识别困难问题；通过划分三种基本图元，定义三种约束传递方式以及构建约束传递网络的策略，使得本发明方法相较于复杂的特征位姿计算方法而言，具有更加直观，易于使用的优点；基于特征点集与ICP，实现模型的位姿解算，使得零件型号改变时能够实时更新其余相关零件位姿，实现动态调整；本发明方法具有易用性、可轻量化、能动态调整。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法的约束特征面示意图。
图3为本发明方法的约束传递网络示意图。
图4为本发明方法的约束求解算法流程示意图。
图5为本发明方法中动态调整时的图元点集继承关系示意图。
图6为本发明方法的面约束传递示意图。
图7为本发明方法的线约束传递示意图。
图8为本发明方法的点约束传递示意图。
图9为本发明方法中在轻量级环境下的装配效果示意图。
图10为本发明方法中动态调整的模型效果示意图，其中，图a)为10mm调高垫板示意图，图b)为20mm调高垫板示意图。
图11为本发明方法中整体程序响应时间验证示意图。
图12为本发明方法的大规模装配效果示意图。
图13为本发明方法中在轻量级环境下的渲染性能测试示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，包括如下步骤：
S1.获取目标BIM模型，拆分模型零件组成，提取零件模型的表面点云数据，构建约束特征集合；具体包括：
获取零件模型的全部表面点云数据，定义为自然特征集合(Natural FeatureSet，NFS)；基于相关联的约束特征从定义的NFS中提取约束特征集合(Constraint FeatureSet，CFS)；
相关联的约束特征指在多个组件装配的过程中真正发挥作用的特征部分，通过特征控制组件间的约束关系，同时表征组件模型的尺寸和位姿信息；
基于点簇的表面性质将CFS划分为三种基本图元，分别为柱曲面(Cylinder)、平面(Flat)、球曲面(Sphere)，通过处理点云数据的开源工具(Cloud Compare)分割实例点云；
采用下述公式表示提取过程：
其中，P为Point，表示模型的每一个表面点的三维坐标；C为Cylinder表示柱曲面特征点集；F为Flat，表示平面特征点集；S为Sphere，表示球曲面特征点集；
WJ-8型扣件由十一类零件组成，包括螺旋道钉、平垫圈、弹条、绝缘块、轨距挡板、轨下垫板、铁垫板；本发明方法中以WJ-8型铁路扣件中的“轨距挡板”为例说明上述CFS的划分内容：“轨距挡板”在铁路扣件中需要与铁垫板下调高垫板、铁垫板下弹性垫板、铁垫板、弹条产生接触关系，如图2所示为本发明方法的约束特征面示意图，其中，平面1、柱曲面2与铁垫板下调高垫板接触，平面3、平面4、平面5与铁垫板下弹性垫板、铁垫板接触，柱曲面6、柱曲面7与弹条接触，采用下述公式描述“轨距挡板”的CFS：
CFS＝{F1,C2,F3,F4,F5,C6,C7}；
S2.采用步骤S1拆分获取的模型零件，划分约束传递方式，生成目标BIM模型的约束传递网络，构建零件约束特征的匹配关系，生成装配序列；具体包括：
(2-1)划分约束传递方式：
基于零件间的接触关系或约束关系，将约束传递方式划分为三种，包括点约束传递、线约束传递、面约束传递，具体包括：
点约束指在凸球面与平面(S-F′)、凸球面与凸柱面(S-C)情形下，两个特征面仅需有一点的约束，表示CFS之间是点集的部分配对关系；
球面点集仅需取任一点与另一个特征面有配对关系；
线约束指在凸柱面与平面(C-F′)、凸球面与凹柱面(S-C)情形下，两个特征面仅有一条的线的约束，表示CFS之间是点集的部分配对关系；
柱面点集需取沿柱体方向的一列线性点集与另一个特征面有配对关系；
面约束指在平面与平面(F-F′)、凸柱面与凹柱面(C-C′)、凸球面与凹球面(S-S′)情形下，两个特征面具有充分的接触关系，表示CFS之间是完全配对关系；
(2-2)生成目标BIM模型的约束传递网络：
按照下述规则生成目标BIM模型的约束传递网络，具体包括：
规则规定零件间的约束传递是单向的；零件的位姿由基础面开始，按照零件间的接触关系与表面特征传递至每一个零件，接触关系决定约束传递的方式，表面特征决定位姿的具体数据；
采用下述步骤生成约束传递网络：
(1)明确零件合和约束：
定义目标模型的所有零件和零件间的约束关系；
(2)生成约束网络：
将所有零件和约束关系构建成一个网络图；如图3所示为本发明方法的约束传递网络示意图：
采用网络图的节点表示零件、网络图的边表示约束、网络图内的箭头表示约束传递方向或零件控制关系；
(2-3)构建零件约束特征的匹配关系，确定零件的装配顺序：
1)转换成拓扑序列：根据约束网络，将所有的零件按照拓扑序列排列，保证前面的零件不会影响后面的零件；
2)生成装配序列：采用步骤1)中转换后的拓扑序列，将拓扑序列中的每个零件依次添加到装配序列中；
在添加一个零件时，需要考虑该零件与前面已添加的零件之间的约束关系：
如果约束关系能够满足，则将该零件添加到零件中；否则需要回溯并重新选择前面的零件，直到找到一个符合约束条件的序列；
本发明方法中涉及的WJ-8型铁路扣件的约束由“混凝土承重台”开始传递，绘制出的约束传递网络如图3所示；
S3.采用步骤S2构建的匹配关系，构建约束位姿求解器，计算零件的位姿变换矩阵，获取零件的最终位姿，实现目标BIM模型的虚拟装配；具体包括：
如图4所示为本发明方法的约束求解算法流程示意图：依次计算装配序列中的每个零件的位姿变换矩阵，使得每个零件由初始位姿变换为最终位姿，进而实现目标BIM模型的虚拟装配；具体包括：
(3-1)建立图元关系：
采用零件CFS的匹配关系确定点集CFSx、CFSy，并建立图元对应关系：
其中，Fy1表示约束模型y的1号平面图元点集；Fx1表示被约束模型x的1号平面图元点集；Cy2表示约束模型y的2号圆曲面图元点集；Cx2表示约束模型x的2号圆曲面图元点集；表示图元点集之间的约束对应关系；
(3-2)求解基本图元的点集质心：
基于质心的点对应关系SVD求解初始的位姿变换矩阵，每个图元点集对应存在一个质心，根据图元点集之间的约束对应关系得到质心点之间的点对关系，根据多组点对关系通过SVD求解初始的位姿变换矩阵；采用下述公式描述位姿矩阵：
其中，R表示旋转矩阵，t表示平移向量；
采用下述公式计算R：
其中，c表示cos函数；s表示sin函数；α表示绕Z轴的角度；β表示绕Y轴的角度；γ表示绕X轴的角度；
采用下述公式计算t：
t3×1＝[px py pz]T
其中，px表示沿X轴平移的距离；py表示沿Y轴平移的距离；pz表示沿Z轴平移的距离；
(3-3)根据对应传递方式对应的最近邻搜索算法建立点集中的对应点对，具体包括：
最近邻搜索算法包括三种情况，分别为面约束、线约束、点约束，不同的情况对应不同的点对匹配方法，具体包括：
面约束：面约束CFS之间是完全配对关系，通过最近邻搜索算法，直接完成点对匹配；如图5所示为本发明方法的面约束传递示意图；
线约束：线约束CFS之间是点集的部分配对关系，具体包括：
柱面点集需要取沿柱体方向的一列线性点集与另一个特征面有配对关系；柱面的点沿柱面方向被分割成线性点集，分割过程包括如下步骤：
①采用开源算法“RANSAC”拟合圆柱体的形状，并确定对应的轴线和半径；
②根据步骤①中确定的轴线和半径，沿圆柱体表面均匀地构建八个平行线段；
③判断点集和线段之间的空间距离，使用1/16周长的阈值，将柱面点集划分为八个线性点集；
④计算根据步骤③划分得到的八个线性点集的质心与目标点集之间的距离，选择最小距离对应的一个线性点集，通过最近邻搜索算法，进行点对匹配；
如图6所示为本发明方法的线约束传递示意图；
点约束：点约束CFS之间是点集的部分配对关系，具体包括：
球面点集需要取任一点与另一个特征面有配对关系；基于最远点采样算法，将球面点集划分为若干个均匀分布在球面上的点簇，分割过程包括如下步骤：
⑴从球体上随机选择一个初始点作为第一个采样点；
⑵计算步骤⑴中选择的采样点与所有其他点之间的距离，选择距离最大的点作为下一个取样点，一直持续到获得16个点簇；
⑶根据步骤⑵中获得的16个聚类点集的质心与目标点集之间的最小距离，选择一个聚类点集，通过最近邻搜索算法，进行点对匹配；如图7所示为本发明方法的点约束传递示意图；
上述建立点对过程所述的最近邻搜索算法，具体包括：
a.获取源点集Fx1中的一个点qi；
b.在目标点集Fy1中找到与步骤a.中获取的点qi的欧氏距离最近的点pi，并作为点qi的对应点；
c.重复上述步骤，直到找到源点集Fx1中所有点的对应点；
(3-4)采用步骤(3-3)中建立的对应点对，通过SVD解算位姿变换矩阵，具体包括：
采用下述公式构建优化目标函数：
其中，argmin表示使得整体公式达到最小值时的变量R、t的取值；wi表示每个点的权重；R表示旋转矩阵；t表示平移向量；SO(d)表示特殊正交群的d维表示；Rd表示d维实数空间；在本发明方法中，R属于3维欧几里得空间中的旋转变换、t属于3维实数；
针对上述公式中构建的优化目标函数进行处理，获取下述计算公式：
其中，R*表示待求解的旋转矩阵；表示使得整体公式达到最小值时的变量R的取值；pi′表示源点集中每个点对的去质心坐标；q′表示目标点集中每个点对的去质心坐标；
采用下述公式计算pi′、q′：
基于上述计算结果得到待求解的平移向量公式：
其中，t*表示待求解的平移向量；
将上述公式计算得到的R*进行展开处理，如下所示：
其中，表示源点集中每个点对的去质心坐标的转置；/>表示目标点集中每个点对的去质心坐标的转置；RT表示现有的旋转矩阵的转置；I表示酉矩阵，表示两组点集的质心去中心坐标的协方差矩阵的奇异值分解的一个因子；
采用下述公式描述两组点云的质心去中心坐标的协方差矩阵W：
通过奇异值分解处理W，得到下述公式：
W＝UΣVT
其中，U、V均表示酉矩阵；Σ表示对角矩阵；当W满秩时，对应存在唯一的U、V组合；
基于上述计算结果，得到下述的计算公式：
R*＝UVT
进而求解得到位姿变换矩阵；
(3-5)采用步骤(3-4)中计算获得的结果，计算迭代判断数值，选择平均距离平方差值的绝对值作为判断数值，如果数值小于设定阈值，结束上述算法，重新计算步骤(3-2)；否则，重新选择对应点对；采用下述公式计算平均距离平方差：
其中，wi表示每个点的权重，设定为固定值，0.5；R表示旋转矩阵；t表示平移向量；pi表示目标点集中的点；qi表示对应的源点集中的点；
(3-6)基于上述步骤的计算结果，通过动态调整，实现虚拟装配的效果，具体包括：当零件的型号发生改变时，改变前后同步零件CFS的变化，驱动装配链下游其余相关零件位姿的实时更新，进而实现虚拟装配的效果；
不同型号的零件CFS的改变后，不再进行最近邻搜索，直接根据继承的点对关系进行SVD解算位姿，减少装配链下游其余零件位姿计算的耗时；继承点对指基于图元点集变换前后每一个点的编号维持前一次装配时的最近邻点对关系；如图8所示为本发明方法中动态调整时的图元点集继承关系示意图；
(3-7)采用WebGL开发建立模型系统，WebGL开发包括设计模块和数据模块；设计模块包括模型的约束传递网络，和零件间CFS的对应约束关系，零件间CFS的对应约束关系由系统开发人员使用XML文件预先储存在设计模块中；数据模块包括被封装为Gltf格式的轻量化三维模型文件，以及对应的CFS点集数据；如图9所示为本发明方法中在轻量级环境下的装配效果示意图；如图10所示为本发明方法中动态调整的模型效果示意图；如图11所示为本发明方法中整体程序响应时间验证示意图；
通过网络模型的实例化实现了参数化铁路扣件的大规模空间分布，如图12所示为本发明方法的大规模装配效果示意图，在图12中，展示了曲线段内扣件的装配模型，模型准确的表现了每个铁路扣件的轨距加宽和轨道高程的细节；如图13所示为本发明方法中在轻量级环境下的渲染性能测试示意图。
Claims (7)
1.一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，包括如下步骤：
S1.获取目标BIM模型，拆分模型零件组成，提取零件模型的表面点云数据，构建约束特征集合；
S2.采用步骤S1拆分获取的模型零件，划分约束传递方式，生成目标BIM模型的约束传递网络，构建零件约束特征的匹配关系，生成装配序列；
S3.采用步骤S2构建的匹配关系，构建约束位姿求解器，计算零件的位姿变换矩阵，获取零件的最终位姿，实现目标BIM模型的虚拟装配。
2.根据权利要求1所述的一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，其特征在于步骤S1所述的获取目标BIM模型，拆分模型零件组成，提取零件模型的表面点云数据，构建约束特征集合，具体包括：
获取零件模型的全部表面点云数据，定义为自然特征集合；基于相关联的约束特征从定义的NFS中提取约束特征集合；
通过特征控制组件间的约束关系，同时表征组件模型的尺寸和位姿信息；
基于点簇的表面性质将CFS划分为三种基本图元，分别为柱曲面、平面、球曲面，通过处理点云数据的开源工具分割实例点云；
采用下述公式表示提取过程：
其中，P为Point，表示模型的每一个表面点的三维坐标；C为Cylinder表示柱曲面特征点集；F为Flat，表示平面特征点集；S为Sphere，表示球曲面特征点集。
3.根据权利要求2所述的一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，其特征在于步骤S2所述的采用步骤S1拆分获取的模型零件，划分约束传递方式，生成目标BIM模型的约束传递网络，构建零件约束特征的匹配关系，生成装配序列，具体包括：
(2-1)划分约束传递方式：
基于零件间的接触关系或约束关系，将约束传递方式划分为三种，包括点约束传递、线约束传递、面约束传递；
(2-2)生成目标BIM模型的约束传递网络：
按照下述规则生成目标BIM模型的约束传递网络，具体包括：
规则规定零件间的约束传递是单向的；零件的位姿由基础面开始，按照零件间的接触关系与表面特征传递至每一个零件，接触关系决定约束传递的方式，表面特征决定位姿的具体数据；
(2-3)构建零件约束特征的匹配关系，确定零件的装配顺序：
1)转换成拓扑序列：根据约束网络，将所有的零件按照拓扑序列排列，保证前面的零件不会影响后面的零件；
2)生成装配序列：采用步骤1)中转换后的拓扑序列，将拓扑序列中的每个零件依次添加到装配序列中；
在添加一个零件时，需要考虑该零件与前面已添加的零件之间的约束关系：
如果约束关系能够满足，则将该零件添加到零件中；否则需要回溯并重新选择前面的零件，直到找到一个符合约束条件的序列。
4.根据权利要求3所述的一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，其特征在于所述的约束传递方式，具体包括：
基于零件间的接触关系或约束关系，将约束传递方式划分为三种，包括点约束传递、线约束传递、面约束传递，具体包括：
点约束指在凸球面与平面、凸球面与凸柱面情形下，两个特征面仅需有一点的约束，表示CFS之间是点集的部分配对关系；
球面点集仅需取任一点与另一个特征面有配对关系；
线约束指在凸柱面与平面、凸球面与凹柱面情形下，两个特征面仅有一条的线的约束，表示CFS之间是点集的部分配对关系；
柱面点集需取沿柱体方向的一列线性点集与另一个特征面有配对关系；
面约束指在平面与平面、凸柱面与凹柱面、凸球面与凹球面情形下，两个特征面具有充分的接触关系，表示CFS之间是完全配对关系。
5.根据权利要求4所述的一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，其特征在于所述的约束传递网络，具体包括：
采用下述步骤生成约束传递网络：
(1)明确零件合和约束：
定义目标模型的所有零件和零件间的约束关系；
(2)生成约束网络：
将所有零件和约束关系构建成一个网络图；采用网络图的节点表示零件、网络图的边表示约束、网络图内的箭头表示约束传递方向或零件控制关系。
6.根据权利要求5所述的一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，其特征在于步骤S3所述的采用步骤S2构建的匹配关系，构建约束位姿求解器，计算零件的位姿变换矩阵，获取零件的最终位姿，实现目标BIM模型的虚拟装配，具体包括：
依次计算装配序列中的每个零件的位姿变换矩阵，使得每个零件由初始位姿变换为最终位姿，进而实现目标BIM模型的虚拟装配；具体包括：
(3-1)建立图元关系：
采用零件CFS的匹配关系确定点集CFSx、CFSy，并建立图元对应关系：
其中，Fy1表示约束模型y的1号平面图元点集；Fx1表示被约束模型x的1号平面图元点集；Cy2表示约束模型y的2号圆曲面图元点集；Cx2表示约束模型x的2号圆曲面图元点集；表示图元点集之间的约束对应关系；
(3-2)求解基本图元的点集质心：
基于质心的点对应关系SVD求解初始的位姿变换矩阵，每个图元点集对应存在一个质心，根据图元点集之间的约束对应关系得到质心点之间的点对关系，根据多组点对关系通过SVD求解初始的位姿变换矩阵；采用下述公式描述位姿矩阵：
其中，R表示旋转矩阵，t表示平移向量；
采用下述公式计算R：
其中，c表示cos函数；s表示sin函数；α表示绕Z轴的角度；β表示绕Y轴的角度；γ表示绕X轴的角度；
采用下述公式计算t：
t3×1＝[px py pz]T
其中，px表示沿X轴平移的距离；py表示沿Y轴平移的距离；pz表示沿Z轴平移的距离；
(3-3)根据对应传递方式对应的最近邻搜索算法建立点集中的对应点对，具体包括：
最近邻搜索算法包括三种情况，分别为面约束、线约束、点约束，不同的情况对应不同的点对匹配方法；
最近邻搜索算法，具体包括：
a.获取源点集Fx1中的一个点qi；
b.在目标点集Fy1中找到与步骤a.中获取的点qi的欧氏距离最近的点pi，并作为点qi的对应点；
c.重复上述步骤，直到找到源点集Fx1中所有点的对应点；
(3-4)采用步骤(3-3)中建立的对应点对，通过SVD解算位姿变换矩阵，具体包括：
采用下述公式构建优化目标函数：
其中，argmin表示使得整体公式达到最小值时的变量R、t的取值；wi表示每个点的权重；R表示旋转矩阵；t表示平移向量；SO(d)表示特殊正交群的d维表示；Rd表示d维实数空间；
针对上述公式中构建的优化目标函数进行处理，获取下述计算公式：
其中，R*表示待求解的旋转矩阵；表示使得整体公式达到最小值时的变量R的取值；p′i表示源点集中每个点对的去质心坐标；q′表示目标点集中每个点对的去质心坐标；
采用下述公式计算p′i、q′：
基于上述计算结果得到待求解的平移向量公式：
其中，t*表示待求解的平移向量；
将上述公式计算得到的R*进行展开处理，如下所示：
其中，表示源点集中每个点对的去质心坐标的转置；/>表示目标点集中每个点对的去质心坐标的转置；RT表示现有的旋转矩阵的转置；I表示酉矩阵，表示两组点集的质心去中心坐标的协方差矩阵的奇异值分解的一个因子；
采用下述公式描述两组点云的质心去中心坐标的协方差矩阵W：
通过奇异值分解处理W，得到下述公式：
W＝UΣVT
其中，U、V均表示酉矩阵；Σ表示对角矩阵；当W满秩时，对应存在唯一的U、V组合；
基于上述计算结果，得到下述的计算公式：
R*＝UVT
进而求解得到位姿变换矩阵；
(3-5)采用步骤(3-4)中计算获得的结果，计算迭代判断数值，选择平均距离平方差值的绝对值作为判断数值，如果数值小于设定阈值，结束上述算法，重新计算步骤(3-2)；否则，重新选择对应点对；采用下述公式计算平均距离平方差：
其中，wi表示每个点的权重，设定为固定值，0.5；R表示旋转矩阵；t表示平移向量；pi表示目标点集中的点；qi表示对应的源点集中的点；
(3-6)基于上述步骤的计算结果，通过动态调整，实现虚拟装配的效果，具体包括：当零件的型号发生改变时，改变前后同步零件CFS的变化，驱动装配链下游其余相关零件位姿的实时更新，进而实现虚拟装配的效果；
不同型号的零件CFS的改变后，不再进行最近邻搜索，直接根据继承的点对关系进行SVD解算位姿，减少装配链下游其余零件位姿计算的耗时；继承点对指基于图元点集变换前后每一个点的编号维持前一次装配时的最近邻点对关系。
7.根据权利要求6所述的一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法，其特征在于所述的面约束、线约束、点约束的点对匹配方法，具体包括：
最近邻搜索算法包括三种情况，分别为面约束、线约束、点约束，不同的情况对应不同的点对匹配方法，具体包括：
面约束：面约束CFS之间是完全配对关系，通过最近邻搜索算法，直接完成点对匹配；
线约束：线约束CFS之间是点集的部分配对关系，具体包括：
柱面点集需要取沿柱体方向的一列线性点集与另一个特征面有配对关系；柱面的点沿柱面方向被分割成线性点集，分割过程包括如下步骤：
①采用开源算法“RANSAC”拟合圆柱体的形状，并确定对应的轴线和半径；
②根据步骤①中确定的轴线和半径，沿圆柱体表面均匀地构建八个平行线段；
③判断点集和线段之间的空间距离，使用1/16周长的阈值，将柱面点集划分为八个线性点集；
④计算根据步骤③划分得到的八个线性点集的质心与目标点集之间的距离，选择最小距离对应的一个线性点集，通过最近邻搜索算法，进行点对匹配；
点约束：点约束CFS之间是点集的部分配对关系，具体包括：
球面点集需要取任一点与另一个特征面有配对关系；基于最远点采样算法，将球面点集划分为若干个均匀分布在球面上的点簇，分割过程包括如下步骤：
⑴从球体上随机选择一个初始点作为第一个采样点；
⑵计算步骤⑴中选择的采样点与所有其他点之间的距离，选择距离最大的点作为下一个取样点，一直持续到获得16个点簇；
⑶根据步骤⑵中获得的16个聚类点集的质心与目标点集之间的最小距离，选择一个聚类点集，通过最近邻搜索算法，进行点对匹配。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310949933.4A CN116956619A (zh) | 2023-07-31 | 2023-07-31 | 一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法 |
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| CN202310949933.4A CN116956619A (zh) | 2023-07-31 | 2023-07-31 | 一种轻量级环境下的土木工程模型虚拟装配方法 |
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|---|---|
| CN116956619A true CN116956619A (zh) | 2023-10-27 |
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|---|---|
| CN (1) | CN116956619A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117892471A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-16 | 中南大学 | 标准路基段接触网系统参数化建模方法及系统 |
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2023
- 2023-07-31 CN CN202310949933.4A patent/CN116956619A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117892471A (zh) * | 2024-03-13 | 2024-04-16 | 中南大学 | 标准路基段接触网系统参数化建模方法及系统 |
| CN117892471B (zh) * | 2024-03-13 | 2024-05-28 | 中南大学 | 标准路基段接触网系统参数化建模方法及系统 |
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