基于标准知识图谱元结构的BIM自动标准审查系统

基于标准知识图谱元结构的bim自动标准审查系统
技术领域
1.本发明属于建筑标准审查技术领域，具体涉及一种基于标准知识图谱元结构的bim自动标准审查系统。


背景技术：

2.每个建筑工程项目都必须通过依据国家规范及行业标准实施的设计成果审查。过去多由人工审查平面图纸表达的设计成果，审查过程消耗大量人力物力。建筑信息模型(building information mdeling，bim)是一种在计算机辅助设计（cad）等技术基础上发展起来的多维建筑模型信息集成管理技术；bim技术的出现为自动规则审查提供了可能。
3.研究与开发基于bim的自动规则审查系统存在两个技术难点：如何在审查中对建筑信息进行提取处理，以及如何将文本标准转译为计算机可读的审查代码。解决它们的关键是标准解析，即解析国家规范及行业标准的文本中的语义信息。标准解析不只是要理解标准条文中的潜在含义，还需要去结合标准审查专家的知识。目前，常见的标准解析的方法是标准专家为软件工程师逐条解释标准，软件工程师基于他们的理解将标准编写为可以执行的代码。然而，这样的方式存在两个问题，一是建筑工程标准条文的数量庞大，开发周期过长；二是软件工程师与专家之间存在知识鸿沟，沟通成本高昂。
4.近年来，用于标准解析的nlp备受关注。如郭和周等人使用nlp解析标准文本，并自动生成可执行代码，nlp较适合直白的简单的标准，但它无法适应标准中逻辑复杂的句式，更无法处理如“窗地面积比”这样需要进一步解释的概念。为解决以上问题，用包含审图专家的知识的cg对标准进行知识表达，将cg与编码规则关联，来实现审查编码。但cg因标准细节不同而发生变化，且变化规律不明确。因而该方法可以更好地处理复杂的句式与非显性概念，却不能很好地服务于自动生成可执行的代码。要实现解析大多数标准并自动生成可执行代码的目的，需要一种更有规律的，并且支持计算机程序查询与推理的知识表达方式。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种基于标准知识图谱元结构的bim自动标准审查系统，该系统可自动解析标准并自动生成计算机可读的审查代码并执行审查，无需程序开发人员介入，可自动进行合规性审查。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于标准知识图谱元结构的bim自动标准审查系统，包括应用层、数据库层、代码层和附加算法层；所述应用层包括标准解析代理和标准审查代理，标准解析代理用于引导标准专家输入标准释义，标准审查代理用于标准审查用户提交bim数据与获取审查报告；所述数据库层用于将标准专家输入的标准释义拆分为多个元语义，并按照元语义之间的链接关系构成元结构，根据标准不同，每条标准由一个或者多个元结构构成一个标准知识图谱，标准知识图谱存储在图数据库中；其中，所述元结构是由主语节点、谓语节点、
宾语节点和条件节点通过链接关系连接在根节点上建立的，根节点通过解释关系连接在其他根节点上；所述代码层用于接受标准审查代理的生产任务并自动生产执行代码，调研附加算法层的算法完成数据检索和数据审查任务，并返回审查结果；所述代码层包括审查模块和数据检索模块；数据检索模块用于从bim模型检索信息，审查模块用于对检索信息进行审查与审查结果输出；所述附加算法层包括用于配合数据检索模块查询bim模型信息的ifc接口与用于确定需要调用的标准判别方法的方法库；代码层通过调用附加算法层获得对应信息后通过相互数据传递来实现审查的目的。
7.进一步地，所述元结构中四个节点的属性约束如下：所述条件节点用于引入审查的先决条件，条件节点的属性包括总数和逻辑门；总数是用于要求填入整数值，逻辑门是先决条件的逻辑关系；所述主语节点用于描述被审查对象，主语节点的属性包括名称和描述；名称是用于要求填入字符串表达主语的数据类型，描述是用字符串存储主语的描述；所述谓语节点用于描述被审查对象与待审信息的关系，谓语节点的属性包括名称、关联和关联主体，关联用于要求填入字符串描述谓语；关联主体用于要求填入字符串描述谓语的对象；所述宾语节点用于描述待审信息，宾语节点的属性包括名称、描述和逻辑门；名称用于要求填入字符串表达宾语的数据类型；描述用于列表结构存储判断规则；逻辑门用于判断规则的逻辑关系。
8.进一步地，所述标准知识图谱为元结构相互链接嵌套而成并连接有原文知识图谱，原文知识图谱由标准节点构成；所述标准节点的属性包括名称和标准条文；名称用于存储字符串表达的标准编号；标准条文用于存储该条标准原文。
9.进一步地，调用知识图谱推理方法自动获取标准知识图谱中存储的审查先决条件、被审查对象、被审查对象和待审信息的关系、以及待审信息，以生成驱动审查所需可执行代码，具体包括如下步骤：步骤1：判断条件节点的总数属性值是否大于0，若为是，则调用知识图谱推理方法获取元结构信息；若为否，则输出条件节点的逻辑门值及总数值并继续判断其他节点信息；步骤2：判断主语节点的名称值中是否存在关键字根节点，若为是，则调用知识图谱推理方法获取与之相连的元结构；若为否，输出主语节点的名称值；步骤3：直接输出谓语节点的关联主体值；步骤4：判断宾语节点的名称值是否含有关键字根节点，若为是，则调用知识图谱推理方法获取与之相连的元结构，若为否，输出宾语节点逻辑门值与描述值。
10.进一步地，所述数据检索模块用于检索谓语节点的关联主体值是否为属性、空间、构件或方法库；若谓语节点的关联主体值是属性，则当前审查内容为对象的属性判断；主语节点的名称值与宾语节点的描述值输入数据检索模块，数据检索模块根据名称值和描述值列表中的第一位数值调用ifc接口中的对象与属性查询方法，生成用于检索审查对象id与对象属性真实值的代码；
若谓语节点的关联主体值是空间，则当前审查内容为对象与空间之间的判断；主语节点的名称值与宾语节点的描述值输入数据检索模块，此时描述值列表中的第一位数值为描述空间的属性，数据检索模块调用ifc接口中的对象与对象关联空间的查询方法，生成用于检索对象id、对象关联空间及空间属性真实值的代码；若谓语节点的关联主体值是构件，则当前审查内容为空间与空间包含的构件之间的判断；主语节点的名称值与宾语节点的描述值输入数据检索模块，此时描述值列表中的第一位为构件的名称；数据检索模块调用ifc接口中的空间与空间包含对象的查询方法，生成用于检索空间id、空间内包含构件及构件属性真实值的代码；若谓语节点的关联主体值是方法库，则当前元结构用于从方法库中调用特殊计算方法；主语节点的名称值输入方法库中，根据名称中描述方法的名称输出对应方法，方法调用数据检索模块根据审查需求生成用于检索方法需要的信息的代码；检索出的信息输入方法进行运算并输出。
11.进一步地，所述标准解析代理包括用于展示标准知识图谱的标准结构展示单元和用于录入标准释义构成标准知识图谱的录入单元。
12.进一步地，所述标准审查代理包括用于上传bim数据的bim模型单元、用于输入需要审查的标准的输入单元、以及用于展示当前标准知识图谱的展示单元、以及显示审查状态及信息的审查单元；通过交互输出审查结果报告。
13.本发明具有如下有益效果：（1）从svo三元组发展出的一种新的适合标准文法与逻辑的元结构，并根据标准语义关系提出元结构之间的链接规则，标准语义逻辑建立了以元结构为基元的标准知识图谱构建方法及知识推理方法；在兼顾描述标准复杂语义关系的同时还支持图推理来获取可执行的代码；（2）可自动解析标准并生成可执行代码，从而完成自动审查，全过程无需软件工程师干预。
附图说明
14.图1为本发明的结构示意图；空心箭头表示用户数据的输入与输出；细线箭头表示程序内部数据流向；加粗箭头表示对细节的进一步描述。
15.图2为本发明的元结构示意图。
16.图3为本发明元结构的种类属性结构示意图。
17.图4为本发明的标准知识图谱结构示意图。
18.图5为本发明标准知识图谱推理过程示意图。
19.图6为本发明数据检索模块的运行过程示意图。
20.图7为本发明标准解析代理页面示意图。
21.图8为本发明标准审查代理页面示意图。
22.图9为标准《住宅设计规范》gb 50096-2011第5.5.2条的元结构示意图。
23.图10为图9中atos元结构示意图。
24.图11为标准《住宅建筑规范》gb 50368-2005第 7.2.2条的元结构示意图。
25.图12为图11中atos1元结构示意图。
26.图13为图11中atos1-1元结构示意图。
27.图14为图11中atos2元结构示意图。
28.图15为标准《建筑设计防火规范》gb50016-2014第5.5.27条的元结构示意图。
29.图16为图15中atos3元结构示意图。
30.图17为图15中atos3-1元结构示意图。
31.图18为图15中atos4元结构示意图。
32.图19为图15中atos4-1元结构示意图。
33.图20为图15中atos5元结构示意图。
34.图21为图15中atos6元结构示意图。
具体实施方式
35.如图1所示，本实施例提供的基于标准知识图谱元结构的bim自动标准审查系统包括应用层、数据库层、代码层和附加算法层。
36.所述数据库层用于将标准专家输入的标准释义拆分为多个元语义，并按照元语义之间的链接关系构成元结构，根据标准不同，每条标准由一个或者多个元结构构成，每个标准形成一个标准知识图谱，标准知识图谱存储在图数据库中。
37.通过大量分析建筑标准的语义逻辑，本实施例提供的元结构以主语节点s、谓语节点v、宾语节点o三个节点组成的svo三元组表达一个规则判断的元语义，并增加一个条件节点if表达先决条件状态信息，四个节点通过链接关系rel-1连接在根节点r上，如图2和图3所示，根节点是元结构根部，它是元结构与标准知识图谱的其他节点连接的纽带。
38.四个节点的属性约束如下：条件节点用于引入审查的先决条件，条件节点的属性包括总数和逻辑门；总数是用于要求填入整数值，即表示该基本语意依赖的先决条件数量；逻辑门是先决条件的逻辑关系，常用与非门。
39.主语节点用于描述被审查对象，主语节点的属性包括名称和描述；名称是用于要求填入字符串表达主语的数据类型，如空间；描述是用字符串存储主语的描述，如卧室；描述可为空。
40.谓语节点用于描述被审查对象与待审信息的关系，谓语节点的属性包括名称、关联和关联主体。在谓语节点中名称大多数情况下为空，数据类型为默认；关联用于要求填入字符串描述谓语；关联主体用于要求填入字符串描述谓语的对象。
41.宾语节点用于描述待审信息，宾语节点的属性包括名称、描述和逻辑门。名称用于要求填入字符串表达宾语的数据类型，如属性；描述用于列表结构存储判断规则；逻辑门用于判断规则的逻辑关系，例如，要描述“高度大于等于7000mm，且厚度至少等于20mm”，则描述包括两个子表，分别为[“高度”，“》=”，“7000”]和[“厚度”，“》=”，“20”]，逻辑门为与门。
[0042]
基于节点及其属性建立了元结构的链接规则，进而建立了以元结构为基元的标准表达方法，如图4所示，标准节点l用于描述标准条文，标准节点的属性包括名称和标准条文；名称用于存储字符串表达的标准编号，如gb 50368-2005 5.5.1；标准条文用于存储该条标准原文。标准节点属于整本设计规范条文的原文知识图谱，所有标准节点以设计规范条文目录架构连接。建立的标准知识图谱则以根节点连接到标准节点上，进而实现将标准
知识图谱与原文知识图谱链接。
[0043]
当把根节点连接在根节点以外的其他节点上时，表示对这个节点进一步描述，节点之间用解释关系rel-2连接。同一个根节点可以连接在多个节点上，每个节点也可以连接多个根节点。需要说明的是，当svo三元组各节点需要被进一步描述时，须在名称属性中填入根节点作为关键词，为后续的代码生成提供递归的状态信息。而条件节点用总数属性不为空且不为0作为关键词，为后续的代码生成提供递归的状态信息。
[0044]
一条标准以元结构相链接的结构形式存储在图数据库里。为了自动获取标准知识图谱中存储的审查先决条件、被审查对象、被审查对象和待审信息的关系、以及待审信息，以驱动审查所需可执行代码的自动生成，本实施例提供了一种标准知识图谱的推理方法，该推理方法对图数据库中的标准具有普适性，这得益于标准知识图谱中固定不变的元结构与元结构链接形成的近似递归结构的形态。
[0045]
从标准节点开始匹配标准节点相连的元结构，调用标准知识图谱图推理方法获取元结构中各节点信息，并进行信息判断与信息输出，信息判断的主要目的是为了进一步探索链接在条件节点、主语节点与宾语节点上的元结构。如图5所示，标准知识图谱的推理方法包括如下步骤：（1）判断条件节点的总数属性值是否大于0，若为是，则调用知识图谱推理方法获取这些元结构信息，表示条件节点上连接了一个或多个元结构；若为否，则输出条件节点的逻辑门值及总数值并继续判断其他节点信息；（2）判断主语节点的名称值中是否存在关键字根节点，若为是，则调用知识图谱推理方法获取与之相连的元结构；若为否，输出主语节点的名称值；（3）直接输出谓语节点的关联主体值；（4）判断宾语节点的名称值是否含有关键字根节点，若为是，则调用知识图谱推理方法获取与之相连的元结构，若为否，输出宾语节点逻辑门值与描述值。
[0046]
所述代码层用于接受标准审查代理的生产任务并自动生产执行代码，调研附加算法层的算法完成数据检索和数据审查任务，并返回审查结果；输出的审查先决条件、被审查对象、被审查对象与待审信息的关系、以及待审信息通过代码层最终生成可执行的用于信息检索与标准审查的代码。
[0047]
所述代码层包括审查模块和数据检索模块；数据检索模块用于从bim模型检索信息，审查模块用于对检索信息进行审查与审查结果输出。所述附加算法层包括用于配合数据检索模块查询bim模型信息的ifc接口与用于确定需要调用的标准判别方法的方法库。代码层通过调用附加算法层获得对应信息后通过相互数据传递来实现审查的目的。
[0048]
在面对不同标准时审查模块工作流程相同。审查模块接收数据检索模块输出的存有审查对象id与审查内容的真实值的字典，结合宾语节点的描述值列表中二三位、逻辑门值及条件节点的逻辑门值、总数值，生成审查代码。
[0049]
在面对不同标准时，数据检索模块根据不同标准生成用于检索不同种类信息的代码。检索结果最终输入审查模块中生成标准审查代码。根据谓语节点的关联主体值的不同，如图6所示，所述数据检索模块用于检索谓语节点的关联主体值是否为属性、空间、构件或方法库；若谓语节点的关联主体值是属性，则当前审查内容为对象的属性判断；主语节点
的名称值与宾语节点的描述值输入数据检索模块，数据检索模块根据名称值和描述值列表中的第一位数值调用ifc接口中的对象与属性查询方法，生成用于检索审查对象id与对象属性真实值的代码；若谓语节点的关联主体值是空间，则当前审查内容为对象与空间之间的判断；主语节点的名称值与宾语节点的描述值输入数据检索模块，此时描述值列表中的第一位数值为描述空间的属性，数据检索模块调用ifc接口中的对象与对象关联空间的查询方法，生成用于检索对象id、对象关联空间及空间属性真实值的代码；若谓语节点的关联主体值是构件，则当前审查内容为空间与空间包含的构件之间的判断；主语节点的名称值与宾语节点的描述值输入数据检索模块，此时描述值列表中的第一位为构件的名称；数据检索模块调用ifc接口中的空间与空间包含对象的查询方法，生成用于检索空间id、空间内包含构件及构件属性真实值的代码；若谓语节点的关联主体值是方法库，则当前元结构用于从方法库中调用特殊计算方法；主语节点的名称值输入方法库中，根据名称中描述方法的名称输出对应方法，方法调用数据检索模块根据审查需求生成用于检索方法需要的信息的代码；检索出的信息输入方法进行运算并输出。
[0050]
所述应用层包括标准解析代理和标准审查代理，标准解析代理用于引导标准专家输入标准释义，标准审查代理用于标准审查用户提交bim数据与获取审查报告。
[0051]
所述标准解析代理的页面如图7所示，左侧为标准结构展示单元，一般展示为标准知识图谱，根据通过鼠标等工具将标准知识图谱放大查看具体每个元结构。右边通过录入标准释义构成标准知识图谱录入单元。具体地，标准释义是以由构件与要求组成的最小审查单元组成。当标准有审查先决条件时，在标准执行环境中选择是，在构件栏中输入审查对象。在要求栏中输入审查信息，如果有多个审查条件点击+，并填入条件之间的关系与或者或。录入完毕点击提交。点击提交后最小审查单元会清空，如果有下一个元结构，可以继续填写并提交。当标准没有审查先决条件时，直接在标准栏中输入释义。完成完整的标准释义录入后点击完成提交完整标准，并开始录入下一条。
[0052]
所述标准审查代理的页面如图8所示，左侧bim模型单元处上传bim数据，在标准栏中输入需要审查的标准，具体可输入标准编号，标准结构中展现当前标准知识图谱，审查流程中显示审查状态及信息，通过交互输出审查结果报告。
[0053]
基于元结构的标准知识图谱示例对中国建筑标准进行语义分析，svo三元组中需要被进一步说明的节点为主语节点s与宾语节点o，当标准条文中存在先决条件时，条件节点if也需要被进一步说明。
[0054]
以标准《住宅设计规范》gb 50096-2011第5.5.2条为例进一步对主语节点的待审查信息说明：标准《住宅设计规范》gb 50096-2011第5.5.2条的条文为卧室、起居室的室内净高不应低于2.40m。
[0055]
被审对象为卧室、起居室两类空间，待审信息为名为净高的属性大于等于2.40m，被审对象与待审信息的关系为空间有名为净高的属性，且不存在先决条件。标准《住宅设计规范》gb 50096-2011第5.5.2条的元结构如图9所示。由于标准要求审查名为卧室和起居室的两类空间，而不是所有空间，一个元结构atos被链接到了主语节点上对空间进行定义描述，这个元结构如图10所示，其含义为空间的名称这一属性等于卧室或起居室，被审对象为
所有空间，待审信息为名称这一属性等于卧室或名称这一属性等于起居室，被审对象与待审信息的关系为空间有名称这一属性。
[0056]
以标准《住宅建筑规范》gb 50368-2005第7.2.2条为例进一步对宾语节点待审查信息说明：标准《住宅建筑规范》gb 50368-2005第7.2.2条的条文为卧室、起居室、厨房的外窗窗地面积比不应小于1/7。
[0057]
被审查对象为卧室、起居室、厨房的外窗，待审信息为名为窗地面积比的属性大于等于1/7，被审对象与待审信息的关系为构件有名为窗地面积比的属性，且不存在先决条件，标准《住宅建筑规范》gb 50368-2005第7.2.2条的元结构如图11所示。由于被审查对象有两个限定，必须链接两个元结构atos1与元结构atos1-1来描述这两个限定，元结构atos1结构如图12所示，atos1中被审对象为外窗，待审信息为空间的名称这一属性等于卧室或空间的名称这一属性等于起居室或空间的名称这一属性等于厨房，被审对象与待审信息的关系为构件属于这一类空间，且不存在先决条件。
[0058]
由于atos1的被审对象不是所有的窗，则要把atos1-1链接在atos1的主语节点上定义描述窗户类型。在atos1-1中，被审对象为窗户，待审信息为名为类型的属性等于外部，被审对象与待审信息的关系为构件有类型这一属性，且不存在先决条件，atos1-1结构如图13所示；分析标准的待审信息名为窗地面积比的属性大于等于1/7，窗地面积比是指窗户面积与它所属空间地面面积的比值，一般无法直接从bim模型中直接提取，需要调用外部方法进行分析。如图11把元结构atos2链接在宾语节点上定义窗地面积比。其结构如图14所示，被审对象为窗地面积比，待审信息为空，被审对象与待审信息的关系为属于方法库，到方法库调用名为窗地面积比的函数进行计算。
[0059]
以标准《建筑设计防火规范》gb50016-2014第5.5.27条为例进一步对条件节点说明：标准《建筑设计防火规范》gb50016-2014第5.5.27条的条文为建筑高度大于21m、不大于33m的住宅建筑应采用封闭楼梯间，当户门采用乙级防火门时，可采用敞开楼梯间。
[0060]
封闭楼梯间的审查要点指向楼梯间有常闭防火门。在对这类具有隐性知识的标准进行标准解析时，需要依靠标准专家的审图经验。依据标准专家的解析，标准的被审对象为楼梯间一类空间，待审信息为楼梯间中有防火门，被审对象与待审信息的关系为空间中有构件，并且标准存在先决条件。由此标准《建筑设计防火规范》gb50016-2014第5.5.27条的元结构如图15所示。
[0061]
标准先决条件为建筑高度大于21m、不大于33m的住宅建筑且户门防火等级不为乙级的建筑，可拆分为两条先决条件：建筑高度大于21m、不大于33m的住宅建筑且户门防火等级不为乙级的的建筑，因而两个元结构atos1与atos2直接链接到条件节点上对先决条件定义描述，且条件节点的逻辑门属性为与门，以下分别介绍两条先决条件：（1）建筑高度大于21m、不大于33m的住宅建筑的元结构连接图如图16所示。被审对象为住宅建筑，而不是所有类型建筑，atos1-1链接在主语节点上描述建筑类型，atos1-1结构如图17所示。待审信息为名为立面高度的属性小于等于33000mm且名为立面高度的属性大于21000mm。被审对象与待审信息的关系为建筑有名为立面高度的属性。
[0062]
（2）户门防火等级不为乙级的建筑的atos2元结构如图18所示。被审对象为户门，而不是所有类型的门。atos2-1链接在主语节点上描述门的类型，atos2-1结构如图19所示。待审信息为名为防火等级的属性不等于甲或者乙级，被审对象与待审信息的关系为户门有
名为防火等级的属性。
[0063]
由于标准要求审查名为楼梯间的空间，因而atos3链接在主语节点上对空间进行定义描述，atos5结构如图20所示。由于标准待审信息为要有类型为防火门的门，因而atos6链接在宾语节点上定义防火门，atos6结构如图21所示。
[0064]
以上所述仅是本发明优选的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何基于本发明所提供的技术方案和发明构思进行的改造和替换都应涵盖在本发明的保护范围内。