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消防设备符号的特征识别技术研究

2015/8/3 0:22:18      点击:
摘要:在日益讲究效益的今天,建筑物设计审核和工程量统计的工作效率已经不能完全跟上时代的发展。利用计算机来辅助审核建筑工程项目将是今后发展的方向。为了尝试解决这个问题,本文在理解建筑消防规范的基础上对建筑消防工程图加以理解,利用计算机辅助技术,以期解决建筑物消防审查中的关键问题。本文利用面向对象的程序设计方法,采用Visual Basic语言,得出了消防特征类的层次模型;接着对DXF文件格式进行深入的分析,并给出了读取DXF文件的方法;然后对消防设施的图形识别方法进行了研究之后,提出了消防符号信息提取的实现方法。最后通过实例演示,给出了识别模块的具体实现方案,研究了影响系统模块的准确性的因素,并提出了改进与完善措施,这为后续的计算机辅助审核和工程量统计系统的研究打下了良好的基础。
0引言
    审核、验收这两个环节是建筑工程中法律监督的关键。建筑工程的消防设计审核,直接影响到建筑物的安全状况,是消防审核的第一道关口。因此,审查工程相关图纸是消防监督工作的核心。消防审验制度是新修订施行的《中华人民共和国消防法》的重要内容之一,消防审验改革将涉及到社会众多方面,而设计把关和建筑防火审核是消除建筑火灾隐患的有力手段。依法应当经公安机关消防机构进行消防设计审核的建设工程,未经依法审核或审核不合格的,负责审批该工程施工许可的部门不得给予施工许可,建设单位、施工单位不得施工。但是建筑物的设计审核步骤冗长,大体上都要经过十几到几十种审查,例如消防审查、水电审查等,同时需要在每个阶段加盖许多相关部门的公章「I-3]。这些审查目前基本都是需要耗费大量的人工手段来完成,所以完成某些建筑设计的审批工作需要比较长的时间。
    为解决消防审查和工程量统计耗时耗力的晴况,可以这利用计算机应用的辅助功能得以实现。计算机对于CAD图形的识别和理解的这项工作量难度大,复杂程度高。当前国内外科研院所对工程图自动识别技术进行了广泛的研究,取得了不同的成果和相关的产品。国外的有德国Softelec公司的VP HybridCAD,美国GTX公司的GTXRaster CAD Series。挪威Rasterex公司的Rx-autoImage Pro等。国内主要有清华紫光的TH-DAIMS图纸处理系统,华中科技大学的EDIS工程图信息系统,西北工业大学CAD中心的NPU-ERRS工程图输入与识别系统,东大阿尔派的SEAS系统,中科院计算所的VMAN等。
    计算机在当前的科技水平下,对这些繁杂的语言、文字以及图形的准确识别和完全理解还非常具有难度。大多数开展的研究都是针对CAD图形中的某些特定方面或者专门的算法。例如工程图分块处理,基于目标的图像分块算法,图像的自动矢量化算法,特征词模型及形状模型的图像识别,工业零部件序列图像的线特征提取方法,图像检索算法,图样信息的分层组织和基于图样信息集成的基元体分层识别等fa-910
    针对建筑消防工程图中的具有消防功能的部件表示的图形,提出自动识别方法。这种具有有效性和针对性的方法,将为消防设计、审查和统计工作将节省时间,减轻相关工作人员的负担,最终可以对建筑物的提早施工赋予一定的时效性意义。
1确定消防设备图形特征模型
    在面向对象程序中,对象(Object)是包含客观事物特征的抽象实体,它由属性(Attribute)和行为(Action)两部分组成。类(Class)是具有相同属性和行为的一组对象的集合,它为属于该类的全部对象提供了统一的抽象描述,其内部包括属J睦和行为两个主要部分,类是对象集合的再抽象。在面向对象程序设计中,最关键的一步是确定与划分类,这与软件系统的质量紧密相关。
    为了建立消防设施类图形模型,可以把其中的信息可以封装在类中,各个信息的参数可以储存起来。基于消防设施图形和符号的特点和表达方式,定义如图1所示的建筑物的类的层次模型和消防设施类层次模型。在消防设备特征类和建筑物类的层次模型建立以后,之后所做的关于识别和理解图纸信息的工作就是对消防设备特征类对象的识别。
    通过合理的类与对象设计,实现消防设施类对象实例化。通过抽取对象特征组,由特征组自动生成识别规则,建立消防特征类图形的集合,发现图形之间的区别和关联,为图形的搜索和识别提供方便,最终确定具体的图形信息识别和理解方式。
2图形识别及获取消防设施图形信息方法
2.1数据文件分析
    近年来面向对象技术的CAD二次开发技术和CAD/CAM技术等在各个工程领域都得到了广泛的应用「}o- }_}。同时,许多绘图软件都能生成DXF型图形交换文件,由于DXF文件是标准的ASCII文件,很适合于传给其他程序做专用分析,更容易被其他程序处理,可以用各种文本编辑器和修改。标记数据的意思是指在每个数据元素前都带一个称为组码的整数。组码的值表明了其后数据元素的类型,也指出了数据元素对于给定对象(或记录)类型的含意。成对的代码和与代码相关联的值组成了DXF文件。这些代码称为组码,相关联的值则称为阻值。组码显示了组值的类型,并和此组值配对。配对的组码和组值构成了记录,记录构成了段或区域。
2.1.1 DXF文件结构分析
    DXF文件的结构具体如下:
    (1)HEADER段
    (2)CLASSES段
    (3)TABLES段
    (4)BLOCKS段
    ( 5 ) ENTITIES段:实体段含有实体,包括任何块的调用。我们最为关心的就是此段。
    (6)OBJECTS段
    (7)THL下MBNAILIMAGE段
2.1.2组码和组值
    组码和阻值共同定义对象或图元的样式。和组码相对应的组值在紧接着该组码的下一行上。一些特殊的组码是非常值得注意的信息,例如0后接SECTION表明这是一个段的开始,0后接ENDSEC表明这是该段的结尾,0后接EOF表明这个DXF文件结束。
2.1.3 ENTITIES段
    我们所做的主要是读取ENTITIES段的信息。ENTITIES段包含实体名、图层名、线型名、颜色号、起始点、坐标等几何数据。ENTITIES段的实体类型主要有LINE , CIRCLE , SOLID , TEXT ,SHAPE、BLOCK、INSERT、ATTRIB、POLYLINE等,这些图形元素数据,它们之间相互联系并且具有自身特征,这些元素构成了整个图形。
2.2建筑工程图图形符号特征筛选
    对于建筑工程图中图形符号的识别是我们理解图纸的关键。对于工程图中的图形符号的特征分析尤为重要,这为识别和理解图形奠定基础。工程图中的图形符号,是具有几何特征和语义特征的基本元素的集合体。虽然符号具有一定的静态特征,但是它们由于表达需要和设计者的不同,在图纸中的表现形式可能不同。在建筑消防平面图中,不同的消防图形符号表示了不同的消防功能设施,如图2所示。
    对于每种消防设施,可以依据它包含元素的特征来进行相关识别程序的编制。在此可以以消火栓按钮为研究实例,总结它的特征如下:
    消火栓按钮的图形符号由一个圆和矩形组成,圆心和矩形的中心点重合,两者内部未被填充;所在的图层与其他消防设施在同一图层中,所处位置是通常沿墙体并与与报警总线相连;合理的相邻消火栓的间距必须是满足建筑防火规范的;部分附近由于需要说明时,其旁侧有文字标注。
    特别要注意找到图形符号和其他同类和不同类符号最明显的特征,特别在有相似形状的图形符号在同一图纸中出现时,以此为区别方法的指导会使得识别的稳定性和准确性更高。
    例如对于消火栓按钮,图形符号是由一个圆和矩形组成,而且圆心和矩形的中心点重合,两者内部都未被填充,这个描述可以作为它的特征;对于感温探测器,图形符号特征是未被填充的矩形中有一条以其上边界中点为端点,垂直于该边的直线,且这条直线的另一端点落在矩形内部,也就是比矩形的左右两边长度小;对于室外消火栓,它的图形符号是由一个圆形和一条斜线组成,该斜线通过圆心且两端点落在圆上,由这条线分割开的两个半圆,其中一个被填充等。
    另外,还有许多方法,比如可以在不炸开图块的前提下,对CAD图中的设备标识识别、统计,或者利用消防图形所在图层名来进行识别等,只要识别的方法合理简洁、效率高,就可以被采用。
2.3提取图形符号信息
    在对建筑工程图图形符号的特征掌握的基础上,下面就可以提取图形符号中的信息。从相应的DXF格式文件格式中找到关于各个图形元素的基础信息数据,如形状、大小、坐标等。利用的对象层次结构、对象间关系、识别顺序等按照一定的格式加以描述,根据消防设施类图形符号的特征,获取关键数据,编写有效识别的程序提取信息。
    如前面对DXF文件数据结构中对ENTITIES段的叙述,这段包含了图纸中所以图形的信息。DXF相较于DWG,它的数据量大得多,读取它中间的全部段耗费的时间较长。根据ENTITIES段的特点,我们可以提前提取这一段的信息,不但加快了识别速度,而且避免了其他段信息的干扰。
2.4建立消防特征图形关系
    在完成消防特征图形信息的识别的基础上,我们可以记录这些信息,一般我们所关心的都是这些图形在图纸中的坐标位置。根据这些坐标,发现他们的位置关系,根据规范中对该类消防设施的位置要求,编程计算它们的关系是否符合规范,也就是达到审核的目的。
4系统模块的开发研究
    在之前进行提取消防设施图形信息的方法的基础上,在Visual Basic 6.0的编程环境中,使用VB语言设计一个建筑工程图图形前处理系统模块。系统模块主要功能是对消防设施图形进行识别和信息提取和分析图形关系,服务于消防审核的目的。
    将VB与AutoCAD连接起来,可以非常方便地在使用程序时打开图形界面进行比对核实。VB与AutoCAD连接后,就可以利用该Auto对象及其下级对象属性和方等,完成VB语言在Auto环境中的对图形的操作,对于设计和审核人员来说十分方便。
    对DXF格式文件中的ENTITIES段进行读取。鉴于以消火栓为对象,我们需要提取该段内的CIRCLE和LINE的数据。之后基于特征分析结果进行消火栓信息的提取。
    系统模块的功能如下:
    1)通过VB界面程序控制CAD的打开和关闭;
    2)导入所需分析的DXF格式建筑工程图文件;
    3)提取所需的消防设备类图形文件数据;
    4)输出消防设施类图形的信息(位置、个数等),在程序结果中显示,并判断结果是否合理;
    _5)具体查看个别消火栓位置坐标和具体消火栓的间距;
    上图是以室内消火栓为例的实例演示结果。在软件中打开DXF格式的某超市消防系统平面图之后,AutoCAD同时打开该图形,然后当点击“直线数据”、“圆数据”和“消火栓位置”后,右侧的三个文本框会对应显示所有CAD的坐标位置信息;为了获得总体的图形信息,点击“显示总体信息”后,左侧文本框会显示图中直线、圆和消火栓的个数,并且对结果的合理性作出预判断,若消火栓个数不大于圆的个数,表示预判断结果合理;之后可以根据输入的消火栓编号查看单个消火栓箱的位置或查看任意两个消防箱的间距;输入图形比例尺,点击“确定”,右侧文本框会自动计算出长度单位的结果;在总体审查阶段,只要输入间距的限定最大值和最小值,然后点击“开始审查”按钮,就会在下侧两个文本框显示总体和详细的审查结果;根据详细审查结果文本框中的内容,便可以知道哪些消火栓之间的间距不符合规范,然后返回到单个不锈钢消防箱结果部分查看具体坐标,在CAD图中便很容易根据坐标识别出不合规范的消火栓所在位置。
    通过用实际图纸的手工计算,可以得到消火栓的个数为113个,该结果与软件模块分析所得的结果一致。但是,如果工程图纸中出现与消火栓形状相似或相同的物件时,对于图形的识别必然会出现误差,这点在进行消防设备类图形的审查方面时需要特别注意。一方面,可以通过增加图形符号特征在程序当中的表达的限制来解决,用以提高系统的识别的准确率。另一方面,可以给出电脑自动审查结果之后辅以人工的修改,保证消防设备图形识别结果的准确性。
5结论
    在建筑工程高速发展的形式之下,效率非常重要。高效的工作可以节省人力和时间,也在一定程度上节约了成本。设计出一种专门针对于消防设备的系统,为消防设计和审核或者消防工程量的统计提供方便是非常有意义的。本文通过用面向对象的VB语言建立的系统模块,读取DXF格式文件建筑工程图,获得图纸中关于消防设备类图形的数据信息,为消防设计、审查和工程量统计工作可以提供有力的技术支持。
    本文举例研究了消防设备类图形的信息识别方法,在实验阶段应用该方法不同的带有消火栓的建筑工程图进行识别结果进行分析,准确率较高。存在的问题可以通过以下几个方面来完善:
    1)系统的错误发生归根结底是由于特征模型的建立和特征值的选取所决定的,所以要更全面深人地对图形进行特征分析,通过更为填密的结论,减少和避免审核和统计过程中错误的发生。
    2)由于系统的识别是基于图形的特征信息的,而当图中出现与所研究对象相同或相似的图形时,必须要辅以人工修改。虽然没有完成绝对的“自动”识别,但这并不能否认该方法对于消防审查和工程量的统计的效率提升的意义。
    3)因为消防设计不规范的问题,给消防管理机构带来了巨大的设计审核工作量,增加了管理上的难度,所以设计者需要在进行设计绘图的过程中更加规范化、标准化,这样才能使识别技术方法具有通用性。
    整个审核和工程量统计的内容有许多方面,甚至不只是关于消防的,还有其他功能的设备需要有关部门进行审核和统计。本文的思路可以为工程类图形的研究提供方向,奠定一定的理论指导作用。为了更好地节省建筑工程图消防设计审核过程中的人力和时间,保证方法具有高度的概括性和有效性,进行的研究还需进一步拓展和深化