第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
随着国民经济水平的不断提升，建筑业得到快速发展，围绕建筑业的各种商业化模式逐渐形成规模。建筑设计作为工程建设的基础，成为目前较为热门的产业。在建筑设计中，电气设计尤为重要。其中，照明设计是建筑电气工程项目中不可或缺的一部分，其设计的合理与否决定了建筑物的使用性能，因此照明设计应严格遵循规范设计。
随着信息化时代的到来，计算机辅助设计 CAD（Computer Aided Design）技术逐渐成为照明设计的重要工具，这种方式因其可复制、易更改的特点解决了传统纸笔绘制图纸方式繁琐、操作复杂的问题，且使人工绘制的纸质图纸转化为易于保存和管理的电子版工程图纸。但设计过程中仍存在操作繁琐等缺点，设计人员需要经常重复同一样操作，譬如统计各个房间面积进行设计，造成人力资源的浪费。 建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)被视为全球建筑工程和建筑设施管理行业中最具影响力的技术之一[1]，已在一些发达国家得到广泛应用，包括英国、美国和韩国。而在发展中国家，BIM 发展不成熟、应用有限。随着三维图纸的兴起，BIM制图技术逐渐大众化。BIM 技术为设计人员提供了协同工作的平台，将各专业信息整合在一起，可以减少或消除潜在的错、漏、碰、缺等设计问题[2]。目前，越来越多的工程被要求应用 BIM 进行设计，因此，国内陆续出台了一系列 BIM 标准[3]。然而 BIM 技术与照明设计专业的结合还处于起步阶段[4]。国内大部分设计院对 BIM 技术的使用仍停留在翻模阶段[5]，即先基于二维图纸完成照明设计，再将设计结果转化为三维图纸，和使用 CAD 设计并无本质上的区别，没有体现出 BIM 的优势。综上所述，基于 BIM 平台的电气照明自动设计技术的研究对于解决以上问题具有重要的意义。
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1.2 研究发展现状
本课题研究对象为电气照明设计，理论依据来源于规范解读和模型准备，分别对照明设计、规范解读和模型准备的研究发展现状进行阐述。
1.2.1 照明设计研究现状
照明具有悠久的历史，从火的使用到现如今各种光源和照明方式的探索，它改变了人们依靠自然光日出而作、日落而息的生活方式，使人们超越了自然昼夜的限制。而随着社会的发展，人们生活水平的提高，人们对照明的理念也在不断进步。马秀峰等[6]通过对近十几年内有关建筑室内照明的文献进行可视化分析，发现建筑室内照明的研究内容由单一性转化为多元性、研究价值由技术性转变为人文价值。即现阶段的照明设计更注重以人为本，研究重心集中在照明的舒适性及节能方面[7-10]，然而有关提高设计人员的设计自动化水平的研究却很少。
Zhdanov 等[11]考虑了不同照明单元（如背光系统、LED 阵列和灯箱）的光学特性自动设计方法，并与 SPECTER 光学仿真软件集成。该算法仅适用于背光系统的设计。江莉等[12]将影响作业面平均照度的 10 个参数输入到 RBF 网络中，确定灯具数量和计算照度。该方法输入参数过多，影响收敛速度。郑晓芳等[13]提出图形识别的方法提取出设计对象的面积和功能等参数，再通过 DIALux 软件获得符合标准的布灯方案，一同作为GRNN 神经网络的输入训练模型，使其后期能自动生成布灯方案，达到自动设计的目的。该方法存在训练样本采集困难、工作量大的问题。以上的照明自动设计是以人工查询规范的方式确定设计方案的合理性，且与工程项目出图软件基于不同的平台，因此设计与图纸的绘制是分开的，效率低。
在建筑工程领域，BIM 技术的应用越来越广泛。BIM 技术与其他专业软件的信息交换方法有两种[14]，一是将信息保存为两者兼容的数据标准格式 IFC（Industry Foundation Class），二是通过其他软件的插件与接口进行信息交换。傅军栋等[15]提出了基于 BIM 的区域光效法照度计算策略，通过绿色建筑可扩展标记语言 gbXML（green building XML）与 IFC 建立算法与模型的联系，其是在假设计算所需参数都给定的基础上实现的。
照明领域专业的分析建模软件有 ElumTools、DIALux、DIALux evo 和 Relux 等，其中只有 DIALux evo 7.0 及以上版本和 ElumTools 可以与 BIM 平台进行数据交换。DIALux evo 向 BIM 提供了开放接口，支持 IFC 数据的导入，但不支持非空间对象的 IFC 数据导入。ElumTools 是基于 BIM 软件 Autodesk Revit 开发的插件，可以模拟各种照明环境，但是其仅支持英文，昂贵的售价难以在国内市场推广。
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第二章 相关理论和技术基础
2.1 自然语言处理技术
自然语言处理（Natural Language Processing，NLP）是人工智能领域的一个重要分支，研究使用自然语言就能实现人与计算机间有效通信的方法，用于改善人机交流[29]。目前自然语言处理技术被广泛应用于机器翻译、智能问答、文摘生成和文本分类等方面[30]，本文将其应用于构建领域知识图谱中。本节将对构建电气照明规范知识图谱时使用到的 NLP 工具做简单的介绍。
2.1.1 中文分词工具
中文文本中词与词组成连续的字符串，没有明显的分隔符，因此中文分词是处理任何中文自然语言任务的一项基础工作，其切分结果的好坏直接影响自然语言处理技术的可靠性与实用性。
目前主要的中文分词方法可以分为两类：基于词典匹配的方法和基于统计的方法[31]。在实际应用中一般是将词典与统计方法结合，jieba 分词是这一类方法的代表，其原理如下。
Step1：构造前缀词典
Trie 定义一个由词条、词频和词性三列组成的空的 python 字典 dict.txt，以词条作为该字典的键，词频为对应的键值，然后再遍历该词条的前缀，若前缀对应的键不在该字典里，则将该前缀为字典新的键，键值默认为 0。
Step2：生成有向无环图
DAG（Direct Acyclic Graph） 重新定义一个空的 python 字典，以当前子句元素的索引作为该字典的一个键，键值默认为一个空的列表，再以当前索引作为起始索引，不断向后遍历生成子串。若子串的键值在前缀词典里则将子串的终止索引添加到列表中。
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2.2 知识图谱研究
2.2.1 知识图谱定义
2012 年，谷歌首次提出知识图谱，其初衷是提高搜索引擎的搜索能力，提高用户的搜索质量和搜索体验。知识图谱作为人工智能领域关键技术之一，具有语义表达能力强，机器可理解、关联清晰、查询效率高和数据模式可动态变化等优点[35]。其强大的语义处理能力和开放的组织能力为互联网时代的知识化组织以及智能应用奠定了基础。本文将通过构建知识图谱来完成电气照明规范的转译。
2.2.2 知识图谱架构
知识图谱的架构可分为以下两个层面：
（1）逻辑层面
知识图谱的逻辑结构可分为数据层和模式层，其中模式层位于数据层之上。 模式层：知识图谱的核心，存储概念类，通常通过本体库管理。
数据层：由一系列事实组成，存储真实的数据。
（2）技术层面
知识图谱的架构如图 2-3 所示，分为知识获取、信息抽取、知识融合、知识处理和知识存储五部分。其中虚线框中内容为知识图谱的构建过程。
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第三章 电气照明规范知识图谱构建 .............................. 12
3.1 电气照明规范语料获取 ............................... 12
3.1.1 规范体系分类 ......................................... 12
3.1.2 语料格式处理 .................................. 14
第四章 电气照明设计建筑模型信息抽取 ............................ 29
4.1 Revit 二次开发环境配置 ........................................ 29
4.1.1 Revit API ........................................ 29
4.1.2 Revit API 开发工具 .................................. 29
第五章 电气照明自动设计系统插件开发 ................................. 48
5.1 照度计算方法 ........................................... 48
5.1.1 点照度计算 ........................................... 48
5.1.2 平均照度计算 ........................................... 49
第五章 电气照明自动设计系统插件开发
5.1 照度计算方法
照度计算方法分为点照度计算和平均照度计算[60]。
5.1.1 点照度计算
在计算机辅助设计领域有关设计自动化的研究可概括为如何对一部分具有可计算目标、评价体系、有限操作维度的事务性设计环节实现计算机自动设计[59]。电气照明设计的可计算目标为照度标准值，评价体系为照度均匀度和功率密度值等，经过有限操作完成灯具选择和布置，可视作有限操作维度的事务性设计。电气照明设计的自动化可以减少重复性机械设计内容所占用设计人员的时间精力，大幅提高设计人员的效率，缩短项目设计周期，从而使设计师有更多的时间用于创作性思考，以期提高照明设计的最终品质。
当光源尺寸远远小于光源到计算点的距离时，将光源视作点光源。点照度计算得到的为该光源在被照面上某一点的直射照度。
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第六章 总结与展望
6.1 总结
现如今电气照明设计领域自动化程度不高，出图效率低下，导致设计人员大部分的时间浪费在绘图上，而真正用于创作设计的时间极少。并且设计人员缺乏经验将导致耗费大量时间查阅设计规范，因此，本文在分析电气照明规范和建筑模型数据的基础上，提出了一种基于 BIM 的电气照明自动设计方法。 本文完成的工作：
（1）分析电气照明规范的特点，得到上层概念，利用 Protégé 结合七步法完成了知识图谱模式层的初步构建；通过引入互信息和边界熵解决 jieba 分词对本领域专业名词切分开的问题；对正确分词后的规范进行词性标注，利用语义角色标注和依存句法分析识别出每句条文的主谓宾，完成知识图谱数据层的构建；最后对数据层的数据进行分析处理，归纳规范条文的组成规则，完善了模式层的结构，并将所有数据存储到图数据库Neo4j 中，实现电气照明规范的结构化。
（2）对照明设计所需的建筑模型信息进行分析，针对 IFC 文件里缺少的属性进行定义，弥补了 IFC 标准在电气专业上的一些不足，并通过 Revit 二次开发技术抽取用于照明设计的建筑模型信息，利用 MySQL 搭建了 BIM 模型数据库，存储抽取出的信息，并将房间信息用于三维标注，实现三维视图下房间功能的可视化，便于设计人员掌握建筑布局。
（3）利用 Visual Studio 2019 平台.NET Framework 框架设计开发了基于 Revit 的电气照明自动设计插件系统，并对系统的架构设计、功能设计和界面设计进行了阐述。通过 ADO.NET 数据库访问技术得到照明设计所需信息，输入至照明计算模块，自动生成布灯方案。
参考文献（略）