張愛研,王雪瑤
(吉林建筑大學,吉林 長春 130118)
室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化設(shè)計是指在給定的室內(nèi)環(huán)境空間中,對環(huán)境空間、家居設(shè)備進行相應布置,使得室內(nèi)物品擺放不僅可以滿足人們的使用功能,還可以滿足人們對美學的要求,提高了室內(nèi)環(huán)境空間的使用效率[1]。室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化設(shè)計的特點就是計算量非常小,評價指標也都存在一定的模糊性,很難采用數(shù)學語言來描述,因此采用數(shù)量化的方式評定布局優(yōu)化方案具有很大意義。國外學者針對室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化提出了啟發(fā)式算法和計算智能算法等,利用計算機技術(shù)對室內(nèi)環(huán)境空間進行編碼建模,結(jié)合指定算法確定室內(nèi)環(huán)境空間布局的形式,通過3D技術(shù)實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化[2];國內(nèi)也有很多學者提出了很多空間布局優(yōu)化方法,來提高室內(nèi)環(huán)境空間布局的自動化程度,最先進的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)是在成本函數(shù)的基礎(chǔ)上,來優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境空間布局,采用模擬退火方法求解成本函數(shù),利用空間布局優(yōu)化算法來實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化[3]。
郭文斌等人在點光源小擾動的環(huán)境條件下,設(shè)計一種室內(nèi)空間布局優(yōu)化方法,利用曲面的折光能力,實現(xiàn)室內(nèi)光線的準直出射,在構(gòu)建均勻照明微分方程的基礎(chǔ)上,通過角點檢測算法,確定了每一個角點的具體位置,通過向量相交的方式,提取了室內(nèi)空間布局亮點模型的紋理特征,實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果顯示,該方法可以有效提高人們室內(nèi)居住環(huán)境的舒適度[4]。除此之外,丁志軍也在雙目立體視覺原理的基礎(chǔ)上,通過采集城市園林景觀空間格局的二維圖像,再根據(jù)二維圖像的空間格局特征點,得到了園林景觀對象的三維坐標點,建立了園林景觀三維點云模型,并采用三角網(wǎng)生長算法,建立了城市園林景觀交錯帶空間格局網(wǎng)絡(luò)模型,完成空間格局的三維重建。測試結(jié)果顯示,該系統(tǒng)的空間格局在布局上具有合理性和逼真性[5]。
基于以上背景,本文采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò),設(shè)計室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng),從而提高室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的性能。
室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò),包括室內(nèi)環(huán)境空間信息資源數(shù)據(jù)庫、室內(nèi)環(huán)境空間信息共享平臺以及室內(nèi)環(huán)境空間元數(shù)據(jù)目錄服務[6]。室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。
圖1 室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)
室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)按照組成成分可以被劃分為室內(nèi)環(huán)境空間布局的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊、空間布局管理模塊、網(wǎng)絡(luò)服務模塊以及通信鏈路模塊[7]。
室內(nèi)環(huán)境空間布局的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊包括室內(nèi)環(huán)境空間匹配系統(tǒng)、空間布局信息門戶、空間布局元數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)以及空間布局優(yōu)化管理系統(tǒng),從以上各子系統(tǒng)中提取出室內(nèi)環(huán)境空間布局的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[8]??臻g布局匹配系統(tǒng)如圖2所示。
圖2 空間布局管理與匹配系統(tǒng)
室內(nèi)環(huán)境空間布局管理與匹配系統(tǒng)在統(tǒng)一的安全保障體系下,可以滿足系統(tǒng)中每一個部門對空間布局信息利用的需求,結(jié)合室內(nèi)環(huán)境空間布局特點,還需要補充必要的空間布局信息,形成一個標準的空間布局規(guī)范體系。
在室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)中,空間布局管理模塊是其核心部分[9]。該模塊主要包括空間布局數(shù)據(jù)庫服務器、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)服務器以及應用服務器,其中空間布局數(shù)據(jù)庫服務器的工作原理如圖3所示。
圖3 空間布局數(shù)據(jù)庫服務器的工作原理
在室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的局域網(wǎng)絡(luò)中,計算機終端和空間布局管理軟件功能共同構(gòu)成了空間布局數(shù)據(jù)庫服務器,該設(shè)計可以為用戶提供檢索、更新以及管理等服務[10],不會涉及到對空間布局信息的處理。
設(shè)計室內(nèi)環(huán)境空間布局的通信鏈路模塊是為了提高空間布局數(shù)據(jù)的傳輸效率。不同的用戶對室內(nèi)環(huán)境空間布局信息的需求是不同的,導致系統(tǒng)傳輸?shù)目臻g布局數(shù)據(jù)也不相同,為了可以加快獲取空間布局信息的速度,需要設(shè)計室內(nèi)環(huán)境空間布局的通信鏈路。
根據(jù)室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)通信鏈路的連接方式,可以將通信鏈路模塊劃分為兩類,一種是點對點的鏈路連接通信,另一種是多點鏈路連接[11]。根據(jù)空間布局信息的不同通信方式,還可以將通信鏈路劃分為單向通信和雙向通信。
先利用室內(nèi)環(huán)境空間布局的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模塊,提取出室內(nèi)環(huán)境空間布局的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),再通過空間布局數(shù)據(jù)庫服務器的工作原理,設(shè)計系統(tǒng)的空間布局管理模塊,又結(jié)合通信鏈路模塊設(shè)計,實現(xiàn)了系統(tǒng)的硬件設(shè)計。
在建立室內(nèi)環(huán)境空間布局模型之前,先在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中分析室內(nèi)環(huán)境空間布局的幾何特征。室內(nèi)環(huán)境空間布局需要先對室內(nèi)環(huán)境空間進行歸一化處理,統(tǒng)一室內(nèi)環(huán)境空間的尺度和朝向[12]。通過在室內(nèi)環(huán)境空間中設(shè)定空間坐標系,規(guī)定室內(nèi)入戶門的方向與坐標軸的y軸方向是平行的,設(shè)置坐標系原點為室內(nèi)環(huán)境空間頂點的最小坐標,x軸和y軸方向分別為室內(nèi)環(huán)境空間的寬度方向和長度方向。
首先,對室內(nèi)環(huán)境空間的入口位置進行歸一化處理,得到室內(nèi)環(huán)境空間的歸一化入戶門坐標(Ex,Ey),室內(nèi)寬度為W,室內(nèi)長度為L,則歸一化入戶門坐標為:
令室內(nèi)環(huán)境空間的面積為S,室內(nèi)環(huán)境空間的長度與寬度之比為R,室內(nèi)環(huán)境空間的伸展度為C。通常采用室內(nèi)矩形中心點在坐標系x軸和y軸的協(xié)方差矩陣來描述[13],那么室內(nèi)環(huán)境空間的二維協(xié)方差矩陣可以表示為:
分析式(3)、式(4),室內(nèi)環(huán)境空間的協(xié)方差矩陣可以用cov(x,x),cov(x,y)和cov(y,y)來表示。假設(shè)室內(nèi)環(huán)境空間的幾何特征為F,表示為:
在室內(nèi)環(huán)境空間的幾何特征基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境空間布局屬性,來建立室內(nèi)環(huán)境空間布局模型[14]。假設(shè)室內(nèi)環(huán)境空間的位置坐標為(xp,yp),表示為:
式中:x表示室內(nèi)功能區(qū)域位置點在室內(nèi)環(huán)境空間布局坐標系x軸的坐標值;y表示室內(nèi)功能區(qū)域位置點在室內(nèi)環(huán)境空間布局坐標系y軸的坐標值;室內(nèi)環(huán)境空間的位置坐標屬性xp和yp通常在[0,1]內(nèi)取值。假設(shè)θp表示室內(nèi)環(huán)境空間的朝向?qū)傩?,表示為?/p>
式中θ表示室內(nèi)功能區(qū)域在室內(nèi)環(huán)境空間的朝向角度。假設(shè)(lp,wp)表示室內(nèi)環(huán)境空間的尺度,表示為:
式中:ly表示室內(nèi)功能區(qū)域在室內(nèi)環(huán)境空間中的長度;lx表示室內(nèi)功能區(qū)域在室內(nèi)環(huán)境空間中的寬度。
利用式(9)和式(10),得到室內(nèi)功能區(qū)域在室內(nèi)環(huán)境空間中的布局屬性,即:
假設(shè)室內(nèi)功能區(qū)域在室內(nèi)環(huán)境空間中消耗的能量為E,那么能耗計算公式為:
式中:E1表示室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化的穿墻約束;E2表示優(yōu)化過程中的能耗約束;E3表示室內(nèi)環(huán)境空間布局的通行約束;E4表示室內(nèi)環(huán)境空間布局的位置約束;a1,a2,a3和a4表示標準因子。
通過室內(nèi)環(huán)境空間的幾何特征及布局屬性,建立了室內(nèi)環(huán)境空間布局模型,表示為:
綜上,在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中分析了室內(nèi)環(huán)境空間布局的幾何特征,結(jié)合室內(nèi)環(huán)境空間布局屬性,建立了室內(nèi)環(huán)境空間布局模型。
在室內(nèi)環(huán)境空間布局模型的基礎(chǔ)上,采用貝葉斯網(wǎng)絡(luò),來求解室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化模型,完成室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化。
具體步驟如下:
1)確定貝葉斯網(wǎng)絡(luò)編碼,對室內(nèi)環(huán)境空間布局進行初始化處理。
2)利用式(1)計算單個室內(nèi)環(huán)境空間布局在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的適應度,表示為:
式中:Ri表示室內(nèi)環(huán)境空間格局的優(yōu)化策略;D是一個常數(shù)。
3)選擇貝葉斯子網(wǎng)絡(luò),采用優(yōu)秀的空間布局保存策略[15],選擇貝葉斯子網(wǎng)絡(luò),令在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)適應度中,空間布局被選中的概率為Pi,計算公式為:
令室內(nèi)環(huán)境空間布局在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的累積概率為Qi,即:
根據(jù)室內(nèi)環(huán)境空間布局在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)被選中的概率和累積概率,就可以選擇貝葉斯子網(wǎng)絡(luò)。
4)計算室內(nèi)環(huán)境空間布局的交叉概率為:
式中:g表示室內(nèi)環(huán)境空間布局交叉的迭代次數(shù);d表示迭代的最大次數(shù);fi表示室內(nèi)環(huán)境空間i在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)中的適應度;fmax表示最大適應度值;fˉ表示適應度的平均值。
5)為室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化設(shè)定一個終止條件,如果以上步驟不滿足終止條件,那么再次回到步驟2);如果滿足終止條件且迭代次數(shù)最大時,那么就將室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化結(jié)果輸出。
在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,通過歸一化處理室內(nèi)環(huán)境空間,分析了室內(nèi)環(huán)境空間布局的幾何特征,并建立了室內(nèi)環(huán)境空間布局模型,根據(jù)室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化步驟,實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化,完成系統(tǒng)的軟件設(shè)計。
為了驗證基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的性能,引入室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化的能耗系數(shù)H,能耗系數(shù)H的值越大,說明室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化的能耗就越高。利用能耗系數(shù)H來測試基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)、文獻[4]的空間布局優(yōu)化系統(tǒng)以及文獻[5]的空間布局優(yōu)化系統(tǒng)。其測試結(jié)果如圖4所示。
圖4 能耗系數(shù)測試結(jié)果
從圖4的測試結(jié)果可以看出,基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)在測試過程中,隨著時間的變化,室內(nèi)環(huán)境空間格局優(yōu)化的能耗系數(shù)一直小于2,說明該系統(tǒng)優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境空間布局的能耗低;而文獻[4]的空間布局優(yōu)化系統(tǒng)顯示當測試時間達到10 min時,室內(nèi)環(huán)境空間格局優(yōu)化的能耗系數(shù)高達5.5,說明此時室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化的能耗最高;文獻[5]的空間布局優(yōu)化系統(tǒng)顯示隨著測試時間的變化,室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化的能耗系數(shù)波動在2~4之間,說明該系統(tǒng)的能耗系數(shù)偏高。對比了三個空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的能耗系數(shù)可知,基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)在優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境空間布局時的能耗是最低的,原因是該系統(tǒng)在設(shè)計過程中設(shè)計了室內(nèi)環(huán)境空間布局模型,有效降低了室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化的能耗。
在測試室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化的能耗系數(shù)基礎(chǔ)上,又采用了基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)、文獻[4]的空間布局優(yōu)化系統(tǒng)以及文獻[5]的空間布局優(yōu)化系統(tǒng)。測試三個系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化精度,其結(jié)果如表1所示。
從表1的測試結(jié)果可以看出,采用基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)來優(yōu)化室內(nèi)環(huán)境空間布局時,平均優(yōu)化精度為98.32%;而文獻[4]的空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化精度的平均值為42.2%;文獻[5]的空間布局優(yōu)化系統(tǒng)在優(yōu)化室內(nèi)空間布局時,優(yōu)化精度的平均值為70.87%。通過對比三個室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)化精度可以看出,基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的優(yōu)化精度是最高的,原因是該系統(tǒng)引入了貝葉斯網(wǎng)絡(luò),使得室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化的步驟更加簡便,有效提高了室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化精度。
表1 室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化精度測試結(jié)果 %
本文在貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上提出基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)的室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計通過室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計,實現(xiàn)了室內(nèi)環(huán)境空間布局的優(yōu)化。測試結(jié)果顯示,該系統(tǒng)在能耗和優(yōu)化精度上都具有較高的性能。在今后的研究中,還要進一步分析室內(nèi)環(huán)境空間布局的層次結(jié)構(gòu),提高室內(nèi)環(huán)境空間布局優(yōu)化的合理性。