【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及土木工程，尤其是涉及一种索穹顶结构几何数字孪生构建方法、系统及装置。
技术介绍
1、索穹顶结构是一种大跨度建筑结构形式，采用高强度钢索作为主要受力构件,配合轴心受力杆件,通过对径向钢索和环向钢索施加预应力,巧妙地张拉成穹顶结构。
2、目前，关于全装配大跨度索穹顶结构几何数字孪生的构建方法还处于技术空白状态。本领域主流软件无法实现几何数字孪生的全过程建模，仅仅能满足个别建模功能需求。
3、因此，有必要研发功能集成、统一高效的索穹顶结构几何数字孪生构建方法与算法架构。
4、而建立该索穹顶结构的几何数字孪生，首要解决的技术问题是如何获取结构各节点的真实位置，即如何精确拟合各节点的坐标。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种索穹顶结构几何数字孪生构建方法、系统及装置，以解决现有技术中存在的至少一种上述技术问题。
2、第一方面，为解决上述技术问题，本专利技术提供一种索穹顶结构几何数字孪生构建方法，包括如下步骤：
3、步骤s1、将输入数据集（一级数据集）按照分组规则进行等分，例如四等分，再进行降采样后形成二级数据集；所述输入数据集，包括用于反映索穹顶结构全局几何特征的多个数据点；这样可以将输入数据集分组，以便后序处理；
4、步骤s2、对二级数据集中各数据点，求解相应邻域内点；通过最小二乘法，对各数据点的表面法向量进行拟合，得到拟合平面解集；基于所述邻域内点，通过主成分分析（pca）降维求解，选择所述
5、步骤s3、基于半径约束条件，对二级数据集进行分区随机采样；基于自适应终止规则，对随机采样中构成索穹顶结构的构件，进行几何特征识别，并按照构件之间的空间位置关系进行数据集分割，得到分割构件组数据集；这样可以准确地识别构件并进行合理分割；
6、步骤s4、基于欧拉距离准则和高度约束条件，在分割构件组数据集中迭代筛选不同构件之间的配对点；将配对点的三维坐标分别取均值后，作为候选点；计算所有候选点的质心，作为节点坐标；所述节点是指相接构件之间的公共点；这样可以实现精确拟合节点的目的；
7、步骤s5、基于节点拓扑关系，通过自动化连接方法，对索穹顶结构进行数字化重构，得到几何数字孪生，即反应物理实体的数字化表达；所述节点拓扑关系是指节点的空间连接关系。
8、在一种可行的实施方式中，步骤s1中，所述输入数据集是点云数据集；
9、所述分组规则，用于将输入数据集以索穹顶结构几何中心的圆周角进行四等分，得到四组二级数据集，具体表达式可以为：
10、；
11、其中，表示输入数据集，分别表示各二级数据集；
12、所述降采样，用于在几何特征不变的前提下，将二级数据集进行数据精简，以便减少内存占用并提升后序数据处理效率。
13、在一种可行的实施方式中，相邻二级数据集之间有1-3°的角度间隔，以便保证相邻二级数据集中没有相同的数据点。
14、在一种可行的实施方式中，步骤s2中，所述邻域内点是通过基于深度优先搜索（dfs）算法的kd-tree最近邻搜索方法来获取的，邻域的大小由所选数据点的临近点个数表示;所述kd-tree最近邻搜索方法属于现有技术，通过平衡二叉树等，将向量空间不断进行二分，得到若干局部空间，在搜索时不断进行分支判断，选择其中的局部子空间，从而避免了全局空间搜索。
15、在一种可行的实施方式中，所述拟合平面的具体计算公式可以包括：
16、；
17、；
18、其中，表示当前邻域内点的质心；表示当前邻域内点中第个数据点；表示当前邻域内点中所有数据点的个数；表示拟合平面；表示当前邻域内点中第个数据点的表面法向量；表示表面法向量的范数。
19、在一种可行的实施方式中，所述半径约束条件是指按照索穹顶结构整体的平面半径数值，以构件的长度为间隔，进行同心圆式的采样区域划分，并由内向外依次将采样区域进行顺序编号；这样便于按照采样区域依次抽取随机采样最小集和模型参数，从而保证了随机样本的质量，避免过采集问题；所述随机采样最小集是指识别构件几何形状时所需的数据点集合；所述模型参数是指对构件几何形状进行数学表达时所需的参数。
20、在一种可行的实施方式中，所述几何特征识别是指识别单个构件的几何形状，例如圆柱形、方管形等。
21、在一种可行的实施方式中，步骤s3中的自适应终止规则是终止构件进行几何特征识别的判定规则，包括距离阈值判定规则、迭代次数判定规则及相似性判定规则。
22、在一种可行的实施方式中，所述距离阈值判定规则是指判断被选数据点至预设几何形状模型中参考点的距离是否小于距离阈值：若是，则将该数据点作为几何形状模型内点进行保留；若否，则将该数据点作为几何形状模型外点进行舍弃；
23、所述距离阈值可以通过高斯分布公式（均值为0）进行计算，具体公式包括：
24、；
25、；
26、；
27、其中，表示被选数据点与参考点之间距离的平方和；表示被选数据点的三维坐标；表示预设几何形状模型中参考点的三维坐标；表示分布的余维数；表示标准差；表示分布的随机变量；表示距离阈值；表示准确性常数，通常取0.95，即正确的几何形状模型内点只会在5%的情况下被错误地作为几何形状模型外点。
28、在一种可行的实施方式中，所述迭代次数判定规则是指当迭代次数大于等于预设次数时，则终止对构件进行几何特征识别，具体公式可以包括：
29、；
30、；
31、其中，表示经验值，通常取值为0.95或0.99；表示内点率，即满足当前构件几何形状的所有几何形状模型内点比例；表示当前几何形状模型内点个数；表示当前采样区域中的数据点总数；表示几何形状模型拟合所需要的最小点数。
32、在一种可行的实施方式中，所述相似性判定规则是指判断连续两次迭代之间几何形状模型内点的相似性是否大于预设比例：若是，则终止对构件进行几何特征识别；若否，则继续进行迭代计算。
33、在一种可行的实施方式中，所述预设比例为95%。
34、在一种可行的实施方式中，所述步骤s4中欧拉距离准则的计算公式可以包括：
35、；
36、；
37、其中，表示两数据点之间的欧拉距离；表示数据点1的三维坐标；表示数据点2的三维坐标；表示备用配对点的预设欧拉距离阈值：当小于时，将当前的两数据点作为备用配对点。
38、在一种可行的实施方式中，所述步骤s4中高度约束条件包括：
39、在被选构件的竖直方向上，从备用配对点中选择配对点的高度范围为；
40、在被选构件的非竖直方向上，从备用配对点中本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种索穹顶结构几何数字孪生构建方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中拟合平面的具体计算公式包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中的半径约束条件是指按照索穹顶结构整体的平面半径数值，以构件的长度为间隔，进行同心圆式的采样区域划分，并由内向外依次将采样区域进行顺序编号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中的自适应终止规则是终止构件进行几何特征识别的判定规则，包括距离阈值判定规则、迭代次数判定规则及相似性判定规则：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s4中欧拉距离准则的计算公式包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤s4中高度约束条件包括：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s4中节点坐标的计算公式包括：
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s5中自动化连接方法是指将节点数作为输入变量，依据编号规则对节点进行编号，通过邻接矩阵构建节点网络模型，用于使
9.一种索穹顶结构几何数字孪生构建系统，其特征在于，包括依次设置的数据接收模块、数据处理模块及结果生成模块；
10.一种索穹顶结构几何数字孪生构建装置，其特征在于，包括处理器、存储器及总线，所述存储器存储由处理器读取的指令及数据，所述处理器用于调用所述存储器中的指令及数据，以执行如权利要求1-8中任一所述的方法，所述总线连接各功能部件之间用于传送信息。
...【技术特征摘要】
1.一种索穹顶结构几何数字孪生构建方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s2中拟合平面的具体计算公式包括：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s3中的半径约束条件是指按照索穹顶结构整体的平面半径数值，以构件的长度为间隔，进行同心圆式的采样区域划分，并由内向外依次将采样区域进行顺序编号。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤s3中的自适应终止规则是终止构件进行几何特征识别的判定规则，包括距离阈值判定规则、迭代次数判定规则及相似性判定规则：
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤s4中欧拉距离准则的计算公式包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤s...
【专利技术属性】
技术研发人员：张爱林，王杰，张艳霞，赵曦，上官广浩，武丙龙，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：
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