徐 欣 李云豐

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100000;2.浙江廣川工程咨詢有限公司臺(tái)州分公司，浙江 臺(tái)州 318000)

人工智能是個(gè)涉及多學(xué)科的綜合技術(shù)，它在眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。房屋建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域在結(jié)構(gòu)計(jì)算方面早已實(shí)現(xiàn)智能化，但在方案設(shè)計(jì)方面，離智能化的要求還很遠(yuǎn)。Minsky 于1986年出版了《思維的社會(huì)》一書(shū)，提出了Agent 的思想。Minsky 認(rèn)為社會(huì)中的個(gè)體Agent 經(jīng)過(guò)協(xié)議可求得某些問(wèn)題的解，個(gè)體具有社會(huì)交互性和智能性等特點(diǎn)。從此，Agent 的概念被引入人工智能和計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，并逐漸成為研究熱點(diǎn)。方案設(shè)計(jì)是建筑設(shè)計(jì)的重要階段，在建筑物的整體設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。將Agent 引入方案設(shè)計(jì)流程、設(shè)計(jì)過(guò)程智能化是計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域一項(xiàng)創(chuàng)新的工作。

1 方案設(shè)計(jì)前期準(zhǔn)備工作

1.1 經(jīng)需要甲方提供的資料

用地紅線圖、原始地形圖、相應(yīng)區(qū)域城市規(guī)劃圖、規(guī)劃要點(diǎn)、各地政府的相關(guān)規(guī)定、城市規(guī)劃管理?xiàng)l例等，甲方提供的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)(涉及到具體的設(shè)計(jì)內(nèi)容、設(shè)計(jì)方向、出圖深度、時(shí)間控制等)、用地批文。

1.2 設(shè)計(jì)師相應(yīng)的準(zhǔn)備工作

明確相關(guān)設(shè)計(jì)的一些規(guī)范及防火規(guī)范;在場(chǎng)地、單體設(shè)計(jì)上有何約束;根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)明確建筑的定位、把握大的設(shè)計(jì)方向;將建筑用地根據(jù)不同情況分類，明確優(yōu)勢(shì)劣勢(shì);根據(jù)規(guī)劃要點(diǎn)及設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)測(cè)算建筑規(guī)模;根據(jù)甲方的進(jìn)度要求及工作量擬定工作時(shí)間表，時(shí)間表上應(yīng)留出必要的審圖時(shí)間，甲方配合的時(shí)間則較為機(jī)動(dòng);收集整理相應(yīng)的參考資料。場(chǎng)地設(shè)計(jì)可在地理信息系統(tǒng)中運(yùn)用Agent 進(jìn)行仿真優(yōu)化，本文探討的是建筑單體設(shè)計(jì)中結(jié)合建筑信息初步模型的創(chuàng)建如何運(yùn)用Agent 實(shí)現(xiàn)智能設(shè)計(jì)。

2 Agent 與單體民用建筑的智能設(shè)計(jì)

2.1 Repast 的運(yùn)用

本文運(yùn)用Agent 的主流軟件之一Repast 來(lái)實(shí)現(xiàn)單體民用建筑的智能設(shè)計(jì)。Repast 建立方案設(shè)計(jì)建筑信息模型(PDBIM)相當(dāng)于設(shè)計(jì)一個(gè)狀態(tài)機(jī)，該機(jī)的核心狀態(tài)是PDBIM 中所有成員的集體狀態(tài)屬性集合。成員則分為底層結(jié)構(gòu)和表層結(jié)構(gòu)。Repast 一共有數(shù)百個(gè)類，封裝在11 個(gè)庫(kù)中，本文對(duì)幾個(gè)主要的類庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)充:Analysis 庫(kù)通過(guò)使用DataRecorder 類進(jìn)行數(shù)據(jù)分類整理和挖掘;Engine 庫(kù)負(fù)責(zé)建立、操縱和運(yùn)行PDBIM，simModel 接口是Repast 中所有模型的超類，庫(kù)中包含的控制類負(fù)責(zé)通過(guò)圖形用戶界面處理氣泡圖，時(shí)序表及相關(guān)行為類主要用來(lái)改變模型中的狀態(tài);GUI 庫(kù)有對(duì)圖形界面顯示的快照功能以及制作模型運(yùn)行的活動(dòng)錄像，多個(gè)Display 類與Space 空間庫(kù)中的類協(xié)同工作，把空間位置關(guān)系的抽象和空間關(guān)系的顯示分離出來(lái)，可以針對(duì)不同建筑空間特征設(shè)計(jì)不同的可視化顯示方案;Network 庫(kù)包括實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)仿真的類，各種特殊定義的可記錄網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的記錄類;Space 庫(kù)主要包括創(chuàng)建氣泡—房間空間關(guān)系的類，研究多個(gè)Agent 在一定空間內(nèi)的活動(dòng)使用網(wǎng)格空間，網(wǎng)格空間被劃分成許多氣泡(cell)，其中每個(gè)氣泡可以同時(shí)容納一個(gè)或多個(gè)Agent，并按照方案設(shè)計(jì)規(guī)則，網(wǎng)格的狀態(tài)不斷發(fā)生變化。

2.2 可視化的實(shí)現(xiàn)

進(jìn)行單體建筑方案設(shè)計(jì)之初，進(jìn)行功能氣泡分析，實(shí)質(zhì)是創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)的可視網(wǎng)絡(luò)圖。先用RasterSpace 類，表現(xiàn)出PDBIM數(shù)據(jù)分樓層的二維網(wǎng)格，用Object2DGrid 類描述離散的二維網(wǎng)格。通過(guò)這兩個(gè)類的配合使用，對(duì)象的邏輯上的移動(dòng)在RasterSpace 上進(jìn)行，而視覺(jué)上的移動(dòng)則在Object2DGrid 上來(lái)實(shí)現(xiàn)。PBBIM 樓層信息需用到特定規(guī)則的一個(gè)流數(shù)據(jù)文件，通過(guò)標(biāo)記來(lái)識(shí)別出文件中的一些相關(guān)信息。

用二維矩陣行列分別對(duì)應(yīng)著上面的nrows 和ncols，矩陣中的每一個(gè)值都代表著特定的信息，這些值將在功能氣泡分析的過(guò)程中起著重要的作用，可以使用不同的值去代表約定的一些特定信息和性質(zhì)。使用數(shù)字0 代表不可通行的結(jié)構(gòu)部分，使用數(shù)字2 代表樓層內(nèi)的樓梯和電梯，使用其他數(shù)字代表可以行走的通道，1 代表一般的走廊，56x(x 代表任意數(shù)字)代表逗留，70x(x 代表任意數(shù)字)代表各個(gè)房間的門(mén)。Cx(x?1～3)代表各個(gè)房間的窗，x(x?4～7)代表單體建筑各方向的入口等等，任何想要用到的標(biāo)識(shí)信息都可以簡(jiǎn)化為數(shù)字來(lái)代表加入到這個(gè)代表樓層信息的矩陣中，功能氣泡的分析過(guò)程，實(shí)質(zhì)是逐步深化這個(gè)樓層信息矩陣的過(guò)程。

2.3 功能氣泡圖分析的運(yùn)行過(guò)程

在開(kāi)始運(yùn)行PDBIM 后，系統(tǒng)初始化，首先調(diào)用begin()函數(shù)，通過(guò)buildSchedule()方法設(shè)置好模型的時(shí)鐘機(jī)制schedule，控制模型在之后的時(shí)刻按照這個(gè)schedule 進(jìn)行相應(yīng)的方法調(diào)用和操作，然后，開(kāi)始建立具體的氣泡，此時(shí)執(zhí)行buildModel()方法，在這個(gè)方法里涉及到了初始化模型內(nèi)包括的所有對(duì)象，包括氣泡對(duì)象、流線對(duì)象、人對(duì)象，還有代表地塊的容器對(duì)象和樓層的點(diǎn)陣點(diǎn)對(duì)象等等。完成了模型的初始化之后，創(chuàng)建顯示機(jī)制，采用了首先將需要?jiǎng)?chuàng)建顯示的對(duì)象加入一個(gè)可供維護(hù)及更新用的各自的對(duì)象列表即ArrayList，然后將這些對(duì)象列表通過(guò)DisplaySurface 類的addDisplayable()方法將這些對(duì)象列表按特定順序依次加入到顯示界面中，然后通過(guò)實(shí)時(shí)同步的刷新列表對(duì)象顯示，達(dá)到動(dòng)態(tài)的顯示各對(duì)象行為的效果。此處addDisplayableProbeable()創(chuàng)建可點(diǎn)擊性(Probeable)，當(dāng)點(diǎn)擊這些對(duì)象時(shí)，將會(huì)返回一個(gè)彈出窗口，里面將會(huì)列出該對(duì)象相關(guān)的一些參數(shù)狀態(tài)信息。在初始化模型成功之后，當(dāng)單擊運(yùn)行按鈕時(shí)，PDBIM 的功能分析便開(kāi)始執(zhí)行了。仿真按照既定的schedule 來(lái)執(zhí)行，schedule 通過(guò)不停的調(diào)用step 方法來(lái)實(shí)現(xiàn)PDBIM 的分析運(yùn)行。在模型主類PDBIMModel 中的step()方法中通過(guò)向下調(diào)用各個(gè)對(duì)象的step()方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)所有對(duì)象的模擬運(yùn)行。在step()方法的末尾一句是用于更新顯示的:DisplaySurface.updateDisplay()，通過(guò)執(zhí)行這一句話在每一步各對(duì)象的行為改變后對(duì)顯示進(jìn)行更新可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的顯示模擬。

3 設(shè)計(jì)仿真運(yùn)行中所包含的具體對(duì)象

3.1 Person，PersonContainer，PersonFactory

Person 類即使用建筑的人物類，見(jiàn)圖1，主要是對(duì)移動(dòng)行為進(jìn)行模擬的類，也可以通過(guò)對(duì)參數(shù)的不同設(shè)定模擬出不同種類的人群，每一個(gè)Person 對(duì)象都包含了大量的信息，每一個(gè)Person 都必須對(duì)自己的狀態(tài)有一個(gè)完整的維護(hù)，例如此時(shí)是否在某個(gè)Babble、是否遭遇擁堵以及自己的移動(dòng)策略等。Person 類擁有自己的step()方法供上一層對(duì)象調(diào)用，在這個(gè)step()方法中，包括了根據(jù)當(dāng)前Person 的狀態(tài)來(lái)決定這一步應(yīng)該執(zhí)行的動(dòng)作，例如Person 當(dāng)前的狀態(tài)是行走，則執(zhí)行Person 的move()方法來(lái)對(duì)Person 進(jìn)行移動(dòng)，如果當(dāng)前狀態(tài)是正處于房間內(nèi)逗留的狀態(tài)，則執(zhí)行Person的stay()方法，使Person 在自己所位于的房間范圍內(nèi)自由的移動(dòng)。

PersonFactory 類即控制產(chǎn)生所需要產(chǎn)生的人物類，通過(guò)在此類中調(diào)用Person 類的構(gòu)造方法同時(shí)賦予不同的參數(shù)值，例如需要構(gòu)造的人物年齡、性別等性質(zhì)，可以構(gòu)建出一系列具體的構(gòu)造方法，例如creatPerson()，creatOldPerson()，creatChild()等等方法可以分別構(gòu)造出普通成年人、老人和小孩。一般情況下是在Person-Container 里面初始化人物對(duì)象時(shí)或者在分析期間加入新的人物對(duì)象時(shí)用到此類，該類和即將提到的PersonContainer 類都采用了單實(shí)例的構(gòu)造方法，防止冗余對(duì)象的產(chǎn)生，也便于程序的管理。

PersonContainer 類負(fù)責(zé)對(duì)眾多Person 類對(duì)象進(jìn)行系統(tǒng)的調(diào)度和管理。此類主要維護(hù)了兩類Person 的List，在初始化時(shí)，利用PersonFactory 類的構(gòu)造方法初始化人群并且加入到PersonList 列表中。在這個(gè)類中還有一個(gè)負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)人物狀態(tài)信息的方法countTheAgents()，可以統(tǒng)計(jì)各樓層內(nèi)的人數(shù)，各Babble 內(nèi)人數(shù)等。該類的step()方法調(diào)用每一個(gè)進(jìn)入到Babble 的Person 的step()方法，實(shí)現(xiàn)人物的各種行為。

圖1 主要對(duì)象關(guān)系圖

3.2 Babble，BabbleFactory，BabbleContainer

Babble 類即氣泡類，非常具體地可以將樓層內(nèi)的每個(gè)房間看作是一個(gè)氣泡。氣泡類的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)Babble 的分裂、合并、控制，并且每一個(gè)Babble 都擁有自己的功能和面積，在設(shè)計(jì)仿真運(yùn)行時(shí)，建筑物對(duì)每一個(gè)Person 的出入時(shí)間都隨機(jī)指定。Babble 類內(nèi)部自帶一個(gè)統(tǒng)計(jì)內(nèi)部逗留Person 數(shù)目的計(jì)數(shù)器，當(dāng)一個(gè)Person 進(jìn)入這個(gè)Babble 時(shí)，該計(jì)數(shù)器加1，反之該計(jì)數(shù)器減1，可以達(dá)到統(tǒng)計(jì)人數(shù)的目的，同時(shí)每一個(gè)Babble 又有一個(gè)自身的可容納的最大Person 數(shù)量。在創(chuàng)建PDBIM 視圖時(shí)，將這個(gè)計(jì)數(shù)器和最大容量都顯示在Babble 標(biāo)志的附近，便于觀察。為了實(shí)現(xiàn)Babble 的人數(shù)分級(jí)顯示功能，PDBIM 采用了讓Babble 的標(biāo)志圖片在所含有人數(shù)不同時(shí)顯示不同的標(biāo)志，達(dá)到動(dòng)態(tài)圖片提示的目的，相似的還可以加入聲音提示功能。

BabbleFactory 類就是用于產(chǎn)生Babble 的類，通過(guò)這個(gè)類可以產(chǎn)生出擁有各種各樣不同功能的氣泡。BabbleContainer 類，相似的是用作管理氣泡的類，由于和Babble 的區(qū)別，該類主要是有一個(gè)用于初始化Babble 列表的方法initBabble()，用于完成對(duì)一系列Babble 的初始化。

3.3 Streamline，StreamlineFactory，StreamlineContainer

Streamline 類即Person 行走形成的軌跡，智能方案設(shè)計(jì)體現(xiàn)在流線和氣泡的產(chǎn)生和調(diào)整上。方案設(shè)計(jì)之初用一個(gè)大Babble代表整個(gè)單體建筑，然后按樓層分為若干個(gè)floorBabble，相應(yīng)產(chǎn)生上下垂直交通流線。某樓層Babble 按建筑類型又進(jìn)一步分裂，比如對(duì)內(nèi)Babble、對(duì)外Babble 以及兩者結(jié)合的Babble，對(duì)內(nèi)Babble又可分為管理人員用氣泡、普通人員用氣泡和后勤人員用氣泡，氣泡依據(jù)功能的細(xì)化進(jìn)一步分解，相應(yīng)的流線生成都通過(guò)StreamlineFactory 產(chǎn)生。氣泡和出入口之間一個(gè)Person 的行走軌跡，必須初始化以下參數(shù):軌跡起止點(diǎn)所位于的位置、軌跡的寬度、Person 的通行節(jié)點(diǎn)、流線的類型以及流線的ID 號(hào)。在該類中加入了用于方便設(shè)置流線參數(shù)的方法setStreamlineParameter()可以方便的更改軌跡參數(shù)如起止點(diǎn)、寬度和節(jié)點(diǎn)。軌跡的產(chǎn)生利用的是迷宮算法(path 類)，迷宮算法有這樣的一個(gè)功能:在一個(gè)二維矩陣空間中，一旦約定了代表可以通行的數(shù)據(jù)值，給定一個(gè)起始點(diǎn)和一個(gè)目的點(diǎn)，它能夠自動(dòng)的尋找出一條通行路線。這樣的設(shè)計(jì)給流線調(diào)整提供了方便，可以通過(guò)隨機(jī)產(chǎn)生的情況得到對(duì)應(yīng)的解決策略，然后實(shí)時(shí)的獲取正確的一條線路，可以繞開(kāi)不想去的區(qū)域以及人員擁堵的節(jié)點(diǎn)。所有Person 行走軌跡形成Streamline，該類擁有自己的step()方法供上一層對(duì)象調(diào)用，在這個(gè)step()方法中，調(diào)用了Streamline 的移動(dòng)方法moveByPoint()，即根據(jù)一條既定的路線點(diǎn)鏈表進(jìn)行移動(dòng)。通過(guò)setStreamlineParameter()方法賦予Person 一條線路，將會(huì)把這條線路包括的一系列點(diǎn)通過(guò)一個(gè)List 對(duì)象傳給Person，然后在move()方法中按照先后順序依次走完list 中的每一個(gè)點(diǎn)，達(dá)到所有Person 行走的軌跡形成流線的目的。StreamlineContainer 類是一個(gè)比較重要的類，它主要負(fù)責(zé)管理流線的整體評(píng)價(jià)問(wèn)題。評(píng)價(jià)邏輯采用不同類型流線交叉度和流線臃腫度相結(jié)合的策略，根據(jù)交叉節(jié)點(diǎn)的分布情況實(shí)時(shí)的調(diào)整出入口的分配策略，達(dá)到消除擁堵和方便交通的目的。對(duì)建筑物的出入口進(jìn)行初始化，即initEntranceandExit()方法，將每類Person具體的初始化到各自的出入口，隨著具體的Person 在建筑物內(nèi)行走，流線形成。

3.4 其他重要對(duì)象

Point 類是用于代表某樓層中的任意一個(gè)點(diǎn)，它本身包含了其自身的坐標(biāo)信息，主要用于輔助Path 類對(duì)最優(yōu)路徑的求解。

Path 類是用于自動(dòng)生成兩個(gè)點(diǎn)之間的路徑，可以運(yùn)用迷宮算法、蟻群算法等智能算法來(lái)實(shí)現(xiàn)，Path 類包括一個(gè)主要的方法go()方法，該方法的參數(shù)是一個(gè)起始點(diǎn)和一個(gè)終止點(diǎn)，返回值是一個(gè)包含諸多Point 類對(duì)象的列表。列表中的對(duì)象Point 按照先后順序排列，形成的是一條可行的路徑。

StructureandRoom 類用于記錄墻、柱等結(jié)構(gòu)的位置和結(jié)構(gòu)圍合成的房間，由Babble 生成。StructureandRoomContainer 類用于維護(hù)一個(gè)StructureandRoom 類的列表，里面可以有多個(gè)Structureand-Room 類對(duì)象。

passageway 類用于記錄走廊等通行空間的位置，由Streamline生成。passagewayContainer 類用于維護(hù)一個(gè)passageway 類的列表，里面可以有多個(gè)passageway 類對(duì)象。

SiteandFloor 類是用于向PDBIM 中導(dǎo)入場(chǎng)地和樓層信息的類，該類里面提供了初始化場(chǎng)地和樓層信息的方法，方法里使用到了兩個(gè)類:1)Object2DGrid 類，該類用于生成一個(gè)二維網(wǎng)格型的空間，在PDBIM 中起到像素化的模擬出地面和樓層的作用;2)RasterSpace 類，該類可以處理特定的文本文件，這種文本文件內(nèi)包含的場(chǎng)地樓層信息一般與SiteandFloor 對(duì)象有著關(guān)聯(lián)。當(dāng)該初始化方法成功執(zhí)行后，場(chǎng)地和樓層信息便成功導(dǎo)入到PDBIM 中，Person，Streamline，Babble 類等就可以按照方案設(shè)計(jì)流程進(jìn)行互動(dòng)式操作。

4 結(jié)語(yǔ)

智能方案設(shè)計(jì)的過(guò)程就是氣泡分裂，流線生成與調(diào)整，氣泡再分裂，流線細(xì)化與調(diào)整，直至最后將氣泡變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)具體的房間，流線變?yōu)橐粋€(gè)個(gè)具體的廳廊、樓梯、坡道，相應(yīng)生成建筑主體結(jié)構(gòu)，按房屋制圖標(biāo)準(zhǔn)成圖，從而完成方案設(shè)計(jì)的智能化、實(shí)時(shí)的互動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和方案評(píng)價(jià)的全部?jī)?nèi)容。設(shè)計(jì)過(guò)程智能化是計(jì)算機(jī)輔助建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域一項(xiàng)創(chuàng)新的工作，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了建筑信息模型的動(dòng)態(tài)調(diào)整和功能優(yōu)化，縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間，提高了設(shè)計(jì)效率。

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