劉佳靜，駱漢賓，陳寧寧，李澤宇

(華中科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

建筑相關(guān)的活動(dòng)產(chǎn)生的能耗占社會(huì)總能耗的40%，近年來國內(nèi)外對(duì)建筑節(jié)能愈加重視。能耗的預(yù)測(cè)既可服務(wù)于綠色建筑評(píng)級(jí)，同時(shí)是建筑節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。然而，研究表明，能耗預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間存在巨大差距[1]，且用戶用能行為是造成這一差距的主要因素[2,3]。

BIM(Building Information Modeling)技術(shù)可構(gòu)建建筑的虛擬環(huán)境，集成零散的能耗影響因素[4]。目前而言，通過BIM 能耗軟件模擬用戶在室活動(dòng)情況，主要依賴軟件內(nèi)置的固定人員作息模式，不能反映用戶的實(shí)際行為[5,6]，且對(duì)建筑室內(nèi)人員、設(shè)備等系統(tǒng)設(shè)置過于簡(jiǎn)單處理。通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研記錄用戶行為信息并輸入能耗模擬軟件，Eguaras等[7]發(fā)現(xiàn)能耗預(yù)測(cè)值與固定作息法相比差距高達(dá)30%。

為提高能耗預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，王闖等[8,9]基于Markov 隨機(jī)模型模擬了用戶在不同房間之間的移動(dòng)行為和設(shè)備控制行為，但未考慮用戶的用能偏好。羅濤[10]綜合考慮天然采光及用戶行為等因素，系統(tǒng)構(gòu)建了針對(duì)辦公建筑的照明能耗的模擬方法。由此，本文旨在在設(shè)計(jì)階段BIM環(huán)境下分析不同類型用戶和不同設(shè)備之間的交互關(guān)系。

以辦公建筑為例，本文從BIM模型的虛擬建筑環(huán)境中提取影響用戶行為的環(huán)境參數(shù)，基于Agent技術(shù)對(duì)用戶行為進(jìn)行事前分析，建立用戶移動(dòng)行為模型和用能行為模型。通過等效描述用戶移動(dòng)行為與移動(dòng)事件的發(fā)生，構(gòu)建基于事件的用戶Agent移動(dòng)行為模型，基于此建立Multi-Agent用戶用能行為模型，定量描述辦公建筑中各類型用戶、設(shè)備的交互影響與動(dòng)態(tài)變化，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)階段的能耗預(yù)測(cè)。

1 基于Agent的移動(dòng)行為建模

用戶移動(dòng)行為決定室內(nèi)的人員狀況。從BIM模型中提取環(huán)境參數(shù)，采用Agent技術(shù)描述用戶移動(dòng)行為，建立基于事件的用戶移動(dòng)行為模型(Mixed Agent-based Events Model，MAEM)，構(gòu)建流程如圖1所示。

圖1 MAEM模型創(chuàng)建流程

1.1 用戶Agent移動(dòng)行為研究

Agent是同時(shí)具備感知器和效應(yīng)器的主體，可以與環(huán)境及其余實(shí)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互、分析決策，實(shí)現(xiàn)自我狀態(tài)的調(diào)整和位置的改變。

移動(dòng)事件的發(fā)生與人員位置的改變具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[8]。本文假設(shè)用戶在室內(nèi)的移動(dòng)與事件發(fā)生相互等價(jià)，通過對(duì)室內(nèi)用戶事件的描述實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)用戶移動(dòng)的描述。

移動(dòng)事件指每天可重復(fù)發(fā)生、具有普遍性且發(fā)生在不同房間之間的移動(dòng)。從可量化描述的角度出發(fā)，本文研究的事件具備時(shí)間屬性、空間屬性、特征參數(shù)、隨機(jī)性、優(yōu)先級(jí)[8]。通過觀察用戶的日?；顒?dòng)，辦公建筑提煉的移動(dòng)事件如表1所示。

表1 辦公建筑移動(dòng)事件提煉

1.2 MAEM模型構(gòu)建

采用Anylogic人員行為仿真軟件在建筑虛擬環(huán)境下模擬用戶Agent日常移動(dòng)過程。與大多數(shù)用戶模擬的過程相似，本文MAEM模型的模擬過程主要經(jīng)過三個(gè)步驟：設(shè)置參數(shù)→用戶移動(dòng)計(jì)算→計(jì)算結(jié)果輸出。從空間層、Agent層和移動(dòng)層三個(gè)方面對(duì)MAEM模型進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。

(1)空間層設(shè)置。通過BIM模型提取用戶移動(dòng)所需的三維空間信息，設(shè)置用戶移動(dòng)所需的房間區(qū)域、維護(hù)結(jié)構(gòu)和出入口位置等，并標(biāo)識(shí)不同的空間區(qū)域，為Agent層建立用戶與空間區(qū)域關(guān)聯(lián)關(guān)系時(shí)提供關(guān)鍵字段。

(2)Agent層設(shè)置。用戶Agent層級(jí)建模，需建立用戶Agent類型屬性和用戶移動(dòng)行為的邏輯鏈。與用戶相關(guān)的預(yù)設(shè)屬性主要包括時(shí)間屬性和空間屬性。在Anylogic軟件中通過流程庫對(duì)用戶Agent的轉(zhuǎn)移過程建立狀態(tài)圖，并通過JAVE程序設(shè)置用戶Agent時(shí)間屬性和空間屬性。本文通過Anylogic行人庫建立用戶移動(dòng)邏輯鏈，將用戶在不同三維空間進(jìn)行活動(dòng)的場(chǎng)所關(guān)聯(lián)起來。

(3)移動(dòng)層設(shè)置。對(duì)與用戶移動(dòng)相關(guān)的典型事件進(jìn)行建模，并將該事件的活動(dòng)規(guī)則預(yù)設(shè)到用戶Agent層中，將用戶移動(dòng)的狀態(tài)圖或者移動(dòng)鏈與典型事件進(jìn)行整合。在Anylogic中，用戶Agent的移動(dòng)過程和用戶所處的狀態(tài)受上述典型事件的觸發(fā)后，將發(fā)生移動(dòng)行為。

完成上述層級(jí)的模型構(gòu)建后，進(jìn)入用戶移動(dòng)模擬計(jì)算階段。用戶Agent初始時(shí)刻從每天0∶00開始，初始時(shí)刻對(duì)應(yīng)著用戶的初始狀態(tài)。模型開始運(yùn)行后，將分析當(dāng)前運(yùn)行時(shí)刻對(duì)應(yīng)的移動(dòng)事件，判斷事件是否發(fā)生，并更新移動(dòng)事件集。仿真過程每執(zhí)行一次，記錄各房間每次執(zhí)行狀態(tài)下的用戶人數(shù)，生成各房間室內(nèi)人員數(shù)的時(shí)間序列圖。

2 基于Multi-Agent的用能行為建模

用戶對(duì)用電設(shè)備的使用模式直接關(guān)系著能耗量。用戶用能行為是用戶受到室內(nèi)環(huán)境的刺激做出的反饋。與用戶移動(dòng)行為類似，用戶的用能控制行為受到室內(nèi)環(huán)境與個(gè)體習(xí)慣等綜合因素的影響，具有隨機(jī)性、不確定性和復(fù)雜性。用戶用能行為是移動(dòng)事件和室內(nèi)環(huán)境雙重作用的結(jié)果。

以室內(nèi)用戶移動(dòng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過室內(nèi)環(huán)境和移動(dòng)事件來描述用戶用能行為。Multi-Agent系統(tǒng)組合了各孤立的Agent形成整體關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)Agent的屬性以及Agent之間復(fù)雜的規(guī)則和制約條件的集成?；贛ulti-Agent的用戶行為建模系統(tǒng)框架如圖2所示。分別構(gòu)建了三種不同類型的Agent：環(huán)境Agent、人員Agent和設(shè)備Agent，可實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境、室內(nèi)人員和設(shè)備之間復(fù)雜信息交互過程的仿真模擬。記錄室內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，并作為BIM能耗計(jì)算的輸入數(shù)據(jù)，從而獲取建筑的能耗預(yù)測(cè)值。

圖2 Multi-Agent系統(tǒng)框架及能耗計(jì)算應(yīng)用

(1)人員Agent。人員Agent的移動(dòng)行為來自于用戶的移動(dòng)數(shù)據(jù)。根據(jù)用戶使用用電設(shè)備行為習(xí)慣的不同，在Multi-Agent模型框架中將人員Agent細(xì)分為三類：H-agent，M-agent，L-agent。依據(jù)文獻(xiàn)資料和調(diào)研數(shù)據(jù)[11～14]，不同類型的人員Agent代表在同等建筑環(huán)境和事件下不同的用能行為模式。構(gòu)建人員類型Agent時(shí)，預(yù)設(shè)人員用能行為的相關(guān)參數(shù)與屬性，具體如表2所示。

表2 不同類型人員行為模式

(2)環(huán)境Agent。室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境是影響用戶空調(diào)控制行為和照明控制行為的主要因素。利用Agent技術(shù)中的存儲(chǔ)功能，可構(gòu)建室內(nèi)環(huán)境的Agent類型，用于存儲(chǔ)建筑物所處位置的室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境參數(shù)。在Multi-Agent模型中，根據(jù)模型運(yùn)行時(shí)刻向室內(nèi)人員Agent發(fā)送環(huán)境變化信息，人員Agent受室內(nèi)環(huán)境的刺激，改變室內(nèi)用電設(shè)備的狀態(tài)，從而調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境。

(3)設(shè)備Agent。研究指出，空調(diào)能耗、設(shè)備能耗和照明能耗在建筑能耗中占比最大[12]，且均受人員活動(dòng)和室內(nèi)環(huán)境的影響，存在較大的不確定性。因此，本文以用戶對(duì)這三類設(shè)備的控制行為為例，分析用戶用能行為。

設(shè)備的使用屬性不同導(dǎo)致用戶之間對(duì)用電設(shè)備的控制行為存在差異。根據(jù)設(shè)備屬性建立設(shè)備的Agent類型，Agent-Ac(空調(diào)設(shè)備)、Agent-Lt(照明設(shè)備)和Agent-Co(電腦設(shè)備)。其中Agent-Ac和Agent-Lt分別用0和1代表關(guān)閉和開啟狀態(tài)；Agent-Co則用0，0.3，1分別代表關(guān)閉、待機(jī)和開啟狀態(tài)。

本文以圖3中的建筑為例，完成Agent對(duì)象建模后，通過在Multi-Agent模型中寫入JAVE程序，實(shí)現(xiàn)多個(gè)Agent類型之間復(fù)雜的交互過程。構(gòu)建交互關(guān)系后，在Anylogic平臺(tái)建立圖3所示的Multi-Agent系統(tǒng)模型，用以模擬有復(fù)雜系統(tǒng)關(guān)系的人員移動(dòng)和用能行為。

圖3 Multi-Agent模型

3 集成用戶行為的建筑能耗預(yù)測(cè)

集成設(shè)計(jì)是一個(gè)從生命周期將建筑物作為整體進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化的過程，綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)各組成部分的功能需求與制約關(guān)系，強(qiáng)調(diào)共同作用下的“整體效應(yīng)”。對(duì)某辦公建筑進(jìn)行能耗計(jì)算，驗(yàn)證在設(shè)計(jì)階段集成用戶用能行為因素的可行性和合理性。本案例位于武漢市，為單層磚混結(jié)構(gòu)辦公樓，由4個(gè)辦公室、1個(gè)會(huì)議室和1個(gè)休息室構(gòu)成，建筑平面如圖4所示。

圖4 某辦公建筑建筑平面

3.1 BIM模型構(gòu)建

本項(xiàng)目從設(shè)計(jì)早期開始應(yīng)用BIM技術(shù)，采用Revit構(gòu)建BIM模型。能耗計(jì)算有關(guān)的信息主要包括維護(hù)結(jié)構(gòu)、室內(nèi)HVAC(Heating,Ventilation and Air Conditioning)系統(tǒng)、室內(nèi)照明系統(tǒng)和室內(nèi)設(shè)備等。根據(jù)設(shè)計(jì)變更及時(shí)完善和更新BIM模型，最終形成建筑BIM模型，如圖5所示。

圖5 建筑BIM模型

將BIM模型通過gbXML文件格式導(dǎo)入能耗計(jì)算軟件Energy Plus，Open studio，Sketchup，生成BIM能耗模型。在能耗模型中加載武漢市氣象數(shù)據(jù)，對(duì)建筑進(jìn)行室內(nèi)熱環(huán)境和光環(huán)境分析。

室內(nèi)熱環(huán)境是影響用戶室內(nèi)空調(diào)行為的主要因素，逐時(shí)記錄室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)用于用戶行為分析。室內(nèi)光環(huán)境分析需對(duì)不同房間在0.75 m高度設(shè)置感光點(diǎn)，分析該辦公建筑室內(nèi)全年照度，并記錄每個(gè)房間每天8∶00—18∶00照度數(shù)據(jù)。

3.2 用戶行為模擬

基于前文的數(shù)據(jù)和方法進(jìn)行用戶行為模擬計(jì)算。將office1室內(nèi)用戶設(shè)定為L(zhǎng)-agent；office2室內(nèi)用戶設(shè)定為M-agent；office3室內(nèi)用戶分別設(shè)定為L(zhǎng)-agent，M-agent，H-agent；office4室內(nèi)用戶設(shè)定為H-agent。

3.2.1 用戶移動(dòng)行為模擬

以該辦公室六月份數(shù)據(jù)為例，仿真模擬得到室內(nèi)用戶移動(dòng)行為，如圖6所示，圖中綠色色塊占據(jù)的部分代表人員在室內(nèi)。上班期間室內(nèi)人員發(fā)生隨機(jī)移動(dòng)事件或者開會(huì)事件將導(dǎo)致室內(nèi)人員短期離開辦公區(qū)域?？梢钥闯觯覂?nèi)人員存在偶爾晚上加班的現(xiàn)象，但加班時(shí)間均不超過20：00，且加班事件的發(fā)生具有隨機(jī)性。

圖6 用戶在室時(shí)間序列

3.2.2 用戶用能行為模擬

分別對(duì)用戶空調(diào)、照明和電腦設(shè)備控制行為進(jìn)行為期一個(gè)月的用能行為模擬，獲取該辦公建筑六月份設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，模擬結(jié)果如圖7～9所示。圖中空白部分代表設(shè)備處于關(guān)閉狀態(tài)，開啟狀態(tài)由滿格色塊表示，而小半格色塊則表示待機(jī)狀態(tài)。

圖7 用戶空調(diào)控制行為仿真結(jié)果

圖8 用戶照明控制行為仿真結(jié)果

圖9 用戶電腦使用行為仿真結(jié)果

在同等移動(dòng)事件和環(huán)境作用下，L-agent，M-agent，H-agent對(duì)室內(nèi)各設(shè)備的開啟時(shí)長(zhǎng)依次遞增。在office3辦公區(qū)域，由于同時(shí)存在L-agent，M-agent，H-agent的相互作用，空調(diào)和電燈的開啟與關(guān)閉發(fā)生時(shí)刻同其余區(qū)域存在較大差距，開啟時(shí)長(zhǎng)高于L-agent和M-agent單獨(dú)控制的房間區(qū)域，但低于H-agent單獨(dú)控制的房間區(qū)域。電腦設(shè)備屬排他性設(shè)備，不受多人共同作用的影響，主要由室內(nèi)用戶移動(dòng)事件和用能行為模式?jīng)Q定。

3.3 用戶能耗模擬計(jì)算

將獲取的可變用電設(shè)備逐時(shí)運(yùn)行的工況數(shù)據(jù)輸入BIM模型，完成對(duì)該辦公建筑的設(shè)計(jì)能耗計(jì)算，如圖10所示。

圖10 各辦公區(qū)域能耗構(gòu)成

由模擬結(jié)果分析可知，不同用戶的用能行為導(dǎo)致了用電設(shè)備在能耗方面的巨大差距，在office1和office4中，空調(diào)能耗的差距高達(dá)128.71%，有必要提高用戶的節(jié)能意識(shí)?？梢园l(fā)現(xiàn)，建筑能耗與室內(nèi)辦公人員數(shù)存在邊際遞減效應(yīng)，多人聯(lián)合辦公具有較好的節(jié)能效果。

3.4 能耗計(jì)算驗(yàn)證

將固定作息法的計(jì)算結(jié)果、本文方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際能耗觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比(圖11)，驗(yàn)證本文方法對(duì)提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度的可行性。其中，實(shí)測(cè)值采用“計(jì)量插座儀器”對(duì)室內(nèi)設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量獲取。

圖11 不同能耗預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)能耗對(duì)比分析

如圖11所示，得到三組日均能耗數(shù)據(jù)結(jié)果，其中綠色柱狀部分為本文方法得到的結(jié)果，即“occupant”；觀測(cè)值為橙黃色柱狀部分，即“monitor”；采用固定作息得到的能耗為紅色柱狀部分，即“typical”。結(jié)果表明，采用固定作息不能體現(xiàn)由于用戶類型和辦公規(guī)模(人員數(shù))的不同帶來的能耗差距，本文方法預(yù)測(cè)的結(jié)果與能耗實(shí)測(cè)值更接近。其中，多人辦公區(qū)域的模擬結(jié)果優(yōu)于單人辦公室，主要由于單人辦公室受個(gè)體狀態(tài)影響大，室內(nèi)的設(shè)備使用不規(guī)律性加大。

4 結(jié) 論

本文提出了在BIM環(huán)境下集成用戶行為的建筑能耗預(yù)測(cè)流程，實(shí)現(xiàn)在建筑設(shè)計(jì)階段對(duì)用戶行為的考慮?；贏gent和multi-Agent分別構(gòu)建用戶移動(dòng)行為和用能行為模型，量化了用戶行為對(duì)用電設(shè)備使用的影響。

以武漢市某辦公建筑為例，模擬結(jié)果表明：

(1)本文方法可實(shí)現(xiàn)隨機(jī)事件的模擬，隨機(jī)走動(dòng)或開會(huì)事件的發(fā)生會(huì)引發(fā)人員在室情況的變化；

(2)單人辦公室的能耗與用戶用能偏好密切相關(guān)，共享型設(shè)備的狀態(tài)在多人辦公室中受多用戶共同作用的影響，且多人聯(lián)合辦公具有較好的節(jié)能效果；

(3)固定作息法不能體現(xiàn)由于用戶類型和辦公規(guī)模不同帶來的能耗差距，本文方法預(yù)測(cè)的結(jié)果更接近于實(shí)測(cè)值，且多人辦公區(qū)域的模擬結(jié)果優(yōu)于單人辦公室。

本文基于多軟件平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入與導(dǎo)出，無法動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)用戶行為不同帶來的能耗變化。進(jìn)一步研究可探索能耗模型與用戶行為模型之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，實(shí)現(xiàn)集成用戶行為的建筑能耗節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)與動(dòng)態(tài)能耗負(fù)荷計(jì)算。