殷穎迪，，關(guān)宏潔，楊 光

(西安歐亞學(xué)院 人居環(huán)境學(xué)院，陜西 西安 710065)

裝飾式技術(shù)因其具有構(gòu)件集中預(yù)制生產(chǎn)以及結(jié)構(gòu)性能好等優(yōu)勢(shì)得到迅猛發(fā)展[1-2]。在建筑日益工業(yè)化和信息化的條件下，建筑信息模型(BIM)理念的快速推廣，促使數(shù)據(jù)技術(shù)被加入到裝配式建造中，其中主要包含施工、設(shè)計(jì)以及建筑后期維護(hù)等相關(guān)工作。現(xiàn)階段，隨著B(niǎo)IM技術(shù)的日益成熟，裝配式建造能源智能化綜合管控更是引起了專(zhuān)家的廣泛關(guān)注，例如皮大偉等人[3]主要通過(guò)Simulink構(gòu)建能耗最優(yōu)控制模型，通過(guò)模型實(shí)現(xiàn)管控。楊金威等人[4]通過(guò)TGET軟件組建天然氣管道運(yùn)輸模型，同時(shí)結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行校正，進(jìn)而采用仿真手段對(duì)運(yùn)輸量分配進(jìn)行優(yōu)化，制定相關(guān)的管控規(guī)則。在上述兩種方法的基礎(chǔ)上，提出一種基于GIS+BIM的裝配式建造能源智能化綜合管控方法。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法能夠有效降低綜合管控費(fèi)用，增強(qiáng)綜合管控結(jié)果的可靠性。

1 方 法

1.1 基于GIS+BIM的裝配式建造能源數(shù)據(jù)預(yù)處理

使用小波分析去除信號(hào)噪聲是一種常用的方法。優(yōu)先通過(guò)BIM技術(shù)和GIS技術(shù)采集裝配式建造能源數(shù)據(jù)，進(jìn)而利用小波分析方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。具體的操作步驟如下所示：

將采集的裝配式建造能源轉(zhuǎn)化為信號(hào)，將含有一維噪聲的裝配式建筑能源信號(hào)表示為

f(t)=s(t)+n(t)

(1)

式中:s(t)為真實(shí)信號(hào)；n(t)為噪聲；f(t)為含有噪聲的信號(hào)。

在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，直接提取信號(hào)f(t)中有價(jià)值的信號(hào)具有一定的難度，需要借助變換方法，小波變換理論為信號(hào)去噪提供了堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)[5-6]，有效克服傳統(tǒng)方法存在的弊端。

對(duì)于一維離散小波f(t)而言，需要對(duì)其進(jìn)行離散采樣，進(jìn)而獲取N點(diǎn)離散信號(hào)f(n)，其中小波變換過(guò)程能夠表示為

(2)

式中：j為小波尺度；k為時(shí)間。其中，二進(jìn)制小波能夠表示為

ψj,k(t)=2-jψ(2-jt-k)

(3)

將噪聲看成是一個(gè)普通的信號(hào)，同時(shí)對(duì)其進(jìn)行分析，其中重點(diǎn)需要注意三個(gè)方面的問(wèn)題，即相關(guān)性、頻率、頻率分布。

結(jié)合小波分解的相關(guān)理論可知，小波分解主要是由高低頻信號(hào)分解組成。通過(guò)小波分解結(jié)果，得到如下結(jié)論：當(dāng)信號(hào)位于高頻部分時(shí)，如果分解層數(shù)增加，幅值和方差兩者的取值會(huì)降低[7-8]。通常情況下，裝配式建造能源數(shù)據(jù)主要通過(guò)小波閾值進(jìn)行去噪，具體的操作步驟如圖1所示。

圖1 基于小波閾值的裝配式建造能源數(shù)據(jù)預(yù)處理

1)一維信號(hào)小波分解

優(yōu)先選取一個(gè)小波函數(shù)，同時(shí)確認(rèn)小波分解的具體層次J，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行J層分解，進(jìn)而獲取小波系數(shù)wj,k。

2)高頻系數(shù)閾值量化處理

3)一維小波的重構(gòu)

將高低頻系數(shù)兩者結(jié)合即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)重構(gòu)。

由于小波變換是一種線性變換方法，優(yōu)先對(duì)f(t)進(jìn)行離散小波變換，獲取對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)。其中小波數(shù)是由對(duì)應(yīng)信號(hào)的小波系數(shù)和噪聲對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)構(gòu)成。當(dāng)不同類(lèi)型的小波信號(hào)經(jīng)過(guò)小波邊緣之后，會(huì)形成新的統(tǒng)計(jì)特征，其中有利用價(jià)值的小波系數(shù)變化幅度較大；反之，則變化不明顯[9]。

當(dāng)信號(hào)完成小波分解后，系數(shù)的取值會(huì)明顯高于噪聲系數(shù)。為了得到滿意的去噪結(jié)果，需要選取一個(gè)數(shù)值λ，當(dāng)分解系數(shù)小于λ，則說(shuō)明分解系數(shù)是由噪聲引發(fā)的。

(4)

式中：wj,k為小波系數(shù)的估計(jì)值。

(5)

不同小波函數(shù)對(duì)于信號(hào)的描述是完全不同的，由于小波函數(shù)是不規(guī)則且不唯一，因此，使用小波閾值去噪方式預(yù)處理數(shù)據(jù)，同時(shí)將全部經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)全部計(jì)入數(shù)據(jù)庫(kù)[10]，為后續(xù)研究奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 裝配式建造能源智能化綜合管控

結(jié)合經(jīng)過(guò)預(yù)處理的數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析影響裝配式建造能源智能化綜合管控的主要因素。結(jié)合指標(biāo)體系的建立原則，需要將因素按照類(lèi)型進(jìn)行區(qū)分，進(jìn)而獲取對(duì)應(yīng)的指標(biāo)體系，如圖2所示。

圖2 客觀影響因素指標(biāo)體系

通過(guò)層析分析法(AHP)確定不同影響因素的權(quán)重，以下給出詳細(xì)的操作步驟：

1)明確影響因素指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)

此次研究過(guò)程中，重點(diǎn)研究客觀因素對(duì)裝配式建造能源智能化綜合管控的影響和分析[11-12]，根據(jù)類(lèi)型的不同進(jìn)行影響因素劃分，如圖3所示。

圖3 影響因素指標(biāo)層次結(jié)構(gòu)

2)構(gòu)建判斷矩陣

通過(guò)影響因素確定指標(biāo)的具體層次結(jié)構(gòu)后，首先需要組建判斷矩陣進(jìn)而求解指標(biāo)權(quán)重，得到各個(gè)影響因素的權(quán)重取值。判斷矩陣的建立依據(jù)為專(zhuān)家意見(jiàn)，同時(shí)還需要利用標(biāo)度取值，獲取各個(gè)影響因素的指標(biāo)權(quán)重。其中，判斷矩陣的一般表現(xiàn)形式為

(6)

3)層次的簡(jiǎn)單排序

在確定判斷矩陣后，需要計(jì)算最大特征根λmax和特征向量W。結(jié)合判斷矩陣的相關(guān)理論可知，假設(shè)矩陣能夠滿足需求，則會(huì)得到最大特征根λmax=n，同時(shí)λmax>0。除了最大特征根以外[13]，剩余部分取值全為0。通過(guò)上述分析，能夠?qū)⒅笜?biāo)權(quán)重計(jì)算問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解矩陣的最大特征根和特征向量。

已知判斷矩陣滿足BW=nW，則有

(7)

式中：B為判斷矩陣；n為矩陣的總階數(shù)；Wi為權(quán)重向量；(BW)i為矩陣和向量?jī)烧吖餐瑢?duì)應(yīng)的第i個(gè)元素。

4)層次的一致性檢驗(yàn)

對(duì)上述構(gòu)建好的矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。主要目的是得到合理的分析結(jié)果，確保最終檢驗(yàn)結(jié)果的有效性，具體的檢驗(yàn)過(guò)程如下：

(8)

式中：λmax-n的取值越小，證明矩陣的一致性越好。

5)隨機(jī)一致性比率

(9)

式中：CI為判斷矩陣的一致性指標(biāo)。由于不同判斷矩陣RI的取值不同，利用表1給出判斷矩陣中部分RI的取值。

表1 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

6)計(jì)算指標(biāo)權(quán)重匯總

為了有效避免單次層次分析法造成的主觀隨意性，在研究的過(guò)程中主要通過(guò)群體性判斷原則[14-15]，增加數(shù)據(jù)樣本的來(lái)源，促使權(quán)重達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，具體的求解計(jì)算公式為

(10)

接下來(lái)需要對(duì)各個(gè)管控對(duì)象的隸屬度進(jìn)行計(jì)算，全面衡量節(jié)能效果。其中影響因素指標(biāo)的隸屬度函數(shù)表達(dá)式為

(11)

在上述分析的基礎(chǔ)上，構(gòu)建裝配式建造能源智能化綜合管控模型，通過(guò)模型完成管控：

(12)

2 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提基于GIS+BIM的裝配式建造能源智能化綜合管控方法，分別從以下三個(gè)方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試：

1)裝配式建造能源智能化綜合管控費(fèi)用

實(shí)驗(yàn)首先對(duì)比所提方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法三種不同方法的裝配式建造能源智能化綜合管控費(fèi)用，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同方法的裝配式建造能源智能化綜合管控費(fèi)用對(duì)比結(jié)果

分析圖4中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，相比另外兩種方法，所提方法的裝配式建造能源智能化綜合管控費(fèi)用明顯更低一些，由此有效驗(yàn)證了所提方法的優(yōu)越性。

2)裝配式建造能源智能化綜合管控結(jié)果可靠性

為了進(jìn)一步分析所提方法的有效性，以下實(shí)驗(yàn)測(cè)試主要對(duì)比三種不同方法的裝配式建造能源智能化綜合管控結(jié)果可靠性，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同方法的裝配式建造能源智能化綜合管控結(jié)果可靠性對(duì)比

分析表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，由于所提方法在進(jìn)行裝配式建造能源智能化綜合管控的過(guò)程，優(yōu)先通過(guò)小波分析算法對(duì)采集到的能源數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)有效濾除了無(wú)利用價(jià)值的信息和安全隱患，全面提升管控過(guò)程的可靠性，進(jìn)而確保整個(gè)管控過(guò)程的順利進(jìn)行。

3)綜合管控效率

為了更加全面驗(yàn)證所提方法的有效性，以下實(shí)驗(yàn)測(cè)試重點(diǎn)對(duì)比三種不同方法的綜合管控效率，具體實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

由圖5中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，管控效率會(huì)受到測(cè)試樣本數(shù)量的影響。其中，所提方法的綜合管控效率相比另外兩種方法明顯更高一些，充分證明所提方法在綜合管控前期加入小波分析法進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理的有效性。

圖5 不同方法的綜合管控效率對(duì)比結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)管控方法存在的問(wèn)題，提出了一種基于GIS+BIM的裝配式建造能源智能化綜合管控方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，所提方法能夠有效提升綜合管控結(jié)果的可靠性，同時(shí)還能夠增加綜合管控效率，降低綜合管控費(fèi)用。