關(guān)于建筑用能人行為模型的XML描述方法的探索
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作者：田嘉
人員在建筑中從事一系列活動，其行為主要特征是：人員走動（移動）、對建筑設備的操控（動作）、環(huán)境影響等。在目前的建筑能耗模擬中，房間內(nèi)人員位置、建筑設備的開關(guān)狀態(tài)等主要是用固定作息來描述的，不能滿足人行為的隨機性、復雜性和多樣性特征的刻畫要求；因此需要給出建筑中人行為特征的定量描述方法。
為了避免在能耗模擬中因為人員差異造成建筑能耗的過高或者過低估計，更加準確地描述人員在建筑中的用能狀況，人們開發(fā)了多種模擬建筑用能人行為模型。比如，在人員移動模型方面的研究，主要有：固定作息法，基于蒙特卡洛隨機作息法，時自相關(guān)的隨機過程模型，Agent_Based模型，Activity—Based模型等；在人員動作模型方面的研究，主要有：固定作息法，照明行為的簡化模型，窗簾調(diào)節(jié)行為Logistic模型，空調(diào)供暖行為的隨機模型，開窗行為的Markov鏈模型等。
目前，對于能耗模擬的人行為定量刻畫，上述方法都有其不足之處，清華大學王闖博士對于建筑用能人行為的研究結(jié)果，給出了一套較全面的建筑人行為刻畫模型及定量描述方法，其方法特點是：隨機的、且能保證設備對象狀態(tài)的時相關(guān)性，能夠同時容納環(huán)境獨立、環(huán)境反饋兩類特征，采用基于動作和個體的描述方式，具有簡單清晰的特征參數(shù)、以便于區(qū)別和分類。
本文根據(jù)目前國內(nèi)外建筑人行為模型研究現(xiàn)狀，結(jié)合王闖博士的研究結(jié)果，提出了建筑人行為定量描述的擴展標識語言架構(gòu)( Occupant BehaviorExtensible Markup Language( obXML) Schema)，給出了影響建筑能耗的人行為定量因素分析，obXML核心節(jié)點描述，較全面地定量描述了建筑人員用能行為關(guān)鍵元素及模型參數(shù)，同時完成了建筑用能人行為模塊的obXML接口開發(fā)，為建筑人行為能耗模擬、軟件開發(fā)研究提供了一套有效的國際標準數(shù)據(jù)交換語言及實現(xiàn)方法；并進一步探討了建筑人行為模塊與建筑能耗模擬工具的集成與聯(lián)合仿真方法研究。
1 建筑人行為定量描述
目前研究表明，與建筑使用和運行狀況有關(guān)的人行為存在較大差異，導致建筑能耗的巨大差別。針對不同的人行為和生活方式，需要不同的節(jié)能技術(shù)。因此，準確刻畫人員在實際建筑中的行為和生活方式，對科學評價我國建筑節(jié)能工作的效果、規(guī)范各項建筑節(jié)能技術(shù)的應用、以及合理制定建筑節(jié)能標準和政策等，都具有十分重要的意義。
1.1 人行為用能影響因素
從中國建筑節(jié)能發(fā)展的特點出發(fā)，我們需要建立一套人行為的定量描述和模擬體系，以支撐實際工程應用，從而才更準確地預測建筑能耗、合理評價系統(tǒng)性能、科學評價節(jié)能成效，發(fā)揮模擬分析方法的工程作用。人行為定量模型研究是人行為研究中最為關(guān)鍵、最為基礎的一個工作，這里概要給出影響人員在建筑中的用能因素，主要包括建筑、環(huán)境、人員和行為信息。
1.1.1 環(huán)境信息描述
主要包括：環(huán)境數(shù)據(jù)、逐時氣象數(shù)據(jù)。
1)環(huán)境數(shù)據(jù)：標識ID，城市，省份，國家，經(jīng)緯度，拔海高度，常年大氣壓，地面反射率等。
2)逐時氣象數(shù)據(jù)：ID、干球溫度、含濕量、太陽輻射、地表溫度、天空有效溫度、風速、大氣壓力等。
1.1.2 建筑信息描述
主要包括：建筑數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、會議參數(shù)、空間系統(tǒng)模式。
1)建筑數(shù)據(jù)：建筑標識ID，建筑描述，建筑地址，建筑類型，建筑所含人員，建筑所含空間等。
2)建筑空間：空間標識ID，空間類型，空間描述，空間最大容納人數(shù)，空間最小容納人數(shù)，會議參數(shù)，空間控制模式等。
3)會議參數(shù)：會議室中的開會事件是造成人員分布不均勻的重要原因，具有很強的隨機性，其使用狀況描述需要的參數(shù)有：會議時間段，會議室使用比例，會議平均時長（開始、結(jié)束時間）。
4)空間系統(tǒng)模式：ID，窗戶，照明，空調(diào)，溫控設備，遮陽，電器設備。
1.1.3人員信息描述
主要包括：人員標識ID，姓名，年齡，性別，生活類型，職業(yè)類型，用能行為信息ID等。
1.1.4 行為信息描述
主要包括：行為標識ID，驅(qū)動因素，需求因素，動作因素，系統(tǒng)因素。
1)驅(qū)動因素：時間（季節(jié)、月、周、日、時），環(huán)境（室內(nèi)及參數(shù)，室外及參數(shù)），習慣（作息、嗜好），事件（固定、隨機）。
2)需求因素：物理（熱感受：溫度、濕度、空氣流動、熱舒適，聲音，明暗度，空氣品質(zhì)），非物理。
3)動作因素：移動（模型及參數(shù)：Markov鏈，事件、空間逗留參數(shù)），交互操控（描述、概率公式：線性、二次曲線、logistic回歸、weibu113D擬合），無動作，抱怨。
系統(tǒng)因素：窗戶，照明，空調(diào)，溫控設備，遮陽，設備狀態(tài)。
1.2人行為描述模型
目前，建筑人行為模擬主要包括移動模型與動作模型，結(jié)合建筑能耗模擬工具，即可完成基于人行為影響的建筑能耗模擬計算工作，其模塊組成與處理框架如圖1。
1.2.1 移動模型描述
人員位移計算是采用基于馬爾可夫鏈的離散隨機過程模型，以人員所在房間位置為隨機變量，以建筑內(nèi)所有房間及外界為狀態(tài)空間（即人員移動范圍），通過用馬爾可夫鏈的形式進行位移刻畫與模擬計算，最終生成全年逐時刻的室內(nèi)人員作息（每個房間的逐時刻人數(shù)）。
人員移動的馬爾科夫移動模型：設隨機狀態(tài)變量X(t)為t時刻人員房間位置，建筑房間數(shù)量為n+1（包含室外），P：為馬氏鏈的轉(zhuǎn)移概率矩陣：
式中：
人員在時刻f處于位置i時，在時刻t+l處于位置j的概率。
式(2)人員t+1時刻的房間位置模型：
圖2左側(cè)給出辦公建筑的人員移動處理的事件集及特征參數(shù)描述。
人員移動模型描述包含：建筑、環(huán)境、人員、時間信息，計算模型（M arkov鏈），以及事件參數(shù)：上班、工作、午休、會議、下班等，以及相應的事件名稱、作用時段、特征參數(shù)等。
1.2.2 動作模型描述
人員對設備的控制動作的基本特點：不確定性、隨機性。某些動作的發(fā)生，如開燈、開空調(diào)等，還明顯受環(huán)境條件影響，與環(huán)境因素密切相關(guān)。動作處理采用了一套條件觸發(fā)的控制動作隨機模型，計算出每個時刻人員操控設備的概率，進而模擬計算出基于人行為影響的建筑負荷及能耗。圖3右側(cè)給出開關(guān)燈、電器的作息和閾值，以及空調(diào)動作模式及參數(shù)示例。
人員動作處理模型描述主要包含：室內(nèi)人員狀態(tài)、設備模式、對象約束條件，典型模式及特征參數(shù)：動作對象、對象狀態(tài)，開關(guān)模型：概率模型及參數(shù)（線性、Logistic、三次曲線）。
2 0bXml描述架構(gòu)
obXML Schema是建筑人行為定量描述的擴展標識語言框架，是建筑人行為定量描述的XML語言描述方法，該描述方法建立的目的是指導標準化地開發(fā)“建筑人行為模擬模塊”，使得該模塊可以方便地與已有建筑能耗模擬軟件聯(lián)合或集成仿真，可以推進建筑人行為研究的快速地發(fā)展。同時，也為獨立建筑人行為模擬模塊提供了一種國際標準數(shù)據(jù)交換格式。
2.1 人行為描述的DNAs框架
基于建筑人行為用能影響因素的深入分析，本文提出了建筑人行為定量描述的擴展標識語言框架( obXML Schema)。該框架較全面地定量描述了建筑人員用能行為關(guān)鍵元素及模型參數(shù)，給出了建筑人行為模型的DNAs框架形式的obXML定量描述，其核心的人行為節(jié)點的主要包含4個關(guān)鍵元素（DNAs框架）：Drivers，Needs，Actions，和Systems（如圖4）；為建筑人行為數(shù)值模擬、軟件開發(fā)等研究工作提供了一種國際標準描述架構(gòu)。
2.2節(jié)點描述
結(jié)合人行為用能影響因素的分析和歸類，本文將其描述歸為3個主要節(jié)點：建筑節(jié)點、人員節(jié)點和人行為節(jié)點，以及其他輔助節(jié)點，形成obXML描述架構(gòu)。
2.2.1 建筑節(jié)點
該節(jié)點主要提供建筑用能人行為模塊所需要的建筑信息，主要包括：建筑數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)、會議參數(shù)、空間系統(tǒng)模式( Systems)等。
建筑節(jié)點可以描述多個建筑( Buildings)；每個建筑可以描述多個空間組團( Spaces)；每個組團由空間( Space)組成；空間會議節(jié)點(Meetings)描述每個會議( Meeting)的使用特性參數(shù)；空間設備模式節(jié)點( Systems)描述空間中所有設備系統(tǒng)的可用模式（如：照明系統(tǒng)：3級照度控制開關(guān)等）。
2.2.2人員節(jié)點
該節(jié)點主要提供建筑用能人行為模塊所需要的人員信息，包括：人員標識ID，姓名，年齡，性別，生活類型，職業(yè)類型，用能行為信息ID等。
生活類型( LifeStyle)用于刻畫“典型人員”的生活用能特點，如：節(jié)簡型、經(jīng)濟型、實用型、舒適型、奢侈型等，它們具有不同的典型用能模式。
職業(yè)類型( JobType)用于刻畫“典型人員”的職業(yè)類型，如：管理型、研發(fā)型、銷售型等。
用能行為信息ID( BehaviorReflD)用于索引“典型人員”的多個行為節(jié)點ID，由此描述該人員的移動、開關(guān)設備的行為及參數(shù)。
2.2.3行為節(jié)點
該節(jié)點是obXML Scheme的核心元素，主要提供建筑用能人行為模塊所需要的人員行為信息，主要包括：驅(qū)動節(jié)點元素，需求節(jié)點因素，動作節(jié)點因素，系統(tǒng)節(jié)點因素。
驅(qū)動節(jié)點( Drivers)用于刻畫人行為的驅(qū)動力，如：季節(jié)、室內(nèi)熱環(huán)境、作息習慣、事件要求等。
需求節(jié)點( Needs)用于刻畫人的生活、工作、活動等方面的需求因素，如：熱感受、聲音、明暗度、空氣品質(zhì)等。
動作節(jié)點( Actions)用于刻畫人對建筑設備的操控行為，如：人員移動、開關(guān)動作、行為模式、動作模型及參數(shù)、抱怨狀態(tài)等。
系統(tǒng)節(jié)點( Systems)用于刻畫建筑設備的操控狀態(tài)，如：窗戶，照明，空調(diào)，溫控設備，遮陽，家電等設備狀態(tài)。行為節(jié)點元素架構(gòu)如圖5。
2 2 4其他節(jié)點類型
除上述3個主要節(jié)點外，還有12個復雜數(shù)據(jù)類型，以及幾十個簡單數(shù)據(jù)類型；分別描述復雜數(shù)據(jù)類型、簡單數(shù)據(jù)類型對象等。
3建筑人行為模塊
基于建筑人行為定量描述的XML語言描述方法( obXML Schema)，本文結(jié)合文獻[10 -11]中的人行為模型，開發(fā)了獨立的“建筑人行為模擬模塊”，使得該模塊可以方便地與已有建筑能耗模擬軟件聯(lián)合或集成仿真，實現(xiàn)了建筑用能人行為模型的tjbXML描述以及軟件開發(fā)，推進了建筑人行為國際通用XML描述方法的研究及能耗模擬的進一步發(fā)展。
3.1 0bXML接口
該接口的主要功能是完成obXML描述文件的導人＼導出，其主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)節(jié)點有：建筑節(jié)點、人員節(jié)點、移動行為節(jié)點、動作行為節(jié)點等，接口函數(shù)主要有：導出obXML文件、導人ObXml文件及輔助函數(shù)；其處理流程分別如圖6和圖7完成obXML文件的讀寫操作。
3.2人行為模塊集成
“建筑人行為模擬模塊”是一個相對獨立的模塊，它需要與建筑能耗模擬軟件聯(lián)合或集成運行，進而完成具有人行為模塊的建筑能耗模擬與分析工作。本文結(jié)合文獻[ 14]的研究成果，開展丁DeST軟件的人行為模塊集成技術(shù)研究，完成了“人行為模塊”與建筑能耗模擬軟件的集成運行，并得到初步的應用。
圖8給出了建筑用能人行為模塊集成與模擬計算流程：在DeST平臺中創(chuàng)建建筑模型一計算人行為人員位移一i；r算照明行為及功率一計算人行為動作（開關(guān)窗、空調(diào)、供暖）模式一耦合計算室溫、負荷一生成數(shù)據(jù)（庫）結(jié)果。
計算結(jié)果自動保存為csv格式文檔，每個房間有一個獨立的結(jié)果文件，在該文件基礎上可進一步分析和模擬。結(jié)果包含：房問ID、計算的時問，以及各時刻的結(jié)果：人員個數(shù)、照明作息、照度、窗戶作息、CO2、空調(diào)作息、供暖作息、溫度、負荷。
3.3算例
基于DeST -人行為模塊集成軟件，本文給出了一個辦公建筑算例：包含辦公室、會議室、休息室、走廊等類型的12個房間，以及16位行政、研發(fā)、銷售不同工作類型的使用人員；建筑無集巾新風系統(tǒng)，辦公室、會議室房間具有獨立分體空調(diào)、供暖、照明、窗戶，并可獨立控制（見圖9）。
計算工況如下：
a)模擬時段：夏季，7月13日—7月14日。
b)計算步長：10 min。
c)開關(guān)模式、參數(shù)：
（其中，開（關(guān)）模型分別是三參數(shù)S型單增（降）概率曲線，曲線參數(shù)u刻畫閾值、參數(shù)Z刻畫范圍、參數(shù)k刻畫斜度，其含義詳見參考文獻[10]）
①開窗戶：
悶（C02高）時開。開始濃度u=1 200.0×10“，范圍Z=55. 32 x10“，斜度k=3.15。
②關(guān)窗戶：
冷時關(guān)。結(jié)止溫度u= 18.0℃，范圍L=10.0aC，斜度尼=4.0。
離開時關(guān)。離開時段u= 120 min，斜度k=1. 73。
③開空調(diào)：
熱時開。開始溫度u= 26.0℃，范圍L=5.0℃，斜度k= 8.0。
④關(guān)空調(diào)：
冷時關(guān)。結(jié)止溫度u= 22.0℃，范圍L=10.0℃，斜度k=4.0。
離開時關(guān)。離開時段u= 120 min，斜度k=1. 73 0計算結(jié)果見圖10：
結(jié)果分析：
針對上述計算工況以及計算結(jié)果，圖10給出以下結(jié)論：
7月15日，11：00，CO2濃度高（1 229×10-6）導致先開窗，由溫度適宜未開空調(diào)，開窗導致室內(nèi)CO：濃度下降；人員下班離開前時刻關(guān)窗。
7月14日，11:30，C02濃度高(1 239×l0 -6)導致先開窗，導致室內(nèi)C02濃度下降；15：00室內(nèi)溫度( 30. 43℃)高導致開空調(diào)，這時強制關(guān)窗，導致CO2濃度上升，室溫下降；人下班離開前時刻關(guān)空調(diào)。
該結(jié)果體現(xiàn)出：人行為模塊是基于隨機移動模型，動態(tài)模擬計算出人員每個時刻在某房間的位置，以及人員對設備（空調(diào)、窗戶等）操控的概率與發(fā)生的動作；完全替代以前能耗模擬方法所采用的用固定作息來描述房間內(nèi)人員位置、建筑設備的開關(guān)狀態(tài)等方式，進而可以使得能耗模擬軟件計算出更接近建筑實際用能方式的能耗值。
4 結(jié)論
人行為是影響建筑能耗的重要因素，也是評估建筑節(jié)能技術(shù)措施的重要參考基準。不同的人行為導致不同的用能水平，需要不同的節(jié)能技術(shù)措施與之相適應。為此，必須定量刻畫人的行為及定量分析其對建筑性能的影響，面對我國建筑節(jié)能工作的實際需要，這項工作具有極其的重要性和迫切性。
通過對國內(nèi)外人行為研究現(xiàn)狀的整理歸類和分析，本文提出了建筑人行為模擬的obXML擴展標識語言架構(gòu)( obXML Schema)，較全面地定量描述了建筑人員用能行為關(guān)鍵元素及模型參數(shù)，開發(fā)了獨立的“建筑人行為模擬模塊”、以及obXML接口功能，探索了該模塊與已有建筑能耗模擬工具集成仿真方法，為建筑人行為能耗模擬、軟件開發(fā)研究提供了一套有效的國際標準數(shù)據(jù)交換語言及實現(xiàn)方法，推進了建筑人行為研究及能耗模擬的快速發(fā)展。
本文初步建立了obXML架構(gòu)，是對建筑人行為定量描述研究方法的一個新探索，隨著人行為研究的深入、綠色建筑節(jié)能以及BIM技術(shù)的不斷普及與發(fā)展，必將促進建筑節(jié)能模擬技術(shù)的進一步全面提升。本文仍然存在許多不足，后續(xù)仍有較多工作要做，主要包括：
1)完善obXML架構(gòu)工作（特別是移動、動作模型的數(shù)學描述方法）；
2)完善建筑人行為模塊功能及接口標準，探索與國內(nèi)外知名建筑能耗模擬軟件（如：PKPM、EnergyPlus、ESP-r，IES等）的聯(lián)合仿真方法；
3)盡快推進與BIM標準的融合，推進建筑人行為模擬研究的國際標準化。
5[摘要]
建筑中的人行為是指人員在室內(nèi)外行走移動以及對建筑設備進行操控的行為；人員移動與操控動作可以用隨機模型來定量化描述，它們是影響建筑實際使用方式及能耗的主要因素之一。本文根據(jù)目前國內(nèi)外建筑人行為定量描述及刻畫模型的研究現(xiàn)狀，提出了建筑人行為定量描述的擴展標識語言架構(gòu)( obXML Schema)，給出了影響建筑能耗的人行為定量因素分析，以及obXML核心節(jié)點描述，較全面地刻畫了建筑人員用能行為關(guān)鍵元素及模型參數(shù)；同時完成了建筑用能人行為模塊的obXML接口開發(fā)，為建筑人行為能耗模擬、軟件開發(fā)研究提供了一套有效的國際標準數(shù)據(jù)交換語言及實現(xiàn)方法。
