Development of integrated building and HVAC design surport environment

1 前言 世界性的能源危機(jī)給建筑業(yè)的發(fā)展帶來了很大的影響。針對建筑能耗占能源總消耗量比例相當(dāng)大這個現(xiàn)實，世界各國投入大量人力、財力來研究節(jié)能建筑，對建筑的節(jié)能設(shè)計、性能評價、節(jié)能運行提出了更高的要求。基于這種情況，各種模擬評價軟件應(yīng)運而生。 但是近年來對世界各國的設(shè)計、研究單位的調(diào)查表明，在實際工程設(shè)計中已開發(fā)出的模擬軟件并未被充分利用。其原因主要有以下幾個： ①現(xiàn)有的分析模擬軟件都是"面向程序"的軟件，用戶為了使用模擬程序來評價一個具體的建筑或空調(diào)設(shè)計，需要按照程序的要求準(zhǔn)備相應(yīng)的輸入數(shù)據(jù)文件。這個過程既耗時又費精力，而且一量幾個數(shù)據(jù)的輸入錯誤可能導(dǎo)致完全錯誤的結(jié)果，并且錯誤很難查找。 ②一個實際的設(shè)計過程由幾個不同階段構(gòu)成，由于模擬程序是針對解決某一方面的問題而設(shè)計的，它僅支持一個或某向個階段的設(shè)計，所以當(dāng)用戶需要跨越幾個階段來評價設(shè)計時，就需要使用幾個模擬程序，這意味著對同一個建筑的空調(diào)設(shè)計，要為這幾個不同的模擬程序準(zhǔn)備不同的輸入文件。顯然這大大限制了這些模擬程序的使用范圍。 ③當(dāng)使用模擬程序評價具體設(shè)計時，程序需要有對所分析對象的全面細(xì)致的描繪。但設(shè)計初期很難得到所有的詳細(xì)數(shù)據(jù)，即使在施工圖階段有的詳細(xì)數(shù)據(jù)可以得到，但一些經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)的取值會在很大程度上影響模擬程序得出的結(jié)果。因而對一般工程設(shè)計人員來講，使用模擬程序正確分析評價設(shè)計并不是件容易的事。 ④由于模擬程序只對簡化的模型進(jìn)行模擬，而不同的簡化模型會導(dǎo)致不同的結(jié)果。因此，如何正確選取簡化模型以及由簡化模型選擇合適的模擬程序又是一大困難。 綜上所述，繁雜的數(shù)據(jù)輸入工人、不確定性的數(shù)據(jù)取值和模型簡化而導(dǎo)致的結(jié)果的不確定性是導(dǎo)致模擬分析技術(shù)未能廣泛地在實際設(shè)計中使用的主要原因。 但是，正確地使用模擬分析技術(shù)是保證實際設(shè)計質(zhì)量的唯一途徑。顯然，上面的問題并不在于模擬程序本身的計算性能不夠好，而是外部界面的問題。圍繞著如何解決這些問題，80年代后期，國際上開始出現(xiàn)集成化的建筑空調(diào)設(shè)計支持環(huán)境的概念，繼而許多因家陸續(xù)投入大量經(jīng)費與全國各地開發(fā)此類系統(tǒng)。 這類集成化系統(tǒng)的共同特點是將各種有關(guān)的分析模擬軟件集成于一個環(huán)境下，建立統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，各個軟件通過與統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫傳輸數(shù)據(jù)，從而達(dá)到互相交換數(shù)據(jù)的目的，這樣可以解決各個模擬軟件之間通訊問題。 用戶在儲存系統(tǒng)中模擬建筑，只需將建筑向系統(tǒng)描繪一次（如用CAD系統(tǒng)），然后集成系統(tǒng)可以將描繪數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬程序所需的輸入文件格式。而且如果集成系統(tǒng)進(jìn)一步具有智能功能，系統(tǒng)可以對不同的實際應(yīng)用提供默認(rèn)值，及時指導(dǎo)建筑模型的簡化過程，從而不但大減輕輸入文件的準(zhǔn)備工作對用戶的負(fù)擔(dān)，并且增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的可靠性及結(jié)果的正確性。 與單純的模擬軟件相比，集成系統(tǒng)具有以下優(yōu)點： ·允許用戶進(jìn)行不同設(shè)計階段的分析計算。 ·用統(tǒng)一的系統(tǒng)數(shù)據(jù)描述方法得到數(shù)據(jù)之后可轉(zhuǎn)換為適合不同程序的輸入文件，可作不同的分析計算工作，從而大減輕了人工準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的負(fù)擔(dān)。 ·將一些基本知識，諸如標(biāo)準(zhǔn)部件知識、基本規(guī)則等裝入系統(tǒng)，便于查找，以利于系統(tǒng)作出正確決定。 ·人機(jī)關(guān)系與以往的不同。以往的模擬程序是以機(jī)為主，機(jī)器要求什么，人就要做什么。機(jī)時集成設(shè)計系統(tǒng)的人機(jī)充分地配合，按人的意志，借助機(jī)器來計算、推理，并可作判斷和決定。 ·結(jié)合CAD繪圖，使設(shè)計、計算合為一體。在一個系統(tǒng)中完成。 ·系統(tǒng)針對具體情況為用戶提供默認(rèn)值及選取簡化模型，這可在很大程度上幫助用戶模擬分析建筑，同時增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可靠性。 圖1描繪了所設(shè)想的這種集成化設(shè)計系統(tǒng)中的各功能塊及其相互關(guān)系。用戶利用CAD輔助設(shè)計，同時檢索各種設(shè)計資料和產(chǎn)品信息，然后設(shè)計結(jié)果傳輸?shù)街行南到y(tǒng)描述數(shù)據(jù)庫中，由知識庫指導(dǎo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化、再處理模擬程序的選擇。各階段模擬分析均可這同一環(huán)境下進(jìn)行，它們各自的分析結(jié)果均可進(jìn)入數(shù)據(jù)庫為設(shè)計的一部分，最后可以得出設(shè)計的總評價結(jié)果。 圖1 為了發(fā)展這種集成化的設(shè)計環(huán)境，必須解決下面3個問題：①統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換機(jī)制，②知識庫結(jié)構(gòu)，③系統(tǒng)平臺設(shè)計。 本文先介紹國外在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方面的發(fā)展以及知識庫的開發(fā)研究情況，然后介紹歐美國家目前已開發(fā)或正在開發(fā)的一些集成化設(shè)計支持系統(tǒng)，最后對我國開展這方面研究提出幾點建議。 2 集成系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)傳輸問題 各種集成化的建筑空調(diào)設(shè)計支持環(huán)境各有不同的結(jié)構(gòu)、不同的側(cè)重點，但卻共有一個基本的特征，那就是將一些擔(dān)任不同任務(wù)的模塊通過一個中央處理環(huán)節(jié)來完成信息傳輸和信息處理。 要實現(xiàn)這一點，信息傳輸顯得非常重要。比如用戶在CAD系統(tǒng)下設(shè)計建筑圖形，數(shù)據(jù)以CAD系統(tǒng)內(nèi)表達(dá)格式存貯，而為了用模擬程序來評價其性能質(zhì)量，集成環(huán)境必須將其轉(zhuǎn)換為模擬程序所要求的輸入文件，這不僅是數(shù)據(jù)存儲方式的轉(zhuǎn)化，而且包括對數(shù)據(jù)的理解和一些再處理過程。 為適應(yīng)CAD圖形系統(tǒng)的需要，1979年出現(xiàn)最早作為標(biāo)準(zhǔn)的圖形數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)（IGES），起初僅為交換圖形和幾何數(shù)據(jù)。但隨著CAD系統(tǒng)應(yīng)用于越來越多的工業(yè)生產(chǎn)部門，已構(gòu)成強(qiáng)大的計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS），工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的復(fù)雜性和數(shù)據(jù)的頻繁傳遞，使得IGES已不滿足要求了。怎樣準(zhǔn)確完滿地傳遞和交換數(shù)據(jù)成為當(dāng)今計算機(jī)與信息領(lǐng)域中亟待解決問題[1]。 美國空軍部開發(fā)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)定義界面，首次提出產(chǎn)品建模的概念，從而使數(shù)據(jù)交換技術(shù)進(jìn)入了一個新的階段。正是為了從根本上解決CIMS中各種產(chǎn)品的復(fù)雜性、多樣性，各個子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的表達(dá)、理解、傳遞等問題，80年代中期，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織著手開發(fā)產(chǎn)品數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO STEP，它將發(fā)展成國際上唯一通行的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)。這就意味著不久的將來，世界各國各種計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)都應(yīng)與該標(biāo)準(zhǔn)兼容。為了實現(xiàn)這上目標(biāo)，需要許多國家不同行業(yè)的專家共同合作，使STEP具有表達(dá)所有數(shù)據(jù)模型的能力。目前參與開發(fā)STEP的國家有美國、澳大利亞、比利時、加拿大、丹麥、法國、芬蘭、德國、匈牙利、英國、瑞士、瑞典、挪威、荷蘭、日本、俄羅斯。 為了避免語言不通造成的困難，以及為了集成各地開發(fā)的模型，需要一種建模工具，以使表達(dá)標(biāo)準(zhǔn)EXPRESS。NIAM和IDEFIX是圖形工具，易用、易讀，尤其于建模初期。NIAM是一個二元數(shù)據(jù)模型，采用類似于自然語言的方式描述真實世界[1]，[2]。舉一簡單的例子："table"和"height"是兩個概念，它們之間的關(guān)系稱為"role"，這里，"has-height"和"is-height-of"是兩個role，它們互為一對反關(guān)系，"?"是在role的限制（constraints），比如一個"table"有唯一確定的一個"height"，"唯一"就是限制。 圖2 IDEFIX也是圖形建模工具，其數(shù)據(jù)模型是實體關(guān)系模型，基本元素是物體與物體之間的關(guān)系以及物體的屬性。它與NIAM是兩個平行的建模工具，如何選擇很大程度上取決于不同的工業(yè)需要和專家手中的知識。在建筑方面，目前廣泛采用的是NIAM。 EXPRESS是一種數(shù)據(jù)定義語言，圖形建立模型最終都要轉(zhuǎn)換為EXPRESS相應(yīng)的實體結(jié)構(gòu)。因而從某種方面可以說，NIAM和IDEFIX是圖形工具，使概念化的模型為人所能理解，而EXPRESS是為計算機(jī)所能理解的數(shù)據(jù)定義語言。實際上EXPRESS中的實體結(jié)構(gòu)（以及各種關(guān)系）是一種概念型結(jié)構(gòu)。它的核心是實體（entity），實體既可以看作抽象的，也可以定義為具有清晰屬性的實在的物體，每一個屬性有特定的名稱，以表示該屬性表達(dá)的含義，屬性也是實體，這個實體的數(shù)據(jù)類型表示屬性的數(shù)據(jù)是什么樣的類型[2][3]。 EXPRESS還允許以函數(shù)和過程的形式定義屬性的操作，并且提供多種規(guī)則。比如關(guān)于屬性取值的規(guī)則，關(guān)于幾個屬性關(guān)系的規(guī)則等等。值得一提的是實體和屬性可在數(shù)據(jù)庫中實現(xiàn)，而規(guī)則和操作則是由作為集成的應(yīng)用程序和數(shù)據(jù)庫管理軟件部分來實現(xiàn)。 STEP 中這三種建模方法各有不相同，但EXPRESS能支持NIAM和IDEFIX的所有功能，后者應(yīng)能夠很簡單地轉(zhuǎn)換為EXPRESS定義。 一旦語義在要領(lǐng)型模型里定義之后，不同系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)就可以STEP具體數(shù)據(jù)文件來進(jìn)行傳遞了。STEP轉(zhuǎn)換文件形式是順序文件，不同數(shù)據(jù)通過特征詞（或字）來區(qū)分。STEP文件并非采用最高效的方法盡可能密集地收入信息，而是重點保證信息表達(dá)轉(zhuǎn)換的普遍性、通用性[2]。信息傳輸?shù)那疤釛l件是接收系統(tǒng)和發(fā)送系統(tǒng)都必須能夠查閱概念模型，因為概念模型容納著實體的定義，如果沒有這個字典的定義、說明，傳輸?shù)膶嶓w只不過是一堆毫無意義的字符或數(shù)字。因此概念模型與具體數(shù)據(jù)文件必須結(jié)合起來才能真正表達(dá)信息，傳輸信息。 因此，STEP與其他數(shù)據(jù)交換方法不同之點在于別的方法僅考慮有限的一類數(shù)據(jù)表達(dá)，僅在具有類似功能的系統(tǒng)（如在相似的CAD系統(tǒng)）之間交換數(shù)據(jù)，而STEP則允許不同功能系統(tǒng)（如在圖形系統(tǒng)與計算程序系統(tǒng)）之間能夠暢通無阻地進(jìn)行信息傳遞。顯然它們的數(shù)據(jù)形式迥然不同，但STEP在產(chǎn)品概念模型定義的支持下，使得兩類系統(tǒng)能夠充分"理解"所傳遞的數(shù)據(jù)。其實STEP是一種中間數(shù)據(jù)形式，各個系統(tǒng)需要有接口與STEP相連，并能夠?qū)⒆约旱臄?shù)據(jù)形式與STEP相互轉(zhuǎn)化，從而與其它系統(tǒng)建立通訊聯(lián)系。目前，STEP版本1.0已問世，對EXPRESS、通用產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型、形狀表達(dá)等幾部分內(nèi)容作了定義，試圖以提供等價的功能來代替IGES，DXF，SET，VDA等數(shù)據(jù)形式[2]。 在集成化環(huán)境中，中央統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫象一個大容器，接收來自不同系統(tǒng)信息，它的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以是固定的，開發(fā)者提供如詞典一樣定義的數(shù)據(jù)的語言模型，也可以是靈活的，提供語言由用戶定義所研究對象有數(shù)據(jù)模型。而這些數(shù)據(jù)模型都應(yīng)支持STEP文件，并以STEP文件形式與下屬的各子系統(tǒng)互相傳輸信息。 盡管STEP將是唯一的標(biāo)準(zhǔn)，但在短期內(nèi)不可能在的有的應(yīng)用中使用，不過它最終會成為國際標(biāo)準(zhǔn)。為了與國際上這種發(fā)展動向保持一致，我國的計算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)者們應(yīng)該考慮到與國際標(biāo)準(zhǔn)兼容問題，我們才能使開發(fā)的系統(tǒng)便于在世界上交流參建筑行業(yè)，集成化的建筑空調(diào)設(shè)計支持環(huán)境是將CAD與模擬環(huán)境集成一體，使CAD繪圖系統(tǒng)與模擬程序的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型及模擬程序之間的數(shù)據(jù)模型均能以STEP文件交流信息。