◎ 住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部信息中心 郭理橋

一、引言

中國的建筑節(jié)能與綠色建筑，越來越受到國內(nèi)外的關(guān)注，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)領(lǐng)域的節(jié)能降耗和污染減排工作，已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略的重要組成部分。通過實施建筑節(jié)能和推廣綠色建筑，加大建設(shè)領(lǐng)域節(jié)能減排工作的力度。綠色建筑承載了人類追求以人為本、生態(tài)、環(huán)保、節(jié)能、健康、可持續(xù)發(fā)展的理想，發(fā)展建筑節(jié)能與綠色建筑，節(jié)約能源資源、節(jié)約用地、保護環(huán)境，是中國政府未來的發(fā)展方向和必然要求，也是人類發(fā)展進程中面臨的共同課題。

目前，我國建筑業(yè)加上建材業(yè)每年消耗能源已占到全社會能源消耗的37%，成為制約社會經(jīng)濟健康發(fā)展的重要方面。建筑能耗占總能耗的27%以上，而且還在以每年1個百分點的速度增加。相關(guān)統(tǒng)計數(shù)字顯示，我國每年城鄉(xiāng)建設(shè)新建房屋建筑面積近20億平方米，其中80%以上為高能耗建筑；既有建筑近400億平方米，95%以上是高能耗建筑。建筑能耗占全國總能耗的比例將快速上升到33%以上。

為了盡快掌握綠色建筑與建筑節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)以及實現(xiàn)中國的綠色建筑與建筑節(jié)能事業(yè)，我國需要構(gòu)建完整的建筑節(jié)能與綠色建筑系統(tǒng)，并完成數(shù)據(jù)庫的建設(shè)。從而為政府管理部門、建筑科研機構(gòu)、建筑設(shè)計院所等提供監(jiān)測管理、監(jiān)督檢查、科學(xué)研究、工程設(shè)計等服務(wù)。

二、技術(shù)體系架構(gòu)

建筑節(jié)能與綠色建筑模型系統(tǒng)是基于全國各地各類建筑節(jié)能與綠色建筑應(yīng)用示范工程的建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個數(shù)據(jù)庫平臺，并且在數(shù)據(jù)平臺的基礎(chǔ)之上，通過制定數(shù)據(jù)指標(biāo)體系，構(gòu)建建筑節(jié)能與綠色建筑的建模與可視化仿真平臺和管理信息平臺。建筑節(jié)能與綠色建筑模型系統(tǒng)需要解決多數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)的收集、海量數(shù)據(jù)庫平臺的建設(shè)、建筑相關(guān)模型的辨識、指標(biāo)體系的建立、建筑可視化仿真及節(jié)能監(jiān)管預(yù)測和優(yōu)化等問題，建筑節(jié)能與綠色建筑模型系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)體系架構(gòu)如圖1所示。

三、建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)指標(biāo)體系構(gòu)建技術(shù)

(一) 建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)指標(biāo)體系的作用

當(dāng)前建筑節(jié)能與綠色建筑應(yīng)用已處于大規(guī)模推廣階段，建立一套科學(xué)的建筑節(jié)能與綠色建筑量化指標(biāo)體系和評估標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在技術(shù)上有利于建筑節(jié)能與綠色建筑示范工程效果的量化評價，促進新技術(shù)或先進應(yīng)用模式的移植；從節(jié)能監(jiān)管的角度，有利于主管部門建立量化的考核機制，通過對標(biāo)給予業(yè)主單位相應(yīng)量化的能效級別，進行定量的處罰和激勵。

(二) 建筑節(jié)能與綠色建筑指標(biāo)體系構(gòu)建技術(shù)

建筑節(jié)能與綠色建筑指標(biāo)體系的構(gòu)建包括建立數(shù)據(jù)和評價指標(biāo)庫，確定指標(biāo)權(quán)重和確定指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值三個方面內(nèi)容，涉及專家調(diào)查法、層次分析法、主成分分析法、熵值法的綜合應(yīng)用。

1、專家調(diào)查法：就是根據(jù)調(diào)查得到的情況，憑借專家的知識和經(jīng)驗，直接或經(jīng)過簡單的推算，對研究對象進行綜合分析研究，尋求其特性和發(fā)展規(guī)律，并進行預(yù)測的一種方法。專家調(diào)查法的步驟：（1）選定專家，給出賦權(quán)要求，且保證權(quán)數(shù)歸一化；（2）由各位專家對各項指標(biāo)進行打分，即給指標(biāo)賦權(quán)；（3）匯總各專家的賦權(quán)結(jié)果，并將結(jié)果反饋給各位專家；（4）專家參考反饋意見修改其初次賦權(quán)結(jié)果；（5）重復(fù)“反饋”與“修改”，直到達到符合要求的精度；（6）以各位專家最終賦權(quán)值的平均作為組合權(quán)重結(jié)果。[1]

2、層次分析法：是對一些較為復(fù)雜、較為模糊的問題做出決策的簡易方法，它特別適用于那些難于完全定量分析的問題。它是美國運籌學(xué)家T.L.Saaty教授提出的一種簡便、靈活而又實用的多準(zhǔn)則決策方法。層次分析法的步驟依次為建立遞階層次結(jié)構(gòu)、構(gòu)造各層次中的所有判斷矩陣、層次單排序及一致性檢驗、層次總排序及一致性檢驗等。[1]

3、主成分分析法：也稱因子分析法，其基本思想是將實測的多個指標(biāo)，用少數(shù)幾個潛在的相互獨立的主成分指標(biāo)（因子）的線性組合來表示，構(gòu)成的線性組合可以反映原多個實測指標(biāo)的主要信息。使得分析與評價指標(biāo)變量時，能夠找出主導(dǎo)因素，切斷相關(guān)的干擾，做出更為準(zhǔn)確的估量與評價。[1]

4、熵值法：在信息論中，熵是對不確定性的一種度量。信息量越大，不確定性就越小，熵也就越??；信息量越小，不確定性越大，熵也越大。根據(jù)熵的特性，可以通過計算熵值來判斷一個事件的隨機性及無序程度，也可以用熵值來判斷某個指標(biāo)的離散程度，指標(biāo)的離散程度越大，該指標(biāo)對綜合評價的影響越大。[1]

建筑節(jié)能與綠色建筑指標(biāo)體系的構(gòu)建可以綜合利用上述幾種方法，比如數(shù)據(jù)和評價指標(biāo)庫可以采用層次分析法建立，采用專家調(diào)查法確定指標(biāo)項，利用客觀的主成分分析和熵值分析算法確定指標(biāo)項的權(quán)重，對于難于完全定量分析的權(quán)重則考慮采用層次分析法。指標(biāo)體系的構(gòu)建過程如圖2所示。

圖1 建筑節(jié)能與綠色建筑技術(shù)體系架構(gòu)

圖2 建筑節(jié)能與綠色建筑指標(biāo)體系構(gòu)建過程

四、建筑節(jié)能與綠色建筑模型辨識和模型體系構(gòu)建技術(shù)

(一) 常用模型辨識算法和建模方法

數(shù)學(xué)建模一般是通過問題的實際背景以及一些已知信息，可以是一組實測數(shù)據(jù)或模擬數(shù)據(jù)，也可以是若干參數(shù)、圖形、或者僅給出一些定性描述，依據(jù)這些信息建立數(shù)學(xué)模型。建模的方法有很多，基本上可以分為五大類：

1、機理分析方法：主要是根據(jù)實際中的客觀事實進行推理分析，用已知數(shù)據(jù)確定模型的參數(shù)，或直接用已知參數(shù)進行計算。

2、構(gòu)造分析方法：首先建立一個合理的模型結(jié)構(gòu)，再利用已知信息確定模型參數(shù)，或?qū)δＰ瓦M行模擬計算。

3、直觀分析方法：通過對直觀圖形、數(shù)據(jù)進行分析，對參數(shù)進行估計，計算，并對結(jié)果進行模擬。

4、數(shù)值分析方法：對已知數(shù)據(jù)進行數(shù)值擬合，可以選用插值方法、差分方法、樣條函數(shù)方法、回歸分析方法等。

5、數(shù)學(xué)分析方法：用“現(xiàn)成”的數(shù)學(xué)方法建立模型，如圖論、微分方程、規(guī)劃論、概率統(tǒng)計方法等。

模型辨識是對表征模型的各種形式的信息進行處理和分析，以對模型進行描述、辨識、分類和解釋的過程。辨識的方法大致分4類：

1、統(tǒng)計決策法：以概率論和數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，主要包括參數(shù)方法和非參數(shù)方法。[2]

2、結(jié)構(gòu)辨識方法：利用模式的結(jié)構(gòu)描述與句法描述之間的相似性對模式進行分類。該方法的特點是識別方便，能夠反映模式的結(jié)構(gòu)特征，能描述模式的性質(zhì)。[2]

3、模糊辨識方法：利用模糊數(shù)學(xué)中的概念、原理與方法解決分類識別問題。具有客體信息表達更加合理，信息利用充分識別穩(wěn)定性好，推理能力強的特點。[2]

4、基于人工智能的方法：如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別方法等。[2]

(二) 建筑節(jié)能與綠色建筑模型辨識技術(shù)

由于我國幅員遼闊、發(fā)展不均衡，存在多氣候帶、多區(qū)域、多建筑對象的建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)，并且同氣候、同區(qū)域、同類型的建筑也會因其各自不同的用能特征而存在較大差異，所以建立精確的建筑節(jié)能與綠色建筑模型存在著相當(dāng)大的難度，其中極為困難的一點就在于海量數(shù)據(jù)下的模型識別技術(shù)，可采用以下兩種建模技術(shù)：

1、數(shù)據(jù)回歸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

采用數(shù)據(jù)回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)對建筑節(jié)能與綠色建筑進行模型辨識，利用大量樣本建筑基本信息、用能特征數(shù)據(jù)、實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及環(huán)境監(jiān)測信息，借助先進的建模工具和算法，構(gòu)建建筑節(jié)能與綠色建筑模型體系，分別建立建筑節(jié)能與綠色建筑的設(shè)計模型（區(qū)域分類、建筑分類）、運行模型（區(qū)域分類、取悅綜合、建筑分類）等相關(guān)模型，并建立起模型數(shù)據(jù)庫，隨著樣本建筑的增多以及運行數(shù)據(jù)的增多，該模型數(shù)據(jù)庫容量也會逐漸增大，這為后續(xù)建筑節(jié)能研究提供模型基礎(chǔ)。[3]

2、面向?qū)ο蠹夹g(shù)

面向?qū)ο髷?shù)據(jù)模型是用面向?qū)ο笥^點來描述現(xiàn)實世界實體（對象）的邏輯組織、對象間限制、聯(lián)系等的數(shù)據(jù)模型。其核心概念是：

1）對象標(biāo)識（OID）：表示實體對象的唯一標(biāo)識，在系統(tǒng)全局是唯一的。

2）封裝(Encapsulate）：對象就是其狀態(tài)及其上可實施行為的封裝，對象的狀態(tài)是該對象屬性值的集合，而對象的行為是在對象狀態(tài)上操作方法的集合。

3)類(Class):具有相同屬性和方法集的對象構(gòu)成對象類，任何一個對象都是某一對象類的一個實例，所有的類組成一個有根的有向非環(huán)圖稱為類層次。

4)繼承(Inheritance)：類可以繼承其祖先的所有屬性和方法，該類稱為這 些超類的子類。超類/子類結(jié)構(gòu)在語義上具有泛化/特化的關(guān)系，即子類是其所繼承的類的特例，超類是子類更高層次的抽象和概括。[4]

(三) 建筑節(jié)能與綠色建筑模型體系構(gòu)建技術(shù)

建筑節(jié)能與綠色建筑應(yīng)用內(nèi)涵非常豐富，所以模型庫里的模型數(shù)量非常龐大，并且隨著建筑節(jié)能和綠色建筑應(yīng)用技術(shù)的大范圍推廣，模型庫的規(guī)模將越來越大，因此需要建立一套包括模型分類管理機制、模型繼承派生機制和模型優(yōu)化機制的模型體系。

1、模型分類管理

根據(jù)多氣候帶、多區(qū)域、多建筑對象對建筑節(jié)能與綠色建筑模型進行分類管理。從而實現(xiàn)對建模所需的樣本篩選、模型辨識和模型建立提供完整的功能支持，支持根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)比對實現(xiàn)模型校正功能，以保證模型精準(zhǔn)性。

2、模型繼承派生

圖3 基于模型體系的建模與仿真應(yīng)用示意

支持從母模型衍生出多個子模型的功能，使模型系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)管、設(shè)計、科研對模型的需求的增加不斷精細化；支持在增加新的指標(biāo)或要素時，模型從原模型之上衍生新模型的功能，以保證模型反映研究對象的精確性。

3、模型優(yōu)化

模型體系提供基于模型的能耗分析仿真功能，用能預(yù)測分析仿真和預(yù)警功能，仿真數(shù)據(jù)和實際測量數(shù)據(jù)的比對功能，基于模型仿真的能耗自動尋優(yōu)功能，以及基于地理空間數(shù)據(jù)的三維可視化仿真功能，實現(xiàn)對區(qū)域用能密度、建筑單體分項能耗和關(guān)鍵耗能系統(tǒng)等直觀生動的能耗仿真。指導(dǎo)綠色節(jié)能建筑的設(shè)計建造和持續(xù)優(yōu)化運行期間的用能管理。

五、建筑節(jié)能與綠色建筑海量數(shù)據(jù)庫構(gòu)建技術(shù)

(一) 建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)庫構(gòu)建的意義

建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)庫作為模型系統(tǒng)的一個重要的組成部分，是上層建模與仿真平臺的基礎(chǔ)，也是管理信息平臺業(yè)務(wù)處理的核心，幾乎所有的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的加工最后都依賴數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的支持來完成。因此，數(shù)據(jù)庫在整個系統(tǒng)中起著非常關(guān)鍵的作用。

1、獲取并存儲建筑基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、模型數(shù)據(jù)、服務(wù)數(shù)據(jù)、示范案例數(shù)據(jù)，構(gòu)建建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)支撐平臺。

2、為建模與仿真平臺提供數(shù)據(jù)和模型基礎(chǔ)單元，全程支持建筑節(jié)能與綠色建筑對象的建模和仿真。

3、為節(jié)能監(jiān)管、節(jié)能預(yù)測、決策支持等管理業(yè)務(wù)提供多尺度、多維度的數(shù)據(jù)信息支持。

(二) 多源多層次數(shù)據(jù)快速獲取技術(shù)

建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)庫的建設(shè)中，首要的問題就是數(shù)據(jù)如何快速、穩(wěn)妥獲取。目前主流的數(shù)據(jù)獲取技術(shù)解決方案中，適合應(yīng)用于建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)庫中的有：

1、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)：缺少標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)多語義性、多時空性以及表達的多尺度性，數(shù)據(jù)獲取手段的復(fù)雜多樣性，導(dǎo)致了多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。比如部、省、市（縣）現(xiàn)有各類建筑節(jié)能與綠色建筑相關(guān)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，多種類建筑儀表、傳感器數(shù)據(jù)等，需要對這些多來源的數(shù)據(jù)通過有線、無線等方式實現(xiàn)融合性集成。為了更好實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換，多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的融合技術(shù)成為了發(fā)展的關(guān)鍵。[5]

2、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳感網(wǎng)正在全球范圍內(nèi)高速發(fā)展和廣泛普及，受其影響人類社會各個方面都發(fā)生了巨大變化。網(wǎng)絡(luò)以其開放性和廣泛性，為遠程監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了現(xiàn)成的、分布廣泛的信息交互渠道，借助這個渠道，人們可以在任何時候，任何地點，方便、低廉地將信息傳送到世界的每一個角落，這為數(shù)據(jù)的共享與交換提供了基礎(chǔ)。

(三) 多元數(shù)據(jù)組織和海量存儲技術(shù)

建筑節(jié)能與綠色建筑模型系統(tǒng)涉及的樣本數(shù)據(jù)包括城市、區(qū)域、建筑群、單體建筑等多個層次的建筑相關(guān)數(shù)據(jù)，并且根據(jù)建筑監(jiān)管業(yè)務(wù)的不同需要不同顆粒度的數(shù)據(jù)支持，同時，為了支撐基于基本數(shù)據(jù)的多類應(yīng)用，將爆炸性的產(chǎn)生多種統(tǒng)計數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)。因此，需要解決多元數(shù)據(jù)組織和海量數(shù)據(jù)存儲相關(guān)技術(shù)，如：

1、區(qū)域建筑節(jié)能體系中的高分?jǐn)?shù)據(jù)和遙感數(shù)據(jù)的融合技術(shù)。遙感數(shù)據(jù)是一種大面積、動態(tài)的數(shù)據(jù)源，是對建筑用能耗散快速、宏觀分析的重要手段,高分遙感數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合有助于區(qū)域建筑節(jié)能分析決策。

2、基于海量數(shù)據(jù)存儲的建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)庫技術(shù)。對海量數(shù)據(jù)進行處理是一項艱巨而復(fù)雜的任務(wù)：數(shù)據(jù)量過大，數(shù)據(jù)中什么情況都可能存在；軟硬件要求高，系統(tǒng)資源占用率高；要求很高的處理方法和技巧。所以必須選用優(yōu)秀的數(shù)據(jù)庫工具，同時必須對海量數(shù)據(jù)進行分區(qū)操作和分批處理。

3、建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)庫的多元、多層次數(shù)據(jù)組織管理技術(shù)。這源于建筑節(jié)能與綠色建筑數(shù)據(jù)庫，涉及到的數(shù)據(jù)種類眾多：從廣度上來說，包括有用電、用水、用汽等不同能耗類型；從深度上來說，包括有全區(qū)域能耗、子區(qū)域能耗等不同等級的能耗子項，多元、多層次數(shù)據(jù)組織管理技術(shù)不可缺少。

圖4 三維可視化仿真

六、建筑節(jié)能與綠色建筑建模與可視化仿真技術(shù)

(一) 建筑節(jié)能與綠色建筑建模與可視化仿真的意義

我國幅員遼闊，多氣候帶、多區(qū)域、多建筑對象都會對建筑節(jié)能與綠色建筑產(chǎn)生影響，為了使得我國建筑節(jié)能與綠色建筑健康有序發(fā)展，需要發(fā)現(xiàn)共性屬性和特性屬性，所以必須對建筑節(jié)能與綠色建筑進行建模。

可視化仿真是體現(xiàn)建筑節(jié)能與綠色建筑模型效果最直觀的方法。它可以應(yīng)用在建筑節(jié)能與綠色建筑建模的各個方面，并帶來切實且可觀的利益：可視化仿真技術(shù)不但能夠獲得身臨其境的體驗，還可以通過其數(shù)據(jù)接口在仿真時獲取建筑項目的數(shù)據(jù)資料，方便建設(shè)工程項目的規(guī)劃、設(shè)計、投標(biāo)、報批、管理，有利于設(shè)計與管理人員對各種建筑規(guī)劃設(shè)計的節(jié)能方案進行輔助設(shè)計與方案評審?？梢暬抡婕夹g(shù)是由基于真實數(shù)據(jù)建立的數(shù)字模型組合而成，能夠幫助發(fā)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計缺陷，減少規(guī)劃不周帶來的損失，避免設(shè)計風(fēng)險。還可以加快方案設(shè)計的速度和質(zhì)量，提高方案設(shè)計和修正的效率，也可以節(jié)省大量的資金，提供合作平臺。

(二) 建筑節(jié)能與綠色建筑建模與可視化仿真技術(shù)

1、可視化仿真原理

可視化仿真是計算機可視化技術(shù)和系統(tǒng)建模技術(shù)相結(jié)合后形成的一種新型仿真技術(shù)，其實質(zhì)是采用圖形或圖像方式對仿真計算過程跟蹤、駕馭和結(jié)果的后處理，同時，實現(xiàn)仿真軟件界面的可視化，具有速度、高效、直觀、形象的建模特點。[5]

融合建筑節(jié)能設(shè)計過程和運行過程的建筑三維可視化仿真技術(shù)，通過3D技術(shù)，將使建筑節(jié)能與綠色建筑的可視化更加趨近于細節(jié)、更具可視化、動態(tài)化，三維可視化仿真技術(shù)主要構(gòu)成要素如圖4：[7]

2、可視化仿真示例

建筑節(jié)能與綠色建筑模型可視化是相當(dāng)復(fù)雜的過程，基于中國幅員遼闊、發(fā)展不均衡和多氣候帶等復(fù)雜條件，因此要進行建筑節(jié)能與綠色建筑模型仿真是十分困難的。仿真技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用為解決這些問題提供了很有效的手段。但過去由于仿真技術(shù)與計算機技術(shù)水平的限制，仿真系統(tǒng)的人機交互水平較差,除領(lǐng)域工程師以外，其他人員很難進行系統(tǒng)的運行操作。同時，仿真過程也相當(dāng)隱蔽，即使是領(lǐng)域工程師也非常難了解到系統(tǒng)運行的具體過程。并且，要獲取有效的仿真結(jié)果還需經(jīng)過大量的統(tǒng)計分析工作?？梢暬夹g(shù)的應(yīng)用,為仿真系統(tǒng)提供十分友好的人機交互平臺,并且通過非常直觀的圖形描述系統(tǒng)的運行過程,以及系統(tǒng)運行產(chǎn)生的結(jié)果,對于了解和研究原型系統(tǒng)的特性，以及對仿真系統(tǒng)的優(yōu)化都是十分有效的。

(1)有利于進行方案分析?？梢暬瘎討B(tài)仿真技術(shù)可以實時地演示建筑節(jié)能與綠色建筑模型邏輯關(guān)系，直觀地揭示模型全貌，尤其是針對典型時段、典型部位可形象反映出模型細節(jié)，可準(zhǔn)確地判斷可行性。

(2)有利于進行多方案比較。只要將輸入的參數(shù)改變，通過計算機高速運行，可快速得到建筑節(jié)能與綠色建筑模型的面貌以及參數(shù)，這樣可以更直觀地對模型進行規(guī)劃，修改和管理，有利于快速進行多方案比較。

圖5 建筑節(jié)能與綠色建筑可視化仿真

(3)有利于進行方案的確認。可視化動態(tài)仿真技術(shù)能形象地模擬建筑節(jié)能與綠色建筑模型的各個方面，可以充分暴露設(shè)計中的漏洞與缺陷，能夠加強專家與設(shè)計人員之間的交流，有利于專家提出建議，并快速得到調(diào)整結(jié)果，從而有利于方案的完善并最終確定。

(4)有利于與決策者進行信息的溝通。信息溝通的方法往往會直接影響到方案是否被決策者所采納?？梢暬瘎討B(tài)仿真技術(shù)可以以其生動強大的動畫信息，實時演繹推薦方案，使觀看者一目了然，有助于信息溝通，讓決策者正確直觀地了解建筑節(jié)能與綠色建筑模型設(shè)計方案。

(三) 建筑節(jié)能與綠色建筑模型驗證與模型校正技術(shù)

仿真模型的驗證則是從仿真模型應(yīng)用目的出發(fā)，確定仿真模型代表真實綠色建筑的正確程度的過程，目的是檢驗仿真模型精確性或準(zhǔn)確性。

建筑節(jié)能與綠色建筑模型的確認要求由決策者來判定。模型的可行性的評估方法主要是模型驗證與校正。驗證過程具體如下：

1、概念模型驗證：確定所設(shè)計模型的層次和范圍是否能充分滿足建模目的，并且所有假設(shè)是否都是正確的。[8]

2、數(shù)據(jù)驗證：確定在建模、模型驗證和試驗過程中所需數(shù)據(jù)是否足夠精確。[8]

3、白箱驗證：確定建筑節(jié)能與綠色建筑模型的各組成部分是否能以足夠的精度代表相應(yīng)真實綠色建筑的部分。這是一種詳細的或微觀的模型檢查過程。[8]

4、黑箱驗證：確定整個模型是否具有足夠的精度代表真實綠色建筑。這是一種整體或宏觀的對模型運行進行檢查的過程。[8]

5、試驗方法驗證：確定所采用的試驗方案將提供具有足夠精度的試驗結(jié)果。確保試驗結(jié)果準(zhǔn)確的關(guān)鍵問題是：試驗準(zhǔn)備、試驗運行長度、試驗運行次數(shù)、試驗設(shè)計和靈敏度分析。[8]

圖6 建模與仿真過程中的校核與驗證

圖7 驗證過程示意圖

6)解方案(仿真結(jié)果)驗證：確定由所建解模型獲得的結(jié)果具有足夠的精度。這類似于需要與真實綠色建筑相比較的黑箱驗證．所不同的是僅僅將所建解的最終模型與真實綠色建筑進行比較。[8]

傳統(tǒng)的模型驗證方法主要有主觀確認法、動態(tài)關(guān)聯(lián)分析法、數(shù)理統(tǒng)計方法和時頻分析法4大類。基于建筑節(jié)能與綠色建筑模型的復(fù)雜性以及數(shù)據(jù)的海量性，可采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決模型的驗證問題，其思想是使用一個模式分類器—神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。所謂分類是把采集到建筑節(jié)能與綠色建筑的數(shù)據(jù)映射到事先定義的類中的學(xué)習(xí)過程。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為分類器，首先學(xué)習(xí)可選模型的關(guān)鍵行為特性，然后分類來自可選模型之一的實際系統(tǒng)行為。[9]

圖7為采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的驗證過程示意圖(這里采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))。首先對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行離線訓(xùn)練，通常有大量的可選模型，或者模型樣板，保留開放的形式，每個模型都可以產(chǎn)生一個訓(xùn)練模式作用于該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，一方面組成某一行為統(tǒng)計特性(如時間序列的樣本均值和方差)，另一方面產(chǎn)生相關(guān)的模型標(biāo)志。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和識別每個可選模型的關(guān)鍵行為特性，并且網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)前可能需要統(tǒng)計和預(yù)處理，目的是降低網(wǎng)絡(luò)的信息載荷。通過大量的輸入輸出數(shù)據(jù)樣本對網(wǎng)絡(luò)的充分訓(xùn)練，網(wǎng)絡(luò)能夠記憶和理解各模型的特性行為。一旦網(wǎng)絡(luò)成功的學(xué)習(xí)了這些特性(即為訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))，當(dāng)實際系統(tǒng)作用于該網(wǎng)絡(luò)時，網(wǎng)絡(luò)的輸出是一個概率向量，即來自于每一個可選模型的概率值，有最高概率值的模型被保留并判為一個有效模型。

(四) 建筑節(jié)能與綠色建筑輔助設(shè)計技術(shù)

通過數(shù)據(jù)共享和交換平臺采集各類典型建筑的數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)平臺基礎(chǔ)之上對建筑節(jié)能和綠色建筑模型進行分類、組織以及模型案例存儲，最后在仿真平臺上進行可視化表達，為科研設(shè)計單位提供對建筑進行節(jié)能設(shè)計和綠色建筑設(shè)計輔助服務(wù)。建筑節(jié)能與綠色建筑輔助設(shè)計主要包括以下技術(shù)：

1、知識庫輔助建筑節(jié)能與綠色建筑設(shè)計技術(shù)

結(jié)合建筑節(jié)能與綠色建筑設(shè)計和運行模型，輸入擬建建筑所處氣候帶、類型等參數(shù)，通過一組模型的計算，系統(tǒng)給出符合當(dāng)?shù)厍闆r下的建筑需要采用哪些技術(shù)、注意哪些問題等建議。

2、計算機輔助設(shè)計（CAD）和三維動畫設(shè)計技術(shù)

計算機輔助設(shè)計和三維動畫已經(jīng)具備比較完備的三維對象設(shè)計和表現(xiàn)能力，但進行三維設(shè)計要求使用者具備專業(yè)級計算機造型能力，雖然三維動畫本身附帶了大量的紋理庫，并有能力從外部環(huán)境生成紋理供調(diào)用，但構(gòu)成具有紋理映射的三維多邊形表面是通過交互界面用手工方式來實現(xiàn)的，要將三維對象的各種真實紋理表現(xiàn)得高度逼真和實現(xiàn)著色高度自動化還是非常困難的。該輔助設(shè)計工具可為綠色建筑模型進行高維可視化仿真提供技術(shù)支持，該輔助設(shè)計工具將可以在提供簡單參數(shù)的情況下自動生成三維圖，同時方便三維動畫設(shè)計。

3、建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)庫與智能庫技術(shù)

該標(biāo)準(zhǔn)庫和智能庫集成了現(xiàn)有的建筑節(jié)能材料信息、國家制定的關(guān)于建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)（量化）信息、節(jié)能新方式、新方法、新技術(shù)等方面的內(nèi)容，使得綠色建筑設(shè)計者可以在不用查閱相關(guān)資料的情況下，高效、方便地完成設(shè)計，體現(xiàn)出輔助設(shè)計功能。

4、建筑設(shè)計文檔自動生成技術(shù)

按照設(shè)計流程，依照設(shè)計文檔規(guī)范，根據(jù)設(shè)計者的需要自動生成相關(guān)文檔（如設(shè)計報告、可行性分析報告等），既節(jié)省時間提高效率，又可避免許多人為錯誤，提高文檔的準(zhǔn)確性。

七、建筑節(jié)能與綠色建筑模型管理信息平臺構(gòu)建技術(shù)

(一) 建筑節(jié)能監(jiān)管技術(shù)

研究面向政府輔助決策、節(jié)能監(jiān)管、節(jié)能科研、節(jié)能設(shè)計等多方位的管理信息平臺構(gòu)建關(guān)鍵技術(shù)，為各級行政主管單位或政府進行建筑節(jié)能監(jiān)督管理提供服務(wù)，通過科學(xué)管理促進建筑節(jié)能與綠色建筑的實施和發(fā)展。其主要涉及以下技術(shù)：

1、分類分項計量、監(jiān)測技術(shù)

建筑能耗分類分項計量、監(jiān)測工作，涉及到全國范圍的地理區(qū)域，包括數(shù)據(jù)眾多的建筑類型，每棟建筑又需要采集和監(jiān)測照明、空調(diào)、動力等各種用能數(shù)據(jù)。在建筑能耗分類分項計量、監(jiān)測平臺的建立過程中，充分利用了各種信息化及計算機輔助技術(shù)，具體包括：

（1）3D地圖，即三維可視化地圖技術(shù)。這是一種不同于普通二維地圖的立體地圖網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)，可在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)直接遠程調(diào)用共享。3D地圖作為監(jiān)測平臺的建筑背景、數(shù)據(jù)背景，可大幅提高數(shù)據(jù)平臺的直觀性和操作便利性，同時也增加了軟件界面的美觀度。

（2）Portal技術(shù)。Portal是一個基于web的應(yīng)用程序技術(shù)，它主要提供個性化、單點登錄、不同來源的內(nèi)容整合以及存放信息系統(tǒng)的表示層。簡單來說，Portal提供了頁面?zhèn)€性化應(yīng)用，即允許不同用戶可根據(jù)工作需要，定制出不同的平臺界面，最為快捷地查詢到所需信息，或執(zhí)行相關(guān)操作，這樣就大大提高了建筑能耗分類分項計量、檢測平臺的人性化、智能化程度。

（3）平臺模塊化技術(shù)，即整個建筑能耗分類分項計量、監(jiān)測平臺的設(shè)計，整體采用分模塊的“積木式”架構(gòu)，設(shè)計規(guī)范，易于擴展，既可應(yīng)用于規(guī)模較小的區(qū)域式能耗監(jiān)測平臺，也同時滿足大規(guī)模的整體式能耗監(jiān)測平臺建設(shè)的高容量、高技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2、安全監(jiān)控技術(shù)

通過實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)或主機活動，監(jiān)視分析系統(tǒng)的行為，審計系統(tǒng)配置和漏洞，評估敏感系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的完整性，識別攻擊行為，對異常行為進行統(tǒng)計和跟蹤，從而有效地監(jiān)視、控制和評估網(wǎng)絡(luò)或主機系統(tǒng)。系統(tǒng)包含信號檢測、故障診斷、信息處理和決策輸出等多種內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化的安全監(jiān)控系統(tǒng)將極大地促進建筑節(jié)能。

3、能效監(jiān)控技術(shù)

基于與能效相關(guān)的物理或化學(xué)變量的檢測、虛擬傳感器和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，對每個設(shè)備、生產(chǎn)裝置、操作和產(chǎn)品等的能效進行統(tǒng)計分析，并做出相應(yīng)的SPC（統(tǒng)計過程控制）圖或3σ，6σ分析，以發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計意義下的異常能效情況及其程度，為實現(xiàn)能效的監(jiān)控提供基于統(tǒng)計的信息。

4、建筑能效對標(biāo)技術(shù)

圖8 能效對標(biāo)

根據(jù)分類分項計量得到的評估結(jié)果，與國內(nèi)外的類型相似、地域環(huán)境相近的建筑進行對比，與不同時段的自我進行對比，與理論基準(zhǔn)進行對比。通過對比，分析自身存在的弱項以及可能存在問題的方面，并提供建筑節(jié)能改進方案。圖8是建筑能效對標(biāo)示意。

5、云計算建筑節(jié)能分析技術(shù)

云計算的基本原理是通過使計算分布在大量的分布式計算機上，而非本地計算機或遠程服務(wù)器中。云計算是一種分布式處理、并行處理和網(wǎng)格計算的發(fā)展和商業(yè)實現(xiàn)。它描述了一種平臺：根據(jù)需要，動態(tài)地提供、配置、重新配置以及取消提供服務(wù)器。[10]云計算給大型公共建筑群節(jié)能帶來了巨大的好處，其在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用上具有幾大優(yōu)勢：安全性、方便性、數(shù)據(jù)共享和無限可能性。

云計算建筑節(jié)能分析技術(shù)，以各類典型建筑的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以云計算為平臺，對建筑對象進行節(jié)能分析，同時為開展建筑節(jié)能與綠色建筑模型構(gòu)建、辨識、計算提供技術(shù)支持。

(二) 建筑節(jié)能優(yōu)化技術(shù)

通過建筑能耗監(jiān)測、建筑能效分析、建筑能源審計，用戶可以獲得建筑整體用能規(guī)律和節(jié)能的潛力點。在定位了建筑耗能癥結(jié)之后，可以進行針對性的節(jié)能優(yōu)化控制，最終提高建筑的節(jié)能水平。

節(jié)能優(yōu)化在管理信息平臺中起著極其重要的作用，以分析計算作為前提，通過優(yōu)化算法和優(yōu)化控制技術(shù)，為節(jié)能決策支持提供可行的解決方案。在分析和優(yōu)化中，需要以下幾項技術(shù)的支撐：

圖9 建筑能耗預(yù)測技術(shù)

1、統(tǒng)計學(xué)習(xí)技術(shù)：一種專門研究小樣本情況下機器學(xué)習(xí)規(guī)律的理論，其核心思想是通過控制學(xué)習(xí)機器的容量實現(xiàn)對推廣能力的控制。[11]在其進一步的發(fā)展過程中，仍需要在機器學(xué)習(xí)問題、語言意識的學(xué)習(xí)、人機界面等方面進行改進。需要加強機器的文字意識，而不是將所有的信息轉(zhuǎn)化成數(shù)字之后機器才能識別。

2、啟發(fā)式優(yōu)化算法：常用的啟發(fā)式優(yōu)化算法包括模擬退火算法、遺傳算法、粒子群和蟻群算法等，啟發(fā)式算法可以解決很多確定性算法無法求解的復(fù)雜問題。[12]

3、建筑節(jié)能優(yōu)化控制技術(shù)：在建筑節(jié)能中，從控制的視角對給排水子系統(tǒng)、照明子系統(tǒng)、電梯子系統(tǒng)以及空調(diào)設(shè)備子系統(tǒng)進行節(jié)能分析及優(yōu)化控制將成為重點。采用先進的優(yōu)化控制技術(shù)，先進的優(yōu)化控制設(shè)備，推動建筑節(jié)能的進步。

(三) 建筑能耗預(yù)測技術(shù)

建筑能耗的短期中期預(yù)測模型：對于一般建筑或者區(qū)域建筑群來說，中短期內(nèi)的能耗是一個周期性的非平穩(wěn)隨機過程。建筑的用能規(guī)律除了與其自身功能有關(guān)，還隨氣溫以及季節(jié)性不斷變化，也有按星期和24小時的周期性變化，同時又有節(jié)假日和正常工作日的差別。中短期建筑能耗預(yù)測是根據(jù)已知歷史能耗負荷數(shù)據(jù)對未來幾月幾周幾天甚至幾小時的能耗情況進行預(yù)測。通過大量歷史數(shù)據(jù)，可采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立預(yù)測模型，如圖9所示。

(四) 建筑節(jié)能決策支持技術(shù)

以節(jié)能優(yōu)化和能耗預(yù)測的結(jié)果為參考，各級行政主管和政府可以從制定政策法規(guī)對建筑節(jié)能進行決策，主要從社會化的層次出發(fā)；而科研設(shè)計單位則注重技術(shù)的可行性，從技術(shù)推廣角度對建筑節(jié)能進行決策；業(yè)主物業(yè)則考慮更多的是新技術(shù)、新運營模式是否能給自己帶來經(jīng)濟效益，從這個方面進行決策。雖然各類決策者出發(fā)點不同，但都要以一定的技術(shù)作為基礎(chǔ)：

圖10 決策支持流程示意

1、數(shù)據(jù)挖掘和知識發(fā)現(xiàn)技術(shù)：數(shù)據(jù)挖掘也稱為數(shù)據(jù)庫中的知識發(fā)現(xiàn),是從數(shù)據(jù)庫的大量原始數(shù)據(jù)中提取人們感興趣的、尚未被發(fā)現(xiàn)的、有用的信息和知識的過程。數(shù)據(jù)挖掘是從大量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)知識的有效手段,遵循一定的框架和步驟,以其規(guī)范性和有效性而被很多方案所采用。[13]建筑節(jié)能決策支持應(yīng)用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，能夠挖掘建筑用能規(guī)律、建筑用能缺陷，為推進建筑節(jié)能提供輔助決策支持。

2、多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)：在建筑節(jié)能決策時，決策者經(jīng)常會遇到相互矛盾的多個目標(biāo)（如希望空調(diào)可以最大限度地節(jié)電，但必須保證在人舒服的前提下，這時節(jié)電和舒服就構(gòu)成矛盾），此時面對的就是多目標(biāo)優(yōu)化問題，其多個解構(gòu)成決策者進行決策的備選方案。隨著目標(biāo)函數(shù)的增加，以及條件約束的復(fù)雜，多目標(biāo)優(yōu)化的意義將更為明顯。

3、專家系統(tǒng)：是一個智能計算機程序系統(tǒng)，其內(nèi)部含有大量的某個領(lǐng)域?qū)＜宜降闹R與經(jīng)驗，能夠利用人類專家的知識和解決問題的方法來處理該領(lǐng)域問題。運用特定領(lǐng)域的專門知識，通過推理來模擬通常由人類專家才能解決的各種復(fù)雜的、具體的問題，達到與專家具有同等解決問題能力的計算機智能程序系統(tǒng)。它能對決策的過程做出解釋，并有學(xué)習(xí)功能，即能自動增長解決問題所需的知識。建筑節(jié)能中的專家系統(tǒng)除了承擔(dān)決策支持的任務(wù)外，還可根據(jù)不同樣本建筑基本信息和用能特征在節(jié)能優(yōu)化的配合下提供整改方案與節(jié)能方案。

(五) 建筑節(jié)能與綠色建筑管理信息平臺示例

建筑節(jié)能與綠色建筑管理信息平臺一般由4部分組成：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，評估和監(jiān)控系統(tǒng)，分析系統(tǒng)以及決策支持和優(yōu)化控制系統(tǒng)。通過節(jié)能監(jiān)管技術(shù)，節(jié)能優(yōu)化技術(shù)，能耗預(yù)測技術(shù)以及節(jié)能決策支持技術(shù)對建筑節(jié)能與綠色建筑模型進行管理。具有以下特性：

1、節(jié)能監(jiān)管

利用安全監(jiān)控，能效監(jiān)控等節(jié)能監(jiān)管技術(shù)，例如熱紅外遙感技術(shù)，對某個區(qū)域或城市溫室氣體，地表溫度和地?zé)岘h(huán)境的空間格局及其變化特征進行比較客觀、有效的檢測。從而宏觀監(jiān)測并掌握全國或本地區(qū)建筑物能耗分布情況，提高建筑物節(jié)能運行管理水平。

2、節(jié)能優(yōu)化

通過對建筑（群）運行能耗實施在線監(jiān)測，一方面為行業(yè)主管部門提供分析和監(jiān)管數(shù)據(jù)，另一方面通過能耗運行優(yōu)化模型進行優(yōu)化模擬和仿真，為業(yè)主及物業(yè)單位改進用能習(xí)慣或用能結(jié)構(gòu)缺陷提供分析。

3、能耗預(yù)測

以區(qū)域綜合能耗模型、區(qū)域分類能耗模型、建筑分類能耗模型研究成果為基礎(chǔ)，結(jié)合節(jié)能監(jiān)管技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)建立短、中期預(yù)測模型，以開展不同空間尺度的能耗預(yù)測。

4、決策支持

綜合節(jié)能監(jiān)管、節(jié)能優(yōu)化、能耗預(yù)測相關(guān)數(shù)據(jù)，運用相關(guān)專家系統(tǒng)、多目標(biāo)優(yōu)化等技術(shù)，形成某時期、某區(qū)域能耗綜合分析報告，為相關(guān)國家政策、地方法規(guī)、專項措施等制訂實施提供決策支持。

八、結(jié)束語

綠色建筑理念旨在為人們提供安全健康舒適的環(huán)境，同時在建筑的全生命周期中高效率地利用資源，最低限度地影響環(huán)境，已成為未來建筑的主導(dǎo)趨勢。我國綠色建筑剛剛起步，還有很長的路要走，我國建筑節(jié)能與綠色建筑的發(fā)展必然會經(jīng)歷一個從局部到全局，從初級到高級的過程，這個過程中有建筑界和全社會的認識和發(fā)展問題，還有許多具體的政策、技術(shù)和經(jīng)濟問題，這些在綠色建筑發(fā)展過程中難以避免，如何把握機遇需要更深層次的思考，更需要各方切實的行動。

通過建筑節(jié)能與綠色建筑模型系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)的不斷研究，構(gòu)建符合中國國情的建筑節(jié)能與綠色建筑模型系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，為建筑節(jié)能與綠色建筑在我國的實施和發(fā)展提供有效的技術(shù)支持，為中國全面實現(xiàn)建筑“綠色化”提供信息技術(shù)保障。