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基于CBR技术的装配式建筑施工能耗控制

摘要：伴随城市化进程不断加快,全社会总能耗持续增加,其中建筑能耗约占总能耗三分之一,在此背景下,大力发展装配式建筑并努力降低其施工过程能耗是缓解当前能源紧张与环境恶化的重要途径.将本体和案例推理引入装配式建筑施工能耗控制领域,通过构建本体模型,提出了案例相似度计算方法,为装配式建筑施工能耗控制措施的制定提供了依据,对促进装配式建筑施工能耗控制的信息化具有重要意义.

关键词：装配式建筑；施工能耗；本体技术；案例推理；控制措施

中图分类号：TB文献标识码：Adoi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2018.22.090

0引言

我国是世界上最大的发展中国家,能源消费总量已连续多年位居世界前列.其中建筑能耗约占全社会总能耗三分之一,在当前我国环境承载力日益下降的背景下,大力发展装配式建筑是缓解当前能源紧张与环境恶化的重要途径.

装配式建筑亦称装配式建筑,是指采用以标准化设计、工厂化生产、装配化施工、一体化装修和信息化管理等为主要特征建造的建筑.相较于传统模式施工的建筑,装配式建筑施工周期短,效率高,施工质量和施工环境较好.国务院国办发〔2016〕71号文发布了关于大力发展装配式建筑的指导意见,建设部制定了"十三五"装配式建筑行动方案、装配式建筑产业基地管理办法等,大力推进装配式建筑的发展.装配式建筑的最大特点是工厂化制作,机械化程度高,能耗的控制尤为重要,所以在推进装配式建筑过程中,提高装配式建筑施工能耗控制的科学性和合理性,对有效较低建筑业能耗,实现节能减排目标和促进社会经济可持续发展具有重要意义.

1装配式建筑施工能耗控制案例推理过程

案例推理（Case-Based Reasoning,简称CBR）技术,是认知科学领域较新崛起的一种问题求解和学习方法.其核心思想在于解决新案例（或称目标案例）的问题时,充分利用以往解决类似案例（又称源案例）的经验,进行推理和学习,以实现经验的重用.简言之,CBR是利用过去的经验推理求解新问题,并在这个过程中不断实现知识、经验和案例的累积,提高案例和经验的共享和重用程度.典型的装配式建筑施工能耗控制案例推理过程可分为案例表达、案例检索、案例重用、案例修正和案例保存五个主要步骤.其核心过程需要解决两个问题：一是如何将多样化的案例表示成格式统一化的可比案例,二是如何寻找相似案例.前者可用本体技术,后者即是相似度的计算问题.

2装配式建筑施工能耗控制本体模型构建

本体最早是一个哲学上的概念,是关于客观存在的系统解释或说明,强调的是客观现实的抽象本质.在人工智能领域比较流行的本体定义为：共享概念模型明确的格式化描述.这种描述是明确的、格式化的,可共享的."明确"是指知识具有准确的类型和定义；"格式化"是指知识的计算机可读性；"共享"反映知识的公认性和理解的同一性.本体帮助人们对于领域知识进行系统的分析,把领域知识形式化,使之便于计算机处理.本体还可以实现人和人之间以及人和计算机之间的知识共享,在一定领域中实现知识重用.直观地讲,本体是将现实世界中某个领域知识抽象为一组概念及其之间的关系.通过构建本体模型可以有效地进行知识表达、知识查询,以及不同领域知识的语义消解,是案例相似度计算的基础.

构建本体模型的描述语言主要有RDF、RDF Schema、OIL、OIL+DAML、OWL等.其中,OWL的语言表达能力最强,适宜自动推理,因此本文主要采用OWL语言对装配式建筑施工能耗知识进行描述.应用Protégé 4.2本体开发工具构建可视化的本体模型ICCEOnto.由于装配式建筑施工能耗领域涉及范围广、概念多,模型庞大,限于篇幅,此选取部分ICCEOnto模型如图1所示.

本体构建完成后,应由领域专家对本体进行评估、检验和修正,并在使用过程中不断调整,保证其科学性.

3装配式建筑施工能耗控制案例相似度计算

装配式建筑施工能耗控制案例推理第二个核心问题是案例相似度的计算,此过程主要分三个步骤：计算案例特征属性的相似度；确定属性权重；确定案例整体相似度,并将相似度最高且达到阈值的案例作为推理结果输出.

3.1属性相似度的确定

以本体形式表达的案例特征属性分为两类：对象属性（Object Properties）和数据属性（Datatype Properties）,对两类属性分别运用不同的相似度计算规则.

令C为装配式建筑施工能耗控制案例的集合,C等于{C1,C2,C3,…,Ci,…,Cn},其中,i等于1,2,…,n（n为源案例个数）.C0代表目标案例,P0j代表目标案例的第j个特征属性,Ci代表本体案例库中第i个源案例,Pij代表第i个源案例的第j个特征属性.

（1）数据属性相似度计算.

其中,MaxPij、MinPij分别代表案例库中第j个特征属性的最大值与最小值.概念C的最大值和最小值.

（2）对象属性相似度计算.

定义1：Cf和Cs代表本体中任意一组相邻的父子概念,其中,Cf为Cs的父概念.用f代表Cf所在的概念节点,s代表Cs所在的概念节点,g代表根节点,两节点f、s的边长：

leng(f,s)等于λMax(Series(C))-Series(Cs)（2）

其中,λ为调节因子,此处取λ等于2.

定义2：令Ca和Cb代表任意两个概念,用a代表Ca所在的概念节点,b代表Cb所在的概念节点,a、b之间通过k个节点a1、a2、a3、…、ak相连,两节点a、b的距离：

dist(a,b)等于La1,a2+La2,a3+La3,a4+…+Lak－2,ak－1+Lak－1,ak（3）

则Ca和Cb的概念相似度：

3.2属性权重确定

案例相似度计算时,特征属性的赋权会对计算结果和问题求解的质量产生重要影响.装配式建筑施工能耗控制案例中特征属性众多,不同属性对于能耗控制对策的制定影响不同,有些属性之间差异较小,具有替代性.为合理确定属性特征的权重值,采用差异度排比技术对属性进行约简.

（1）量表赋值.

根据量表理论,把控制案例特征属性重要度分成5个等级："特别重要"、"相对重要"、"重要"、"相对不重要"和"特别不重要"五个等级,并分别赋值5-1分,记为S,则：

S等于{s1,s2,s3,s4,s5},s1等于5,s2等于4,s3等于3,s4等于2,s5等于1（6）

（2）确定属性重要度.

用特征属性的级权和表示其重要度,有：

其中,j等于1,2,…,m,xjk表示第j个特征属性属于第k类等级的权数.

（3）属性权重的计算.

对属性重要度进行归一化处理,求得特征属性的权重：

其中,j等于1,2,…,m´,m´为约简后的特征属性个数.

3.3案例整体相似度的确定

确定了案例中特征属性的相似度及其权重后,即可对目标案例和源案例的整体相似度进行计算,如（9）式

其中,sim(P0j,Pij)表示目标案例C0和源案例Ci之间第j个特征属性的相似度,ωj表示第j个特征属性的权重.

根据主题相似度排序即可确定匹配度最高的源案例作为参考方案.

假设某工程能耗控制中,从案例库中检索到案例C3最为匹配,则其当时所采用能耗控制措施：在混凝土拌和物中使用塑化剂,使用综合养护法,装饰与保温隔热材料一体化,定期维护保养机械设备,定期进行机械设备操作人员培训等可作为目标案例中相应能耗项目控制对策的参考.

至此,目标案例中涉及的所有能耗项目的控制对策输出完毕,装配式建筑施工能耗控制对策推理完成.

4结论

装配式建筑施工机械化程度高,能否有效地控制能耗,关系到装配式建筑顺利发展和节能减排目标的实现,论文构建了装配式建筑施工能耗本体模型,在此基础上提出了属性相似度的计算方法,并使用ECDD技术确定了属性权重,形成了基于相似度的施工能耗控制措施案例推理方法,对拟建工程施工能耗控制措施的制定提供了参考依据.为进一步提高装配式建筑施工能耗控制的有效程度,还需要不断对能耗本体库和案例库进行完善,并通过更加智能的方式进行能耗知识和能耗控制案例的获取.

参考文献

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