基于CBR技術(shù)的裝配式建筑施工能耗控制研究

王磊

摘要：伴隨城市化進(jìn)程不斷加快，全社會(huì)總能耗持續(xù)增加，其中建筑能耗約占總能耗三分之一，在此背景下，大力發(fā)展裝配式建筑并努力降低其施工過程能耗是緩解當(dāng)前能源緊張與環(huán)境惡化的重要途徑。將本體和案例推理引入裝配式建筑施工能耗控制領(lǐng)域，通過構(gòu)建本體模型，提出了案例相似度計(jì)算方法，為裝配式建筑施工能耗控制措施的制定提供了依據(jù)，對(duì)促進(jìn)裝配式建筑施工能耗控制的信息化具有重要意義。

關(guān)鍵詞：裝配式建筑；施工能耗；本體技術(shù)；案例推理；控制措施

中圖分類號(hào)：TB文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2018.22.090

0引言

我國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，能源消費(fèi)總量已連續(xù)多年位居世界前列。其中建筑能耗約占全社會(huì)總能耗三分之一，在當(dāng)前我國(guó)環(huán)境承載力日益下降的背景下，大力發(fā)展裝配式建筑是緩解當(dāng)前能源緊張與環(huán)境惡化的重要途徑。

裝配式建筑亦稱裝配式建筑，是指采用以標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、一體化裝修和信息化管理等為主要特征建造的建筑。相較于傳統(tǒng)模式施工的建筑，裝配式建筑施工周期短，效率高，施工質(zhì)量和施工環(huán)境較好。國(guó)務(wù)院國(guó)辦發(fā)〔2016〕71號(hào)文發(fā)布了關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見，建設(shè)部制定了“十三五”裝配式建筑行動(dòng)方案、裝配式建筑產(chǎn)業(yè)基地管理辦法等，大力推進(jìn)裝配式建筑的發(fā)展。裝配式建筑的最大特點(diǎn)是工廠化制作，機(jī)械化程度高，能耗的控制尤為重要，所以在推進(jìn)裝配式建筑過程中，提高裝配式建筑施工能耗控制的科學(xué)性和合理性，對(duì)有效較低建筑業(yè)能耗，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)和促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

1裝配式建筑施工能耗控制案例推理過程

案例推理（Case-Based Reasoning，簡(jiǎn)稱CBR）技術(shù)，是認(rèn)知科學(xué)領(lǐng)域較新崛起的一種問題求解和學(xué)習(xí)方法。其核心思想在于解決新案例（或稱目標(biāo)案例）的問題時(shí)，充分利用以往解決類似案例（又稱源案例）的經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行推理和學(xué)習(xí)，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)的重用。簡(jiǎn)言之，CBR是利用過去的經(jīng)驗(yàn)推理求解新問題，并在這個(gè)過程中不斷實(shí)現(xiàn)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和案例的累積，提高案例和經(jīng)驗(yàn)的共享和重用程度。典型的裝配式建筑施工能耗控制案例推理過程可分為案例表達(dá)、案例檢索、案例重用、案例修正和案例保存五個(gè)主要步驟。其核心過程需要解決兩個(gè)問題：一是如何將多樣化的案例表示成格式統(tǒng)一化的可比案例，二是如何尋找相似案例。前者可用本體技術(shù)，后者即是相似度的計(jì)算問題。

2裝配式建筑施工能耗控制本體模型構(gòu)建

本體最早是一個(gè)哲學(xué)上的概念，是關(guān)于客觀存在的系統(tǒng)解釋或說明，強(qiáng)調(diào)的是客觀現(xiàn)實(shí)的抽象本質(zhì)。在人工智能領(lǐng)域比較流行的本體定義為：共享概念模型明確的格式化描述。這種描述是明確的、格式化的，可共享的。“明確”是指知識(shí)具有準(zhǔn)確的類型和定義；“格式化”是指知識(shí)的計(jì)算機(jī)可讀性；“共享”反映知識(shí)的公認(rèn)性和理解的同一性。本體幫助人們對(duì)于領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，把領(lǐng)域知識(shí)形式化，使之便于計(jì)算機(jī)處理。本體還可以實(shí)現(xiàn)人和人之間以及人和計(jì)算機(jī)之間的知識(shí)共享，在一定領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)知識(shí)重用。直觀地講，本體是將現(xiàn)實(shí)世界中某個(gè)領(lǐng)域知識(shí)抽象為一組概念及其之間的關(guān)系。通過構(gòu)建本體模型可以有效地進(jìn)行知識(shí)表達(dá)、知識(shí)查詢，以及不同領(lǐng)域知識(shí)的語義消解，是案例相似度計(jì)算的基礎(chǔ)。

構(gòu)建本體模型的描述語言主要有RDF、RDF Schema、OIL、OIL+DAML、OWL等。其中，OWL的語言表達(dá)能力最強(qiáng)，適宜自動(dòng)推理，因此本文主要采用OWL語言對(duì)裝配式建筑施工能耗知識(shí)進(jìn)行描述。應(yīng)用Protégé 4.2本體開發(fā)工具構(gòu)建可視化的本體模型ICCEOnto。由于裝配式建筑施工能耗領(lǐng)域涉及范圍廣、概念多，模型龐大，限于篇幅，此選取部分ICCEOnto模型如圖1所示。

本體構(gòu)建完成后，應(yīng)由領(lǐng)域?qū)＜覍?duì)本體進(jìn)行評(píng)估、檢驗(yàn)和修正，并在使用過程中不斷調(diào)整，保證其科學(xué)性。

3裝配式建筑施工能耗控制案例相似度計(jì)算

裝配式建筑施工能耗控制案例推理第二個(gè)核心問題是案例相似度的計(jì)算，此過程主要分三個(gè)步驟：計(jì)算案例特征屬性的相似度；確定屬性權(quán)重；確定案例整體相似度，并將相似度最高且達(dá)到閾值的案例作為推理結(jié)果輸出。

3.1屬性相似度的確定

以本體形式表達(dá)的案例特征屬性分為兩類：對(duì)象屬性（Object Properties）和數(shù)據(jù)屬性（Datatype Properties），對(duì)兩類屬性分別運(yùn)用不同的相似度計(jì)算規(guī)則。

令C為裝配式建筑施工能耗控制案例的集合，C=C1，C2，C3，…，Ci，…，Cn，其中，i=1，2，…，n（n為源案例個(gè)數(shù)）。C0代表目標(biāo)案例，P0j代表目標(biāo)案例的第j個(gè)特征屬性，Ci代表本體案例庫中第i個(gè)源案例，Pij代表第i個(gè)源案例的第j個(gè)特征屬性。

（1）數(shù)據(jù)屬性相似度計(jì)算。

sim（P0j，Pij）=1-P0j-PijMaxPij-MinPij（1）

其中，MaxPij、MinPij分別代表案例庫中第j個(gè)特征屬性的最大值與最小值。概念C的最大值和最小值。

（2）對(duì)象屬性相似度計(jì)算。

定義1：Cf和Cs代表本體中任意一組相鄰的父子概念，其中，Cf為Cs的父概念。用f代表Cf所在的概念節(jié)點(diǎn)，s代表Cs所在的概念節(jié)點(diǎn)，g代表根節(jié)點(diǎn)，兩節(jié)點(diǎn)f、s的邊長(zhǎng)：

leng（f，s）=λMax（Series（C））-Series（Cs）（2）

其中，λ為調(diào)節(jié)因子，此處取λ=2。

定義2：令Ca和Cb代表任意兩個(gè)概念，用a代表Ca所在的概念節(jié)點(diǎn)，b代表Cb所在的概念節(jié)點(diǎn)，a、b之間通過k個(gè)節(jié)點(diǎn)a1、a2、a3、…、ak相連，兩節(jié)點(diǎn)a、b的距離：

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

則Ca和Cb的概念相似度：

sim（Ca，Cb）=1-2×（1-dist（lcf（a，b），g）dist（a，g）·dist（b，g））（4）

其中，lcf（a，b）表示Ca和Cb的最近共同父概念節(jié)點(diǎn)。

對(duì)象屬性的相似度即為對(duì)應(yīng)概念的相似度，令P0j=Ca，Pij=Cb，則目標(biāo)案例和源案例對(duì)象屬性的相似度：

sim（P0j，Pij）=sim（Ca，Cb）=1-λ（1-dist（lcf（a，b），g）dist（a，g）dist（b，g））（5）

3.2屬性權(quán)重確定

案例相似度計(jì)算時(shí)，特征屬性的賦權(quán)會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果和問題求解的質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。裝配式建筑施工能耗控制案例中特征屬性眾多，不同屬性對(duì)于能耗控制對(duì)策的制定影響不同，有些屬性之間差異較小，具有替代性。為合理確定屬性特征的權(quán)重值，采用差異度排比技術(shù)對(duì)屬性進(jìn)行約簡(jiǎn)。

（1）量表賦值。

根據(jù)量表理論，把控制案例特征屬性重要度分成5個(gè)等級(jí)：“特別重要”、“相對(duì)重要”、“重要”、“相對(duì)不重要”和“特別不重要”五個(gè)等級(jí)，并分別賦值5-1分，記為S，則：

S=s1，s2，s3，s4，s5，s1=5，s2=4，s3=3，s4=2，s5=1（6）

（2）確定屬性重要度。

用特征屬性的級(jí)權(quán)和表示其重要度，有：

Ij=∑5k=1xjk·sk（7）

其中，j=1，2，…，m，xjk表示第j個(gè)特征屬性屬于第k類等級(jí)的權(quán)數(shù)。

（3）屬性權(quán)重的計(jì)算。

對(duì)屬性重要度進(jìn)行歸一化處理，求得特征屬性的權(quán)重：

wj=Ij/∑m'j=1Ij（8）

其中，j=1，2，…，m'，m'為約簡(jiǎn)后的特征屬性個(gè)數(shù)。

3.3案例整體相似度的確定

確定了案例中特征屬性的相似度及其權(quán)重后，即可對(duì)目標(biāo)案例和源案例的整體相似度進(jìn)行計(jì)算，如（9）式

sim（C0，Ci）=∑m'j=1sim（P0j，Pij）·ωj（9）

其中，sim（P0j，Pij）表示目標(biāo)案例C0和源案例Ci之間第j個(gè)特征屬性的相似度，ωj表示第j個(gè)特征屬性的權(quán)重。

根據(jù)主題相似度排序即可確定匹配度最高的源案例作為參考方案。

假設(shè)某工程能耗控制中，從案例庫中檢索到案例C3最為匹配，則其當(dāng)時(shí)所采用能耗控制措施：在混凝土拌和物中使用塑化劑，使用綜合養(yǎng)護(hù)法，裝飾與保溫隔熱材料一體化，定期維護(hù)保養(yǎng)機(jī)械設(shè)備，定期進(jìn)行機(jī)械設(shè)備操作人員培訓(xùn)等可作為目標(biāo)案例中相應(yīng)能耗項(xiàng)目控制對(duì)策的參考。

至此，目標(biāo)案例中涉及的所有能耗項(xiàng)目的控制對(duì)策輸出完畢，裝配式建筑施工能耗控制對(duì)策推理完成。

4結(jié)論

裝配式建筑施工機(jī)械化程度高，能否有效地控制能耗，關(guān)系到裝配式建筑順利發(fā)展和節(jié)能減排目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，論文構(gòu)建了裝配式建筑施工能耗本體模型，在此基礎(chǔ)上提出了屬性相似度的計(jì)算方法，并使用ECDD技術(shù)確定了屬性權(quán)重，形成了基于相似度的施工能耗控制措施案例推理方法，對(duì)擬建工程施工能耗控制措施的制定提供了參考依據(jù)。為進(jìn)一步提高裝配式建筑施工能耗控制的有效程度，還需要不斷對(duì)能耗本體庫和案例庫進(jìn)行完善，并通過更加智能的方式進(jìn)行能耗知識(shí)和能耗控制案例的獲取。

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