信息可视化辅助决策系统在健康建筑中的应用

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２０１９年第４期(总第４７卷㊀第３３８期)㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀建筑节能㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀ʏ绿色建筑设计与评价

ｄｏｉ:１０.３９６９∕ｊ.ｉｓｓｎ.１６７３￣７２３７.２０１９.０４.０１５

收稿日期:２０１８￣０５￣３０ꎻ㊀修回日期:２０１９￣０４￣１９

∗基金项目:中国国家重点科技攻关计划 既有大型公共建筑低成本调

适及运营管理关键技术研究 (２０１６ＹＦＣ０７００７０７)ꎻ中国建筑科学研究院青年基金(基于数据的智能能源管理系统三维可视化)

信息可视化辅助决策系统在健康建筑中的应用∗

王㊀晨１ꎬ㊀潘㊀晓２ꎬ㊀魏景姝１ꎬ㊀曹㊀勇１ꎬ㊀张㊀持１ꎬ㊀汪晓麟１

(１ 中国建筑科学研究院有限公司ꎬ北京㊀１０００１３ꎻ２ 中钢集团工程设计研究院有限公司ꎬ石家庄㊀０５００００)摘要:㊀基于信息可视化技术ꎬ并利用数据仓库㊁联机分析处理㊁数据挖掘等核心技术ꎬ可将大量数据

进行提取㊁整理㊁分析ꎬ为决策者进行经营决策提供支持ꎮ基于信息可视化的健康建筑管理平台从不同的角度抽取反应建筑室内环境的各类指标ꎬ集成建筑使用中所产生的各类数据ꎬ基于全面㊁系统㊁实时的利用各类数据ꎬ建立相关的数据模型ꎬ让建筑业主和住户实现实时自行监测ꎬ从真正意义上实现实时在线监控ꎮ用户可通过应用此平台加强对自身的管理ꎬ对以后的发展方向做出及时㊁科学的决策ꎮ

关键词:㊀信息可视化ꎻ㊀健康建筑ꎻ㊀建筑管理平台ꎻ㊀辅助决策

中图分类号:㊀ＴＵ２０５㊀㊀㊀文献标志码:㊀Ａ㊀㊀㊀文章编号:㊀１６７３￣７２３７(２０１９)０４￣００７７￣０６

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ￣Ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ￣ｂａｓｅｄＤｅｃｉｓｉｏｎ

ＳｕｐｐｏｒｔＳｙｓｔｅｍｉｎＨｅａｌｔｈｙＢｕｉｌｄｉｎｇ

ＷＡＮＧＣｈｅｎ１ꎬＰＡＮＸｉａｏ２ꎬＷＥＩＪｉｎｇ￣ｓｈｕ１ꎬＣＡＯＹｏｎｇ１ꎬＺＨＡＮＧＣｈｉ１ꎬＷＡＮＧＸｉａｏ￣ｌｉｎ１

(１ ＣｈｉｎａＡｃａｄｅｍｙｏｆＢｕｉｌｄｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈꎬＢｅｉｊｉｎｇ１０００１３ꎬＣｈｉｎａꎻ

２ ＳｉｎｏｓｔｅｅｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＳｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００００ꎬＣｈｉｎａ)

㊀㊀Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＨｕｇｅａｃｃｏｕｎｔｏｆｂｕｉｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄａｔａａｒｅｇｅｎｅｒａｔｅｄꎬｃｏｌｌｅｃｔｅｄａｎｄｐｒｅｓｅｒｖｅｄｉｎＢｕｉｌｄｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｓ(ＢＡＳｓ)ꎬｗｈｉｃｈｈａｖｅｂｅｅｎｗｉｄｅｌｙｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｍａｒｔ

ｂｕｉｌｄｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｋｅｙｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｗｈｉｃｈｕｎｄｅｒｃｏｖｅｒｅｄｉｎｔｈｅｓｅｄａｔａꎬｂｕｉｌｄｉｎｇｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｌａｎｃａｎｂｅｃｒｅａｔｅｄａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｄ.Ａｓａｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃｏｍｐｌｅｘｗｈｉｃｈｃｏｎｃｌｕｄｅｓｄａｔａｗａｒｅｈｏｕｓｅꎬｏｎ￣ｌｉｎｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｄａｔａｍｉｎｉｎｇꎬｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｃａｎｅｘｔｒａｃｔꎬｃｏｌｌａｔｅꎬａｎｄａｎａｌｙｚｅｌａｒｇｅａｍｏｕｎｔｓｏｆｄａｔａｔｏｓｕｐｐｏｒｔｄｅｃｉｓｉｏｎ￣ｍａｋｅｒｓｉｎｍａｋｉｎｇｂｕｓｉｎｅｓｓｄｅｃｉｓｉｏｎｓ.Ａｂｕｓｉｎｅｓｓｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ￣ｂａｓｅｄｈｅａｌｔｈｂｕｉｌｄｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔｐｌａｔｆｏｒｍｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒｃａｎｃｏｌｌｅｃｔａｎｄｓｔｏｒｅｖａｒｉｏｕｓｉｎｄｏｏｒａｉｒｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｑｕａｌｉｔｙ(ＩＥＱ)ａｎｄｗａｔｅｒｑｕａｌｉｔｙｄａｔａｉｎｔｏａｄａｔａｂａｓｅ.Ａｆｔｅｒｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｗｉｔｈａｐｒｅｄｅｆｉｎｅｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅꎬａｌｌｐｒｏｃｅｓｓｅｄｄａｔａｃａｎｂｅｄｉｓｐｌａｙｅｄｗｉｔｈａｕｓｅｒ￣ｆｒｉｅｎｄｌｙｇｒａｐｈｉｃｉｎｔｅｒｆａｃｅ.ＷｉｔｈｔｈｅａｓｓｉｓｔａｎｔｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍꎬｂｕｉｌｄｉｎｇｏｐｅｒａｔｉｎｇｍａｎａｇｅｒｓｃａｎｍａｋｅＩＥＱｍａｎａｇｅｍｅｎｔｄｅｃｉｓｉｏｎｍｕｃｈｍｏｒｅｑｕｉｃｋｌｙａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｏｎｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｄａｔａ.㊀㊀

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎꎻｈｅａｌｔｈｙｂｕｉｌｄｉｎｇꎻｂｕｉｌｄｉｎｇｍａｎａｇｅｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎻｄｅｃｉｓｉｏｎｓｕｐｐｏｒｔ

０　引言

近年来ꎬ国内环境问题成为社会关注的焦点ꎮ随着我国经济的迅猛发展ꎬ城市化㊁工业化进程不断加

快ꎬ人民生活水平不断得到提高ꎮ另一方面ꎬ近年冬季持续发生的雾霾使人们对生活品质和环境的要求也越来越高ꎮ洁净的空气是影响人类健康的关键因素ꎬ在满足节能要求的同时ꎬ人们对于空气质量的关注度也空前提高ꎮ

作为建筑能耗占比最大的一部分ꎬ大型办公建筑内设备密集ꎬ人员稠密ꎬ空间相对封闭ꎮ研究表明ꎬ如果采取有效的手段来改善室内环境质量ꎬ可以将建筑

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物内部人员的工作效率提高１５％~２０％[１]ꎮ然而ꎬ大型办公建筑室内环境管理中还存在很多空白:室内环境评估方法不完善ꎻ室内环境质量智能监测技术不完善ꎬ缺乏有效的智能监测手段ꎻ缺乏公示平台ꎬ驻户无从得知所处的工作环境是否达到了健康㊁高效的标准[１]ꎮ因此ꎬ在公共建筑已有管理系统中添加室内空气质量监测系统已成为一种趋势ꎮ

另一方面ꎬ在进行运营节能分析时ꎬ必须考虑到其各种影响因素ꎮ在建筑物中ꎬ这意味着要根据多个维度来分析能耗ꎬ例如建筑形体㊁日照采光以及室内环境ꎮ根据室内环境参数的变化ꎬ可以分析出建筑驻户的行为模式ꎮ管理人员可根据行为模式ꎬ修正能源管理计划ꎮ

在对建筑运行情况进行监测的过程中ꎬ各个项目都积累了大量的监测数据ꎬ包括室内环境数据㊁建筑系统能耗数据等ꎮ但由于这些数据分属彼此独立的系统ꎬ给运营人员的管理和决策带来了困难ꎮ随着信息化技术的发展ꎬ急需一种集成系统来解决数据存储 过量 和决策信息不足的矛盾ꎮ因此ꎬ引入信息可视化技术成为提升信息化水平的必然选择ꎮ

１㊀信息可视化

在学术研究和工业应用中ꎬ数据分析是不可或缺的重要组成部分ꎮ基本数据分析方法包括:可视化(直方图㊁散点图㊁曲面图㊁树图㊁平行坐标图等)ꎬ统计学(假设检验㊁回归㊁主成分分析等)ꎬ数据挖掘(关联挖掘等)ꎬ机器学习方法(聚类㊁分类㊁决策树等)[２]ꎮ在这些方法中ꎬ具备有限认知能力的分析人员最需要的是信息可视化ꎬ或可视化数据分析ꎮ信息可视化ꎬ指使用交互式方式ꎬ如视觉ꎬ将抽象数据展示出来ꎬ以加强使用者的认知ꎮ抽象数据可分为数字和非数字数据ꎬ如文本和地理信息等ꎮ信息可视化假定 基于人类视觉与认知间的紧密联系ꎬ视觉展示和交互技术ꎬ可使用户一次性查看ꎬ浏览和理解大量信息ꎮ信息可视化侧重于创建最直观的方式ꎬ来传达抽象信息ꎮ [３]

通过可视化技术ꎬ分析人员无需具备庞大复杂的专业知识库ꎬ就可以较容易发现那些被掩埋于大量纷杂数据中ꎬ价值无法被直接了解的非结构化信息ꎮ

２㊀决策系统

决策支持系统(ＤｅｃｉｓｉｏｎＳｕｐｐｏｒｔＳｙｓｔｅｍꎬＤＳＳ)在支持多维分析的管理能力方面是众所周知的ꎮ它使管理人员能够分析海量数据ꎬ识别相关知识ꎬ并根据不同的实际情况快速做出相应决定ꎮ

建筑运行数据均存储于数据仓库(ＤＷ)中ꎮ在数据仓库中ꎬ所有数据按照统一标准进行组织ꎬ以方便数据分析和演示ꎮ这种使用数据和多维表格的编

码模式通常被称为多维模型ꎮ其中ꎬ数据是关于业务

绩效的观察ꎬ维度是描述业务测量的一组属性ꎬ数据

与维度相结合ꎬ生成模型(表格)[４]ꎮ通过使用多维模型ꎬ管理人员能够整合㊁分析和可视化大量数据ꎮ

建筑能源管理系统(ＢＥＭＳ)是支持能源管理流

程的决策支持系统ꎬ包括监测㊁分析㊁控制和优化能源

使用ꎮ一般来说ꎬＢＥＭＳ可以最大限度地降低能耗ꎬ

并最大限度地提高能源使用效率ꎮ

ＢＥＭＳ的功能主要分为四部分:①整合来自不同

来源的能源数据ꎻ②使用数据访问工具分析建筑物性

能ꎻ③将能源相关数据可视化ꎻ④生成报告[５]ꎮ

所有这些功能都必须基于通用的数据模型[４]ꎮ

目前ꎬ虽然在信息系统领域已经建立了多维模

型ꎬ但为能源管理创建一个可供参考的多维模型却很

困难ꎮ这是由于难以获得关于能源管理活动的精确

详细要求ꎮ首先ꎬ现有能源管理标准并未提出精准并

一致的能源管理业务要求ꎮ其次ꎬ这些标准并没有提

供适当的细节来推导准确的信息需求[６]ꎮ除此以外ꎬ业务流程系统化对于获得准确的模型制定是必不可少的ꎬ模型的完整或不准确ꎬ都会导致信息丢失ꎬ导致开发和维护成本增加ꎮ

以ＢＥＭＳ为例ꎬ缺乏参考信息模型ꎬ即不能准确

说明能源管理业务ꎬ会混淆用户界面ꎬ导致用户丢弃

大量有用数据[６]ꎬ同时会限制系统的分析能力ꎬ使ＢＥＭＳ沦为建筑能耗数据收集系统ꎮ

令人遗憾的是ꎬ多数文献中并未提供一种可供参

考的支持建筑能源管理多维模型ꎮ在本文中ꎬ将介绍

一款基于由Ｋｉｍｂａｌｌ等人开发的多维建模和模式的完

善原则ꎬ并基于此模型ꎬ使用信息可视化技术ꎬ实现

一种支持能源相关数据分析活动的管理软件ꎮ

３㊀多维数据模型

建筑能源管理系统可以理解为支持能源管理过

程的决策支持系统:它们监控㊁分析㊁控制和优化能源

使用ꎮ事实上ꎬ与ＤＳＳ类似ꎬＢＥＭＳ通过仪表㊁传感器

和其他来源收集并存储建筑运行数据ꎬ使管理人员能

够分析能耗如何被消耗ꎮ通过对数据进行复合分析ꎬ

以发掘节能机会ꎬ预测能耗需求ꎬ检测异常情况ꎬ执行

改进措施以及测量节能策略结果[７]ꎮ

关于什么是ＢＥＭＳ的适当架构在文献中并未达

成共识ꎮ现有的建议一般将其分为楼宇自动化层㊁数

据管理层㊁性能优化层和应用层ꎮ

(１)楼宇自动化层包含楼宇自动化系统ꎬ如仪表和传感器ꎬ并提供与建筑性能相关的温度和亮度等数据类型ꎮ

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