集成化的建筑空调设计环境的发展

    Development of integrated building and HVAC
    design surport environment
   
   

    1 前言
    世界性的能源危机给建筑业的发展带来了很大的影响。针对建筑能耗占能源总消耗量比例相当大这个现实，世界各国投入大量人力、财力来研究节能建筑，对建筑的节能设计、性能评价、节能运行提出了更高的要求。基于这种情况，各种模拟评价软件应运而生。（参考《建筑中文网》）
    但是近年来对世界各国的设计、研究单位的调查表明，在实际工程设计中已开发出的模拟软件并未被充分利用。其原因主要有以下几个：
    ①现有的分析模拟软件都是"面向程序"的软件，用户为了使用模拟程序来评价一个具体的建筑或空调设计，需要按照程序的要求准备相应的输入数据文件。这个过程既耗时又费精力，而且一量几个数据的输入错误可能导致完全错误的结果，并且错误很难查找。
    ②一个实际的设计过程由几个不同阶段构成，由于模拟程序是针对解决某一方面的问题而设计的，它仅支持一个或某向个阶段的设计，所以当用户需要跨越几个阶段来评价设计时，就需要使用几个模拟程序，这意味着对同一个建筑的空调设计，要为这几个不同的模拟程序准备不同的输入文件。显然这大大限制了这些模拟程序的使用范围。
    ③当使用模拟程序评价具体设计时，程序需要有对所分析对象的全面细致的描绘。但设计初期很难得到所有的详细数据，即使在施工图阶段有的详细数据可以得到，但一些经济数据的取值会在很大程度上影响模拟程序得出的结果。因而对一般工程设计人员来讲，使用模拟程序正确分析评价设计并不是件容易的事。
    ④由于模拟程序只对简化的模型进行模拟，而不同的简化模型会导致不同的结果。因此，如何正确选取简化模型以及由简化模型选择合适的模拟程序又是一大困难。
    综上所述，繁杂的数据输入工人、不确定性的数据取值和模型简化而导致的结果的不确定性是导致模拟分析技术未能广泛地在实际设计中使用的主要原因。
    但是，正确地使用模拟分析技术是保证实际设计质量的唯一途径。显然，上面的问题并不在于模拟程序本身的计算性能不够好，而是外部界面的问题。围绕着如何解决这些问题，80年代后期，国际上开始出现集成化的建筑空调设计支持环境的概念，继而许多因家陆续投入大量经费与全国各地开发此类系统。
    这类集成化系统的共同特点是将各种有关的分析模拟软件集成于一个环境下，建立统一数据库，各个软件通过与统一数据库传输数据，从而达到互相交换数据的目的，这样可以解决各个模拟软件之间通讯问题。
    用户在储存系统中模拟建筑，只需将建筑向系统描绘一次（如用CAD系统），然后集成系统可以将描绘数据转换为模拟程序所需的输入文件格式。而且如果集成系统进一步具有智能功能，系统可以对不同的实际应用提供默认值，及时指导建筑模型的简化过程，从而不但大减轻输入文件的准备工作对用户的负担，并且增强了数据的可靠性及结果的正确性。
    与单纯的模拟软件相比，集成系统具有以下优点：
    ·允许用户进行不同设计阶段的分析计算。
    ·用统一的系统数据描述方法得到数据之后可转换为适合不同程序的输入文件，可作不同的分析计算工作，从而大减轻了人工准备数据的负担。
    ·将一些基本知识，诸如标准部件知识、基本规则等装入系统，便于查找，以利于系统作出正确决定。
    ·人机关系与以往的不同。以往的模拟程序是以机为主，机器要求什么，人就要做什么。机时集成设计系统的人机充分地配合，按人的意志，借助机器来计算、推理，并可作判断和决定。
    ·结合CAD绘图，使设计、计算合为一体。在一个系统中完成。
    ·系统针对具体情况为用户提供默认值及选取简化模型，这可在很大程度上帮助用户模拟分析建筑，同时增强数据的可靠性。
    图1描绘了所设想的这种集成化设计系统中的各功能块及其相互关系。用户利用CAD辅助设计，同时检索各种设计资料和产品信息，然后设计结果传输到中心系统描述数据库中，由知识库指导数据转化、再处理模拟程序的选择。各阶段模拟分析均可这同一环境下进行，它们各自的分析结果均可进入数据库为设计的一部分，最后可以得出设计的总评价结果。
   
    图1
   
    为了发展这种集成化的设计环境，必须解决下面3个问题：①统一数据库结构和数据转换机制，②知识库结构，③系统平台设计。
    本文先介绍国外在数据转换方面的发展以及知识库的开发研究情况，然后介绍欧美国家目前已开发或正在开发的一些集成化设计支持系统，最后对我国开展这方面研究提出几点建议。
   
    2 集成系统中的数据传输问题
    各种集成化的建筑空调设计支持环境各有不同的结构、不同的侧重点，但却共有一个基本的特征，那就是将一些担任不同任务的模块通过一个中央处理环节来完成信息传输和信息处理。
    要实现这一点，信息传输显得非常重要。比如用户在CAD系统下设计建筑图形，数据以CAD系统内表达格式存贮，而为了用模拟程序来评价其性能质量，集成环境必须将其转换为模拟程序所要求的输入文件，这不仅是数据存储方式的转化，而且包括对数据的理解和一些再处理过程。
    为适应CAD图形系统的需要，1979年出现最早作为标准的图形数据交换标准（IGES），起初仅为交换图形和几何数据。但随着CAD系统应用于越来越多的工业生产部门，已构成强大的计算机集成制造系统（CIMS），工业产品数据的复杂性和数据的频繁传递，使得IGES已不满足要求了。怎样准确完满地传递和交换数据成为当今计算机与信息领域中亟待解决问题[1]。
    美国空军部开发了产品数据定义界面，首次提出产品建模的概念，从而使数据交换技术进入了一个新的阶段。正是为了从根本上解决CIMS中各种产品的复杂性、多样性，各个子系统之间数据的表达、理解、传递等问题，80年代中期，国际标准化组织着手开发产品数据标准ISO STEP，它将发展成国际上唯一通行的数据交换标准。这就意味着不久的将来，世界各国各种计算机应用系统都应与该标准兼容。为了实现这上目标，需要许多国家不同行业的专家共同合作，使STEP具有表达所有数据模型的能力。目前参与开发STEP的国家有美国、澳大利亚、比利时、加拿大、丹麦、法国、芬兰、德国、匈牙利、英国、瑞士、瑞典、挪威、荷兰、日本、俄罗斯。
    为了避免语言不通造成的困难，以及为了集成各地开发的模型，需要一种建模工具，以使表达标准EXPRESS。NIAM和IDEFIX是图形工具，易用、易读，尤其于建模初期。NIAM是一个二元数据模型，采用类似于自然语言的方式描述真实世界[1]，[2]。举一简单的例子："table"和"height"是两个概念，它们之间的关系称为"role"，这里，"has-height"和"is-height-of"是两个role，它们互为一对反关系，"?"是在role的限制（constraints），比如一个"table"有唯一确定的一个"height"，"唯一"就是限制。
   
    图2
   
    IDEFIX也是图形建模工具，其数据模型是实体关系模型，基本元素是物体与物体之间的关系以及物体的属性。它与NIAM是两个平行的建模工具，如何选择很大程度上取决于不同的工业需要和专家手中的知识。在建筑方面，目前广泛采用的是NIAM。
    EXPRESS是一种数据定义语言，图形建立模型最终都要转换为EXPRESS相应的实体结构。因而从某种方面可以说，NIAM和IDEFIX是图形工具，使概念化的模型为人所能理解，而EXPRESS是为计算机所能理解的数据定义语言。实际上EXPRESS中的实体结构（以及各种关系）是一种概念型结构。它的核心是实体（entity），实体既可以看作抽象的，也可以定义为具有清晰属性的实在的物体，每一个属性有特定的名称，以表示该属性表达的含义，属性也是实体，这个实体的数据类型表示属性的数据是什么样的类型[2][3]。
    EXPRESS还允许以函数和过程的形式定义属性的操作，并且提供多种规则。比如关于属性取值的规则，关于几个属性关系的规则等等。值得一提的是实体和属性可在数据库中实现，而规则和操作则是由作为集成的应用程序和数据库管理软件部分来实现。
    STEP 中这三种建模方法各有不相同，但EXPRESS能支持NIAM和IDEFIX的所有功能，后者应能够很简单地转换为EXPRESS定义。
    一旦语义在要领型模型里定义之后，不同系统之间数据就可以STEP具体数据文件来进行传递了。STEP转换文件形式是顺序文件，不同数据通过特征词（或字）来区分。STEP文件并非采用最高效的方法尽可能密集地收入信息，而是重点保证信息表达转换的普遍性、通用性[2]。信息传输的前提条件是接收系统和发送系统都必须能够查阅概念模型，因为概念模型容纳着实体的定义，如果没有这个字典的定义、说明，传输的实体只不过是一堆毫无意义的字符或数字。因此概念模型与具体数据文件必须结合起来才能真正表达信息，传输信息。
    因此，STEP与其他数据交换方法不同之点在于别的方法仅考虑有限的一类数据表达，仅在具有类似功能的系统（如在相似的CAD系统）之间交换数据，而STEP则允许不同功能系统（如在图形系统与计算程序系统）之间能够畅通无阻地进行信息传递。显然它们的数据形式迥然不同，但STEP在产品概念模型定义的支持下，使得两类系统能够充分"理解"所传递的数据。其实STEP是一种中间数据形式，各个系统需要有接口与STEP相连，并能够将自己的数据形式与STEP相互转化，从而与其它系统建立通讯联系。目前，STEP版本1.0已问世，对EXPRESS、通用产品数据模型、形状表达等几部分内容作了定义，试图以提供等价的功能来代替IGES，DXF，SET，VDA等数据形式[2]。
    在集成化环境中，中央统一数据库象一个大容器，接收来自不同系统信息，它的数据结构可以是固定的，开发者提供如词典一样定义的数据的语言模型，也可以是灵活的，提供语言由用户定义所研究对象有数据模型。而这些数据模型都应支持STEP文件，并以STEP文件形式与下属的各子系统互相传输信息。
    尽管STEP将是唯一的标准，但在短期内不可能在的有的应用中使用，不过它最终会成为国际标准。为了与国际上这种发展动向保持一致，我国的计算机应用系统开发者们应该考虑到与国际标准兼容问题，我们才能使开发的系统便于在世界上交流参建筑行业，集成化的建筑空调设计支持环境是将CAD与模拟环境集成一体，使CAD绘图系统与模拟程序的产品数据模型及模拟程序之间的数据模型均能以STEP文件交流信息。