关于建筑用能人行为模型的XML描述方法的探索

     作者：田嘉

     人员在建筑中从事一系列活动，其行为主要特征是：人员走动（移动）、对建筑设备的操控（动作）、环境影响等。在目前的建筑能耗模拟中，房间内人员位置、建筑设备的开关状态等主要是用固定作息来描述的，不能满足人行为的随机性、复杂性和多样性特征的刻画要求；因此需要给出建筑中人行为特征的定量描述方法。

    为了避免在能耗模拟中因为人员差异造成建筑能耗的过高或者过低估计，更加准确地描述人员在建筑中的用能状况，人们开发了多种模拟建筑用能人行为模型。比如，在人员移动模型方面的研究，主要有：固定作息法，基于蒙特卡洛随机作息法，时自相关的随机过程模型，Agent_Based模型，Activity—Based模型等；在人员动作模型方面的研究，主要有：固定作息法，照明行为的简化模型，窗帘调节行为Logistic模型，空调供暖行为的随机模型，开窗行为的Markov链模型等。

    目前，对于能耗模拟的人行为定量刻画，上述方法都有其不足之处，清华大学王闯博士对于建筑用能人行为的研究结果，给出了一套较全面的建筑人行为刻画模型及定量描述方法，其方法特点是：随机的、且能保证设备对象状态的时相关性，能够同时容纳环境独立、环境反馈两类特征，采用基于动作和个体的描述方式，具有简单清晰的特征参数、以便于区别和分类。

    本文根据目前国内外建筑人行为模型研究现状，结合王闯博士的研究结果，提出了建筑人行为定量描述的扩展标识语言架构( Occupant BehaviorExtensible Markup Language( obXML) Schema)，给出了影响建筑能耗的人行为定量因素分析，obXML核心节点描述，较全面地定量描述了建筑人员用能行为关键元素及模型参数，同时完成了建筑用能人行为模块的obXML接口开发，为建筑人行为能耗模拟、软件开发研究提供了一套有效的国际标准数据交换语言及实现方法；并进一步探讨了建筑人行为模块与建筑能耗模拟工具的集成与联合仿真方法研究。

1  建筑人行为定量描述

    目前研究表明，与建筑使用和运行状况有关的人行为存在较大差异，导致建筑能耗的巨大差别。针对不同的人行为和生活方式，需要不同的节能技术。因此，准确刻画人员在实际建筑中的行为和生活方式，对科学评价我国建筑节能工作的效果、规范各项建筑节能技术的应用、以及合理制定建筑节能标准和政策等，都具有十分重要的意义。

1.1  人行为用能影响因素

    从中国建筑节能发展的特点出发，我们需要建立一套人行为的定量描述和模拟体系，以支撑实际工程应用，从而才更准确地预测建筑能耗、合理评价系统性能、科学评价节能成效，发挥模拟分析方法的工程作用。人行为定量模型研究是人行为研究中最为关键、最为基础的一个工作，这里概要给出影响人员在建筑中的用能因素，主要包括建筑、环境、人员和行为信息。

1.1.1  环境信息描述

    主要包括：环境数据、逐时气象数据。

    1)环境数据：标识ID，城市，省份，国家，经纬度，拔海高度，常年大气压，地面反射率等。

    2)逐时气象数据：ID、干球温度、含湿量、太阳辐射、地表温度、天空有效温度、风速、大气压力等。

1.1.2  建筑信息描述

    主要包括：建筑数据、空间数据、会议参数、空间系统模式。

    1)建筑数据：建筑标识ID，建筑描述，建筑地址，建筑类型，建筑所含人员，建筑所含空间等。

    2)建筑空间：空间标识ID，空间类型，空间描述，空间最大容纳人数，空间最小容纳人数，会议参数，空间控制模式等。

    3)会议参数：会议室中的开会事件是造成人员分布不均匀的重要原因，具有很强的随机性，其使用状况描述需要的参数有：会议时间段，会议室使用比例，会议平均时长（开始、结束时间）。

    4)空间系统模式：ID，窗户，照明，空调，温控设备，遮阳，电器设备。

1.1.3人员信息描述

    主要包括：人员标识ID，姓名，年龄，性别，生活类型，职业类型，用能行为信息ID等。

1.1.4  行为信息描述

    主要包括：行为标识ID，驱动因素，需求因素，动作因素，系统因素。

    1)驱动因素：时间（季节、月、周、日、时），环境（室内及参数，室外及参数），习惯（作息、嗜好），事件（固定、随机）。

    2)需求因素：物理（热感受：温度、湿度、空气流动、热舒适，声音，明暗度，空气品质），非物理。

    3)动作因素：移动（模型及参数：Markov链，事件、空间逗留参数），交互操控（描述、概率公式：线性、二次曲线、logistic回归、weibu113D拟合），无动作，抱怨。

    系统因素：窗户，照明，空调，温控设备，遮阳，设备状态。

1.2人行为描述模型

目前，建筑人行为模拟主要包括移动模型与动作模型，结合建筑能耗模拟工具，即可完成基于人行为影响的建筑能耗模拟计算工作，其模块组成与处理框架如图1。

1.2.1  移动模型描述

    人员位移计算是采用基于马尔可夫链的离散随机过程模型，以人员所在房间位置为随机变量，以建筑内所有房间及外界为状态空间（即人员移动范围），通过用马尔可夫链的形式进行位移刻画与模拟计算，最终生成全年逐时刻的室内人员作息（每个房间的逐时刻人数）。

人员移动的马尔科夫移动模型：设随机状态变量X(t)为t时刻人员房间位置，建筑房间数量为n+1（包含室外），P：为马氏链的转移概率矩阵：

式中：人员在时刻f处于位置i时，在时刻t+l处于位置j的概率。

式(2)人员t+1时刻的房间位置模型：

图2左侧给出办公建筑的人员移动处理的事件集及特征参数描述。

  人员移动模型描述包含：建筑、环境、人员、时间信息，计算模型（M arkov链），以及事件参数：上班、工作、午休、会议、下班等，以及相应的事件名称、作用时段、特征参数等。

1.2.2  动作模型描述

人员对设备的控制动作的基本特点：不确定性、随机性。某些动作的发生，如开灯、开空调等，还明显受环境条件影响，与环境因素密切相关。动作处理采用了一套条件触发的控制动作随机模型，计算出每个时刻人员操控设备的概率，进而模拟计算出基于人行为影响的建筑负荷及能耗。图3右侧给出开关灯、电器的作息和阈值，以及空调动作模式及参数示例。

    人员动作处理模型描述主要包含：室内人员状态、设备模式、对象约束条件，典型模式及特征参数：动作对象、对象状态，开关模型：概率模型及参数（线性、Logistic、三次曲线）。

2  0bXml描述架构

    obXML Schema是建筑人行为定量描述的扩展标识语言框架，是建筑人行为定量描述的XML语言描述方法，该描述方法建立的目的是指导标准化地开发“建筑人行为模拟模块”，使得该模块可以方便地与已有建筑能耗模拟软件联合或集成仿真，可以推进建筑人行为研究的快速地发展。同时，也为独立建筑人行为模拟模块提供了一种国际标准数据交换格式。

2.1  人行为描述的DNAs框架

基于建筑人行为用能影响因素的深入分析，本文提出了建筑人行为定量描述的扩展标识语言框架( obXML Schema)。该框架较全面地定量描述了建筑人员用能行为关键元素及模型参数，给出了建筑人行为模型的DNAs框架形式的obXML定量描述，其核心的人行为节点的主要包含4个关键元素（DNAs框架）：Drivers，Needs，Actions，和Systems（如图4）；为建筑人行为数值模拟、软件开发等研究工作提供了一种国际标准描述架构。

2.2节点描述

    结合人行为用能影响因素的分析和归类，本文将其描述归为3个主要节点：建筑节点、人员节点和人行为节点，以及其他辅助节点，形成obXML描述架构。

2.2.1  建筑节点

    该节点主要提供建筑用能人行为模块所需要的建筑信息，主要包括：建筑数据、空间数据、会议参数、空间系统模式( Systems)等。

    建筑节点可以描述多个建筑( Buildings)；每个建筑可以描述多个空间组团( Spaces)；每个组团由空间( Space)组成；空间会议节点(Meetings)描述每个会议( Meeting)的使用特性参数；空间设备模式节点( Systems)描述空间中所有设备系统的可用模式（如：照明系统：3级照度控制开关等）。

2.2.2人员节点

    该节点主要提供建筑用能人行为模块所需要的人员信息，包括：人员标识ID，姓名，年龄，性别，生活类型，职业类型，用能行为信息ID等。

    生活类型( LifeStyle)用于刻画“典型人员”的生活用能特点，如：节简型、经济型、实用型、舒适型、奢侈型等，它们具有不同的典型用能模式。

    职业类型( JobType)用于刻画“典型人员”的职业类型，如：管理型、研发型、销售型等。

    用能行为信息ID( BehaviorReflD)用于索引“典型人员”的多个行为节点ID，由此描述该人员的移动、开关设备的行为及参数。

2.2.3行为节点

    该节点是obXML Scheme的核心元素，主要提供建筑用能人行为模块所需要的人员行为信息，主要包括：驱动节点元素，需求节点因素，动作节点因素，系统节点因素。

    驱动节点( Drivers)用于刻画人行为的驱动力，如：季节、室内热环境、作息习惯、事件要求等。

    需求节点( Needs)用于刻画人的生活、工作、活动等方面的需求因素，如：热感受、声音、明暗度、空气品质等。

    动作节点( Actions)用于刻画人对建筑设备的操控行为，如：人员移动、开关动作、行为模式、动作模型及参数、抱怨状态等。

系统节点( Systems)用于刻画建筑设备的操控状态，如：窗户，照明，空调，温控设备，遮阳，家电等设备状态。行为节点元素架构如图5。

2 2 4其他节点类型

    除上述3个主要节点外，还有12个复杂数据类型，以及几十个简单数据类型；分别描述复杂数据类型、简单数据类型对象等。

3建筑人行为模块

    基于建筑人行为定量描述的XML语言描述方法( obXML Schema)，本文结合文献[10 -11]中的人行为模型，开发了独立的“建筑人行为模拟模块”，使得该模块可以方便地与已有建筑能耗模拟软件联合或集成仿真，实现了建筑用能人行为模型的tjbXML描述以及软件开发，推进了建筑人行为国际通用XML描述方法的研究及能耗模拟的进一步发展。

3.1  0bXML接口

该接口的主要功能是完成obXML描述文件的导人＼导出，其主要数据结构节点有：建筑节点、人员节点、移动行为节点、动作行为节点等，接口函数主要有：导出obXML文件、导人ObXml文件及辅助函数；其处理流程分别如图6和图7完成obXML文件的读写操作。

3.2人行为模块集成

“建筑人行为模拟模块”是一个相对独立的模块，它需要与建筑能耗模拟软件联合或集成运行，进而完成具有人行为模块的建筑能耗模拟与分析工作。本文结合文献[ 14]的研究成果，开展丁DeST软件的人行为模块集成技术研究，完成了“人行为模块”与建筑能耗模拟软件的集成运行，并得到初步的应用。

    图8给出了建筑用能人行为模块集成与模拟计算流程：在DeST平台中创建建筑模型一计算人行为人员位移一i；r算照明行为及功率一计算人行为动作（开关窗、空调、供暖）模式一耦合计算室温、负荷一生成数据（库）结果。

    计算结果自动保存为csv格式文档，每个房间有一个独立的结果文件，在该文件基础上可进一步分析和模拟。结果包含：房问ID、计算的时问，以及各时刻的结果：人员个数、照明作息、照度、窗户作息、CO2、空调作息、供暖作息、温度、负荷。

3.3算例

基于DeST -人行为模块集成软件，本文给出了一个办公建筑算例：包含办公室、会议室、休息室、走廊等类型的12个房间，以及16位行政、研发、销售不同工作类型的使用人员；建筑无集巾新风系统，办公室、会议室房间具有独立分体空调、供暖、照明、窗户，并可独立控制（见图9）。

  计算工况如下：

  a)模拟时段：夏季，7月13日—7月14日。

  b)计算步长：10 min。

  c)开关模式、参数：

  （其中，开（关）模型分别是三参数S型单增（降）概率曲线，曲线参数u刻画阈值、参数Z刻画范围、参数k刻画斜度，其含义详见参考文献[10]）

  ①开窗户：

  闷（C02高）时开。开始浓度u=1 200.0×10“，范围Z=55. 32 x10“，斜度k=3.15。

  ②关窗户：

  冷时关。结止温度u= 18.0℃，范围L=10.0aC，斜度尼=4.0。

  离开时关。离开时段u= 120 min，斜度k=1. 73。

  ③开空调：

  热时开。开始温度u= 26.0℃，范围L=5.0℃，斜度k= 8.0。

  ④关空调：

  冷时关。结止温度u= 22.0℃，范围L=10.0℃，斜度k=4.0。

离开时关。离开时段u= 120 min，斜度k=1. 73 0计算结果见图10：

    结果分析：

    针对上述计算工况以及计算结果，图10给出以下结论：

7月15日，11：00，CO2浓度高（1 229×10-6）导致先开窗，由温度适宜未开空调，开窗导致室内CO：浓度下降；人员下班离开前时刻关窗。

    7月14日，11:30，C02浓度高(1 239×l0 -6)导致先开窗，导致室内C02浓度下降；15：00室内温度( 30. 43℃)高导致开空调，这时强制关窗，导致CO2浓度上升，室温下降；人下班离开前时刻关空调。

    该结果体现出：人行为模块是基于随机移动模型，动态模拟计算出人员每个时刻在某房间的位置，以及人员对设备（空调、窗户等）操控的概率与发生的动作；完全替代以前能耗模拟方法所采用的用固定作息来描述房间内人员位置、建筑设备的开关状态等方式，进而可以使得能耗模拟软件计算出更接近建筑实际用能方式的能耗值。

4  结论

    人行为是影响建筑能耗的重要因素，也是评估建筑节能技术措施的重要参考基准。不同的人行为导致不同的用能水平，需要不同的节能技术措施与之相适应。为此，必须定量刻画人的行为及定量分析其对建筑性能的影响，面对我国建筑节能工作的实际需要，这项工作具有极其的重要性和迫切性。

    通过对国内外人行为研究现状的整理归类和分析，本文提出了建筑人行为模拟的obXML扩展标识语言架构( obXML Schema)，较全面地定量描述了建筑人员用能行为关键元素及模型参数，开发了独立的“建筑人行为模拟模块”、以及obXML接口功能，探索了该模块与已有建筑能耗模拟工具集成仿真方法，为建筑人行为能耗模拟、软件开发研究提供了一套有效的国际标准数据交换语言及实现方法，推进了建筑人行为研究及能耗模拟的快速发展。

    本文初步建立了obXML架构，是对建筑人行为定量描述研究方法的一个新探索，随着人行为研究的深入、绿色建筑节能以及BIM技术的不断普及与发展，必将促进建筑节能模拟技术的进一步全面提升。本文仍然存在许多不足，后续仍有较多工作要做，主要包括：

    1)完善obXML架构工作（特别是移动、动作模型的数学描述方法）；

    2)完善建筑人行为模块功能及接口标准，探索与国内外知名建筑能耗模拟软件（如：PKPM、EnergyPlus、ESP-r，IES等）的联合仿真方法；

3)尽快推进与BIM标准的融合，推进建筑人行为模拟研究的国际标准化。

5[摘要]

建筑中的人行为是指人员在室内外行走移动以及对建筑设备进行操控的行为；人员移动与操控动作可以用随机模型来定量化描述，它们是影响建筑实际使用方式及能耗的主要因素之一。本文根据目前国内外建筑人行为定量描述及刻画模型的研究现状，提出了建筑人行为定量描述的扩展标识语言架构( obXML Schema)，给出了影响建筑能耗的人行为定量因素分析，以及obXML核心节点描述，较全面地刻画了建筑人员用能行为关键元素及模型参数；同时完成了建筑用能人行为模块的obXML接口开发，为建筑人行为能耗模拟、软件开发研究提供了一套有效的国际标准数据交换语言及实现方法。