基于BIM+Multi-Agent增強學習的智慧建筑及城市運維軟件設計

(清華大學互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)研究院超智能城市研究中心，清華大學經(jīng)濟管理學院，北京 100083)

1 數(shù)字經(jīng)濟背景下的智慧城市

近年來，中國數(shù)字經(jīng)濟跨越式發(fā)展，為國內(nèi)經(jīng)濟增長注入強勁動力，也為世界經(jīng)濟發(fā)展增添了亮色。黨的十九大明確提出了“數(shù)字中國”概念[1]。2017年12月8日，習近平總書記在主持中央政治局第二次集體學習時強調(diào)：“推動實施國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略，加快完善數(shù)字基礎設施，推進數(shù)據(jù)資源整合和開放共享，保障數(shù)據(jù)安全，加快建設數(shù)字中國，更好服務我國經(jīng)濟社會發(fā)展和人民生活改善。”在國家戰(zhàn)略的推動下，中國數(shù)字經(jīng)濟不斷創(chuàng)造新的可能，世界也因此認識一個全新的中國。

截止目前，數(shù)字經(jīng)濟在中國GDP結(jié)構(gòu)中所占的比重已超過30%。據(jù)中國互聯(lián)網(wǎng)絡信息中心(CNNIC)2018年發(fā)布的第41次《中國互聯(lián)網(wǎng)絡發(fā)展狀況統(tǒng)計報告》，截至2017年12月，中國網(wǎng)民規(guī)模達7.72億，其中手機網(wǎng)民規(guī)模達7.53億，占比97.5%。數(shù)字經(jīng)濟已成為中國經(jīng)濟社會發(fā)展的強勁持續(xù)驅(qū)動力。數(shù)字經(jīng)濟的高速發(fā)展正在對中國新型城鎮(zhèn)化、新型智慧城市各個細分領域產(chǎn)生著直接影響，也正在催生著各領域的新模式和新業(yè)態(tài)。為加快“數(shù)字中國”建設，中國政府開展了很多工作，包括積極實施“互聯(lián)網(wǎng)+”行動，推進實施“寬帶中國”戰(zhàn)略和國家大數(shù)據(jù)戰(zhàn)略等。此外，還將啟動一批戰(zhàn)略行動和重大工程，推進5G研發(fā)應用，實施IPv6規(guī)模部署行動計劃等。隨著后續(xù)政策的出臺和新技術的不斷應用，中國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展正在進入快車道。

智慧城市是促進我國新型城鎮(zhèn)化高質(zhì)量發(fā)展的有效途徑，也是落實國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃的重要載體。國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃(2014-2020)明確提出“推動新型城市建設”，重點為加快綠色城市建設、注重人文城市建設[2]。同時規(guī)劃以下重要內(nèi)容：促進各類城市協(xié)調(diào)發(fā)展——增強中心城市輻射帶動功能，加快發(fā)展中小城市，有重點地發(fā)展小城鎮(zhèn)；強化城市產(chǎn)業(yè)就業(yè)支撐——優(yōu)化城市產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，增強城市創(chuàng)新能力，營造良好就業(yè)創(chuàng)業(yè)環(huán)境；完善城市治理結(jié)構(gòu)——強化社區(qū)自治和服務功能，創(chuàng)新社會治安綜合治理，健全防災減災救災體制；完善城鄉(xiāng)發(fā)展一體化體制機制——推進城鄉(xiāng)統(tǒng)一要素市場建設，推進城鄉(xiāng)規(guī)劃、基礎設施和公共服務一體化。李克強總理在做2018年政府工作報告時提到，過去的5年中，我國的城鎮(zhèn)化率從52.6%提高到58.5%，8 000多萬農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)移人口成為城鎮(zhèn)居民。對于2018年的政府工作建議，李克強總理指出要“提高新型城鎮(zhèn)化質(zhì)量”。

2 基于BIM的智慧建筑及城市框架模型

美國斯坦福大學的CIFE于1996年提出了4D模型，將建筑構(gòu)件的3D模型與施工進度的各種工作相鏈接，動態(tài)地模擬這些構(gòu)件的變化過程。2003年CIFE又開發(fā)了基于IFC標準的4D產(chǎn)品模型PM4D，該系統(tǒng)可以快速生成建筑物的成本預算、施工進度、環(huán)境報告等信息，實現(xiàn)了產(chǎn)品模型的3D可視化以及施工過程模擬。以往國內(nèi)外對BIM的研究大多基于IFC標準展開，在體系架構(gòu)、數(shù)據(jù)標準、交互模型、應用軟件開發(fā)等方面積累了豐富成果。建筑信息模型屬于建筑學和信息學交叉領域中的一項命題，以往的研究工作絕大多數(shù)由建筑學領域的人來承擔，成果也多出自于建筑學相關領域。但從本質(zhì)上看，BIM的重點與核心在于信息技術，建筑是載體。BIM研究在中國的起步比較早，自1998年就已引進到中國。在后續(xù)的十幾年間，政府在BIM的研究開發(fā)方面給予了大力支持，投入了大量資金。我國在BIM 的基礎性研究、IFC推廣、BIM標準研制等方面已取得了一定進展。代表性的研究工作是：清華大學張建平教授于2002年帶領研究組開發(fā)出4D施工管理擴展模型4DSMM++,將建筑物及其施工現(xiàn)場3D 模型與施工進度相鏈接, 并與施工資源和場地布置信息集成一體。在“十五”期間, 中國建筑科學研究院和清華大學本研究組承擔的國家科技攻關計劃課題“基于國際標準IFC的建筑設計及施工管理系統(tǒng)研究”，對IFC標準的應用進行了研究和探索, 并基于IFC標準開發(fā)了建筑結(jié)構(gòu)設計系統(tǒng)和4D施工管理系統(tǒng)。

經(jīng)過多年發(fā)展，BIM已在建筑設計和施工階段獲得廣泛應用，在運行維護階段中的成功應用案例并不多見，而基于建筑工程全生命周期和城市數(shù)字經(jīng)濟的交易系統(tǒng)也尚未被開發(fā)出來。目前，由“BIM+智慧建筑”擴展到“BIM+智慧城市”的可行技術路線圖及商業(yè)模式路線圖依舊處于模糊狀態(tài)。實際上，在智慧城市的開發(fā)建設及運營維護階段，BIM技術的需求量已非常大，尤其是對于商業(yè)地產(chǎn)的運營維護，其創(chuàng)造的價值不言而喻。目前，加大我國BIM技術在智慧城市中的開發(fā)應用是一個重要契機。

本文在BIM基本方法理念基礎上，結(jié)合信息物理系統(tǒng)CPS的理論支撐，提出一種基于BIM的綠色智慧建筑參考框架模型，并由該模型出發(fā)進一步構(gòu)建智慧城市現(xiàn)代經(jīng)濟體系，如圖1所示。

圖1 基于BIM的智慧建筑參考框架模型(BIMSmartBilding)及智慧城市現(xiàn)代經(jīng)濟體系

圖2 基于綠色BIM的生態(tài)智慧城市參考框架模型

在圖1所示的BIMSmartBilding模型中，BIM維度涵蓋建筑工程全生命周期的主要階段事件：報建、規(guī)劃、設計、施工、運維、報廢、交易。智慧建筑維度涵蓋：基礎設施、感知控制、運營管理、領域應用、經(jīng)濟商業(yè)五個層次。

如果在圖1基本方法理念基礎上，增加“綠色”約束，則可以構(gòu)建出基于綠色BIM的生態(tài)智慧城市參考框架模型Green Smart City Model，如圖2所示。由“Green Smart City Model”出發(fā)進而可以構(gòu)建出綠色智慧城市現(xiàn)代經(jīng)濟體系，從而支撐生態(tài)智慧城市經(jīng)濟學模型的建立。

3 基于BIM+Multi-Agent的建筑及城市運維軟件設計

3.1 BIM運維軟件現(xiàn)狀

如果把BIM形象地比喻為智慧建造項目的DNA，根據(jù)美國國家BIM標準委員會的資料，一個建筑物生命周期75%的成本發(fā)生在運維階段(使用階段)，而建設階段(設計、施工)的成本只占項目生命周期成本的25%。

在建筑運營管理軟件方面，美國的ArchiBUS是最有市場影響力的軟件之一，現(xiàn)已基本成熟。目前ArchiBUS在中國主要應用于智慧校園，還不能和BIM模型相結(jié)合，是基于平面數(shù)據(jù)的運營管理模式，需要和BIM模型做接口。在建筑能耗監(jiān)測與分析軟件方面，主要有國外的EcoDesigner、IES、Green Building Studio以及國內(nèi)的PKPM等。總的來看，自主知識產(chǎn)權(quán)的國產(chǎn)BIM運維軟件目前仍是BIM技術領域的短板，其發(fā)展速度遠遠跟不上智慧建筑和智慧城市的需求，需要投入更多力量去關注和研發(fā)。

3.2 運維階段業(yè)務內(nèi)容剖析

運維階段在實時采集人流、車流、室內(nèi)外環(huán)境等動態(tài)數(shù)據(jù)信息的基礎數(shù)上，結(jié)合建筑所在地的氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境舒適度設定信息，提取運維BIM模型中相關信息，在可視化及參數(shù)化的環(huán)境中，提供多種條件下建筑風環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境、煙氣模擬和人流聚集模擬等分析模擬應用，為優(yōu)化建筑環(huán)境管理提供決策依據(jù)。

目前，運維階段的業(yè)務內(nèi)容主要包括：

(1)設備遠程監(jiān)測與控制。例如：通過RFID獲取電梯運行狀態(tài)并監(jiān)測其是否正常運行，通過遠程控制打開或關閉照明系統(tǒng)燈具等。

(2)設備空間定位。把原來編號或者文字表示變成三維圖形位置，賦予各系統(tǒng)各設備空間位置信息。例如：消防報警時在BIM模型上快速定位報警點所在位置，并查看周邊的疏散通道和重要設備。

(3)內(nèi)部空間及設施可視化管理。利用BIM將建立一個可視三維模型，所有數(shù)據(jù)和信息可以從模型里面調(diào)用。

(4)運營維護數(shù)據(jù)累積與分析。商業(yè)地產(chǎn)運營維護數(shù)據(jù)的積累，對于管理來說具有很大的價值。可以通過數(shù)據(jù)來分析目前存在的問題和隱患，預測未來的趨勢，也可以通過數(shù)據(jù)的人工智能分析來優(yōu)化管理。例如：通過累積數(shù)據(jù)分析不同時間段空余車位情況，進行車庫智能化管理。可表示為相對獨立的5個方面：建筑空間與設備運維管理、公共安全運維管理、建筑資產(chǎn)運維管理、建筑能耗監(jiān)測與分析、建筑環(huán)境監(jiān)測與分析。

3.3 建筑及城市運維BIM+Multi-Agent系統(tǒng)設計

3.3.1 Multi-Agent強化學習理論基礎

2017年，國務院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》[3]，業(yè)界對人工智能與智能建筑、智慧城市的融合發(fā)展做了一定探索[4-8]，但相較于中國的產(chǎn)業(yè)和市場規(guī)模，這種探索仍處于初期階段，遠遠不能滿足實際需求。

強化學習(Reinforcement Learning，也稱為增強學習)是機器學習的一個熱門研究方向。強化學習應用于智慧建筑中的一大問題是：強化學習模型需要成千上萬次的試錯來迭代訓練，但由于建筑工程的安全性、可靠性、復雜性等特殊特點，很難在現(xiàn)實場景中進行實際訓練，也無法在工程項目中承受如此多的試錯。目前強化學習在智慧建筑場景中應用的研究非常少，落地實踐仍是空白領域。一種可行的方法是：使用BIM虛擬建筑模擬器來進行智能體(Agent)的仿真訓練，但這種仿真場景和真實場景存在很大差別，訓練出來的模型一般不能很好地泛化到真實場景中，也不能滿足實際的建筑智慧化需求。因此提出一種新的實現(xiàn)方法：通過解釋網(wǎng)絡搭建虛擬到現(xiàn)實(Virtual to Real)的橋梁，將基于BIM技術構(gòu)建的虛擬建筑模擬器中生成的虛擬場景解釋成真實場景，來進行強化學習訓練，這樣可取得更好的泛化能力，并可以遷移學習應用到真實世界中的實際建筑物，滿足真實世界的建筑智慧化要求。

Multi-Agent即多自主體，基于Multi-Agent形成的系統(tǒng)稱為多自主體系統(tǒng)(Multi-Agent System，MAS)，也稱為自組織系統(tǒng)(Self-organized System)。多智能體系統(tǒng)是分布式人工智能(DAI，Distributed Artificial Intelligence)的一個重要分支[9-12]。Agent應該具有以下四個基本特征：自治性、反應性、能動性、社交性。Multi-Agent理論目前已廣泛應用于經(jīng)濟、工業(yè)、建筑、城市等領域，世界上許多數(shù)學家、經(jīng)濟學家、人工智能學家等都正在對該系統(tǒng)進行深入研究[13-14]。Multi-Agent理論為多自主體傳感器網(wǎng)絡、自組織動態(tài)智能網(wǎng)絡、無線傳感網(wǎng)、城市物聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展提供了理論支撐，能夠很好地描述和解釋現(xiàn)實世界中的智能化應用系統(tǒng)。

Agent與環(huán)境之間的交互流程及Agent強化學習框架如圖3所示。

MAS的關鍵問題是該系統(tǒng)中每個Agent功能的確定以及各Agent之間的協(xié)作、協(xié)商、交流。單個Agent的功能即該Agent的自主性，即該Agent個體所能完成的功能；Agent之間的協(xié)作即某個Agent將要完成的任務分配給其他Agent然后綜合各Agent的結(jié)果將最后的結(jié)果輸出給用戶的過程；協(xié)商即Agent之間解決沖突并最后達到一致的過程。多Agent技術打破了傳統(tǒng)人工智能領域僅僅使用一個專家系統(tǒng)的限制，在MAS環(huán)境下，各領域的不同專家可能協(xié)作求解某一個專家無法解決或無法很好解決的問題，提高了系統(tǒng)解決問題的能力。

圖3 Agent與環(huán)境的交互及Agent強化學習框架

目前，全世界通用的多智能體仿真軟件工具是Swarm，它是一種基于復雜適應系統(tǒng)(Complex Adaptive System，CAS)發(fā)展起來的支持“自下而上”或稱“基于過程”的建模工具集。復雜適應系統(tǒng)則是指經(jīng)濟、生態(tài)、免疫系統(tǒng)、胚胎、神經(jīng)系統(tǒng)及計算機網(wǎng)絡等系統(tǒng)的統(tǒng)稱，它是由遺傳算法(Genetic Algorithms, 簡稱GA)的創(chuàng)始人霍蘭(J. Holland)于1994年在SFI成立十周年時正式提出的，也迅速引起國內(nèi)外學術界的極大關注，并被嘗試用于觀察和研究各種不同領域的復雜系統(tǒng)，成為當代系統(tǒng)科學引人注目的一個熱點。借助Swarm的建模能力，智慧建筑和智慧城市可以方便地搭建仿真系統(tǒng)模型，模型要素之間的交互方式可以根據(jù)實際情況定制化設置。1992年曾經(jīng)有人預言：“基于Agent的計算將可能成為下一代軟件開發(fā)的重大突破。"隨著人工智能和計算機技術在建筑業(yè)及城市中的廣泛應用，多智能體系統(tǒng)理論和技術對城市規(guī)劃、設計、施工、運營以及貫穿其間的產(chǎn)品設計、加工制造乃至服務、交易等多領域多環(huán)節(jié)間的協(xié)調(diào)合作提供了一種有效的方法，也為并行設計、系統(tǒng)集成、城市區(qū)塊鏈構(gòu)建等提供了更可行的方法。例如，為解決智慧城市系統(tǒng)的建模與仿真問題，可以將智慧城市看作一個多智能體系統(tǒng)(Multi-agent System)，采用Multi-Agent作為理論支撐構(gòu)建智慧城市多智能體系統(tǒng)SCMS(Smart City Multi-agent System，SCMS)。

另一方面，由于智慧建筑與智慧城市系統(tǒng)無法在實際項目中承受過強化學習算法所要求的多次試錯，就需要借助仿真系統(tǒng)完成這種試錯過程。因此，本文提出采用BIM建模仿真建筑，并模擬真實世界操作事件的方法。在設計階段，BIM可以對設計上需要模擬的一些事件進行模擬實驗，例如，碰撞檢測、節(jié)能模擬、緊急疏散模擬、照度模擬等。在招投標和施工階段，可以進行4D模擬(3D模型維度加項目時間進度維度)，從而加強項目管控。進一步地，還可以進行5D模擬(再增加造價維度)，從而實現(xiàn)成本控制。在運營階段，可以進行故障模擬及處理、突發(fā)事件模擬及處理、能耗模擬計算及預測等。

3.3.2 運維BIM+Multi-Agent軟件系統(tǒng)架構(gòu)設計

本文基于IFC標準和中國BIM相關國家標準設計開放型運維階段BIM集成平臺。

中央服務器端的文件夾結(jié)構(gòu)設計如下：[Project Name]=Project Number(PHDP)+Phase Code，即工程名稱由工程編號加階段代碼構(gòu)成。設置Model文件夾，用于存儲所有工作模型。運維階段的主要工作模型包括：建筑空間與設備運維管理模型、公共安全運維管理模型、建筑資產(chǎn)運維管理模型、建筑能耗監(jiān)測與分析模型、建筑環(huán)境監(jiān)測與分析模型。每個模型又進一步細分為不同的子模型。

建筑空間與設備運維管理模型包括以下子模型：建筑物空間類型、火災報警系統(tǒng)、安全防范系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)等。公共安全運維管理模型包括以下子模型：結(jié)構(gòu)安全性態(tài)監(jiān)測、幕墻安全監(jiān)測、視頻監(jiān)控、門禁、防盜、消防、危險源檢測。建筑資產(chǎn)運維管理模型按照建筑物內(nèi)固定資產(chǎn)及設施設備的種類劃分并定義各種子模型。建筑能耗監(jiān)測與分析模型包括以下子模型：人流量、電能消耗、水消耗、燃氣消耗、設施設備損耗等。建筑環(huán)境監(jiān)測與分析模型包括以下子模型：人流、車流，風環(huán)境、聲環(huán)境、光環(huán)境、熱環(huán)境、煙氣、建筑所在地的氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境舒適度設定信息等。

本文運維軟件的實現(xiàn)思路是：在建筑運維專業(yè)軟件基礎上綜合BIM標準二次開發(fā)實現(xiàn)。在專業(yè)軟件平臺基礎上，采用OPC標準開發(fā)一個接口軟件，該接口軟件能夠從專業(yè)數(shù)據(jù)庫中獲取需要集成的數(shù)據(jù)信息，將這些數(shù)據(jù)信息進行P-BIM格式封裝后再提供給上游專業(yè)，封裝好的數(shù)據(jù)存儲在該環(huán)節(jié)創(chuàng)建的P-BIM數(shù)據(jù)庫中，供上游專業(yè)訪問和調(diào)用。

與相應階段協(xié)同工作系統(tǒng)信息的共享采用如下方法：在專業(yè)軟件平臺基礎上，采用OPC標準開發(fā)一個接口軟件，由于專業(yè)的開放性，該接口軟件能夠從專業(yè)軟件數(shù)據(jù)庫中獲取需要集成的數(shù)據(jù)信息，將這些數(shù)據(jù)信息進行P-BIM格式封裝后再提供給相應階段協(xié)同工作系統(tǒng)，封裝好的數(shù)據(jù)存儲在該環(huán)節(jié)創(chuàng)建的P-BIM數(shù)據(jù)庫中，供相應階段協(xié)同工作系統(tǒng)訪問和調(diào)用。P-BIM數(shù)據(jù)庫應該具備良好的通用性和開放性，且存儲能力強。

3.3.3 Multi-Agent智慧建筑集成系統(tǒng)軟件設計

采用工業(yè)通用OPC(OLE for Process Control)標準作為模塊集成接口，實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)的設備集成。而OPC實質(zhì)上是基于COM/ DCOM技術的。采用Web Services實現(xiàn)基于Internet廣域網(wǎng)的數(shù)據(jù)服務。同時考慮到系統(tǒng)和設備子系統(tǒng)在Internet上連接的需求，則采用Web Ser vices技術支持一些服務的公開調(diào)用，并實現(xiàn)Internet上的集成管理。最終實現(xiàn)分布式系統(tǒng)集成以及基于Internet的數(shù)據(jù)服務。基于OPC的多現(xiàn)場總線系統(tǒng)實質(zhì)上是利用OPC進行系統(tǒng)集成的綜合自動化系統(tǒng)，這種集成主要運用OPC技術來實現(xiàn)，其核心思想為：中央監(jiān)控站作為OPC客戶端，在它和現(xiàn)場子系統(tǒng)之間開發(fā)一個OPC服務器，保證這個OPC服務器與OPC客戶端使用的是同一套OPC標準類型，可直接互通。OPC服務器做成一個標準組件，包含可擴展的若干接口，以實現(xiàn)對不同設備驅(qū)動組件的調(diào)用。設備驅(qū)動組件依據(jù)不同的設備接口類型及協(xié)議封裝，實現(xiàn)OPC服務器組件規(guī)定的若干接口或某些關鍵接口成員函數(shù)，與OPC服務器組件形成DCOM架構(gòu)，共同運行在中央監(jiān)控平臺和現(xiàn)場子系統(tǒng)之間，作為通信的中介，稱為“接口層”。對中央監(jiān)控平臺來講，接口層屏蔽了控制層中各種現(xiàn)場總線協(xié)議的不統(tǒng)一性及各種網(wǎng)絡的異構(gòu)性，從宏觀上實現(xiàn)了 “即插即用”。接口層中的各組件可運行在不同的計算機上，具有位置透明性；設備接口組件的數(shù)量可根據(jù)具體系統(tǒng)的需求任意增減、自由拆裝。如圖4所示。

圖4 基于OPC的多現(xiàn)場總線集成系統(tǒng)模型

從以上系統(tǒng)原型模型中可看出，這是典型的分層系統(tǒng)，即接口層以上為管理層，以下為現(xiàn)場層。將圖4中每個組件分別映射為一個Agent，現(xiàn)場層的每個通信接口也分別映射為一個Agent，并根據(jù)功能形成相應的Agent類。該系統(tǒng)主要包含通信接口Agent類(所含Agent與現(xiàn)場層異構(gòu)網(wǎng)段一一對應)、設備驅(qū)動Agent類(所含Agent與現(xiàn)場層異構(gòu)網(wǎng)段一一對應)、OPC Server Agent類(含一個OPC Server Agent)、OPC Client Agent類(含一個OPC Client Agent)，它們都是自治的實體，組成一個分層的多Agent系統(tǒng)，需重點考慮的是分層協(xié)調(diào)與平等協(xié)調(diào)問題。

Agent的通信包括三個層面：一是管理層與接口層之間即OPC Server Agent與OPC Client Agent間的Agent通信問題；二是接口層內(nèi)部OPC Server Agent與設備驅(qū)動Agent間的通信問題；三是接口層設備驅(qū)動Agent與現(xiàn)場層通信接口Agent間的通信問題。

實現(xiàn)方法描述如下：

(1)OPC Server Agent與OPC Client Agent間

OPC Server Agent與OPC Client Agent都是COM組件，組件的訪問只能通過組件接口進行。即OPC Client Agent通過創(chuàng)建OPC Server Agent COM對象，訪問其接口成員函數(shù)，從而完成二者間的通信。

Agent可根據(jù)系統(tǒng)通信的需要,靈活地選擇通信方式,提高系統(tǒng)的整體性能。依據(jù)OPC標準，具體的數(shù)據(jù)訪問方式有以下幾種：同步/異步讀寫；數(shù)據(jù)更新；數(shù)據(jù)訂閱。以上功能的實現(xiàn)靠調(diào)用OPCGroup對象的IOPCSyncIO、IOPCAsyncIO2接口的相應函數(shù)。

(2) OPC Server Agent與設備驅(qū)動Agent間

各設備驅(qū)動Agent具有高度的自治性，在系統(tǒng)中是并行運行的關系；在對系統(tǒng)資源的占有方面是競爭關系，這主要靠OPC Server Agent來協(xié)調(diào)。MAS中Agent的運行狀態(tài)分為：激活狀態(tài)(Active)、等待狀態(tài)(Wait)、工作狀態(tài)(Run)。一個處在等待狀態(tài)的Agent，接收來自其它Agent的請求后被激活，然后進入工作狀態(tài)[7]。OPC Server Agent與設備驅(qū)動Agent間的通信和協(xié)調(diào)也遵循以上過程，通過不同的現(xiàn)場總線協(xié)議來約束和實現(xiàn)，如Modbus RTU、ISO1745、LonTalk、PROFIBUS、DeviceNet協(xié)議等。

程序?qū)崿F(xiàn)過程是：在OPC Server Agent中創(chuàng)建對應各設備驅(qū)動Agent的實例，然后分別通過調(diào)用接口函數(shù)訪問不同的設備驅(qū)動Agent的內(nèi)部數(shù)據(jù)。程序中通過CreateDevInstance()函數(shù)產(chǎn)生了設備驅(qū)動Agent的一個實例，然后轉(zhuǎn)入?yún)f(xié)議處理函數(shù)建立與設備驅(qū)動Agent的通信。處理一個Agent實例時考慮了內(nèi)存的分配與釋放，這實際上對應著Agent的生成與消亡。

可認為OPC Server Agent和各種設備驅(qū)動Agent構(gòu)成了一棵k叉樹(k>=2)，每個設備驅(qū)動Agent都是一個子任務。根據(jù)以往的研究結(jié)果，子任務間的關系有三種：

1)任務間的時序關系(< ) ,表明:在Agent A完成任務前不能開始Agent B的任務,形式化描述如下：

TA S K PA < TA S K PB|= PA

其中: TA S K PA和TA S K PB為Agent A和B啟動進程PA和PB來完成任務。

2)任務間的"與"關系(∨) ,表明: Agent A和Agent B并發(fā)地執(zhí)行子任務PA和PB,并在PA和PB都執(zhí)行完了以后才由Agent C開始它們共同的后繼任務PC。形式化描述為：

TA S K PA∨TA S K PB|= (PA‖PB ) < TA S K PC|= (PA‖PB ) < PC

3)任務間的"或"關系(∧) ,表明:具有“或”關系的Agent A和Agent B并發(fā)地執(zhí)行子任務PA和PB,無論哪個先完成都可以由Agent C開始它的后繼任務PC。形式化描述為：

TA S K PA ∧ TA S K PB|= ( PA < TA S K PC )‖( PB

令OPC Server Agent為任務PX，設備驅(qū)動Agent分別為PA、PB、PC、PD、PE……根據(jù)以上結(jié)論，可描述OPC Server Agent與設備驅(qū)動Agent間的關系如下：TASKMAS = (PA

(3)設備驅(qū)動Agent與通信接口Agent間

若從設備驅(qū)動Agent與通信接口Agent的主從關系來分析，所有現(xiàn)場總線協(xié)議可歸為兩類：第一類是設備驅(qū)動Agent為主，通信接口Agent為從，即只有設備驅(qū)動Agent發(fā)出請求時通信接口Agent才作應答；第二類是通信接口Agent為主，設備驅(qū)動Agent為從，即通信接口Agent主動發(fā)送現(xiàn)場數(shù)據(jù)設備驅(qū)動Agent不用發(fā)出任何請求。若令設備驅(qū)動Agent為任務Pi，通信接口Agent為任務Pj，則第一類情況可描述為：TASKMAS = TASKPi< TASKPj，第二類情況可描述為：TASKMAS = TASKPj < TASKPi。

某建筑物采用基于BIM的集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)信息集成的需求是：將建筑空間信息、消防、冷機、電梯、扶梯、配電、安防、空調(diào)等若干運維階段涉及的獨立子系統(tǒng)實現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)視、協(xié)同控制和管理。采用基于OPC的MAS系統(tǒng)框架作為理論指導開發(fā)了該系統(tǒng)的BIM監(jiān)控軟件，令OPC Client Agent為任務PY，OPC Server Agent為任務PX，MAS網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)如圖5所示：

圖5 基于BIM+Multi-Agent的運維軟件開發(fā)實例

MAS的任務執(zhí)行關系可描述為：TASKMAS= PY< ((PA

4 應用案例：智慧建筑能源管理系統(tǒng)

按照以上方法開發(fā)的智慧建筑能源管理系統(tǒng)軟件劃分為3個模塊：設備監(jiān)控模塊、能耗監(jiān)測與分析模塊、建筑空間管理模塊。運行效果如圖6所示。各模塊的設計方法描述如下。

(1)設備監(jiān)控模塊設計

設備信息。該管理系統(tǒng)集成了對設備的搜索、查閱、定位功能。通過點擊BIM模型中的設備，可以查閱所有設備信息，如供應商、使用期限、聯(lián)系電話、維護情況、所在位置等；該管理系統(tǒng)可以對設備生命周期進行管理，比如對壽命即將到期的設備及時預警和更換配件，防止事故發(fā)生；通過在管理界面中搜索設備名稱，或者描述字段，可以查詢所有相應設備在虛擬建筑中的準確定位；管理人員或者領導可以隨時利用四維BIM模型，進行建筑設備實時瀏覽。

設備運行和控制。所有設備是否正常運行在BIM模型上直觀顯示，例如綠色表示正常運行，紅色表示出現(xiàn)故障；對于每個設備，可以查詢其歷史運行數(shù)據(jù)；另外可以對設備進行控制，例如某一區(qū)域照明系統(tǒng)的打開、關閉等。

(2)能耗監(jiān)測與分析模塊設計

通過物聯(lián)網(wǎng)技術的應用，使得日常能源管理監(jiān)控變得更加方便。通過安裝具有傳感功能的電表、水表、煤氣表后，在管理系統(tǒng)中可以及時收集所有能源信息，并且通過開發(fā)的能源管理功能模塊，對能源消耗情況進行自動統(tǒng)計分析，比如各區(qū)域，各個租戶的每日用電量，每周用電量等；并對異常能源使用情況進行警告或者標識。

(3)建筑空間管理模塊設計

通過查詢定位可以輕易查詢到商戶空間，并且查詢到租戶或商戶信息，如客戶名稱、建筑面積、租約區(qū)間、租金、物業(yè)費用；系統(tǒng)可以提供收租提醒等客戶定制化功能。同時還可以根據(jù)租戶信息的變更，對數(shù)據(jù)進行實時調(diào)整和更新，形成一個快速共享的平臺。

5 總結(jié)與展望

本文結(jié)合作者多年領域?qū)嵺`經(jīng)驗和理論研究提出一套將BIM與人工智能核心理論分支Multi-Agent相結(jié)合的運維軟件設計方法，能夠指導智慧建筑及城市運維軟件的研發(fā)，同時也指明了由智慧建筑運維通向智慧城市運維的數(shù)字化和信息化路徑。

隨著互聯(lián)網(wǎng)，特別是移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，社會治理模式發(fā)生了三個轉(zhuǎn)變：從單向管理向雙向互動，從線下向線上線下融合，從單純政府監(jiān)管向更加注重社會協(xié)同治理。在整個邏輯層面，政府也在加大數(shù)據(jù)的運用能力和數(shù)字化生產(chǎn)能力。這三個轉(zhuǎn)變有可能是數(shù)字經(jīng)濟未來治理模式的重要方向。數(shù)字建筑是數(shù)字經(jīng)濟的重要組成部分，也是奠定智慧城市穩(wěn)定快速發(fā)展的重要基石，在BIM、人工智能理論和技術得到充分發(fā)展的今天，BIM與人工智能融合驅(qū)動智慧建造、智慧城市、數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展已成為歷史的必然，相信在不久的將來，一定可以探索出更多優(yōu)秀模式和方法，也必將涌現(xiàn)出更多成功案例。