基于主體建模的建筑用能行為模擬研究綜述

謝 慧，宋園園

(北京科技大學土木與資源工程學院，北京 100083)

建筑節能是社會節能減排的重要環節，中國的建筑能源消費總量占全國能源消費總量的20%[1]。建筑中人的用能行為對建筑物的性能有重要的影響。與用能行為相關的數據經常成為建筑模擬結果具有不確定性的主要來源。阮方等[2]通過對某一住宅建筑能耗進行研究，發現未考慮用能行為的能耗模擬結果與實際能耗的誤差可達37.9%。Brounen等[3]調研了某住宅建筑的用能情況，結果表明不同住戶的負荷曲線在時間上和空間上存在較大差異。

建筑能耗與人的生活方式、舒適度偏好以及與建筑系統的交互作用有關，固定作息法和簡單的隨機模型不能準確體現出用能行為所導致的能耗差距[4]，研究人員正尋求更先進的方法描述建筑中人的用能行為[5]，基于主體的建模的方法為與用能行為相關的建筑模擬提供了新思路。Azar等[6]從主體建模角度考慮了由于人與環境的交互而可能導致的用能行為的變化，提高了模擬結果的準確度。劉佳靜等[7]通過主體建模技術構建了人員移動行為和動作行為模型，量化了用戶行為對用電設備的影響。

現探討用能行為和基于主體建模的內容，歸納了主體建模應用于建筑模擬的研究現狀以及將用能行為模型與建筑模擬耦合的幾種方法，指出該領域的重點與難點，為建筑模擬和建筑運行管理研究拓寬思路。

1 用能行為的研究內容

用能行為研究可以為建筑設計和節能政策的制定指明方向，而目前的建筑設計和建筑運營往往缺乏對用能行為的認識，導致建模和分析過程的過度簡化[8]。建筑用能行為具有隨機性、復雜性并涉及多個學科領域[9-10]。建筑領域的用能行為研究的框架如圖1所示[11]，人的行為涉及建筑能耗及環境模擬和建筑設計方法。人的行為的影響因素可以分為與心理感知、行為偏好和經濟文化有關的內部因素，以及與氣象條件、室內環境和建筑類型有關的外部因素[12]。

圖1 建筑領域用能行為研究的框架[11]

隨著對建筑用能行為的深入研究，與用能行為有關的相關參數可以分為能耗、熱舒適、聲舒適、健康程度和空間規劃等。人的行為可以分為移動行為和動作行為[13]。人的移動行為具有規律性、隨機性和時間與空間上的自相關性[14]，相關模型有固定作息模型[15]和蒙特卡洛模型[16]。人員動作行為的基本類型和特點如表1所示，相關模型有固定作息模型[17]、閾值模型[18]、邏輯回歸模型[19]、基于主體建模(agent-based modeling，ABM)模型[20]等。

表1 人員動作行為的基本類型和因素

2 基于主體建模的介紹

基于主體建模技術采用“自底向上”的建模思路，可以將現實世界中的對象抽象為主體(agent)并賦予其固有的屬性和交互規則，進而描述整個系統動態變化[24]，基于主體建模的三大核心要素是主體、環境和規則。主體可具備多重屬性并能自主地處理環境中所發生的事件，環境是不同主體的交互空間，包括地理信息環境和網絡形式的社會環境；規則是主體與主體或環境之間的交互機制[25-26]。基于主體建模的方法已被廣泛應用于模擬交通[27]、行人運動[28]和人員疏散[29]等場景。

基于主體建?？梢允褂貌煌膹碗s系統建模軟件工具，如Swarm[30]、Repast[31]、Netlogo[32]和Anylogic[33]等，從開發語言、運行速度和調度機制等方面對相關建模軟件的對比如表2所示。

表2 復雜系統建模軟件對比

與其他建模技術相比，基于主體建模方法將微觀主體與宏觀數學有效地結合在一起，可以模擬非線性的、離散的主體之間的交互作用，不僅具有模塊化和靈活性[34-36]，還能體現出主體的自主性和異質性，有效解決了傳統數學模型難以刻畫的現實世界中的不確定性的難題，為能耗模擬和節能政策的制定提供新的思路。

3 基于主體建模的用能行為研究

基于主體建模的思想在建筑模擬領域適用于與環境參數和時間參數有關的驅動行為的研究[37]，以描述不確定的行為因素對建筑環境及能耗的影響[38]?；谥黧w建模的用能行為的模擬流程如圖2所示[35]，構建人員行為模型和成本函數可以刻畫人員感知、思考和行動相關的行為決策，進而完成主體之間的學習與交互過程，影響建筑環境和能耗變化，該變化的結果會反饋于人員的行為決策，仿真模型經過多次模擬及校準驗證后，可在一定程度上提高模型的準確度。

圖2 基于主體建模的用能行為的模擬流程[35]

近年來，關于基于主體建模的用能行為研究概述如表3所示。用能行為對建筑能耗及環境有著深刻影響，人的行為的屬性涉及多個學科，如生理學[39](對特定熱環境的偏好)和心理學[40-41](對特定行為的偏好)等；環境及能耗模擬多依賴于傳統的建筑模擬軟件；而主體與環境之間的交互往往使用主體行為模型和建筑模擬軟件的耦合來表述。

基于主體建模的用能行為研究根據建筑類型可分為辦公建筑和居住建筑，其規?？蓮膯我环块g擴充到群體建筑。借助不同學科理論知識和主體建模軟件可以模擬建筑內人員的自適應行為[39,42-43]、人員用能行為對建筑能耗及環境的影響[7,44-47]以及節能策略對人員行為和意識的變化[35,44,48]。

除少數案例外[47,49-50]，ABM模型一般不會直接用以表示環境變化，EnergyPlus和DesignBuilder是ABM模型應用最廣泛的建筑模擬軟件，用能行為數據的獲取主要是通過建筑中的人員調研和訪談的方式，借助直覺控制理論、DNA理論等對人的感知和行為進行表征，以文本文件形式輸入至建筑模擬軟件中[48]。

4 用能行為模型與建筑模擬的耦合

主體建模軟件和建筑模擬軟件的算法和界面不盡相同，用能行為模型與建筑模擬的方法主要有以下4類。

第一類方法是在建筑模擬軟件中直接定義人員行為時間表或人員行為模型。例如美國采暖、制冷與空調工程師學會(ASHRAE)為不同類型的建筑提供了時間表用于建筑設計和模擬。部分建筑模擬軟件內置了確定性或隨機模型[55-56]，如DeST軟件中內置的人行為模塊[57]，軟件中內置的模型包括人員的移動模型、設備控制模型。

第二類方法是將某一模型所得出的結果輸入到另一模型中實現兩種模型的耦合仿真。孫禹等[58]將建筑房間信息、設備運行信息以及人員行為規則信息輸入到主體建模軟件中建立多主體模型來預測人員行為對建筑能耗的影響。Handi[39]等通過EnergyPlus和NetLogo軟件模擬不同熱和照明偏好的居住者對室內環境的自適應行為。陳淑琴[34]等將居民劃分為三種類型并定義各類人員的在室規律和行為規則建立多主體模型來模擬居住建筑的空調隨機用能行為。孫紅三等[59]利用基于Web的應用程序，為每個主體或空間生成CSV和IDF文件形式的時間表用于建筑環境模擬。該程序使用馬爾可夫鏈模型來模擬建筑物內的人員的存在和移動，生成可用于建筑環境和能耗模擬的時間表捕獲人員行為的復雜性和多樣性，計算其對建筑性能的影響。

第三類方法是通過編程的方式將用能行為模型連接到建筑模擬軟件的外部模擬器進行耦合仿真。Gunay等[60]開發了一個OpenStudio庫將人行為模型應用到了EnergyPlus中，為人行為在建筑領域的模擬提供了更大的靈活性。Menassa等將DOE-2與Anylogic耦合在一起，模擬辦公建筑中的人員用能行為的反饋機制對節能行為的影響。Lee等[35]和Langevin等[61]借助BCVTB構架和MLE+將MATLAB編程的ABM模型與建筑模擬仿真軟件EnergyPlus耦合模擬辦公人員熱舒適和自適應行為。用能行為模型與能耗模擬軟件耦合流程如圖3所示[35]。EnergyPlus可以運行用戶編寫的自定義代碼并覆蓋軟件的計算，MATLAB與EnergyPlus信息通過執行給定的BCVTB文件進行交換，交換的流程為EnergyPlus模擬建筑熱環境并將其作為信息傳遞到MATLAB中的ABM模型中，以此預測各主體的用能行為，并將結果進行匯總傳遞回EnergyPlus中，此過程重復進行，直到模擬時間結束。

圖3 用能行為模型與能耗模擬軟件耦合流程[35]

第四類方法是利用可拓展語言在模塊化組件上實現用能行為與建筑模擬的協同仿真[62]。obXML和obFMU是根據IEA EBC Annex 66開發的人員行為建模工具[63]。obXML作為一種建立在DNAS主體之上的XML形式的人員行為研究可拓展的標記語言，可以完成用能行為模型在不同建筑模擬軟件和不同應用程序之間的信息交換。obFUM是一個以FUM形式表示的模塊化組件。用能行為與建筑能耗的模擬的流程主要是通過obFMU讀取以obXML形式表示的人員行為模塊與建筑模擬軟件實現協同仿真。目前該方法可以與EnergyPlus和ESP-r[64]一起使用實現建筑人員用能行為的建筑能耗模擬，obFUM與EnergyPlus集成的流程如圖4所示[65]。

5 存在的問題與展望

5.1 存在的問題

(1)過度簡化主體行為影響?，F有建筑模擬軟件更重視氣象參數、圍護結構等物理參數的設定，降低建筑能耗的主要途徑是改善建筑圍護結構的性能或提高建筑內用能設備的效率，用能行為對建筑環境及能耗的影響卻被過度簡化或忽略[4]。建筑環境促使室內人員調整自身的用能行為的同時，室內人員的行為也會對室內環境產生影響。人為了尋求舒適的室內環境會動態改變自身用能行為，例如門窗、照明燈具的開啟狀態、衣物的調整行為以及向建筑管理者報告有關不適等[6]。用能行為的研究方法多是構建概率模型或者時間序列模型，忽略了人員行為與環境、心理、社會等因素，導致了建筑設計和運營階段在能源消耗和舒適設置方面的預測差距[66]。

(2)缺乏主體行為的量化性數據。基于主體建模的用能行為模擬需要基于經驗數據進行參數化校準和敏感性分析，但在模型構建過程中經常缺乏關于主體及環境的詳細信息，因此需要收集涵蓋主體(人口、文化、時間、年齡、性別)和環境(建筑類型、氣象條件)相關的人口統計數據、氣象統計數據和建筑能源消耗的大數據并建立一系列的假設。找到具有代表性的樣本并加以推廣對于行為研究至關重要，但由于隱私和數據保護問題，數據采集工作仍是一項具有挑戰性的任務[67]。

室內環境數據和人員行為數據作為用能行為模型的關鍵性輸入參數，通過問卷調研或安裝傳感器的方式采集往往會出現“霍桑效應”[68]，被測試人員在意識到自己被觀察后會改變或改善自己的行為特征，導致測量行為與實際行為產生偏差，影響用能行為模型的準確性。

(3)缺乏行為模型和建筑模擬的集成性研究。不同建模工具需要同時運行不同程序編碼語言和協議，但用能行為和建筑能耗模擬的統一的描述標準和通用數據接口的研究較少，導致主體建模的軟件和建筑模擬軟件的集成性成為該領域的一大重點與難點。另外，目前將用能行為模型應用到建筑設計中去的實際案例較少，設計師和建筑管理人員缺少建筑內人員的用能行為特征信息，難以利用行為模型對新建建筑進行設計[61]。

5.2 未來的研究方向

(1)更多跨學科性質的用能行為研究。由于用能行為研究跨多學科領域，目前仍缺乏統一的語言和方法對研究結果進行度量與比較。除建筑類型和人口統計的相關變量外，還需全面考慮與人員行為相關的心理及社會因素。ABM模型對于主體及環境的屬性和交互規則具有很強的依賴性，人的行為往往離不開社會網絡的擴散，尤其是對于商業建筑而言，現有研究仍缺少群體行為的關注，例如了解在復雜的室內環境中個人和群體的動機、滿意度或生產力之間的關系與影響。由于收集經驗社會網絡數據的成本較高，有必要對人的行為進行縱向研究，并結合社會學科和經濟學科利用計劃行為理論、效用函數等對模型進行參數化描述，以更好地了解不同類型的人的決策行為。

(2)更深入的用能行為表述方法。結合多學科研發專門的仿真建模技術、仿真工具和案例研究并集成到建筑環境與能耗模擬軟件中，用以捕捉用能行為的復雜性和多樣性并計算其對建筑性能的影響?？梢跃C合人類感知、習慣和行為的數據驅動知識，利用統計分析程序、數據挖掘和機器學習技術處理數據，從大數據流中自動提取有效、新穎、潛在有用的行為描述，進而賦予主體更高的學習能力。

(3)更靈活的行為模型與建筑模擬的集成方法。隨著不同建筑模擬軟件的普及和建筑的幾何性的復雜程度不斷提升，有必要在主體建模軟件與建筑模擬軟件集成開發的過程中定義良好的軟件接口和結構來建立統一的描述框架，提高模擬的靈活性和準確度，避免聯合仿真過程中出現的代碼沖突。在進一步的研究中，可以探索能耗模型與用能行為模型之間的實時數據傳輸，通過對多個軟件平臺數據進行實時的輸入與導出，動態呈現出用戶行為不同所導致的能耗變化并用于成本分析和建筑節能優化設計。