智能建筑办公能源消耗研究

1引言

工业耗能、建筑耗能和交通耗能已经成为能源消耗的三大主要来源。在现代主要工业化国家，办公室作为建筑物的基本单元，主要集中分布在大中城市。随着气候变化成为全球的主要议题，节能成为现代建筑必不可少的要素。随着计算机技术和网络化技术的发展,以及人们对生活、工作环境舒适度要求的不断提升,集成了信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统的智能建筑应运而生。

虽然智能建筑技术的发展为人们提供了安全、舒适、方便、节能的学习和工作环境并且能够完成一些人们需要的复杂任务,但是它仍然存在很多的问题：首先是智能楼宇自控系统中各子系统之间相互独立，集成度并不是很高，缺乏系统之间的协作与联动；其次是智能楼宇系统对终端采集的信息处理能力较低,建筑设备管理系统只是简单的将建筑内的各个子系统进行了集成并没有达到理想的能源优化效果；最后就是智能建筑技术并没有考虑人员因素对建筑设备节能的影响。针对目前智能建筑技术在实际应用中的不足,本文在基于多Agent技术的开发平台上，通过对多智能Agent之间的交互和相互协作研究办公环境的电力消耗研究。

2Agent技术及在智能建筑上应用

2.1agent仿真

智能体（Agent）是分布式人工智能（DAI）领域的一个基本术语，它是由美国学者明斯基于20世纪80年代提出的。[1]智能体（Agent）是一个物理或抽象的、能在一定环境下运行的实体。它能作用于自身和环境，并对环境做出反应。智能体具有知识、目标和能力：知识主要包括领域知识、通讯知识、控制知识等；目标可以根据变化情况分为静态目标和动态目标，目标可以通过算法编入或显示给定，或通过通讯获得；能力是指智能体具有推理、决策、规划和控制等的能力。其能力的获得可以显示给定、学习或通过通讯获得。智能体具有如下特性：自治性、社会性和反应性。

多智能体仿真的基本思想是：用程序展示行为，而这些行为则完全通过其内部机制来描述。通过把一个个体链接到一个程序上，就有可能模拟一个充满相互作用着的过程的人工世界。因此就有可能用人工对应物来置换真实系统里的成员总体。总体里的每个成员都由一个Agent来代表。多智能体仿真具有优于传统数值模拟技术的地方。传统的数值模拟基于数学或随机模型，通常是静态数学模型。多智能体仿真提供了形象的可视化显示，使用户（模拟设计者）能够在模拟过程中直观的评估Agent的行为，因此多智能体系统具有在空间上是分布式的、并行的，且系统的容错能力较强等特点。

2.2Agent技术用于智能建筑

目前将多智能Agent系统应用于智能建筑领域的研究主要集中在两方面:一是通过对多智能Agent进行不同层次的分类，提出智能建筑环境中各种参数的优化控制策略；二是研究多智能Agent之间的交互和协作机制为人们解决复杂问题提供一种新的途径。最早将多智能Agent系统应用于智能建筑中的是MIT人工智能实验室Brooks教授[3]，他在1997年提出了采用多智能Agent系统的控制体系结构。Brooks教授在实验中通过摄像头和语音-识别技术对人员活动进行跟踪和判别，为智能建筑中的人员提供所需要的信息。后来为了实现建筑物节能，Davidsson和Boman提出了用于建筑环境控制的多智能Agent系统。

Davidsson和Boman将多智能Agent或分为了四类，分别是人员Agent、标记Agent、房间Agent和环境Agent。其中标记Agent是人员身份识别卡片，人员Agent通过和标一记Agent之间的交互可以获知人员信息。房间Agent主要是对房间内的环境参数进行检测并对房间的控制模式进行设定最后由环境Agent来执行这些控制策略。英国艾塞克斯大学的VictorCallaghan等进一步提出了面向智能建筑的Agent体系结构，在该系统中用到分布式人工智能技术和模糊理论，利用嵌入式技术对Agent进行设计。

在国内，Agent技术的研究大多停留在理论和方案验证阶段，尤其是在建筑领域的研究和应用吏是不多见。福州大学王圣杰对多智能Agent初能建筑模型进行了研究，他们以智能建筑中的安保系统和照明系统为主要研究对象，在JALite开发平台}对一多Agent之间的任务分配和交互进行了描述。[8]重庆大学蒋鹏以JADE作为开发发平台，建立了一个建筑智能化系统集成的多智能Agent模型[9]，综上所述，可以看出多智能Agent在智能建筑中的应用目前仍停留在规划阶段。

3系统建模

3.1智能建筑能源消耗概述

智能建筑能源消耗主要包括四个主要要素：所在管理部门能源管理规定及相关政策；安装在楼宇的能源管理设施（例如能源计量、监控和自动化开关机设施技术）；各种电气设备（如照明电器、电脑、热水器等）；用户的用电行为。智能建筑能源消耗四要素，即能源管理政策/法规、能源管理技术、电气设备和用户行为。建筑内所有电气设备运行必须符合能源管理规定，能源管理设备计量控制电气设备运行，办公楼内电力消耗主要由不同类型电气设备组成，而这又由用户行为控制。

用户之间交互及相互影响也会影响使用电气设备的行为。Firth等人在研究中根据使用模式将家用电器分成四种类型：连续型家电：包括时钟、报警设备、上网modem等需要持续供电的设备；可待机设备：电视、游戏机等，这类设备具有三种工作模式：运行、关机和待机。制冷设备：空调、冰箱等需要制冷的设备，这类设备会持续耗电但耗电量并不是平稳的，而是变化的。

3.2实际电力消耗模型

基于以上模型，我们开发了一个基于Agent的智能建筑电力消耗模型。具体仿真对象为英国诺丁汉大学Jubilee校区计算机学院。Jubilee校区建立于1999年，是一个典型的可再生绿色智能建筑群。该建筑具有以下特征：屋顶由植物覆盖用于保温，具有超高效通风系统，照明传感器用于照明自动控制，屋顶中庭集成光伏电池提供太阳能电力。

基于房屋的照明自动控制，目前照明管理采用自动控制策略。当人员进入房间，照明开关自动打开，当人员离开房间20分钟以后照明自动关闭。EstateOffice具体负责学校所有建筑电力管理的规定。目前涉及两个问题：一是自动控制是否一定比手动控制更省电，二是照明、计算机用电占总用电的比例是多少。基于此，我们建立以下模型。

3.3基于agent的智能建筑电力消耗模型

在案例研究中，我们选择了计算机学院一楼。此楼主要为学院老师、研究生，主要电气设备和电器包括：房间47间，灯239个，计算机180台，打印机24台，信息指示标牌2个，用户最大数量213位。每一个员工agent具有四个行为状态：离校（OutOfSchool）、在走廊（InCorridor）、在办公室（InOwnOffice）、在其他房间（InOtherRoom）（图1）。在OutOfSchool状态，该agent不工作，所以不会触发任何电力消耗。在InCorridor状态，会触发走廊的灯打开。在InOwnOffice状态下，员工agent在自己的办公室会触发办公室的灯光，其行为在使用办公室电脑上使计算机三种模式：开机、待机和关机。

在outOfSchool和InCorridor状态进行转换取决于工作时间表。基于我们的实证调查人员分为三类不同的人员（表3）。在从InCorridor状态向InOwnOffice状态转换时设置了转换时间=2，表示员工需要两分钟从走廊走到办公室。在InOwnOffice状态员工agent的存在会触发所在办公室的灯开关。员工agent可以在没有电脑状态下工作或者在有电脑状态下工作。对每个员工agent均设置节能意识参数energySavingAwareness，值从0到100，以表示其对节约能源的意识。如果员工agent的energySavingAwareness的值大于一个阈值，它有更大的概率不使用计算机。基于我们的问卷调查，对员工的节能意识，我们创建四种不同的类型员工（表2）。3.2.2照明agent行为照明agent（图1）行为只有两个状态：开（On）和关（Off），状态转换取决于员工agent的行为。3.2.3电脑agent行为电脑agent（图1）有三个状态：开（On）、关（Off）和待机（Standby），行为与照明agent行为类似，状态转换取决于员工agent。电脑处于待机状态时能耗为25w，处于开机状态能耗为400w。

4模型仿真

在模型中，我们进行了三组实验。为测试该模型的有效性，我们将使用这些实验以EstateOffice得到用电管理策略帮助以深入了解学校里的电力消耗。

4.1实验1：模拟目前学校的电力管理策略

目前，计算机学院办公楼配备有光传感器的自动照明系统，当传感器检测到工作人员离开房间20分钟，照明系统将关掉灯光，以节省电源。基于这样的光传感器技术，学校EstateOffice已在计算机学院办公楼采用了自动化电力管理策略。从这种意义上说，工作人员不能控制照明开关的控制，所有照明开关由电脑控制。在我们第一组实验中重点就在模拟现有电力管理策略。当模型设定的“自动化”情况下，运行并绘制电力消耗图（图2）。图中上面部分为实际电力消耗，下面部分为模型中的电力消耗。从中我们可以看到，模型仿真结果与实际电力消耗非常相似。因此我们可以证明该仿真模型能模拟现实电力管理策略。

4.2实验2：自动化策略与人员控制战略

在办公大楼自动和手动照明管理各有优势。一些研究表明，在手动开关照明管理中，当打开开关后即使有足够的日光用户也很少关闭照明。在学校根据调查，这方面也存在争论，estateoffice认为采用自动控制方式，当最后一个人离开房间20分钟后关灯比较节能。但根据我们的书面调查，大家认为如果能手动控制肯定能更节能，因为无需等待20分钟。基于此辩论，在本实验中设定两组数据：一组采用自动控制方式，当最后一个人离开房间20分钟后关灯；另一组采用手动控制方式，人员是否选择立即关灯取决于该agent的节能意识EnergyAwareness。EnergyAwareness越高的人越倾向于立即关灯。仿真结果见图3，从图中我们可以看出，即使在能源消耗的高峰时期，手动控制开关方式能源消耗总比自动控制方式要高。

4.3灯光及计算机所消耗能源比重

尽管在学院安装有电表，但是电表不能测出各种物品所消耗能源比重，我们通过此仿真模型可以很清楚的反应各部分所消耗能源比重（见图4），所以通过此仿真可以为学校相关部门提供相应的技术支持。

5结论

本文通过建立基于agent的办公大楼电力消耗模型。在研究中首先定义了办公大楼能源消耗的四个基本要素，然后描述了基于agent仿真的方法和基本理论。在此基础上我们以英国诺丁汉大学Jubilee校区计算机学院为仿真目标，建立大楼电力消耗仿真模型，在此模型基础上主要研究两个方面问题：首先将四大要素整合到办公建筑能源消耗仿真模型中。其次我们建立多agent模型框架以便研究实际的能源发展。虽然还不能完美复制真实情况，但基于agent的模型仿真作为一种新的方法参与办公建筑能源消耗，是一个非常有用的工具。

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