CC BY
41
УДК 65.011.56
А.А. Волков, П.Д. Челышков, А.В. Седов
ФГБОУ ВПО «МГСУ»
ПРАКТИКА ЧИСЛЕННОЙ ОЦЕНКИ ИНТЕЛЛЕКТА ЗДАНИЙ1
Рассмотрен метод численной оценки интеллекта и автоматизации зданий, основанный
на использовании объективных числовых характеристик инженерных систем и позволяющий
избегать субъективности экспертных оценок.
Ключевые слова: автоматизация, интеллект зданий, инженерные системы, численная
оценка.
В [1] изложен оригинальный общий подход к формальному определению понятия «интеллекта» зданий в терминах абстрактной кибернетики [2—4], теории множеств, системного и функционального анализа (теории меры, теории функций) и математической логики [1]. Настоящая статья посвящена практической демонстрации формального определения «интеллекта» здания с числовым примером.
Напомним, что при формальном определении «интеллекта» здания рассматриваются следующие множества:
X — множество всех параметров здания;
XI — подмножество наблюдаемых параметров здания, X1 с X;
P — множество всех процессов изменения значений параметров здания;
P — подмножество процессов изменения значений наблюдаемых параметров здания, р с P;
P2 — подмножество управляемых процессов изменения значений наблюдаемых параметров здания, P2 с р;
R — множество всех процессов управления изменением значений наблюдаемых параметров здания (процессов управления параметрами здания);
S — собственное пространство состояний множества X всех параметров здания;
S1 — собственное подпространство состояний подмножества X1 наблюдаемых параметров здания, S1 с S;
F — целевая функция управления зданием — адаптация собственному пространству состояний X1 (гомеостат зданий [5]);
R1 — подмножество процессов управления изменением значений наблюдаемых параметров здания (процессов управления параметрами здания), функционально F адаптивных собственному пространству состояний X1, R1 с R.
Пусть к множеству X (множеству всех параметров здания) отнесем такие величины, как температура внутреннего воздуха, расход приточного воздуха, деформация элементов конструкций и др. Всего 63 параметра.
Из названных величин множества X выделим величины, относящиеся к подмножеству X1, подмножеству наблюдаемых параметров здания, т.е. величины, подлежащие измерению некоторым способом. Всего 45 параметров.
Процессы изменения значений параметров здания имеют три источника: внешнюю среду, действие человека и действие инженерных систем здания.
К таким процессам, т.е. к процессам, входящим в множество P, относятся: изменение энтальпии внутреннего воздуха под влиянием системы рекуперации энергии удаляемого воздуха, изменение влагосодержания внутреннего воздуха под влиянием системы рекуперации энергии удаляемого воздуха и другие. Всего 108 возможных процессов.
1 Исследование поддержано грантом Президента Российской Федерации МД-2968.2011.8.
Из множества Р выделяется подмножество Р1 — подмножество процессов изменения наблюдаемых параметров зданий.
Из подмножества Р1 выделяется подмножество Р2 — подмножество управляемых процессов изменения наблюдаемых параметров здания. Конкретный состав подмножества Р2 для каждого здания зависит от применяемых в инженерных системах данного здания технологий автоматизации. Среди них могут быть: изменение температуры строительных конструкций под влиянием системы естественной вытяжной вентиляции, изменение температуры внутреннего воздуха под влиянием системы естественной вытяжной вентиляции и др.
Все процессы управления изменениями значений наблюдаемых параметров здания составляют множество Я. В это множество для каждого здания могут входить различные процессы, в зависимости от применяемых инженерных систем: управление температурой строительных конструкций через систему радиаторного отопления, управление температурой внутреннего воздуха через систему воздушного отопления и др.
Часть или все процессы, входящие в множество Я, могут войти в подмножество Я1 — подмножество процессов управления изменением значений наблюдаемых параметров здания (процессов управления параметрами здания), функционально Е адаптивных собственному пространству состояний Х1. Е — целевая функция управления зданием — адаптация к собственному пространству состояний Х1 (гомеостат зданий). Условие вхождения процесса управления в подмножество Я1 — собственно функциональная адаптивность собственному пространству состояний Х1.
Абстрактный коэффициент интеллекта зданий определяется по следующей формуле [1]:
БЩ = , (1)
Q(Я)' ' '
где Q — функция от рассматриваемых множеств (мера множества).
Абстрактный коэффициент автоматизации зданий определяется по следующей формуле [2]:
Б^ = . (2)
Q (Р )
Расчет коэффициента интеллекта зданий и коэффициента автоматизации зданий осуществляется на основе количественного выражения значимости процесса изменения значений параметров здания по любой условной шкале — сг [1]. При введении этой величины меры множеств вычисляются, как показано в формулах (3)—(6).
Q (Я )=! ^; (3)
Q(Яl) = SrEя1 (4)
Q(Pl) = Ъrpcr■; (5)
Q(p2) = SrEP2 с,. (6)
При расчете мер множеств предлагается разделять все рассматриваемые процессы (процессы множеств Р и Я) на три группы: тепловые, массообменные и механические. К тепловым процессам относятся процессы теплообмена — нагрева и охлаждения воздуха, конструкций и предметов, к массообменным — процессы изменения влажности и материального состава воздуха (например, запыленности), к механическим процессам относятся процессы смещения и деформации конструкций. При оценке процессов управления (процессов множества Я) следует рассматривать природу управляемой системы.
Количественное выражение значимости процесса изменения значений параметров здания для процессов теплообмена вычисляется по формуле
с = ,
13
1=1
где -Ег- — энергетическая емкость данного процесса за принятый период времени, тон-
п
ны условного топлива (т у. т.); I Е, — суммарная энергетическая емкость всех тепло-
1=1
вых процессов в рассматриваемом здании, т у. т.
Для тепловой энергии 1 Гкал = 0,1486 т у.т., для электроэнергии 1000 кВтч = 0,3445 т у.т.
Количественное выражение значимости процесса изменения значений параметров здания для массообменных процессов вычисляется по формуле М1
с, =-!—,
1=1
где М\ — материальная емкость данного процесса за принятый период времени,
п
тыс. кг; IМ1 — суммарная материальная емкость всех массообменных процессов
I=1
в рассматриваемом здании за принятый период времени, тыс. кг.
Количественное выражение значимости процесса изменения значений параметров здания для механических процессов вычисляется по формуле
А
IА
1=1
где А — метрическая емкость данного процесса за принятый период времени, м;
п
IА — суммарная метрическая емкость всех механических процессов в рассматриваемом здании за принятый период времени, м.
Таким образом, количественное выражение значимости каждого процесса сг представляет собой относительный безразмерный весовой коэффициент, характеризующий долю данного процесса в общем балансе тепловых, материальных и механических процессов здания.
Приведем числовой пример вычисления абстрактного коэффициента интеллекта здания и абстрактного коэффициента автоматизации здания. Рассматриваем девятиэтажное офисное здание общей площадью 2500 м2, расположенное в г. Москва и содержащее следующие инженерные системы: систему водоснабжения и водоотведения, систему электроснабжения, систему радиаторного отопления (без индивидуального регулирования температуры по помещениям), систему естественной вытяжной вентиляции, систему кондиционирования воздуха, систему управления освещением по датчикам движения и присутствия.
Для определения абстрактного коэффициента интеллекта здания следует рассмотреть процессы, относящиеся к множеству Я (множеству процессов управления параметрами здания), определить для них энергетическую, материальную или метрическую емкость и выражение значимости процесса изменения значений параметров здания. В табл. 1 сведены результаты вычислений.
Табл. 1. Результаты вычислений
№ Наименование процесса Емкость процесса Cr
1 Управление температурой строительных конструкций через систему радиаторного отопления Е = 21 т у.т. 0,102
2 Управление температурой строительных конструкций через систему естественной вытяжной вентиляции Е = 15 т у.т. 0,073
3 Управление температурой предметов в здании через систему радиаторного отопления Е = 25 т у.т. 0,121
4 Управление температурой предметов в здании через систему естественной вытяжной вентиляции Е = 14 т у.т. 0,068
5 Управление температурой внутреннего воздуха через систему радиаторного отопления Е = 30 т у.т. 0,145
6 Управление температурой внутреннего воздуха через систему естественной вытяжной вентиляции Е = 23 т у.т. 0,111
7 Управление относительной влажностью внутреннего воздуха через систему радиаторного отопления М = 55,169 -103 кг 0,313
8 Управление относительной влажностью внутреннего воздуха через систему естественной вытяжной вентиляции М = 121,169 • 103 кг 0,687
9 Управление температурой внутреннего воздуха через систему кондиционирования воздуха (охлаждение в летний период) Е = 70 т у.т. 0,339
10 Управление относительной влажностью внутреннего воздуха через систему кондиционирования воздуха (охлаждение в летний период) Е = 3 т у.т. 0,015
11 Управление освещенностью через систему управления освещением Е = 5,5 т у.т. 0,027
К подмножеству Я1 относятся следующие процессы рассматриваемого объекта: управление температурой внутреннего воздуха через систему кондиционирования воздуха (охлаждение в летний период);
управление относительной влажностью внутреннего воздуха через систему кондиционирования воздуха (охлаждение в летний период);
управление освещенностью через систему управления освещением. Другие процессы управления не входят в подмножество Лр поскольку вследствие отсутствия обратной связи в цепи управления названными процессами они не являются функционально адаптивными собственному пространству состояний X.
На основании данных табл. 1 производится расчет абстрактного коэффициента интеллекта здания:
BIQ-.
Q (R ) = SC Q (R ) = S Cr
0,339 + 0,015 + 0,027
- = 0,19.
0,102 + 0,073 + 0,121 + 0,068 + 0,145 + 0,111 + 0,313 + 0,687 + 0,339 + 0,015 + 0,027 Для определения абстрактного коэффициента автоматизации здания следует рассмотреть процессы, относящиеся к множеству Р определить для них энергетическую, материальную или метрическую емкость и выражение значимости процесса изменения значений параметров здания. В табл. 2 сведены результаты вычислений.
ВЕСТНИК
Табл. 2. Результаты вычислений для процессов, относящихся к множеству Р1
№ Наименование процесса Емкость процесса
1 Изменение температуры строительных конструкций через систему радиаторного отопления Е = 21 т у.т. 0,078
2 Изменение температуры строительных конструкций через систему естественной вытяжной вентиляции Е = 15 т у.т. 0,056
3 Изменение температуры предметов в здании через систему радиаторного отопления Е = 25 т у.т. 0,093
4 Изменение температуры предметов в здании через систему естественной вытяжной вентиляции Е = 14 т у.т. 0,052
5 Изменение температуры внутреннего воздуха через систему радиаторного отопления Е = 30 т у.т. 0,111
6 Изменение температуры внутреннего воздуха через систему естественной вытяжной вентиляции Е = 23 т у.т. 0,085
7 Изменение относительной влажности внутреннего воздуха через систему радиаторного отопления М = 55,169-103 кг 0,120
8 Изменение относительной влажности внутреннего воздуха через систему естественной вытяжной вентиляции М = 121,169 -103 кг 0,263
9 Изменение температуры внутреннего воздуха через систему кондиционирования воздуха (охлаждение в летний период) Е = 70 т у.т. 0,260
10 Изменение относительной влажности внутреннего воздуха через систему кондиционирования воздуха (охлаждение в летний период) Е = 3 т у.т. 0,011
11 Изменение освещенности через систему управления освещением Е = 5,5 т у.т. 0,020
12 Изменение тепловыделений от людей (изменение числа людей и/или характера работы) Е = 27 т у.т. 0,100
13 Изменение влаговыделений от людей (изменение числа людей и/или характера работы) М = 275,155 тыс. кг 0,596
14 Изменение числа и/или удельных тепловыделений от персональных компьютеров Е = 24 т у.т. 0,089
15 Изменение температуры внутреннего воздуха под влиянием внешней среды Е = 12 т у.т. 0,045
16 Изменение относительной влажности внутреннего воздуха под влиянием внешней среды М = 10 тыс. кг 0,023
Из перечисленных процессов в подмножество Р2 входят процессы, реализуемые инженерными системами: изменение температуры строительных конструкций через систему радиаторного отопления, изменение температуры строительных конструкций через систему естественной вытяжной вентиляции и др.
На основании данных табл. 2 производится расчет абстрактного коэффициента автоматизации здания:
БЩ =
6 (Р2 )
е (Р ) = 1 с,
= (0,078 + 0,056 + 0,093 + 0,052 + 0,111 + 0,085 + 0,120 + 0,263 +
+0,260 + 0,011 + 0,020)/( 0,078 + 0,056 + 0,093 + 0,052 + 0,111 + 0,085 + 0,120 + 0,263 + +0,260 + 0,011 + 0,020 + 0,100 + 0,596 + 0,089 + 0,045 + 0,023) = 0,57.
Итак, по результатам вычислений, рассматриваемое здание обладает коэффициентом интеллекта зданий, равным 0,19, и коэффициентом автоматизации 0,57.
Таким образом, проведен математический расчет коэффициентов «интеллекта» и автоматизации здания на основе объективных показателей. Это позволяет говорить о возможности универсальной оценки соответствия объектов строительства предъявляемым к ним требованиям по автоматизации и информатизации.
Библиографический список
1. ВолковА.А. Интеллект зданий: формула // Промышленное и гражданское строительство. 2012. № 3. С. 54—57.
2. Ashby W.R. An Introduction to Cybernetics, Second Impression, London, Chapman & Hall Ltd., 1957. 295 p.
3. Ashby W.R. Design for a Brain, Second Edition, Revised, New York, John Wiley & Sons Inc., London, Chapman & Hall Ltd., 1960. 286 p.
4. Wiener N. Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine, Second Edition, The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1965. 212 p.
5. ВолковА.А. Основы гомеостатики зданий и сооружений // Промышленное и гражданское строительство. 2002. № 1. С. 34—35.
6. Волков А.А. Гомеостат в строительстве: системный подход к методологии управления // Промышленное и гражданское строительство. 2003. № 6. С. 68—73.
7. Ильичев В.А. Принципы преобразования города в биосферосовместимый и развивающий человека // Промышленное и гражданское строительство. 2010. № 6. С. 3—13.
8. ИльичевВ.А. Биосферная совместимость: Технологии внедрения инноваций. Города, развивающие человека. М. : Либроком, 2011. 240 с.
9. Системотехника / под ред. А.А. Гусакова. М. : Новое тысячелетие, 2002. 768 с.
Поступила в редакцию в октябре 2012 г.
Об авторах: Волков Андрей Анатольевич — доктор технических наук, профессор, проректор по информации и информационным технологиям, заведующий кафедрой информационных систем, технологий и автоматизации в строительстве, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, volkov@mgsu.ru;
Челышков Павел Дмитриевич—младший научный сотрудник Научно-образовательного центра информационных систем и интеллектуальной автоматики в строительстве, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, chelyshkovpd@mgsu.ru;
Седов Артем Владимирович — младший научный сотрудник Научно-образовательного центра информационных систем и интеллектуальной автоматики в строительстве, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет» (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, sedovav@mgsu.ru.
Для цитирования: Волков А.А., Челышков П.Д., Седов А.В. Практика численной оценки интеллекта зданий // Вестник МГСУ 2012. № 11. С. 264—270.
A.A. Volkov, P.D. Chelyshkov, A.V. Sedov
PRACTICE OF NUMERICAL EVALUATION OF INTELLIGENCE OF BUILDINGS
The authors consider a method of numerical assessment of the level of intelligence and automation of buildings. This novel original method designated for the calculation of an abstract coefficient indicating the building intelligence and an abstract coefficient demonstrating the level of building automation is proposed by the authors.
Engineering systems of buildings are analyzed within the framework of processes associated with their functionality. These processes are subdivided into sets depending on their nature and degree of control. The processes of one set are engaged in the building intelligence evaluation, while the processes within the other set are involved in the evaluation of the building automation level.
Abstract coefficients of intelligence and automation are calculated on the basis of objective
quantitative characteristics of engineering systems, for example, BTU and meters. This approach
allows engineers to avoid any biasness in making their assessments.
Key words: automation, building intelligence, engineering systems, numerical estimation.
References
1. Volkov A.A. Intellekt zdaniy: formula [Intelligence of Buildings: the Formula]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2012, no. 3, pp. 54—57.
2. Ashby W.R. An Introduction to Cybernetics. Second Impression. London, Chapman & Hall Ltd., 1957, 295 p.
3. Ashby W.R. Design for a Brain. New York, John Wiley & Sons Inc. London, Chapman & Hall Ltd., 1960, 286 p.
4. Wiener N. Cybernetics or Control and Communication in the Animal and the Machine. The MIT Press, Cambridge, Massachusetts, 1965, 212 p.
5. Volkov A.A. Osnovy gomeostatiki zdaniy i sooruzheniy [Fundamentals of Homeostasis of Buildings and Structures]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2002, no. 1, pp. 34—35.
6. Volkov A.A. Gomeostat v stroitel'stve: sistemnyy podkhod k metodologii upravleniya [Homeostasis in the Construction Industry: Systemic Approach to the Methodology of Management]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2003, no. 6, pp. 68—73.
7. Il'ichev V.A. Printsipy preobrazovaniya goroda v biosferosovmestimyy i razvivayushchiy chelove-ka [Principles of Transformation of the City into a Biocompatible Facility Capable of Developing the Man]. Promyshlennoe i grazhdanskoe stroitel'stvo [Industrial and Civil Engineering]. 2010, no. 6, pp. 3—13.
8. Il'ichev V.A. Biosfernaya sovmestimost': Tekhnologii vnedreniya innovatsiy. Goroda, razvivayush-chie cheloveka. [Biocompatibility: Technologies, Implementations, Innovations. Cities That Develop the Man]. Moscow, Librokom Publ., 2011, 240 p.
9. Gusakov A.A., editor. Sistemotekhnika [System Engineering]. Moscow, Novoe tysyacheletie publ., 2002, 768 p.
About the authors: Volkov Andrey Anatol'evich — Doctor of Technical Sciences, Professor, Vice Rector for Information and Information Technologies, Chair, Department of Information Systems, Technology and Automation in the Construction Industry, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; it@mgsu.ru;
Chelyshkov Pavel Dmitrievich — Junior Researcher, Scientific and Educational Centre for Information Systems and Intelligent Automatics in the Construction Industry, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; chelysh-kovpd@mgsu.ru;
Sedov Artem Vladimirovich — Junior Researcher, Scientific and Educational Centre for Information Systems and Intelligent Automatics in the Construction Industry, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; sedo-vav@mgsu.ru.
For citation: Volkov A.A., Chelyshkov P.D., Sedov A.V. Praktika chislennoy otsenki intellekta zdaniy [Practice of Numerical Evaluation of Intelligence of Buildings]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 11, pp. 264—270.
