樓宇自控系統綜合評價研究

張 斌

(1.上海交通大學, 上海 201100;2.華東建筑設計研究院有限公司, 上海 200002)

0 引 言

智能建筑是建筑學與信息技術結合體,是信息化社會在建筑領域的發展結果。而樓宇自控系統(BAS)是智能建筑的基本,通過對建筑(群)的各種設備實施綜合自動化監控與管理,為業主和用戶提供安全、舒適、便捷、高效的工作與生活環境,并使整個系統和其中各種設備處在最佳工作狀態,從而保證系統運行的經濟性和管理的現代化、信息化和智能化[1]。因此,一套科學、系統、完善的BAS評價體系對整個項目具有指導意義,將有助系統方案優化,加強管理決策水平,改善后期運行使用效果。

BAS本身就是一個由多個有機聯系、相互依存的要素所組成的大規模復雜系統,不能僅從單一指標上實現對BAS整體水平優劣的評價,需要將影響系統的多個要素分析處理,做出綜合評價。本文結合BAS特點,運用綜合評價系統學方法,建立一套全面的評價指標體系,然后利用層次分析和模糊數學的隸屬度理論,把定性評語轉化為定量計算,最后得出綜合評價結果。

1 BAS評價指標體系

BAS設計原則和實施目標可概括為:投資合理,經濟與社會效益高;系統設備安全可靠,便于管理維護;高效節能,提供舒適環境[2]。以此作為評價體系導向原則,選取經濟性、安全性、有效性作為BAS評價體系中目標層的3個一級指標。

在此基礎上,本文將影響BAS的因素層次化、分解化。相關文獻[3]及專家經驗,將經濟性進一步拆分為成本和收益,并分別細化為投入成本、運營成本、人員成本以及節約能源、環保、品質提升的顯性收益和隱性收益。同理,安全性細化為BAS系統可靠性、設備故障時間及使用壽命,而BAS有效性體現為監測、控制和實施效果即舒適度反饋,其中控制主要體現為控制的幅度、精度及相應速度,監測對象常規包括電力、設備和能耗,BAS實施效果包括空調、照明及其他設備的舒適程度。

基于層次分析思想,建立BAS評價體系,共包括3個一級目的指標、6個二級分類指標和18個三級具體因素指標。樓宇自控系統評價指標如表1所示。

表1 樓宇自控系統評價指標

2 BAS評價方法和權重

BAS構成和功能較為復雜,各系統聯系密切,單個系統指標的優劣對其他系統指標及最終實施效果可能均有影響,屬于多目標多準則系統[4]。同時系統各指標界限不明,難以歸類,且對最終評價結果影響也難以量化(無法明確),具有模糊性的特點。

針對BAS評價體系的上述特點,本文采用層次分析法(AHP)確定評價指標的重要度權值,同時采用模糊綜合評價法,通過模糊數學的隸屬度原則,將專家的定性評語無量綱化作為評價指標的數值,并建立模糊矩陣,最后通過兩者合成得到評價結果[5]。

(1) 因素集和評價集。根據已建立的BAS評價體系,可得各級指標因素集,本案例中U={A,B,C},B={B1,B2,B3},C1={C11,C12,C13},其余類同。將對BAS評價由好到壞的集合定義為評語集,用集合V={V1,V2,…,Vm}表示,在建筑機電系統綜合評價的調查中一般設置評語等級為4～7個。本文選取m=4,即BAS評價集表示為V={V1,V2,V3,V4}={優,良,中,差},對應無量綱數值范圍為0.75～1,0.50～0.75,0.25～0.50,0～0.25。

(2) 權重。采用AHP確定評價指標權重,通過下層指標對于上層重要性的兩兩之間作比較,構成一個比較矩陣,比較結果aij(i=1,2,…,n)用1～9標度對結果賦值,數值大小反映i元素與j元素相比的重要程度,反比較時取倒數。利用方根法將所得的判斷矩陣歸一處理,有:

由此得到特征向量W=(W1,W2,…,Wn)T,再對矩陣進行一致程度的校驗,以避免兩兩比較過程中產生邏輯錯誤。對于多層次評價體系,需逐層計算權重結果,并逐層校驗一致性。

(3) 模糊評價矩陣。采用專家調查方式,對各指標使用模糊評語集合進行評價,將各指標的各評語次數占總數的比例作為模糊矩陣R的各元素數值rij,從底層開始依次評價體系中權重向量相乘并加權求和,得出最上層結果U。最后將U與模糊評語集取值范圍比較,確定其隸屬哪個評語。

3 BAS評價應用

通過向10名專家發放調查問卷對某項目進行BAS評價。某位專家權重調查結果如表2～表10所示。

利用MATLAB編程計算,可得某專家重要性權重向量A1=(0.183 0,0.075 2,0.741 8),最大特征值γA1max=3.044 1,一致性指標CIA1=0.022,一致性比例CR1=0.038(<0.1)。同樣可得A2=(0.637 0,0.104 7,0.258 3),B1=(0.581 6,0.309 0,0.109 5),C1=(0.098 9,0.536 8,0.364 3),C2=(0.166 6,0.093 8,0.739 6),C3=(0.319 6,0.558 4,0.122 0),A=(0.333 3,0.666 7),C=(0.4,0.4,0.2),U=(0.376 7,0.362 2,0.261 2)。經校驗CR均小于0.1,一致性可以接受。

表2 某專家A1權重調查結果

表3 某專家A2權重調查結果

表4 某專家B1權重調查結果

表5 某專家C1權重調查結果

表6 某專家C2權重調查結果

表7 某專家C3權重調查結果

表8 某專家A權重調查結果

表9 某專家C權重調查結果

表10 某專家U權重調查結果

將10位專家各權重向量分別計算后取算術平均數。10位專家權重結果均值如表11所示。

表11 10位專家權重結果均值

通過向專家1～專家10發放調查表方式對該項目BAS三級指標進行評價,采用定義的模糊評語集,即V={V1,V2,V3,V4}={優,良,中,差},將得到的評語次數除以專家總人數,模糊矩陣R的各元素數值rij結果如表12所示。

表12 模糊矩陣R的各元素數值rij結果

對評語賦值(0.95,0.65,0.35,0.05),可得專家對三級指標評價期望值為A11=0.2×0.35+0.8×0.05=0.11,依次可計算得18項數值依次為rij=(0.110,0.260,0.230,0.590,0.680,0.830,0.800,0.770,0.680,0.590,0.680,0.680,0.890,0.920,0.920,0.770,0.830,0.800)。

將各級權重依次分別與模糊矩陣中對應數值相乘并求和,各評價指標權值結果如表13所示。

該項目BAS評價結果為U=0.667,綜合評語為良。綜合其他各級指標可以發現,一級指標A=0.499,綜合評語為中,而B、C指標均為優,可認為該項目BAS經濟性指標一般,但其他兩項指標均較好。進一步分析二級指標,可初步判斷造成該項目經濟性一般,項目總評未達優秀的主要原因是A1成本指標數值過低,即項目BAS各項成本過高,故應進一步優化控制成本,以使項目BAS綜合總評價提升。

表13 各評價指標權值結果

4 結 語

本文建立了一套BAS綜合評價體系,并利用模糊數學理論和MATLAB編程方法,對實際項目進行實證研究,在評價結果基礎上分析原因并嘗試給出優化策略。在建筑電氣設計尤其智能化設計過程中,還存在不少類似難以量化評價優劣的系統,也可采用本文方法對其進行模糊綜合評價,以提高決策水平和后期運維效果。