基于Agent 的單體民用建筑智能方案設計

徐 欣 李云豐

(1.中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院，北京 100000;2.浙江廣川工程咨詢有限公司臺州分公司，浙江 臺州 318000)

人工智能是個涉及多學科的綜合技術，它在眾多領域得到了廣泛的應用。房屋建筑設計領域在結構計算方面早已實現智能化，但在方案設計方面，離智能化的要求還很遠。Minsky 于1986年出版了《思維的社會》一書，提出了Agent 的思想。Minsky 認為社會中的個體Agent 經過協議可求得某些問題的解，個體具有社會交互性和智能性等特點。從此，Agent 的概念被引入人工智能和計算機領域，并逐漸成為研究熱點。方案設計是建筑設計的重要階段，在建筑物的整體設計中至關重要。將Agent 引入方案設計流程、設計過程智能化是計算機輔助建筑設計領域一項創(chuàng)新的工作。

1 方案設計前期準備工作

1.1 經需要甲方提供的資料

用地紅線圖、原始地形圖、相應區(qū)域城市規(guī)劃圖、規(guī)劃要點、各地政府的相關規(guī)定、城市規(guī)劃管理條例等，甲方提供的設計任務書(涉及到具體的設計內容、設計方向、出圖深度、時間控制等)、用地批文。

1.2 設計師相應的準備工作

明確相關設計的一些規(guī)范及防火規(guī)范;在場地、單體設計上有何約束;根據設計任務書明確建筑的定位、把握大的設計方向;將建筑用地根據不同情況分類，明確優(yōu)勢劣勢;根據規(guī)劃要點及設計任務書測算建筑規(guī)模;根據甲方的進度要求及工作量擬定工作時間表，時間表上應留出必要的審圖時間，甲方配合的時間則較為機動;收集整理相應的參考資料。場地設計可在地理信息系統中運用Agent 進行仿真優(yōu)化，本文探討的是建筑單體設計中結合建筑信息初步模型的創(chuàng)建如何運用Agent 實現智能設計。

2 Agent 與單體民用建筑的智能設計

2.1 Repast 的運用

本文運用Agent 的主流軟件之一Repast 來實現單體民用建筑的智能設計。Repast 建立方案設計建筑信息模型(PDBIM)相當于設計一個狀態(tài)機，該機的核心狀態(tài)是PDBIM 中所有成員的集體狀態(tài)屬性集合。成員則分為底層結構和表層結構。Repast 一共有數百個類，封裝在11 個庫中，本文對幾個主要的類庫進行擴充:Analysis 庫通過使用DataRecorder 類進行數據分類整理和挖掘;Engine 庫負責建立、操縱和運行PDBIM，simModel 接口是Repast 中所有模型的超類，庫中包含的控制類負責通過圖形用戶界面處理氣泡圖，時序表及相關行為類主要用來改變模型中的狀態(tài);GUI 庫有對圖形界面顯示的快照功能以及制作模型運行的活動錄像，多個Display 類與Space 空間庫中的類協同工作，把空間位置關系的抽象和空間關系的顯示分離出來，可以針對不同建筑空間特征設計不同的可視化顯示方案;Network 庫包括實現網絡仿真的類，各種特殊定義的可記錄網絡數據的記錄類;Space 庫主要包括創(chuàng)建氣泡—房間空間關系的類，研究多個Agent 在一定空間內的活動使用網格空間，網格空間被劃分成許多氣泡(cell)，其中每個氣泡可以同時容納一個或多個Agent，并按照方案設計規(guī)則，網格的狀態(tài)不斷發(fā)生變化。

2.2 可視化的實現

進行單體建筑方案設計之初，進行功能氣泡分析，實質是創(chuàng)建一個動態(tài)的可視網絡圖。先用RasterSpace 類，表現出PDBIM數據分樓層的二維網格，用Object2DGrid 類描述離散的二維網格。通過這兩個類的配合使用，對象的邏輯上的移動在RasterSpace 上進行，而視覺上的移動則在Object2DGrid 上來實現。PBBIM 樓層信息需用到特定規(guī)則的一個流數據文件，通過標記來識別出文件中的一些相關信息。

用二維矩陣行列分別對應著上面的nrows 和ncols，矩陣中的每一個值都代表著特定的信息，這些值將在功能氣泡分析的過程中起著重要的作用，可以使用不同的值去代表約定的一些特定信息和性質。使用數字0 代表不可通行的結構部分，使用數字2 代表樓層內的樓梯和電梯，使用其他數字代表可以行走的通道，1 代表一般的走廊，56x(x 代表任意數字)代表逗留，70x(x 代表任意數字)代表各個房間的門。Cx(x?1～3)代表各個房間的窗，x(x?4～7)代表單體建筑各方向的入口等等，任何想要用到的標識信息都可以簡化為數字來代表加入到這個代表樓層信息的矩陣中，功能氣泡的分析過程，實質是逐步深化這個樓層信息矩陣的過程。

2.3 功能氣泡圖分析的運行過程

在開始運行PDBIM 后，系統初始化，首先調用begin()函數，通過buildSchedule()方法設置好模型的時鐘機制schedule，控制模型在之后的時刻按照這個schedule 進行相應的方法調用和操作，然后，開始建立具體的氣泡，此時執(zhí)行buildModel()方法，在這個方法里涉及到了初始化模型內包括的所有對象，包括氣泡對象、流線對象、人對象，還有代表地塊的容器對象和樓層的點陣點對象等等。完成了模型的初始化之后，創(chuàng)建顯示機制，采用了首先將需要創(chuàng)建顯示的對象加入一個可供維護及更新用的各自的對象列表即ArrayList，然后將這些對象列表通過DisplaySurface 類的addDisplayable()方法將這些對象列表按特定順序依次加入到顯示界面中，然后通過實時同步的刷新列表對象顯示，達到動態(tài)的顯示各對象行為的效果。此處addDisplayableProbeable()創(chuàng)建可點擊性(Probeable)，當點擊這些對象時，將會返回一個彈出窗口，里面將會列出該對象相關的一些參數狀態(tài)信息。在初始化模型成功之后，當單擊運行按鈕時，PDBIM 的功能分析便開始執(zhí)行了。仿真按照既定的schedule 來執(zhí)行，schedule 通過不停的調用step 方法來實現PDBIM 的分析運行。在模型主類PDBIMModel 中的step()方法中通過向下調用各個對象的step()方法來實現對所有對象的模擬運行。在step()方法的末尾一句是用于更新顯示的:DisplaySurface.updateDisplay()，通過執(zhí)行這一句話在每一步各對象的行為改變后對顯示進行更新可以實現動態(tài)的顯示模擬。

3 設計仿真運行中所包含的具體對象

3.1 Person，PersonContainer，PersonFactory

Person 類即使用建筑的人物類，見圖1，主要是對移動行為進行模擬的類，也可以通過對參數的不同設定模擬出不同種類的人群，每一個Person 對象都包含了大量的信息，每一個Person 都必須對自己的狀態(tài)有一個完整的維護，例如此時是否在某個Babble、是否遭遇擁堵以及自己的移動策略等。Person 類擁有自己的step()方法供上一層對象調用，在這個step()方法中，包括了根據當前Person 的狀態(tài)來決定這一步應該執(zhí)行的動作，例如Person 當前的狀態(tài)是行走，則執(zhí)行Person 的move()方法來對Person 進行移動，如果當前狀態(tài)是正處于房間內逗留的狀態(tài)，則執(zhí)行Person的stay()方法，使Person 在自己所位于的房間范圍內自由的移動。

PersonFactory 類即控制產生所需要產生的人物類，通過在此類中調用Person 類的構造方法同時賦予不同的參數值，例如需要構造的人物年齡、性別等性質，可以構建出一系列具體的構造方法，例如creatPerson()，creatOldPerson()，creatChild()等等方法可以分別構造出普通成年人、老人和小孩。一般情況下是在Person-Container 里面初始化人物對象時或者在分析期間加入新的人物對象時用到此類，該類和即將提到的PersonContainer 類都采用了單實例的構造方法，防止冗余對象的產生，也便于程序的管理。

PersonContainer 類負責對眾多Person 類對象進行系統的調度和管理。此類主要維護了兩類Person 的List，在初始化時，利用PersonFactory 類的構造方法初始化人群并且加入到PersonList 列表中。在這個類中還有一個負責統計人物狀態(tài)信息的方法countTheAgents()，可以統計各樓層內的人數，各Babble 內人數等。該類的step()方法調用每一個進入到Babble 的Person 的step()方法，實現人物的各種行為。

圖1 主要對象關系圖

3.2 Babble，BabbleFactory，BabbleContainer

Babble 類即氣泡類，非常具體地可以將樓層內的每個房間看作是一個氣泡。氣泡類的功能是實現對一個Babble 的分裂、合并、控制，并且每一個Babble 都擁有自己的功能和面積，在設計仿真運行時，建筑物對每一個Person 的出入時間都隨機指定。Babble 類內部自帶一個統計內部逗留Person 數目的計數器，當一個Person 進入這個Babble 時，該計數器加1，反之該計數器減1，可以達到統計人數的目的，同時每一個Babble 又有一個自身的可容納的最大Person 數量。在創(chuàng)建PDBIM 視圖時，將這個計數器和最大容量都顯示在Babble 標志的附近，便于觀察。為了實現Babble 的人數分級顯示功能，PDBIM 采用了讓Babble 的標志圖片在所含有人數不同時顯示不同的標志，達到動態(tài)圖片提示的目的，相似的還可以加入聲音提示功能。

BabbleFactory 類就是用于產生Babble 的類，通過這個類可以產生出擁有各種各樣不同功能的氣泡。BabbleContainer 類，相似的是用作管理氣泡的類，由于和Babble 的區(qū)別，該類主要是有一個用于初始化Babble 列表的方法initBabble()，用于完成對一系列Babble 的初始化。

3.3 Streamline，StreamlineFactory，StreamlineContainer

Streamline 類即Person 行走形成的軌跡，智能方案設計體現在流線和氣泡的產生和調整上。方案設計之初用一個大Babble代表整個單體建筑，然后按樓層分為若干個floorBabble，相應產生上下垂直交通流線。某樓層Babble 按建筑類型又進一步分裂，比如對內Babble、對外Babble 以及兩者結合的Babble，對內Babble又可分為管理人員用氣泡、普通人員用氣泡和后勤人員用氣泡，氣泡依據功能的細化進一步分解，相應的流線生成都通過StreamlineFactory 產生。氣泡和出入口之間一個Person 的行走軌跡，必須初始化以下參數:軌跡起止點所位于的位置、軌跡的寬度、Person 的通行節(jié)點、流線的類型以及流線的ID 號。在該類中加入了用于方便設置流線參數的方法setStreamlineParameter()可以方便的更改軌跡參數如起止點、寬度和節(jié)點。軌跡的產生利用的是迷宮算法(path 類)，迷宮算法有這樣的一個功能:在一個二維矩陣空間中，一旦約定了代表可以通行的數據值，給定一個起始點和一個目的點，它能夠自動的尋找出一條通行路線。這樣的設計給流線調整提供了方便，可以通過隨機產生的情況得到對應的解決策略，然后實時的獲取正確的一條線路，可以繞開不想去的區(qū)域以及人員擁堵的節(jié)點。所有Person 行走軌跡形成Streamline，該類擁有自己的step()方法供上一層對象調用，在這個step()方法中，調用了Streamline 的移動方法moveByPoint()，即根據一條既定的路線點鏈表進行移動。通過setStreamlineParameter()方法賦予Person 一條線路，將會把這條線路包括的一系列點通過一個List 對象傳給Person，然后在move()方法中按照先后順序依次走完list 中的每一個點，達到所有Person 行走的軌跡形成流線的目的。StreamlineContainer 類是一個比較重要的類，它主要負責管理流線的整體評價問題。評價邏輯采用不同類型流線交叉度和流線臃腫度相結合的策略，根據交叉節(jié)點的分布情況實時的調整出入口的分配策略，達到消除擁堵和方便交通的目的。對建筑物的出入口進行初始化，即initEntranceandExit()方法，將每類Person具體的初始化到各自的出入口，隨著具體的Person 在建筑物內行走，流線形成。

3.4 其他重要對象

Point 類是用于代表某樓層中的任意一個點，它本身包含了其自身的坐標信息，主要用于輔助Path 類對最優(yōu)路徑的求解。

Path 類是用于自動生成兩個點之間的路徑，可以運用迷宮算法、蟻群算法等智能算法來實現，Path 類包括一個主要的方法go()方法，該方法的參數是一個起始點和一個終止點，返回值是一個包含諸多Point 類對象的列表。列表中的對象Point 按照先后順序排列，形成的是一條可行的路徑。

StructureandRoom 類用于記錄墻、柱等結構的位置和結構圍合成的房間，由Babble 生成。StructureandRoomContainer 類用于維護一個StructureandRoom 類的列表，里面可以有多個Structureand-Room 類對象。

passageway 類用于記錄走廊等通行空間的位置，由Streamline生成。passagewayContainer 類用于維護一個passageway 類的列表，里面可以有多個passageway 類對象。

SiteandFloor 類是用于向PDBIM 中導入場地和樓層信息的類，該類里面提供了初始化場地和樓層信息的方法，方法里使用到了兩個類:1)Object2DGrid 類，該類用于生成一個二維網格型的空間，在PDBIM 中起到像素化的模擬出地面和樓層的作用;2)RasterSpace 類，該類可以處理特定的文本文件，這種文本文件內包含的場地樓層信息一般與SiteandFloor 對象有著關聯。當該初始化方法成功執(zhí)行后，場地和樓層信息便成功導入到PDBIM 中，Person，Streamline，Babble 類等就可以按照方案設計流程進行互動式操作。

4 結語

智能方案設計的過程就是氣泡分裂，流線生成與調整，氣泡再分裂，流線細化與調整，直至最后將氣泡變?yōu)橐粋€個具體的房間，流線變?yōu)橐粋€個具體的廳廊、樓梯、坡道，相應生成建筑主體結構，按房屋制圖標準成圖，從而完成方案設計的智能化、實時的互動優(yōu)化設計和方案評價的全部內容。設計過程智能化是計算機輔助建筑設計領域一項創(chuàng)新的工作，進一步實現了建筑信息模型的動態(tài)調整和功能優(yōu)化，縮短了設計時間，提高了設計效率。

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