引言目前，公共建筑存量大，运营期间碳排放强度高，对公共建筑运维阶段进行节能诊断与碳排放精细化管理是实现建筑领域节能减排的重要途径之一[1]。实现节能诊断与精细化管理需要建筑设计与拓扑、机电设备与监测信息，从时间、空间、碳排放强度的角度，分功能、分区域、分类别、多维度地建立评价体系。智慧化运维管理平台实现了能耗数据的实时监测与信息化管理[2]，提供了数据支撑，但监测数据质量参差不齐，与建筑设计与拓扑、建筑系统与设备、传感器与监测信息间存在多源异构且缺少联系；缺少运维期间碳排放信息的标准化、规范化的数据库样板，成为公共建筑节能诊断与碳排放精细化管理的主要障碍。本体技术是指共享概念模型的明确的、形式化的规范描述，表达了领域内概念术语间的语义关系[3]。OWL是一种包含预定义词汇的本体语言，可以描述或定义复杂概念间的语义关系[4]。本体可以构建、复用、扩充，进行一致性检查，实现多源异构数据的融合与知识推理。建筑信息模型(BIM)具有丰富的几何和语义特征，其中IFC格式文件定义了构件的属性与空间拓扑信息，可以在本体中提供更加丰富、标准、一致和可扩展的建筑信息，促进建筑信息与各领域信息的交互与知识共享[5]。另外，使用OWL语言建立的本体模型可以标准化地表达领域中的语义信息并帮助计算机理解。建立公共建筑碳排放信息的本体化描述对实现公共建筑碳排放精细化管理具有重要作用。文中基于本体与BIM技术，构建公共建筑运维期间的碳排放领域本体模型，将建筑拓扑、建筑系统设备、碳排放评估及监测信息融合、共享和利用，形成标准的碳排放知识管理体系并进行知识推理与查询，为公共建筑碳排放管理提供标准化、共享化的数据模型支撑，有利于公共建筑基于数据驱动对碳排放进行精细化管理与节能诊断。1公共建筑碳排放领域本体1.1碳排放领域本体内涵碳排放领域本体是通过对象类属性及特征对碳排放领域知识进行标准化、结构化、形式化描述的共享概念模型。标准化即梳理并确定领域内重要的概念术语，提供标准化的表达；结构化指碳排放领域本体通过类与子类、实例间结构化的关系对具有语义模糊的概念进行描述与限定；形式化即通过实体之间的关系建立形式化的表达，使计算机理解语义内容；共享指碳排放领域本体所涉及的知识、概念、实体与关系可以复用。1.2公共建筑碳排放领域本体建模过程通过半自动构建本体的方法，手工构建及复用已有本体形成多领域本体，领域本体建模过程如图1所示。首先确定所需创建公共建筑碳排放相关的各领域，并创建各领域的本体，判断该领域是否存在相关本体，若已存在相关本体，本体具有共享性，则可以复用已有本体概念术语与各类之间关系并根据需求进行扩充或修改；如果不存在相关本体，则需要依据领域相关规范及知识列出所在领域重要的概念术语、定义类与类之间的关系构建该领域本体。各领域本体构建完成，定义各领域本体间类与属性关系，通过在各领域本体中创建实例并定义关系形成最终的知识库，进行推理与应用。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.025.F001图1领域本体建模过程1.3公共建筑碳排放领域本体组成为了构建适用于运维期间的公共建筑碳排放信息模型，对于公共建筑运维期碳排放评估与管理，建筑信息拓扑结构、机电与设备、传感器网络与监测数据和碳排放评估是主要领域，对4个领域建模并构建公共建筑碳排放信息模型，利用语义关系将各领域信息进行融合，公共建筑碳排放领域本体如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.025.F002图2公共建筑碳排放领域本体2基于本体的公共建筑碳排放信息模型构建2.1建筑信息与拓扑结构本体在BIM中，IFC格式的文件定义了构件的属性与拓扑信息，具有丰富的几何和语义特征，通过IFC格式对模型中的结构化信息进行表达并与其他应用进行交互。如BuildingSMART建立了IFC转为OWL格式的标准流程，可以有效地将IFC EXPRESS数据模型转换为OWL本体[6]，ifcOWL虽然包含了IFC规范的所有结构化概念术语，但这会使ifcOWL像IFC本身一样过于复杂、难以管理、难以理解，使推理效率低下。因此，采用由万维网联盟(World Wide Web Consortium，W3C)提出的轻量级的BOT(Building Topology Ontology)本体对建筑几何拓扑信息进行描述，针对公共建筑碳排放所需信息，对BOT进行复用及扩展，建立了建筑信息与拓扑本体[7]。建筑信息与拓扑本体如图3所示。BOT本体包含建筑空间(Bot: Zone)、建筑构件(Bot: Element)和建筑节能(Bot: Energy Saving)三类，三类之间互相联系、互相影响，构成了建筑信息拓扑本体。Bot: Zone既代表现实物理空间又表示虚拟3D模型的一部分。Bot:Zone的子集包括地点(Site)、建筑(Building)、楼层(Storey)和空间(Space)，通过包含子区域(contains Zone)对象属性相关联。Bot:Zone实例之间通过contains Zone、毗邻空间(adjacent Zone)建立包含、毗邻关系，从而对区域进行细分。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.025.F003图3建筑信息与拓扑本体建筑空间中包含建筑元素，将建筑元素细化为墙(Wall)、窗(Windows)、门(Door)和屋顶(Roof)等子类，通过有3D模型(has Simple 3D)关系与BIM模型中存在的建筑元素建立关联。对已有的BOT本体进行扩充，Bot:Energy Saving类由建筑环境(Environment)、绿色节能设计(Green Design)和绿色化改造(Green Renovation)3个子集构成，其中包含建筑节能的静态信息，如围护结构的热工性能参数等，这些设计信息将会影响碳排放。公共建筑存量大，存在对围护结构及设备的绿色化改造，从而改变了原有建筑元素与设备的性能表现。通过扩充Environment、Green Design和Green Renovation这3个子集使BOT本体能够更全面地描述公共建筑节碳排放领域的相关信息，从而更好地理解和推理相关信息，为碳排放的精细化管理和评估提供支持。建筑空间中存在机电设备，通过传感器对机电设备及建筑内环境进行监测，建筑空间可以通过有传感器(hasSensor)关系与传感器与监测本体相关联。2.2建筑系统与设备本体建筑系统与设备本体分为机电设备(Mep Equipment)机电系统(Mep System)两大类，建筑系统与设备本体如图4所示。其中机电设备中包括设备类型(Equipment)、设备属性即性能参数(Performance)和运行状态(Operating)构成。一栋建筑中包含多个机电系统，每个机电系统中包含多个子系统，将子系统分为暖通空调系统(HVAC System)、电力系统(Electrical System)、水系统(Water System)及可再生能源系统(Renewable Energy System)。不同类型属性的机电设备通过有设备(has Mep Equipment)关系与各建筑子系统进行关联。若存在对设备的替换与改造，则通过有绿色改造(has Green Renovation)关系与绿色化改造子类进行关联并记录相关信息。建筑系统中的设备也可以通过has Model关系与BIM中的实体相对应。建筑设备及个子系统的运行状态可以通过被观察(is Observed By)与传感器与监测本体建立关联。为满足功能需求，设备被安置在建筑空间中，设备的运行状态受人员行为的影响。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.025.F004图4建筑系统与设备本体2.3传感器与监测本体实时监测数据为碳排放的深度分析与挖掘提供了基础，但目前有效的监测数据较少，未能对监测数据进行深度理解与有效利用。W3C组织提出了用于描述传感器基本属性及其观察结果、观察对象的特征与属性的语义传感器本体SSN。其中，SOSA是包含了其基本类和属性的轻量级本体[8]。在SOSA本体基础上，对传感器监测类型与监测结果进行细化并与建筑空间本体（BOT本体）、建筑系统与设备（Mep本体）建立语义联系。传感器与监测本体如图5所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.025.F005图5传感器与监测本体传感器与监测本体由传感器(Sosa: Sensor)、传感器监测(Sosa: Observation)和传感器监测属性(Sosa: Observable Property)三类构成。传感器监测（Sosa: Observation）通过is Observed By关系与不同类型属性传感器关联，对其他领域本体中的子类（如室内外环境及机电设备）进行监测，以明确监测数据的来源与分类。通过监测属性关系(Observe Propety)与传感器监测建立关联，使监测的语义信息得到全面解释。根据监测项目不同将监测属性进行详细分类，传感器监测属性通过有数据(has Value)关系记录监测的时间信息。其中，传感器监测属性可以分为建筑环境(Environment)、能源消耗(Energy)和机电系统的运行状态(Mep Running)等。能源消耗是监测属性类的核心，与运维期间碳排放强度有直接关联，公共建筑的碳排放多为能源消耗带来的间接碳排放，可以对其进一步细化并分类分项计量。传感器通过传递(hosts)关系与传感器网络平台(Sosa: Platform)建立关联，为监测平台提供数据基础。2.4碳排放评估本体碳排放评估本体与上述3个领域本体之间存在密切的联系。碳排放评估本体主要由碳排放因子(Carbon Emission Factor)、碳排放(Carbon Consumption)、碳排放评价指标(Carbon Emission Index)和碳交易(Carbon Trade)构成。碳排放评估本体如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.025.F006图6碳排放评估本体碳排放因子类包括主要能源类型如电力、燃气和水。通过相乘(has Multiple)与监测属性中的能源消耗进行关联，能源消耗值与碳排放因子相乘得到碳排放值。碳排放消耗中可以进一步分类分项细化分类。碳排放评价指标是应用实时监测数据对碳排放规范化后的量化评价依据，通过有公式(has Formula)关系与各项监测数据建立语义关联，其目的是对新建或改造建筑的设计参数及机电设备的具体性能表现进行精细化、合理化的节能诊断与评估，尽量消除个体差异，便于不同功能类型之间建筑横向比较。通过碳排放指标计算某一时间尺度下的碳排放总量，考虑可再生能源系统消耗量带来的碳减排量。以碳排放强度为例，不能仅依靠单位面积碳排放强度对建筑进行节能评估与诊断，还应考虑建筑所处空间、设计参数和设备运行时间等方面存在差异，从时间、空间、碳排放强度的角度，分功能、分区域、分类别对评价指标进行细化。通过计算碳排放评价指标，建筑可以进行精细化的节能诊断与评估，进而针对既有建筑提出相应的节能方案与措施。为碳交易中不同功能类型的基准碳配额提供分配依据[9]。3公共建筑碳排放信息模型应用3.1碳排放领域本体建模Protégé是斯坦福大学开发的开源本体编辑和知识获取软件，拥有SPARQL Query、SWRLTab、OntoGraf等插件，可以进行逻辑检验，实现可视化、查询与推理等功能，是目前使用最广泛的本体编辑器之一。为了验证公共建筑碳排放监测本体的适用性，通过Protégé构建基于OWL本体描述语言的各领域本体模型，各领域间的本体关系通过预定义词汇与属性关系建立语义联系。protégé建模与各领域间关系如图7所示。通过Pellet推理机对本体逻辑进行检查，建立的本体之间不存在逻辑冲突。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.025.F007图7Protégé建模与各领域间关系3.2本体实例化与查询对部分建筑拓扑信息、机电设备及传感信息进行实例化，利用推理机对一些隐含的知识进行简单推理，如Room_001实例通过语义关系与其他实例建立联系并设置语义特征，可以自动推理一些语义关系，本体实例化与简单推理如图8所示。通过推理可以得出First Floor所处的空间位于YTULibrary建筑中，同时contain Zone具有自反和传递特性，可以实现建筑空间细化，First Floor所处空间存在Room_001房间，有集中式供冷设备等。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.025.F008图8本体实例化与简单推理通过实例关系图得到各个实例之间的关联，其中一些实例中包含着语义信息，可以通过SPARQL查询语句对Temperature Sensor实例化的监测结果Temperature_Room_001进行具体语义信息的查询，SPARQL语句查询结果如图9所示。通过执行查询语句，返回了Temperature_Room_001实例关联的所有属性和对应的取值，Temperature_Room_001由Temperature Sensor监测，监测时间是2023年6月17日，监测温度为30.0 ℃，类型为室内温度。通过Protégé软件建立公共建筑碳排放各领域之间语义关系，可以实现多源异构数据融合及跨领域信息提取，形成碳排放信息标准化、全面化、共享化的描述。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.02.025.F009图9SPARQL语句查询4结语文中阐述了本体技术的基本概念与内涵，梳理了公共建筑碳排放信息模型中各领域本体的重要概念与术语，具体描述了各领域本体即：建筑信息与拓扑、建筑系统与设备、传感器与监测、碳排放评估中的概念术语与各领域本体间的语义关系，通过Protégé软件进行建模，实例化验证了模型的适用性，借助SPARQL信息查询及简单逻辑推理等，实现了公共建筑碳排放运维管理多源异构数据融合及各领域信息提取，打破了不同领域间的数据孤岛，为公共建筑节能诊断与精细化管理提供参考。