浅议暖通空调CAD系统的研究与应用

1、引言

暖通空调(HVAC)计算机辅助设计技术(CAD)的迅速发展和普及,对CAD系统的集成化提出了更高更迫切的要求,而信息科学理论中计算机科学、系统与控制科学、人工智能等领域相关技术的全面进步,为开发集成化程度更高的CAD系统提供了坚实的技术基础。代写论文本文拟通过分析现有暖通空调CAD系统存在的问题,提出集成化的CAD系统开发环境(IntegratedCADDevelopmentEnvironment,ICADDE)的概念及其内涵,并指出主要的实现途径。

2、暖通空调CAD系统的现状

暖通空调CAD是暖通空调专业计算机应用发展的较高阶段和成果的综合体现。作为建筑工程领域开发和应用CAD技术的一部分,我国暖通空调CAD系统的研究始于80年代中期,90年代才进入实用阶段。在目前硬件与软件系统均以惊人的速度发展的同时,也暴露出一系列问题,严重制约和影响着暖通空调CAD各项功能的全面提高。

2.1系统内部发展不均衡

首先是系统内部各子系统之间发展应用的不平衡。一般认为,一个较为完善的暖通空调CAD系统至少应包括三大功能块,即:

(1)设计计算,完成常规专业计算,如负荷计算、水力计算等;

(2)模拟分析,对备选方案进行仿真模拟及分析,以利决策,如全年能耗分析、冷热源分析等;

(3)图纸绘制,包括图形绘制及相关技术文件的编制,如施工图及设计说明书等。暖通空调计算机应用的发展始于模拟分析及设计计算,而目前图纸绘制功能后来居上,其应用程度远远超过了上述两方面。出现这种情况的原因是对图纸绘制的要求最为迫切,而模拟分析及计算功能存在使用困难、特殊问题不能解以及结果不可信等问题。其次是功能块中各子模块之间发展应用也不平衡,如水力计算中水系统计算一般比风系统更为成熟,图形绘制中二维图形生成又远比三维图形快捷。上述种种不均衡现象必然造成CAD系统内部的“瓶颈”,导致系统整体水平的下降。

2.2系统内部数据交换能力差

系统内部数据交换能力差,一方面数据大量重复冗余,另一方面相互之间交换数据只能通过各自的输入/输出接口人工完成。现有暖通空调CAD系统三大功能块之间往往是相互独立的,建筑条件等有关信息在各块中重复输入与储存,而图纸绘制所需设计阶段的计算结果又需以另一格式重新输入。即使在功能模块内部各部分之间也难以实现数据传递,如按不同空调系统设计负荷,再将各系统负荷分别应用于空气处理设计这项似乎较为简单的工作也不易实现。系统内部数据通讯能力的低下,将在最主要的程度上阻碍CAD系统的进一步发展。

2.3系统相对封闭

系统内部适用条件、功能、运行模式在开发完成时即已固定,一旦实际情况与预定设置不相一致则难以应用,更不具备增加新功能、补充新数据、提供新知识的扩充能力。如现有暖通空调CAD系统只提供个别负荷计算的公式,并严格规定输入格式,若出现新的需求则无法运行或结果荒谬。而整个系统的外部接口相对固定,与相关系统之间无法直接交换信息,同时也降低了自身的兼容性。现有暖通空调CAD系统难以从建筑等相关专业直接提取所需信息并将有关管道布置等信息传递至其他专业,而且系统之间往往互不兼容,限制了其使用范围。这种相对封闭的系统结构已越来越不能适应工程设计千变万化的需要。

2.4用户界面友好程度低

目前CAD系统在很大程度上仍是以软件而非以用户为中心,用户界面及其开发处于次要的地位。暖通空调CAD系统在孤立、封闭的前提下,设计计算和模拟分析功能块一般是围绕程序进行的,图纸绘制部分则往往是在AutoCAD界面的基础上进行简单的加工,均非真正意义上的界面。至于在可视化、操作优化及容错性诸方面,界面功能也存在很大的缺陷。界面友好程度的提高是增强CAD系统实用性、实现用户与程序逐渐分离的必然要求。同时,目前的暖通空调CAD系统还存在智能化程度低、数据不标准、开发重复且不规范等问题。产生上述问题的原因是多方面的,而提高暖通空调CAD系统集成化程度成为解决现存问题、增强系统功能的关键。

3、暖通空调ICADDE的概念

3.1含义

所谓集成,目前尚未出现准确完备的定义,本文拟将其分成两个层次进行分析:狭义的集成概念一般认为是在CAD内部各子系统之间、各设计阶段之间充分实现信息共享、数据互传、操作一致,其关键问题包括工程数据库、数据交换标准与几何模拟等方面,这一层次相应的系统可称为集成化的CAD系统(ICAD),而广义的集成概念不仅包含上述集成化(Integrated)的内容,还应实现目前CAD系统的交互式(Interactive)、智能化(Intelligent)及网络化等目标,即认为交互式是CAD软硬件系统通过界面与用户的集成,智能化是CAD动态系统与静态固有知识的集成,网络化则是CAD系统多用户、多阶段、多目标的集成及与其他计算机系统的集成,这一层次相应的系统成为一个可供CAD开发应用的基础平台,因此可称为集成化的CAD系统开发环境(ICADDE)。作为ICADDE在暖通空调工程中的有机应用,暖通空调ICADDE应包括上述两个层次集成化概念的所有内涵并充分实现暖通空调设计与CAD系统各项功能。

3.2学科背景

目前信息科学等新兴学科在自然科学技术体系中的地位尚在讨论之中,现综合现有学科分类与定义的有关资料。

其中,技术层内列明的现有相关新兴科学技术理论为暖通空调ICADDE的研究与开发提供了工具并指明了途径。

4、实现暖通空调ICADDE的主要途径

4.1暖通空调设计信息流分析

暖通空调设计信息流既是现实世界设计活动的抽象,又是CAD系统与ICADDE的开发基础。信息流的分析为软件开发的原型系统确定了功能模型,决定了ICADDE的集成方式和相应的软件结构和功能结构,并为交互式、智能化和网络化等功能概念的实现提供了现实依据。为了区分不同性质的信息,这里将设计对象视为“状态”,而将从原始资料、设计要求和约束条件构成的初始状态到中间状态再到目标状态的一系列活动视为“过程”。上述结构适于暖通空调的整体和局部设计,在此基础上将“状态”和“过程”两部分信息进一步详细描述,就构成了建立原型系统等所需的信息流。

4.2集成方式

系统集成方式一般需根据集成要求、集成内容及集成数据量等因素确定。现有几种集成方式中以用公共界面集成和用工程数据库集成两种方式较为通用,其中前者允许用户在一致的界面下以相同的方式调用不同的应用程序,数据具有一定的独立性而仍面向应用。

暖通空调设计各个阶段均包含大量图形处理的内容,而且大部分工作是围绕建筑条件图进行的,图形主体部分较为单一。根据这一特点和暖通空调CAD系统的集成需要,暖通空调ICADDE可采用面向图形的用户界面集成方式,即把整个系统中有关图形处理的部分提取出来,优先与用户界面结合。其结构可综合暖通空调CAD信息流采用这种集成方式,图形处理的部分可独立于设计计算与模拟分析部分,优先进行图形绘制工作;而建筑条件图及暖通空调系统、平面图等典型图形还可成为界面的一部分,在图形上选定对象,通过用户界面调用数据库管理系统与应用软件进行处理。如设计计算中最重要的负荷计算,可在建筑图上指定典型区域(如层间及房号),调用数据文件描述其墙体、门窗等特性并调用计算模块求解,最后可在图上将典型区域的计算值扩展至同类房间。这一结构充分实现了面向对象的思想,并符合现行暖通空调设计方法和过程。

4.3开发方法

对于开发周期长、协调关系多的复杂软件系统,其开发工作必须在遵循和利用标准规范的前提下,采用软件工程的方法进行。目前最为常用的软件工程方法有结构化生命周期法和快速原型法等,而后者是在前者基础上发展起来的。

快速原型法的主要特点是在建立原型系统的阶段构成一个局部反馈循环,尽快建立一个具体的系统模型并不断对其进行修改与完善,该方法开发周期较短并易于调动各方人参与。暖通空调ICADDE开发以快速原型法为主体进行,其关键仍在于原型系统的建立,包括系统的主要功能及系数的重要接口。而就暖通空调CAD本身而言,建立的原型实际上就是功能模型,即系统应当完成的功能及操作方法。

5、结语

暖通空调CAD系统是一个典型的计算机化信息系统,集成的内涵在于系统信息模型中信息的共享,前述ICAD和ICADDE即CAD系统内部与开发环境中的信息共享。这一概念还可扩展到ICAD和ICADDE的实现过程,将其视为一个更大的信息系统进行考察。充分运用建立在信息理论基础上的集成观点,对于集成化的暖通空调CAD系统开发环境的分析和实现,无疑是非常有益的。