Ein Raummodell für nutzer-orientierte Gebäudeservices

Kürzlich erzielte Fortschritte im Computing haben das Potenzial, nutzerorientierte Gebäudeservices (NOGS) in der Gebäudeautomation und im Ubiquitous Computing zu ermöglichen, welche Komfort- und Informationsbedürfnisse von einzelnen Nutzern befriedigen. Beispielsweise sind Agenten vorstellbar, welche die lokale Innenraumklima- sowie Beleuchtungsqualität aufgrund der Position, Aktivität sowie entsprechender Präferenzen individueller Nutzer regeln. Dieses Projekt untersucht eine NOGS gemeinsame Eigenschaft, nämlich den Bedarf für detaillierte und aktuelle Information über die Konfiguration von architektonischen Räumen, um eine hohe Servicequalität sicherzustellen. Ein eigenständiges Raummodell wird vorgeschlagen, in welchem diese Information zusammengetragen werden kann. Im Gegensatz dazu ist Information über Raumkonfigurationen in bestehenden Gebäudeautomationssystemen oft ungenügend strukturiert, schwierig abrufbar und zu warten. Die Hauptziele des Projekts bestehen in der Spezifikation, Entwurf, prototypischen Umsetzung sowie Validierung eines Raummodells für NOGS. Das Projekt basiert und erweitert bestehende Arbeiten in Building Information Models (BIM) und Location Models. Das vorgeschlagene Raummodell verfügt über einen höheren Detaillierungsgrad als Location Models. Zudem werden mehrere Views und Repräsentationen von Raumkonfigurationen umgesetzt. Diese ermöglichen Abfragen von kleinen Datenmengen des Raummodells, welche auf View, geometrischen und topologischen Parametern basieren. Abfragen sind die häufigsten Funktionen, welche in Bereichen wie Beleuchtung eine kurze Antwortzeiten benötigen. Diese Anforderungen unterscheiden sich wesentlich von denjenigen des Entwerfens, wo BIM hauptsächlich eingesetzt werden. Ein Raummodell-Schema wird in einer Datenbank mit räumlichen Zusatzfunktionen umgesetzt. Ähnlich wichtig ist die Entwicklung von Funktionen für die Automatisierung der Datenpflege. Geometric Reasoning Methoden und bestehende Solid Modeling Bibliotheken werden für die Umsetzung dieser Funktionen eingesetzt. Raummodell-Datenbank und Abfragefunktionen sind Module eines Raummodell-Servers. Für dessen Entwurf ist das Erreichen einer ausreichenden Performance unter Spitzenbelastungen aufgrund von gleichzeitigen Abfragen wichtig, wie sie in grösseren öffentlichen und Bürogebäuden zu erwarten sind. Tests und Vorführungen von prototypischen Umsetzungen des Raummodell-Schemas, -Funktionen, des Raummodell-Servers sowie einer Installation eines nutzer-orientierten Beleuchtungsservice in einem Büroraum werden erste Rückschlüsse zulassen über die Umsetzbarkeit und den potenziellen Nutzen von Raummodellen für NOGS.

Dieses Forschungsprojekt hat Fortschritte in drei Bereichen in der Anwendung von Raummodellen für die Realisierung von personalisierten (nutzerorientierten) Gebäudeservices erzielt. Der dem Projekt zugrundeliegende Ansatz besteht darin, dass detaillierte Raummodelle zusammen mit anderen Kontextdaten wesentlich dazu beitragen können, die Komfort- und Informations-Informationsbedürfnisse von Nutzern besser zu erfüllen als konventionelle Gebäudeservices.Erstens haben wir ein Raummodell entwickelt, welches typische Raumkontextabfragen von personalisierten Gebäudeservices erleichtert. Beispiele sind die Bestimmung des Raums, in welchem sich ein Nutzer befindet, oder von Objekten in seiner Umgebung. In unserem Raummodell werden Relationen zwischen Räumen und Raumobjekten (Fenster, Türen, Möbel, etc.) als geometrisches Netzwerk modelliert. Wir haben ein neuartiges Schema (Datenstrukturen) und Operatoren definiert, um spezifische Raum-Views (bsp.weise für Beleuchtung oder Innenraum-Navigation) aus bestehenden Raumdaten automatisch zu generieren. Wir haben einen Software-Softwareprototypen entwickelt und die Datenstrukturen und Operatoren anhand von Fallstudien von zweiexistierenden Bürogebäuden validiert.Zweitens haben wir einen Raummodell-Server entwickelt, welcher auf dem Raummodell basiert. Der Server verfügt über eine skalierbare Schnittstelle für gleichzeitige Raumkontext-Abfragen durch personalisierte Gebäudeservice-Clients. Die Abfrageoperatoren basieren auf dem Konzept des Graph Traversals und inkludieren Breadth-First, Depth-First, und Shortest-Path Suche.Wir haben Operatoren definiert, implementiert und getestet, welche den Kern einer neuartigen Raumkontext-Abfragesprache bilden.Drittens haben wir die Idee von raummodell-basierten, personalisierten Gebäudeservices anhand eines Systems für Personal Lighting Control (PLC) validiert. Das PLC System fragt ein Raummodell ab, um die künstliche Beleuchtung dem räumlichen Kontext, der Aktivität und den Beleuchtungspräferenzen des Nutzers anzupassen. Wir haben einen Algorithmus entwickelt, welcher im Fall von mehreren Nutzern in einem Raum automatisch Konflikte in der Beleuchtung feststellt und behebt. Wir haben ein Experiment mit dem PLC System durchgeführt, in welchem drei virtuelle Nutzer Arbeitsplätze in einem Testraum in unterschiedlicher Reihenfolge belegen und verlassen. Im Vergleich mit Vollbeleuchtung betrug die Energieeinsparung durch gezieltes Dimmen von Leuchten zwischen 45% (3 Personen anwesend) und 70% (1 Person anwesend).