图形化编程语言及其支持工具昆虫智能建筑

文摘

新兴的昆虫智能建筑(我²B)在智能建筑平台开拓一个新的领域。我²B有一个分布式和去中心化的网络结构与智能节点,和关键的推动者是一个应用程序(APP)函数来处理信息的智能节点和完成复杂的控制任务在一个分散的网络。我来开发应用程序²B,一个合适的编程语言是最重要的目标;然而,现有的编程语言由于我不能直接应用²独特的结构和应用领域的区别。本文旨在提供语言支持直接和我友好的发展²B的应用。我们提出一种图形化的编程语言,适应我的工作特性²B和建筑用户的习惯。具体地说,我们首先分析域的特征提出了语言和现在一般编程语言模型与一个激励的例子说明。然后,我们调查详细设计、图形元素的定义和用法。此外,我们实现一个原型支持图形化编程语言开发我的工具²B的应用。此外,我们使用应用程序的例子建筑的恒压控制的有效性评价我们的工作。

1。介绍

智能建筑可以为用户提供一个高效、舒适、方便的以用户为中心的建筑环境通过整合现代科技和优化建筑物的结构和管理(1]。随着人们的舒适和安全的持续改进需求和建筑控制要求的增加,传统的智能建筑控制系统不再足够了。一个名叫昆虫智能建筑(我分散建设平台²B)已经开发成一个新的实现形式的智能建筑系统,自组织的优势,即插即用,分布等等2]。我的应用程序(应用程序)²B是控制程序来控制和管理建筑和提供建筑服务。因此,应用的发展是一个关键部分,以确保有效和稳定操作的我²b这也意味着需要一个友好的编程语言的应用程序开发者²B社区。此外,在开发过程中,这种编程语言可以适应的领域需要应用程序开发人员和轻松地构建系统和用户之间的沟通桥梁。因此,研究一种编程语言,可以更好地满足应用程序开发者的需求和我²B运行特性是一个重要的问题。

主流编程语言主要分为四个部分:汇编语言,C和其他高级母语和虚拟机器语言(3- - - - - -5]。然而,现有的编程语言不适合我的发展²b .一方面,建筑工程师和业主的主要用户阶段构建配置和使用。他们需要的编程语言开发一个设备控制策略,实现个性化定制,但是他们没有较强的编程能力。汇编语言、高级母语和虚拟机语言主要是面向计算机水平,专注于性能目标,因此寻求效率为代价的人性化和美学。此外,专业使用规范学习和实现成本高导致建筑用户的一个沉重的负担。

另一方面,建筑是关键元素的域对象编程和开发工作应重点关注。此外,分布式、并行和即插即用的特点²B地方高要求应用程序的发展。因此,虽然传统的编程语言是全面的,他们无法解释建筑控制在一个适当的方式。

领域特定语言(dsl),面向一个特定的域和可以清楚地描述域对象,应用在某些领域(6,7]。在许多类型的编程语言,图形化编程语言具有很强的可读性和简单的语言规则,从而大大减少编程的阈值。经过长期的发展,图形化编程语言已经被广泛接受,应用在不同的应用场景,形成许多图形领域特定的编程语言(8- - - - - -10]。尽管现有的划痕(11)教育和G (12测量和控制是非常受欢迎的,他们很难满足我的需要²B应用程序开发的图形元素的可理解性和可读性,硬件性能要求、并行性,等。此外,这些语言描述控制我的行为有一定局限性²由于不同的领域需求和意图。

现有的编程语言不能被有效地应用于给我开发过应用程序²b。因此,建立一种新的编程语言,适应我²B平台和开发人员习惯的建筑成为一个重要和富有挑战性的问题。

应对这些挑战,现有的工作(13)提出了一种图形化的编程语言描述的分散建筑智能系统和图形元素及其接口的设计。虽然这种语言可以描述的恒压供水系统的控制设计图形元素,设计过程中缺乏可靠的支持和指导,并提出语言缺乏支持和验证实际的工具,这使得语言很难成为有效的开发系统。

在本文中,我们提出一种新的优化图形领域特定的编程语言,因为我²我们进行分析方面的领域特点和语言模型来支持建立语言元素;此外,我们设计和开发支持工具²图形化编程语言和做一些验证。主要贡献如下:(1)我们所知,我们是先锋,建立我的编程模型²根据其特点及编程需求(2)我们设计一种图形化的特定于领域的编程语言,因为我²B和提供图形元素的定义和使用(3)我们实现一个原型支持工具能够支持图形化编程语言和graph-to-text转换(4)我们做一个实验,提出语言适用于一个示例应用程序达到恒压控制建筑的供水系统来验证有效性和比较实验来评价我们的工作效率

剩下的纸是组织如下。节2介绍我的背景²B和相关工作。我们还提供一个激励的例子引导本文的解释。然后,我们分析域特征和编程的要求我²B在节3。我们给出了域模型和编程模型的通用编程语言模型²B在节4。节5,我们将讨论我的特定于域的图形化编程语言²B从设计概念,图形化定义,和正式语言元素的定义。然后,我们提供原型的实现过程支持工具的语言部分6,和一个示例应用程序使用语言及其支持工具和一些讨论提出了部分7。最后,我们总结论文部分8。

2。背景和相关工作

2.1。昆虫智能建筑和它的应用程序开发方法

昆虫智能建筑(2,14,15)是一种新型的智能建筑分散的网络结构。我²B是基于建筑物的空间分布和作为整个建筑机电系统分散的网络连接通过构建空间单位和大型机电设备。图1显示我的结构²b .每个建筑空间单元和机电设备对应一个智能节点称为尼共(计算过程节点),其中包含一个标准的信息模型,可以标准化,在大量生产。标准信息模型集成和管理建筑空间的各种类型的信息单位和大型机电设备。

尼共连接即插即用的方式根据建筑空间的拓扑关系,和尼泊尔共产党都是相等的,形成一个分散的网络。相互关联的cpn进行并行计算基于网络通信,构成一个分布式并行计算平台。

如图1,我的应用程序商店²B是一个算法图书馆和信息平台包含大量的应用程序在云中,封装智能建筑控制算法。APP store也是一个开放的社区在智能建筑领域,开发人员可以上传他们的应用程序在操作和维护经理或构建用户可以下载合适的应用程序商店,使建筑更加智能地运行。

目前,我²B项目取得了一些显著的成果,如智能控制节点硬件尼共,我的操作系统²B TOS(事情的操作系统),各种我的开发和实现²控制算法。此外,一些应用程序和实际的测试项目已经意识到,我的优点²B平台验证。

我²B解决问题的“实用性”和“普遍性”的传统集中式建筑自动化系统的实际应用。其分散结构超越了传统的系统设计模型,消除了需要建立一个中央监测站,提高控制系统的容错和应对变化的能力。我²B具有高效共享的特点,自我认同,自我组织,self-coordination,操作简单,容易转换,容易扩张,有效地解决了传统建筑集中控制系统所面临的困难,满足现代智能建筑的新需求。

TOS献身于我是一种分布式操作系统²B平台,用于计算资源的调度,任务流程管理和我的操作²B算法。服务条款提供了一系列api(应用程序编程接口)。通过这些api,变量等功能管理、定义或引发序列的计算任务,并获得计算结果可以实现(16,17]。通过使用API定义指令序列并行计算任务序列,控制和管理理念的建筑工程师可以转化成尼共计算网络的代码可以理解和执行。

我的²B应用程序是一个程序,实现实时优化控制和数据分析建筑空间和机电设备。这是一个并行计算任务序列基于编辑提供的API服务条款。服务条款所提供的API接口是开放的,所以开发人员可以使用C语言编辑这样一个操作系统上的应用程序根据建筑控制逻辑算法,然后通过TOS编译C程序,下载到尼共平台运行,实现建筑控制和管理。各种控制建筑的管理功能,如空调系统优化控制(15[],冷却器组控制18),和传感器故障诊断(19),可以开发为应用程序下载和操作失误。

然而,基于C语言的编程方法过多关注底层细节和代码结构而不是顶级应用程序逻辑,抽象和编程水平很低。开发人员需要建立我²B应用程序从底部和依靠经验,确保程序结构的合理性。编程工作是繁琐的,程序是不容易修改和维护。此外,C语言不提供语言元素对应于我²B域抽象,所以建模²B域对象将会非常复杂。因此,基于C语言的应用程序开发方法需要开发人员有很高的编程技巧和我²B领域知识,这使得应用程序开发的门槛更高,它是困难的为基本的用户没有开发经验加入,导致整体发展效率低下和浪费资源。

与我的开放和普及的扩张²B,从事我的工作人员²B开发活动不再局限于系统工程师,但逐渐扩展到公共的操作和维护经理,家庭,等等,最容易接受和理解公众的图形编程。因此,如何充分关注应用程序开发人员和为他们提供一个友好、简单、直观,低成本、高效的图形化编程语言已成为一个新的挑战,我要求²B。

2.2。图形化编程语言和建筑控制

介绍相关工作,我们首先推荐几种流行的图形化编程语言和工具。然后,我们深入研究编程语言在建筑领域的控制。此外,我们介绍一些学术研究在建筑设计阶段,智能生活环境。

领域的图形化编程语言和应用程序,有一些著名的研究工作产品:划痕(11),一种图形化的编程语言和工具由麻省理工学院开发的,是专为孩子们计划在一个简单的和简单的方法。划伤的主要功能是实现小动画或小游戏编程和操作图片在电脑上。谷歌块(20.)是由谷歌开发的图形化编程语言教育的儿童节目。建立在网络技术,它通过拖放编辑应用程序编程模块,类似的功能和设计。尽管划痕和谷歌阻止广泛应用于教育、编程的形状块不包含语义,和孩子需要理解编程上的词块来区分他们的功能,所以编程模块的可懂度不高。此外,由于使用控制流语言并行性较低,很难支持并行计算模式所要求的我²B CPN网络。Squeak Etoys [21]是一种编程教学环境用一个简单的描述对象模型和强大的能力。程序写的拼接图形块,但图形块也以文本的形式设计,使该项目不是直观的和可以理解的。语言G (12),虚拟仪器的图形化编程语言,由国家开发工具,使用虚拟仪器(VI)组件程序的控制仪器和数据采集。因为语言G用于编程的基本元素是条款和图标熟悉测试工程师,如各种旋钮、开关、波形,界面非常直观。然而,虚拟仪器的硬件性能有很高要求访问设备。例如,传感器需要完成数据输入通过一个特定的数据采集卡,这是困难的对于普通低功耗传感器设备和cpn的我²B访问虚拟仪器。NXT-G [22]是一种图形化编程软件开发的乐高。它使用一个数据流语言和可以连接物理设备来构建应用程序。以及nxt - g,是一种专门语言,只专注于运动控制,所以很难支持CPN网络编程,不能扩大本身,所以其实际能力是非常有限的。

尽管这些语言是易于使用和受欢迎,一般而言,他们关注的领域是不智能建筑,和他们不能有效地描述建筑控制任务。因此,这些语言应用到我²B将产生一个不匹配的领域,更多的成本,降低效率。

建筑领域的控制,传统建筑的大多数自动控制应用程序主要是实现由PLC(可编程逻辑控制器)。有三种PLC图形化编程语言,包括梯形图(LD)基于机电组件、功能框图(增)基于电子元件,和顺序功能图(证监会)基于低级编程。他们在IEC61131-3标准中定义23),已经被广泛接受,应用于控制社区。与分散的增加需求和智能系统控制功能,IEC 61499标准出现了。新标准定义了服务接口功能块(SIFB),有效地扩展了通信能力的IEC 61131 - 3在分布式系统中,使分布式PLC控制有一个真正的实现路径24,25]。然而,今天的智能建筑,尤其是我²B,从设计、施工到维护和管理,涉及更多的设备和更复杂的控制工艺与设备,环境,和并行网络。PLC的图形化编程语言的限制固定PLC的硬件和模式也可以灵活地应用于其它控制对象,它们也支持抽象对象的编程开发建筑空间在我单位和机电设备²b .此外,他们主要是电气工程师,和阈值高,很难提供良好的友好和易于使用。

在建筑设计阶段,汗et al。26)提出一套基于规则的算法,利用可视化编程语言(VPL)进口元素,如自适应组件、横梁、阁楼和国内组件为CSV文件自动生成几何条件BIM和可视化的潜在风险和安全资源安装。然而,它的图形元素主要代表了实体在土木工程建设,这不同于物理对象(如空间单位和建筑空调系统控制在某种程度上,和VPL很难代表分布式和并行计算的特点。康等。27)提出一个有效的BIM-integrated对象查询方法使用LandXML和国际金融公司和定义对象类型和一个简单的查询语言查询所需的对象。尽管查询语言的基本元素包括建立成员,服务设施如空调系统和对象类型,和属性如总面积相关建筑空间规划,它使用类似于SQL SELECT子句的语法定义,和图形化编程的特点并不强。

此外,一些研究人员专注于智能建筑的居住环境。Desolda et al。28)提出新的运营商定义规则结合多个事件和条件和约束规则激活用于构建智能对象。虽然它可以为最终用户提供交互式工具,允许他们定制智能空间没有被迫理解技术问题,智能对象和cpn和之间的差异数据格式的异构性,很难适用于我²应用程序开发。一轮et al。29日]提出We@Home,智能家居控制移动应用程序,游戏化元素管理在智能家居的智能对象。它的主要功能是使一群人生活在相同的环境中(如一个家庭)合作,在我²B用户通常单独控制设备,所以这种方法不适合我²b . Ardito et al。30.]目前任务自动化工具EFESTO基于物联网技术和终端用户开发(EUD)范例,提供新颖的视觉交互范式使终端用户能够轻松地表达规则为智能对象的配置。然而,这个工具主要是针对老年用户和智能对象的配置规则非常简单,参考价值有限的用户需要开发相对复杂的我²B的应用程序。

这些研究显著提高效率和质量的建筑设计和施工管理阶段。然而,由于他们的不同特点和不同取向域的需求,这些研究结果不能直接应用于建筑领域的控制。特别是,我的特点²B和其用户制定更专业的需求比上面的研究。

因此,现有的编程语言不能提供直接开发方法和适合我的控制任务的描述²B,很难实现一个高效的开发和编程的我²b .因此,一个高效、实用、友好的编程语言对我的支持²B是必要的。

2.3。激励的例子

应用程序运行在我的平台²B实现设备控制和优化操作算法。我们提供一个激励领导解释本文的示例。这个示例案例涉及建筑的供水的恒压控制系统(14]。(1)情况描述:给水系统是建筑最基本的系统之一。确保供水的质量对于大型建筑和避免水压力不足的问题造成的大规模的水平和垂直管网络,供水系统配有压力泵。泵控制其转速根据水管压力的返回值在每个地方,完成增加或减少的压力,确保供水系统是稳定的,安全的,可靠的。典型的建筑给水系统图所示2。水管道,管道,泵供水功能子网。水管网的分布在建筑空间内的单位和应对不同的尼泊尔共产党,而泵响应另一个尼泊尔共产党。压力传感器属于尼共的空间单元,和它的测量参数绑定到标准的信息模型。虽然不可能测量压力值在每一个位置的水管,两端的测量值可以通过标准的信息模型的空间单元。水泵可以获得的值通过网络传送到监控和调整水管网的压力。(2)控制策略:定期启动压力测试执行。最后如果水压力低于设置值并持续一段时间,泵转速应该增加。当低压结束的数量增加,转速应该增加更多。类似地,减压控制执行相反的过程。泵转速成正比的和水压力和集值之间的偏差。(3)发展中困难:供水系统是基于我的平台²b .适应特定的系统结构,开发项目遇到一些困难:D1:如何实现泵的控制和空间的单位,好吗?D2:如何实现采集的压力?D3:如何实现供水系统的集成运行?D4:如何实现操作和计算的信息吗?

3所示。域分析我的编程²B

3.1。域特性分析应用程序编程

针对上述问题,提出了我们的方法来设计和开发一个图形化的编程语言和工具²b .构建DSL,有必要了解域的特征。清华大学建筑学院(31日- - - - - -33),中国科学院建设研究(34,35)进行了一系列的现场调查的当前状态的商业公共智能建筑在中国。这些调查指出存在的问题并分析原因。人的因素是一个非常重要的原因,其中最明显的部分是施工人员和管理人员。此外,因为直接用户编程语言的人的建筑,它们是源语言设计的目的。因此,本节咨询智能建筑的相关调查结果,结合调查结果与我的研究工作²我们首先分析用户的特征和需求,然后总结的编程要求我的新的特点和要求²B平台。如表所示1域的分析对象是我的用户²我的作品²B本身。我的编程要求用户²B如下:

(1)建筑工程师:他们完成工作的关键在配置阶段的建筑,如暖通空调、供水、和分布。他们了解建筑控制系统,但没有这样强大的编程能力。他们需要实现复杂的建筑控制任务的要求高效、简单,方便发展。(2)构建管理人员:管理一个智能建筑离不开建筑管理人员。他们人执行的工作操作,维护和管理维护建筑物的正常运行。他们不具备计算机能力和编程所知不多,而他们已经熟悉的情况和使用服务。全面管理和紧急恢复正常工作;因此,一个简单、快速、方便的操作方法是他们的要求。(3)房间主人:房间的主人可能是居民住宅和商业建筑公司或人。大多数业主没有编程的能力,但房间配置需求,需要个性化定制需求的空间环境。(4)程序开发人员:我²B是一个开放的平台,欢迎大家参与。程序开发人员有很强的编程技巧和丰富的开发经验,为发展提供活力的来源,尽管他们不属于我的领域²b .建筑物的缺乏知识和我²B可能成为一个障碍,所以他们需要一个开发方法与一个明确的和可以理解的描述建筑。

虽然用户有不同的身份,多数,作为最终用户,没有较强的编程能力,但一个公平的对建筑的理解。因此,一个简单的、抽象的和友好的语言是必要的;与此同时,语言应该能够直观地描述建筑项目开发人员对我知之甚少²B。

我的编程平台的需求²B如下:(1)无心网络结构:我的结构²B是一个分散的网络,每个尼共等于没有控制中心。此外,每一个与邻国尼泊尔共产党只有连接和交互来实现分布式计算。基于这种结构,控制策略还应该设计分布式和并行的方式。(2)建筑环境:环境是建筑的重要组成部分,反映了用户的需求,并有系统的行动。环境的变化导致的变化控制策略,这被认为是一个事件驱动任务(36]。建筑中有大量的传感器测量环境条件,可以驱动的事件驱动任务来源。(3)建筑信息模型:标准的信息模型是绑定到每个基本单元,代表所有参数空间单元和机电设备的终端设备以及写入数据终端设备。通过标准的信息模型,系统可以直接访问数据的设备来控制他们。(4)应用商店:APP store是中心,各种控制算法的存储和独立于我的结构²b分离的硬件和软件提供很多好处,使应用程序开发独立于具体的硬件平台(37]。此外,它提高了声称应该通用和可重用的应用程序。

我的作文²B表明,一些基本的操作机制,如网络并行性、事件触发、开放的接口和软件,是分别进行。此外,我的基本机制²B应该体现在语言parallel-supported,事件驱动的,开放的和可伸缩的,独立于平台的特点。

3.2。分析编程的需求

根据我的域特性分析²B,可以得出一个结论,我的图形化编程语言²B应该遵循两个基本规则定义如下。

面向终端用户:充分考虑用户的背景因素(38),专注于编程技能较差的关键人物,使语言高度抽象,简单、合理,易于阅读,易于使用,为可视化提供一个完全友好的方式,思考,和操作。

特定领域:设计的内部和外部特征域,包括以下两点:(1)施工特点:结合外部性能和特定于域的元素,如房间,摘要(空气处理单元),水泵,配电箱,和描述建筑以一种清晰、友好、全面。(2)我²B的操作特点:结合的内在性能和寻址操作原则和并行性,分布和集中。

4所示。一般编程语言模型

一种图形化的编程语言的核心元素是静态图形元素和动态连接关系。结合我的域分析²B,在本节中,我们首先总结域模型状态的关键元素²B和编程语言。然后,基于领域模型,我们描述的关系编程语言领域元素通过构建的编程模型。

4.1。域模型

域模型是一个可视化表示的概念在昆虫智能建筑类和对象。通过抽象昆虫智能建筑中的特定元素和代表之间的关系域元素,编程语言元素和元素之间的联系我²B是促进。域模型图所示3。

定义1。基本单位是我的基本要素²B,代表两种尼共对应于建筑空间单元和机电设备。

定义2。终端代表了终端设备基本单位建筑空间的单位和大型机电设备和绑定到标准的信息模型。
每一个基本单位可以有多个终端元素,作为建筑空间单元终端设备和机电设备的控制组件。他指的是激励供水系统图的例子2、水泵和每一个空间单元可以调用基本单位。此外,管道内的空间单元的结束;因此,它可以被视为一个终端的基本单位。
每一个基本单位有一个标准的信息模型,包含多个信息模型元素来存储参数和状态数据。依赖于数据终端在基本单位,每个终端可以提供几个参数,如结束的压力管道是一个参数的标准信息模型在建筑空间基本单位。

定义3。地区是一个相对独立和完整的功能网络由多个基本单位在智能建筑。

定义4。终端组是一家集一些相同的类型的吗终端设备。
一些终端属于同一的元素基本单位元素可以形成一个终端组同步控制,所有的终端是继承了终端组。类似地,一些相关的基本单位可以形成一个地区,每基本单位是遗传的地区。如激励的例子所示,泵和单位组成的空间以及属于供水系统。

定义5。集团是一家集地区和终端组年代,指相关元素的集合。

定义6。个人是一家集基本单位和终端,指的是单个元素集团。
的地区和终端组代表一些元素的集合,而基本单位和终端代表的元素。因此,收集部分集团和元素个人。这些概念描述的两个核心抽象部分建立域对象。
构建一个集团与个人,需要一些约束条件,他们依赖于模型元素的信息。一个约束条件是由一个或多个模型元素的信息。
集团和个人对应于两种图形元素,图形元素的另一种操作。操作依赖于标准的信息模型,因为所涉及的操作大大读/写或计算中数据的信息模型。
每个图形元素都有一个或多个配置,这些配置属性通过改变数据标准的信息模型。因此,它使配置取决于信息模型。

4.2。编程模型

编程模型是一个具体的映射域模型的实现水平。它代表了语言功能块之间的层次结构和连接关系领域的抽象的元素²编程模型如图4。

一个应用程序的我²B可以包含多个地区,基本单位操作,这些元素可以连接到对方。

一个地区可以包括地区,基本单位年代,和操作,这些元素在一个地区可以连接到对方。

一个基本单位可以包括终端组和操作。一个终端组可以包含多个终端相同类型的,但不包含操作表演。

在这里,影响数据的操作元素表示一个集合或流程。一个终端设备的操作体现在读写数据的基本单元的年代标准信息模型;因此,不需要特定的操作元素连接到终端。

5。图形化编程语言的设计

处理的发展困难激励的例子2和基于通用编程语言模型中精炼出来的构成智能建筑在物质世界中,此部分介绍了设计概念和定义的图形元素支持图形化编程语言。

5.1。设计图形元素

如激励的例子所示,我的基本组件²B是建筑空间的单位和大型机电设备视为智能尼共节点。每个尼共节点有一定的计算能力,包括多个传感器或控制设备和被绑定到一个标准的信息模型。节点在不同功能区域共同形成一个完整的功能网络。另外一个例子,空调、冷却塔、水泵、交换机、和终端设备组成一个空调和冷却功能子网。

图形编程元素之间的映射关系和我²B平台如图5。如果功能子网被认为是一个社区,那么每个机电设备和空间单元是社区的一员,所以上层的面向功能的控制是通过设计社区块(CB)和成员块(MB)。智能建筑是和打包与大量的传感器安装在房间和设备完成收集和测量环境和系统的各种参数。测量数据保持在标准信息模型在每一个节点。可以读取和写入数据计算和处理后实现终端设备的访问和控制。终端设备及其相关标准信息模型中的数据被表示为一个接线盒(结核病)。处理数据的提炼成一个操作符块(OB)和控制操作的实现过程是提炼成一个过程块(PB)为了使控制过程明确和容易阅读和理解。最后,我们添加一个可定制的块(宝宝),是一个完整的包,根据构造函数来隔离程序与不同的功能。

相应的激励的例子部分2、成员块针对D1、接线盒指着D2,社区块设计在D3,操作员D4块一起过程块地址,和可定制的块是一个实用性和简洁性。

根据上述信件,图形元素的图形化编程语言分为操作员块,过程块,接线端子,成员,社区,和可定制的块根据实际的和功能的比较关系。每个元素块有一个基本的图形。区分他们凭直觉,根据不同的功能和结构,象征,人物,和设备表示匹配在基本图形进一步描述和区分元素的分类下的模块。开发人员可以执行自定义扩展的图形元素库基本图形的基础上,结合应用需求。

5.2。图形编程元素的实现

基于智能建筑的组成物质世界,现实世界的元素可以被映射到编程语言的元素,从图形元素的分类。我们设计的图形元素的分类和示例如表所示2。每个图形元素都有一个基本的形状,可以更具体描述与更多的符号。

(1)社区块:对应的子网实现一个相对独立和完整的功能分散的建筑体系(2)成员:对应于体系结构构建空间单位和大型机电设备,包括六大类和各种各样的成员块,可以进一步细化(3)可变块:对应输入和输出物理量作动器和传感器的智能建筑(4)操作块:完成最基本的和先进的计算算法(5)过程块:支持的编程结构和显示数据的流程进展明确提出控制流(6)可定制的块:封装功能程序和支持文本代码封装和图形程序封装

5.3。正式定义的图形编程元素

表2介绍了基本图形元素的图形化定义,这是一个直观的理解和实现。为了方便代码的实现,需要正式定义的图形元素,可以定义多个数组的形式。

显然,每个元素都有一个最初的基本定义,这是元素的基本组件。每个设备的智能建筑系统与标准的信息模型;因此,标准的信息模型定义中应包含一个元素,这样设备的信息可以通过元素简单阅读和操纵。

定义7。基础= < N,一,我,L, C、F >是最基本的元素组,在哪里(我)N意味着名称识别图形元素的名称(2)一个意味着识别属性类型的属性如元素类型、状态和数据类型(3)我用于存储图形图标意味着图像信息并显示图形信息,比如他们的形状,颜色和大小(iv)l意味着识别连接状态和连接的链接对象(v)C意味着代码对应于图形元素的调用方法的代码(vi)F意味着国旗和存储状态标志如选择,连接,和转换,应对状态变化的元素

5.3.1。操作块(OB)

块操作完成最基本的计算等数学运算,逻辑运算,所涉及的参数操作,支持自定义的扩展封装算法对分布式网络计算和先进的算法。其主要内容包括数学运算:加、减、乘、除,权力,积分,微分方程,比较,随机,近似逻辑操作:和,或者,不,XOR网络操作:同步发送和同步接收参数:常量、变量和类型转换自定义函数:高级算法如最大值、最小值,设置操作,生成树,迭代,矩阵计算,最速下降法、牛顿法、遗传算法和神经元算法

其中,网络操作块为并行网络计算和设计用于在社区成员之间交换信息。同步发送时,每个成员发送数据给所有邻居同时不执行其他操作。当同步接收,每个成员同时从邻居接收所有的数据到本地。这些过程都是邻居,也就是说,他们只与成员实际上是连接到交换数据。这个操作在并行计算可以有效地完成数据交换没有显式地发送和接收对象,从而实现高效和简单的编程。

定义8。OB = <基础,开放的>是一个操作块定义为多个数组,在哪里(我)基地指的是基本元素组(2)开放的指的是具体的操作码的计算或算法

5.3.2。过程块(PB)

过程块直观地支持系统编程和显示过程的数据流发展明确提出控制流,包括延迟、循环,循环停止,中断,选择、跳,时间计数,计数。块是展示的关键事件触发的程序可以执行不同的流程。

定义9。PB = <基地,专业>是一个过程块由多个定义数组,在哪里(我)基地指的是基本元素组(2)箴指的是过程控制的具体操作码

5.3.3。接线盒(TB)

Termianl块实现终端设备的读取和控制的基本单位。它代表了两种类型的设备:传感装置收集外部环境系统中的参数或状态改变,包括各种传感器,如温度、湿度、压力、照明,流,气体的成分和浓度,吸烟,和开关和按钮,和执行动作或状态切换的控制装置,包括控制开关,以及各种类型的单一的电气设备,如电灯、音频和显示屏。这些设备存在内部空间单元或机电设备。

定义10。结核病= <基地,森那美>由多个终端块定义数组,在哪里(我)基地指的是基本元素组(2)森那美指的是一个标准的信息模型映射的元素相对应的尼泊尔共产党成员块

5.3.4。成员块(MB)

成员块对应于建筑空间在我单位和大型机电设备²B和CPN的基本划分。它主要包括六大类:空调、水系统、配电、空间单元、消防和安全。各种各样的成员阻塞可以进一步细化为更具体的成员根据不同类型的设备,和开发人员可以动态地维护图形原始库根据实际的操作和维修条件。例如,空调机组包括空调箱、冷/热源、水泵、风机、热交换器和控制器。水系统包括水箱,游泳池,泵和终端。

定义11。MB = <基地,SIM >由多个成员块定义数组,在哪里(我)基地指的是基本元素组(2)SIM卡指的是一个标准的映射信息模型在尼泊尔共产党成员对应块

5.3.5。社区块(CB)

社区块对应于该地区和子网实现智能建筑的相对独立和完整的功能系统。子网中的每个成员包含一些相同的参数,并通过数据交换控制子网的这些参数。社区可以通过设置手动配置其成员或配置的自动识别和相互作用参数。可以自动组织的社区功能子网内的建筑,如地板、空调制冷,水加热、通风、给排水、配电、天然气、消防和安全。

块是由一对符号,叫做社区块开始,社区块结束,可以构成一个封闭的范围来表示一个地区。并行执行的项目在该地区的每一个成员的社区。这是展示任务并行和分布式计算的关键。

定义12。CB = <基地,SIM卡 >是一个社区块定义为多个数组,在哪里(我)基地指的是基本元素组(2)SIM卡 是指的映射的共同标准信息模型的一部分成员在社区内

5.3.6。可定制的块(宝宝)

可定制的块对应于一个特定功能的程序任务视觉简化程序。它封装了一个功能程序和支持文本代码封装和图形程序封装。

定义13。幼崽= <基地,Cus >是一个可定制的块定义为多个数组,在哪里(我)基地指的是基本元素组(2)他因指的是用户定义的项目

6。原型支持工具

在本节中,我们实现了一个原型支持工具的图形化编程语言。领域特定语言的原型支持工具实现设计师(Visual Studio DSL)的Visual Studio 2017。Visual Studio DSL是由微软专门为特定领域的发展。DSL工具包含在Visual Studio SDK和允许开发者设计他们自己的特殊图形工具内置支持模型和关系模型和图形。它可以支持模型验证、规则、交易,等等,并允许开发人员使用VS.NET的一些扩展VSX一起,工具栏和菜单等,可以使用T4文本模板转换工具箱)来生成目标代码(39]。本节提供的开发过程图形化编程工具的原型²B与Visual Studio DSL,处理实现图形化编程和文本代码转换为我²b的开发原型建模领域特定语言的工具主要包括步骤,设置界面表示,开发模板引擎,包部署。

6.1。建模领域特定语言

与Visual Studio开发DSL DSL工具,域模型是DSL的核心,它定义了各种概念和属性的语言代表了和它们之间的关系。域模型类似于语法的DSL和定义了元素构成模型,并提供了规则,将这些元素连接在一起。在“DslDefinition。dsl”文件中,我们使用UML(统一建模语言)来定义的域模型和设置语言元素:运营商块,过程块,接线端子,成员,社区,和可定制的块域类,然后进一步设置它们的属性,包括域类,以及不同域域类之间的关系。域模型的一部分设置如图的图形化编程语言6。

6.2。设置界面表示

等接口表示的图形符号、工具箱、资源管理器和基于领域模型属性窗口。它们代表的基本模型元素中包含的特定信息通过设计师的用户界面。基于建立域模型,我们实现配置图像形状分别为每个域类代表一个语言功能;每张图片已经画在其他工具。properties IconDecorator和TextDecorator设置的图像,用于扩展的显示图像和文本的语言界面图形元素更具可读性。

6.3。开发模板引擎

使用图形语言可以有效降低开发者的负担,但是在最后的控制阶段,图形语言不能直接有效地识别和利用,必须转换为C语言代码,有一个相对较低的抽象级别,可以被尼共操作系统。因此,图形语言的转换文本C语言是一个重要的原型工具的工作。Visual Studio DSL工具提供了一个简单而有效的graph-to-text转换方法,这是一个基于模板的转换方法。它使用T4(文本模板转换工具包)编辑和开发所使用的特定于语言的模板作为一个引擎驱动的图形语言的转换。基于模板的graph-to-text转换的关键是控制标签,都有好几条规定的符号。外的所有元素控制标签直接输出到输出文件,和代码执行两个符号之间的生成结构或动态行为。的形式和使用模板引擎的控制标签如下(40]:< # @…# >指令块:提供预处理指令执行文本模板引擎。< #…# >标准控制块:内容是用来控制模板的流动而不是直接作为模板的输出。它存储控制语句,正常的控制代码由c#或VB代码。< # +…# >类属性控制块:它包含的内容字段,属性,和内联类,允许额外的方法添加到模板,和一些高度可重用的代码通常是存储。< # =…# >表达式控制块:计算表达式的值,将结果转换成一个字符串中包含直接输出对所生成的代码。

我们在LanguageSmReport输入代码。tt文件并保存文件来生成一个转换模板。图7显示语言的一部分转换模板的图形化编程语言。在内容中包含指令块,模板指令指定模板继承了标准类提供的图形化编程语言。使用这些类来创建文本文件模板用于访问模型。的输出指令指定文件类型生成的文本模板”。txt”,它也可以是一个标准的文件类型,如“。cs”,这意味着一个c#文件或其他标准文件将生成。的语言指令导致模板加载示例。语言模型文件和生成根命名语言指向内存中的模型文件。此外,语句控制标签可以直接输出到输出文件,如类型定义声明在图7。

除了指令和模板文件直接复制到模板输出,其余的模板文件包含三个控制块。首先,标准控制块中的内容“< #…# >”是用来控制模板的流动而不是直接作为模板的输出,它向模板引入了控制语句。在这个模板foreach循环开始,每次循环重复,一切遵循控制块重复一次,直到遇到一个控制块包含一个匹配闭括号,即。:< #}# >。“循环控制的项目集合,从模型中提取文件并暴露给用户的语言属性。其次,类的名称是由表达式控制块,由“< # =…# >。“表达式控制块只是它包含计算表达式的值并调用标准的方法ToString ()结果,将结果转换成一个字符串,输出直接生成的代码。第三,阶级属性控制块“< # +…# >”添加方法、属性、字段,或内联类模板,必须放置在每个模板文件。这是可重用的代码添加到模板的最佳方式,因为他们可以嵌入参数化方法,和任何局部变量声明不会冲突与其他模板。为了计算变量的数据类型对应于每个终端模型中的参数值,开关声明应该被使用,但是是很死板的每次重复这个代码开关声明是必要的。因此,我们使用类属性控制块封装可重用的代码作为方法的模板文件。表达块< # = ParameterTypeToType (ParameterField.Type) # >在几个地方使用模板输出正确的类型。

然后,使用这三种类型的控制块,通过循环遍历的域类和转换语言程序,输出的类声明,类型定义和类属性的文本语言完成。文本模板需要迭代不断能够从最小的生成的模板功能最丰富和成熟的模板。在实践中,这样的一个迭代过程也可以用于DSL发展,逐渐增加更多的参数,使模型更有价值和需要更少的手写代码。

6.4。方案部署

为用户图形化程序的编辑器,一个语言工具应该便携和可伸缩的窗口软件没有繁琐的安装步骤以达到真正的友谊。为了实现这一目标,语言开发人员需要一种方法把这些编程语言打包成一个安装包。我们在Visual Studio中使用安装项目模板创建DSL工具”。msi”文件安装包的项目定义语言。WiX (Windows安装XML)是一个开源的工具来创建Windows安装包。我们通过WiX编写XML脚本,声明的所有组件需要包含在msi文件,并提供所需的设置运行msi安装向导。WiX工具可以编译脚本的msi文件并生成一个安装文件,可以安装和部署39]。

7所示。验证

在本节中,我们验证和评估建议的方法来证明我的图形化编程语言²B足以和促进我的发展²B的应用。

我作为一个新的图形化编程语言²B,我们应该回答的第一个问题是语言和原型工具是否可以支持应用程序的开发,即有效性验证。另一个问题是提高生产力的方法,因为我们的目的是提供语言支持直接和我友好的发展²B的应用程序,这意味着验证效率。

7.1。有效性验证

节2,我们提供了一个激励的例子来激励的设计图形化编程语言。在本节中,我们实现这个示例应用程序的图形化编程语言和原型工具。首先,我们画出的图形程序的原型工具根据情况下的控制策略,为我使用图形化编程语言²b。然后,我们解释的编程思想和运行图形程序的过程。最后,我们使用原型设计工具将图转换成文本代码。我的示例实现涵盖了发展过程²B的应用程序,它可以验证我们的方法的有效性。

安装7.1.1。图形化程序

因为整个供水系统的大规模网络,很难计划包含泵和整个网络的所有供水的目的。以网络的分布广泛,因此很难使用配置和项目一个接一个。然而,压力泵的数量很小,和泵连接到水管网。因此,它很容易程序泵和控制系统与社区和并行区域。

图8显示的图形编程界面和图形化编程图减压控制建筑的供水系统。图形编程界面有一个画板,一个工具箱在左边,一个属性窗口底部。图纸是显示区域将图形元素。工具箱提供了图形元素和布线工具,图形元素可以拖的画板。元素的属性窗口显示配置信息时,点击图形元素和支持修改和配置元素的类型、参数和属性。

图的图纸8显示了图形化编程图的压力减少建筑的供水系统的控制。运行程序的过程如下:(1)设置定时器,使泵定期启动水管网的水压测试。定时触发时,泵启动并行交互,构建了水管网络社区通过配置和标准数据集参数,和分发水压力的设定值的成员。(2)所有成员同时执行程序并行地区:比较水压力设置值和测量值P和输出1时和块P>P设置;否则,输出0。定时器超时3分钟后,对比P集和P再次触发,结果值是输出和块来判断是否水管一端不断处于超压状态。(3)并阻止获得两个值后,和结果输出变量s .如果管端维持超压,年代= 1;否则,年代= 0。(4)最后社区块聚合变量的值年代所有成员在一块求和来判断总超压程度的价值总和。(5)如果是判定值之和大于指定的超压限制,泵电机的转速调整到原来的0.8倍;否则,保持速度和一个等待期为下一个程序执行。总超压水管网络转化为度校正泵转速、价值和减压控制供水系统的实现。供水系统的压力增加控制是相似的。

7.1.2。Graph-to-Text转换

图形化程序文本的自动转换程序可以通过转换模板实现。右键单击LanguageSmReport模板文件。tt和单击运行自定义文件生成一个. txt文件包含程序根据目标语言的控制和约束项目模板。转换结果如图9,变量nodeType对应的标准信息模型参数和代表成员块的类型。当nodeType= 0,它代表了水管的端员块,当nodeType等于1,它代表了水泵成员块。总和是一个函数,总结变量variate_s在社区的所有成员。

7.2。效率验证

来验证是否该编程语言可以为用户提供简单和友好发展的支持我²应用,我们进行对比实验来评估在实际使用过程中效率。

7.2.1。实验方法

我们采用对比实验的方法。实验参与者4研究生从我们的研究小组。他们有基本的编程经验和有一定了解的我²操作和控制方法。参与者被随机分为两组,使用C语言编程和拟议的编程语言。首先,每组接收培训相关的编程语言和应用程序的任务,然后他们被要求独立制定我的两种典型应用²b我们测量编程语言的开发和利用效率通过培训时间,开发时间,完成学位。

7.2.2。实验任务

APP1(光控制通过的人数):打开灯时实验室整个地板上的总人数超过15;否则,关灯。APP2摘要通过总风量控制):首先,确定当地需求根据设定温度,风量测量每个房间温度,已知函数f1,然后使用需求的总和所有房间空气量和已知函数f2调整摘要风扇;此外,调整风扇转速时温度变化。

7.2.3。实验指标

培训时间(TT):参与者的学习时间编程语言和编程前两个实验任务,代表学习成本和接受程度的语言。编程时间(PT):时间的参与者使用编程语言开发应用程序,代表使用成本、语言的接受程度,和效率。原型支持工具不是一个成熟实用的产品和时间原型工具将图像转换为文本不能反映真实的运行效率;因此,转换时间不计入PT。PT只是时间使用图形化编程语言构建一个图形程序,用C编写文本代码。完成程度(CD):一般正确性程度的C代码和最后的文本代码转换原型工具通过检查逻辑,语法,和功能。当编程的目标明确、一致的,CD越低,越困难的语言用户接受和使用语言,所以这个指标是用来帮助代表了编程语言的接受程度。

7.2.4。实验结果

实验结果如表所示3。

尽管使用了编程语言需要一定的训练时间,编程时间明显短于普通C语言。

提出的编程语言达到更好的效率性能比APP1 APP2。这一发现是因为APP2比APP1更复杂,包含更多的控制机制和语言元素,和提出语言可以描述应用程序任务更简洁、高效,专门为我设计的图形元素²B;特别是,社区集体模块可以很容易地实现并行计算,可以大大缩短编程时间。

两组代表的CD,编程语言可以基本完成正确的编程的我²B的应用。然而,A组的CD是一般低于B组,有限的缺陷的原型工具的转换模板。

7.3。总结和讨论

基于两个验证结果的分析,可以得出以下结论:(1)提出的图形化编程语言可以实现我的发展²B应用和实现转换文本语言通过原型支持工具,这表明我们的方法的有效性;(2)与一般语言相比,该语言可以提高用户的编程效率和更好的友好性和可用性。相比之下,我们的方法可以实现缩短开发时间与一个可接受的训练时间,和完成程度类似于C语言;(3)我们的方法的优点在通用编程语言的更复杂的控制任务。因为语言是专门为我设计的²B,其专用的元素和含义可以有效地减少我的发展的门槛²B的应用,为用户提供直接、友好的编程方法;(4)使用后提出的编程语言中,参与者表达图形化编程语言特定于我²B域相对容易学习和使用,以及智能建筑领域的员工可以参与编程和更好的运用他们的专业知识。

原型支持工具实现了通用图形程序开发和图形文本转换功能,但原型工具的研究仍然需要大量工作,和一些不足需要解决:(1)图形元素的原型工具的工具箱都是人工添加。被认为是类型的元素没有覆盖所有的域类整个智能建筑;(2)图形转换模板引擎设置的精度是不够的。调试后,基本文本转换的情况下可以实现,但它不能支持所有的图形程序转换完美;(3)C编程语言的目标语言文本转换。转换结果的并行语言需要改进,因为转换模板引擎设置和目标语言的选择。

8。结论

在本文中,我们提出了一种图形化的编程语言,编程和昆虫智能建筑的发展。我们已经分析了域特点和我的语言模型²b。此外,我们还专门讨论了设计动机和图形元素的定义,结合系统的特征和背景和相关的开发人员。提出的图形化编程语言可以减少编程的困难和学习成本²B应用和提供的支持并行组控制一组特定于域的友好的编程方法。

此外,我们提出了一个原型工具的发展²B使用图形化编程语言,提出了原型工具的实现过程。最后,我们进行了验证实验。一方面,特定的编程的例子揭示了图和图形程序的含义和实现graph-to-text转换原型工具,这表明图形编程语言和适用性的原型工具的可行性。另一方面,比较实验表明我们工作的效率性能越好。

实际上,本文提出的图形化编程语言只是一个原型设计面向我²B和它的开发人员,而不是全面和充分适当的支持在智能建筑控制方法。此外,原型工具只是在初步阶段,及其进化工程开发环境和一个实际的产品是一个相当漫长的过程。在未来,我们将继续丰富图形编程语言的表达能力,加强支持网络计算等复杂的算法。相反,原型工具的不足,进一步完善图形工具箱的完整性和普遍性的转换模板和添加生成一个更高级的编程语言的能力。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究受到了中国国家重点研发项目(新一代智能建筑平台技术)(2017 yfc0704100)

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