黎邦军
北京迎福时代数码科技有限公司 100089
摘要：
本文分析了建筑智能化系统的需求和发展，特别指出了互联互通的发展给建筑智能化系统带来了极大的活力，并讲述了互联互通对智能建筑的发展带来的深刻意义。
关键词：互联互通；建筑智能
前言
尽管有关政策在强调对房地产市场的调控，但房地产行业仍然以较高的速度发展着。其中原因之一是地产行业能够带动多个相关产业（钢铁、水泥、玻璃、以及各类机电产品）的发展，而另个重要的原因就是城市化的发展。在行业高速发展的同时，行业中的房地产开发商也面临着来自市场的挑战。
1.智能化系统的需求
城市化的发展使建筑的形式更加多样化。在这些建筑中，按面积大小来看，既有仅仅数千或数万平方米的小型建筑，也有几十万平方米包括了商业、酒店、办公、影院等多种业态的建筑综合体；而针对不同具体应用来看，则有医疗、教育、会展、工业、办公等。为了使自己的产品能够为客户所接受，房地产开发商特别希望自己的产品也就是自己的建筑更有特点，能提供给客户更好的服务，并由此能得到有效或更大的回报。
建筑市场经过几十年的高速发展，在行业中，智能化系统的需求已经有了相当的共识。一般来说，智能化系统规划和配置要求体现“更灵活、更友好、更绿色、更便捷”的特点，业主希望通过智能化系统的这些特点，使智能化系统的投入带来有效的回报：
（１）更灵活：针对不同的业态来考虑智能化系统的规划配置和运营。例如，在一个大型综合体中，对于入住住户、长租、短租客户、商业客户、商务办公、酒店住宿等不同的服务对象，系统的规划、配置及运营模式都不相同。
（２）更友好：对于系统的操作运行人员来说，强调简单、快捷的操作；而对于系统服务的对象，也就是建筑的使用者来说，通过智能化系统，提供给客户一个亲切、安全、舒适、方便的工作、生活环境。
（３）更绿色：通过智能化系统，能够有效控制能源使用，既能够实现减少排放，又能够优化负荷匹配，还能够合理使用再生能源，为建筑绿色运行提供支持。
（４）更快捷：智能化系统中的各系统在独立运行的同时，通过相关系统提供的数据实现系统更快捷的响应，以提供在生活、工作、交通、能源供应等全方位的服务，还可以通过有效的防范体系，保证环境的安全和突发事件出现时的应急处理。
在这里，智能化系统是一个统称，应包括建筑中所配置的多个出于不同目的，实现不同功能、不同类型的系统，这些系统之间既有其独立性，也有一定的相关性。
2.今天的智能建筑
严格地说，今天的智能建筑都是昨天建设的。尽管说智能化系统的规划实施早已有了统一的认识，但由于受技术发展水平的限制、建设时期对建筑业态的认识、以及对建筑运行管理的理解有一定的局限性，在今天来看有很多建筑在运行效果上不尽人意。
众所周知，智能建筑的发展经历了从单一系统设计部署到多系统协同实施的过程。在智能化系统刚刚在建筑中应用时，各系统都是独立实施的。例如，在一个建筑中可能分别独立配置了建筑设备监控系统、火灾报警系统、安全防范系统、视频监控系统……，随着时间的推移，随着人们对建筑功能更深入的了解，不同的系统之间能够实现信息共享或系统交换，以及不同系统之间的联动控制。这就是所谓的系统集成。
今天建筑所应用的智能化系统或智能化集成系统的典型架构如图１所示。由图中可以看到，针对暖通空调及机电设备监控的建筑设备监控管理系统是采用的以一级网络为以太网，二级网络为现场总线网点的两级网络结构，而其他系统（包括火灾报警系统、安防系统、视频监控系统等）则是通过转换网关实现系统集成。
集成的概念早已在二十年前就提出来了，但当时对系统集成的讨论更多的是技术上实现的可能，并由此提出了许多保证系统开放性的做法，而对于集成系统如何针对建筑功能和性能来规划，系统之间的关联和管理如何进行考虑的并不充分。在今天，这一现象在许多正在运行的智能化建筑中普遍存在。集成系统，甚至于智能化系统表现出来的问题包括下列几个方面：
（１）集成系统通过集中管理的方式完成对建筑的管理，管理要通过控制中心来完成； （２）很多系统之间仍然相互孤立；
（３）系统集成实现方法复杂，系统难以维护，造成系统不能充分发挥作用；
（４）对于单一系统，由于系统规划建设时过分强调节约成本，造成系统并不能良性运行，也造成系统作用不能充分发挥；
（５）建筑建成后，后续接手管理的物业公司没有制定针对集成系统的管理流程；
（６）现场人员的系统知识、设备知识有一定的局限性，使系统操作在较低水平，也影响了系统功能的发挥；
（７）控制策略、优化策略更多的是定性而非定量的方式。
可见，尽管几乎所有的业主对智能建筑都有之前所提及的“更灵活、更友好、更绿色、更便捷”的共识，但其所建设的建筑是否能达到这样的要求还是存在上面所述的问题。
图１智能化系统的典型架构
在这些问题中，有些是由于对系统功能、工艺的理解，而更多的是因为技术、成本、管理手段的局限。
3.建筑智能化系统技术及应用的发展
当今，随着计算机网络技术、计算机通信技术的发展，特别是以太网的普及和广泛应用，极大地促进了建筑智能化的进步。
有别于前面所表述的两级网络结构形式的建筑设备监控管理系统，目前，基于以太网通讯的建筑设备监控管理系统应用得越来越多。这类控制系统的最主要特点是系统中所有设备都具有IP地址，系统所有设备均通过以太网连接网络。这里可简称为全IP化的建筑设备监控系统，其结构形式如图２所示。
全IP化的建筑设备监控管理系统具有以下特点：
（１）不同于以往的建筑设备监控系统中只有连接在以太网上的设备才有IP地址，而是全系统中所有的控制器都可以有IP地址；
（２）支持多种拓扑结构（菊花链型、星型、环型），提供更多的系统搭建形式；
（３）系统部署、连接更加简单，IP架构的网络特点充分发挥了系统控制器通过以太网互联互通的优势；
（４）控制器之间、工作站与控制器之间的通信速度更快，可以实现更多的数据收集并实现更有效的数据分析；
（５）因为控制器、楼宇服务器、管理服务器都具有地址，通讯速度快，数据传输量大，安全可靠性高，还可以用移动设备来访问，并根据操作要求实现调试、查看、设置调整等功能；
（６）提供原传统系统的二级网络接□，系统可以混用以前连接在二级网络上的控制器，保护投资。
上述优点给建筑设备监控系统的发展带来的影响是巨大的。这些特点使系统配置实施更高效、应用更灵活、管理更高效。
首先，移动设备可以直接应用到建筑设备的调试、运行管理，给工程商的配置实施带来了极大的便利，也给建筑落成以后物业公司对系统进行查看、调整提供了有效的管理手段
当前，移动设备（智能手机、平板电脑）的普遍应用、数据传输及通讯成本的大幅度下降，大大方便、简化了操作和管理。使得以往许多复杂的工作变得触手可及（图形化、界面化），而且，系统可以将工作站操作界面和移动终端操作界面设计成为同一种操作界面，便于相关人员操作的时候始终保证有同样的操作界面而无需学习不同的操作方法。
其次，利用移动设备进行调试的时候，通过在移动设备上安装的调试程序，可以直接对现场控制器进行调试。这一特点，对系统控制器调试来说特别的方便。例如，对于像对变风量末端装置（也就是ＶＡＶＢＯＸ）控制器的调试来说，这种方便既体现在了在变风量末端装置的生产工厂里的风平衡调试，也体现在了在变风量装置安装在楼层吊顶内部之后时的整体联调（编程、输入输出检验等）上。这一优势在以前的总线型的控制器上是无法实现的。凭借这种优势可以大大提升系统调试工作的效率，与传统总线方式的系统相比，调试时间可以节约２０％以上。
再次，由于基于IP架构的系统结构可以有多种形式，系统规划、布线既可以选择类似总线方式的菊花链结构，也可以选择星型结构，系统部署更灵活，如果选择环型总线，利用其快速生成树协议（ＲＳＴＰ），还可以在线路意外中断的时候通过其网络再生保证系统中各控制器依然能够正常通讯。
还有，当系统采用全IP化的网络结构的时候，系统的部署、扩展都非常简单和方便，甚至于可以将多建筑、多元区的建筑设备监控系统统一管理起来（如图３所示），这一特点特别适合大型多业态建筑综合体或者是集团客户的应用。
图２全IP化的建筑设备监控管理系统的结构形式
图３采用全IP化的网络结构
另外，由于系统中各设备之间均通过以太网传输数据，网络安全机制可以一直实施到控制器级，这样的安全机制可以有效保证系统的安全运行。
为了更好地说明系统的特点，我们把之前的拓扑图加以抽象（如图４所示）之后，可以清楚地看出，全IP化的建筑设备监控管理系统所构建的是一个符合当前主流技术趋势的两层架构系统。底层是以现场控制器为主的互联互通现场设备，而上层就是用于系统运行管理的，由楼宇服务器、企业服务器构成的专项控制的系统平台，称之为边缘控制层或边缘计算层。不仅仅是建筑设备监控系统，在建筑中的其他系统（如照明控制系统、电力监视及能效监控系统）也同样可以构建这样的两层网络结构。
对于基础层来说，互联互通的发展极大地丰富了系统的功能，使建筑的管理者得以根据管理需求更全面地洞察建筑的运行状况，并加以有效的管理。
图４全IP化的建筑设备监控管理系统抽象图
4.互联互通的意义
这里所提到的互联互通对智能建筑的发展具有深刻的意义。这种互联互通是基于物联网技术的发展而发展出来的。所谓物联网，就是物物相联的互联网。这是集合各种类传感设备、网络设施的应用网络。物联网中可支持的通讯手段和设备可以有多种形式，包括支持设备识别技术的设备、全球定位设备，支持ZigBee通讯的设备、支持WIFI通讯的设备、蓝牙设备，并采集相关的信息并提供相应的控制。图５是一个典型基于互联互通技术的房间（会议室）控制方案的示意图。互联互通设备的大量应用，使建筑内相关数据可以被更全面地挖掘出来，这样，管理者对建筑的状态更了解，所制定的管理策略（也包括控制策略）就更有效。
我们再看一下在互联互通层级上的专项控制系统平台。可以看到系统变得更加自主化和扁平化，两级网络的系统并不强调中心化管理，以前针对工业控制应用所提出的“集散式控制”策略更多的是出于同一工艺要求、同一加工流程、同一业务要求提出的。而在建筑，特别是大型建筑的综合管理中，会涉及到多种不同的业务形式，因此，以往提出和建设的中心化的集成管理系统，除了在技术上既有大量又复杂的接□开发、参数点绑定等难点之外，在管理模式上也不是特别适用于建筑的运行管理要求，这也是之前所建设的大量的集成管理系统在调试成功交付使用之后使用率很低的原因之一。
图５基于互联互通技术应用的房间（会议室）控制方案
扁平化的控制平台针对关联性更强的设备进行监控管理（如配电系统、暖通空调系统、照明控制系统……），根据不同系统相关的因素进一步整合并加以处理（如针对能源消耗、安全防范等），再根据建筑的管理要求提供相应的管理、控制策略。这样，在第二层的基础上再构建第三层应用系统，这些应用就是前述完成＂进一步整合处理”的应用程序或服务，将根据建筑管理要求实现多种不同的功能（例如设备的优化运行、预案激活等）。这样的三层架构如图６所示。
图６基于互联互通的建筑智能化系统架构
这样构成的三层架构的应用，严格地说不能称之为＿个系统，因为在这个架构中可能有多个不同的系统在运行。但这才是智能建筑所应该有的形态。
而这样的三层架构的基础，就是互联互通。互联互通带来了以下的变化：
（１）更多的互联互通设备：市场上可以提供更多的传感器、执行机构以及控制设备，使建筑中的数据收集更为方便和简单；
（２）更简单的云计算服务：和数据传输成本下降一样，存储成本大大降低，使得数据存储更方便、更安全；
（３）更强大的分析处理能力：计算机硬件技术和计算机应用技术的发展，使建筑中配置的智能化系统具有更强大的数据处理能力，可以实现更为广泛的不同系统的关联，提供更全面的管理；
（４）通过信息技术和运维技术的融合，使运维管理更加高效，并且更有效地对能源使用实现全面优化。
这样，对一般建筑所涉及的系统和设备进行总结并抽象，这些系统和设备既包括弱电系统，也包括配电系统、机电设备和信息化系统，如图７所示。
图７把不同类型的系统划分为基础系统、保障系统和专业系统几个类别，在这张图中，可以看到，前面所提及的两层架构以及之后提及的三层架构在建筑中实现的功能就是针对设备运行维护、动力及能效管理要求配置的保障系统。这样的系统并不是、而且也不能靠一个集成中心来统一管理的。
基于上述扁平化、无中心的智能建筑架构理念，目前国内有专家提出了‘‘基于群智能的扁平化新型建筑智能化系统＂，这是一种由相互协作的智能节点实现的扁平化、无中心的建筑智能化结构，这也是互联互通技术应用带来的新的理念。
图７扁平化、无中心的智能建筑架构
5.明天的智能建筑
前面讲到，今天的智能建筑是昨天建设的。同理，明天的智能建筑就在今天我们的手中。为了让明天的智能建筑更有活力，＂更灵活、更友好、更绿色、更便捷＂，我们不但要应用当前的最新技术，还要求所应用的技术具有强大的生命力，有更好的发展方向。
5.1 建筑智能化的三层架构
明天的建筑智能化一定是可以抽象成为三层架构来表述的，其基础就是三层架构的底层所应用的设备，一定是开放的、互联互通的设备，并以此搭建对应的三层架构：
第一层：互联互通的产品层。选用易于连接的第三方设备和可以大规模部署的传感器保证系统的开放，同时，系统采用ＩＰ架构／无线连接以保证系统的可扩展且面向未来。
第二层：边缘控制层。可通过ＳＤＫ和公开的ＡＰＩ与其他系统轻松集成和协作，通过系统多站点功能，全球化平台确保系统可扩展；通过手持便携设备操作提高工作效率。
第三层：应用、分析与服务层。提供基于业务的分析和服务的开放式云平台，系统数据以结构化方式公开，便于第三方利用。以相关指标（如能耗指标、安全指标）为脉络关联不同的系统，而不是为集成而集成。
5.2 系统规划和部署
基于上述三层架构形式，建筑的设计者可以根据建筑的要求，对应于不同的业态要求选择对应的系统。这些系统既可以独立运行，也可以根据管理需要通过互联互通的方式将各系统产生的信息加以整合，操作人员再通过生动友好的操作界面加以操作。
对系统的操作实际上是一种人机互动的过程。在以往的建筑智能化系统中，建筑内的入住人员是很难参与系统操作的，最多就是控制灯光的开关和温度的调节。对于大开间办公来说，工作区环境都是由物业人员设定的，在舒适性方面难以保证。而在互联互通的系统环境中，系统在部署的时候可以根据建筑内的不同人员（用户、运维管理人员、工程技术人员、经理）提供不同权限的操作，可以让入住人员根据自己的需要调整环境参数，获得更好的体验。
5.3 丰富的互联互通设备
底层的互联互通现场设备，既可以包括建筑设备监控系统中的传感器和控制器，又可以包括对中低压设备进行监视的各种表计，甚至于是带ＩＰ地址的断路器，这样可以根据能源的传输、分配，分析能耗，提高能源的使用效率，有效控制能源使用，既能够实现减少排放，又能够优化负荷匹配，还能够合理使用再生能源，为建筑绿色运行提供支持。
5.4 综合协同各系统运行
智能化系统中的各系统在独立运行的同时，系统之间还可以通过相关系统提供的数据的综合协调实现系统更快捷的响应，以提供在生活、工作、交通、能源供应等方面全方位的服务，还可以通过有效的防范体系，保证环境的安全和突发事件出现时的应急处理。
在今天，利用三层架构的智能化控制系统，物业运维部门可以在第二层边缘控制平台上运行针对建筑设备的、针对电力的、针对能效分析的应用程序，这样的应用程序既可以在本地运行，也可以在云上运行。这样，物业管理部门可以把建筑的运行情况交由公司中的技术专家分析评估，并根据建筑的具体情况加以调整。一个具有丰富暖通专业知识以及计算机网络专业知识的专业团队可以同时服务多个建筑，提供系统优化改进建议，使系统可以优化迭代，始终运行在最佳运行工况附近，这一功能的实现也是基于以互联互通设备为基础的智能化系统才可以保证。
可见，互联互通的发展给建筑智能化系统带来了极大的活力，以IP技术为基础的智能化系统在明天的建筑中会给建筑的拥有者、建筑的使用者和建筑的运维管理人员提供安全、可靠、舒适、便利、可持续发展的工作、生活环境。
【参考文献】
［1］施耐德电气ECOStruxure楼宇解决方案选型手册
［2］赵千川．群智能和智能建筑前沿技术．中国建筑业协会智能建筑分会2018年会员代表大会年度会刊．2019