文｜本刊記者 陳桂龍

智能建筑是以人為服務(wù)對(duì)象，能夠向人提供安全、高效、便捷、節(jié)能、環(huán)保、健康的建筑環(huán)境的建筑。

智能建筑的概念最早產(chǎn)生于20世紀(jì)80年代，從90年代開始，由于建筑內(nèi)日益增長(zhǎng)的控制管理內(nèi)容和高效管理、節(jié)能控制優(yōu)化等需求的存在，智能建筑開始進(jìn)入蓬勃發(fā)展期，國(guó)內(nèi)乃至世界上曾經(jīng)涌現(xiàn)出大量所謂的3A/5A/7A建筑。

智能建筑為何不智能

有研究機(jī)構(gòu)對(duì)我國(guó)北京、上海、深圳、香港等地的大型公共建筑的自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，大部分建筑都沒(méi)有真正實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)化控制”管理的水平，很多運(yùn)行在手動(dòng)狀態(tài)，有些只有局部自動(dòng)控制，幾乎沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全局優(yōu)化控制的建筑，反過(guò)來(lái)國(guó)內(nèi)的全自動(dòng)化運(yùn)行的高檔建筑的能耗遠(yuǎn)高于同類建筑，經(jīng)過(guò)在美國(guó)的調(diào)研同樣發(fā)現(xiàn)，雖然美國(guó)的公共建筑中的自控系統(tǒng)大多能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，但是在同樣的滿意度下其能耗卻遠(yuǎn)高出我國(guó)不自動(dòng)運(yùn)行的同類建筑。

為什么會(huì)這樣？

中國(guó)工程院院士江億介紹，在過(guò)去的三十年中，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者做出很多努力。例如，推廣BACnet和LonWork試圖打破不同控制系統(tǒng)提供商之間的通信壁壘；各種總線技術(shù)試圖改進(jìn)建筑控制系統(tǒng)的通信技術(shù)，使之敷設(shè)成本更低、速度更快、通信設(shè)備更開放；各種集成技術(shù)和軟件接口技術(shù)試圖解決在中央站實(shí)現(xiàn)跨專業(yè)子系統(tǒng)集成的問(wèn)題等等?；谶@些研究，建筑控制系統(tǒng)的性能得到了極大的改善，我們所采用的專項(xiàng)通信或軟件技術(shù)并不落后于主流IT技術(shù)，然而問(wèn)題卻依然存在。所以問(wèn)題可能不在于樓控使用的IT技術(shù)夠不夠先進(jìn)，而是我們對(duì)智能建筑的理念，或者說(shuō)是控制系統(tǒng)的架構(gòu)本身導(dǎo)致的問(wèn)題。

條條分割，集中控制?，F(xiàn)有的智能建筑中的智能系統(tǒng)在面向機(jī)電設(shè)備系統(tǒng)時(shí)，采用按專業(yè)分割的思路，例如將智能系統(tǒng)分為空調(diào)子系統(tǒng)、防火子系統(tǒng)、安防子系統(tǒng)等等，雖然各個(gè)子系統(tǒng)在末端的信息源、匯位于同一個(gè)房間或者機(jī)電設(shè)備，但這些信息不能實(shí)現(xiàn)就地共享，只能經(jīng)過(guò)長(zhǎng)途跋涉向上集中到最上層的中央站，并由中央站在統(tǒng)領(lǐng)全局的基礎(chǔ)上做出決策。這種方式是低效的、落后的控制方式。

自成一體，互不兼容。智能建筑中的設(shè)備種類繁多，每種設(shè)備都可能由不同的設(shè)備廠商提供，而每個(gè)廠商提供的設(shè)備都可能采用其自己的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，不同的設(shè)備之間無(wú)法兼容匹配，以冷機(jī)為例，雖然某些品牌的冷水機(jī)組預(yù)留了對(duì)外提供的通信接口，但往往需要昂貴的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊才能夠令其與其他設(shè)備相互理解，共同工作。

現(xiàn)場(chǎng)工作量大、專業(yè)要求高、時(shí)間緊張易出錯(cuò)。自控系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)施工、調(diào)試是一個(gè)非常復(fù)雜、極其耗費(fèi)時(shí)間和人力成本，原因有兩點(diǎn)：（1）現(xiàn)場(chǎng)配置測(cè)控點(diǎn)數(shù)量極大。（2）系統(tǒng)組態(tài)困難、專業(yè)要求高。在機(jī)電系統(tǒng)施工全部結(jié)束之后，留給自控系統(tǒng)的安裝和調(diào)配的時(shí)間所剩無(wú)幾，大多數(shù)項(xiàng)目的自控系統(tǒng)往往只是完成了測(cè)控點(diǎn)接線和通信調(diào)試，以及主要測(cè)控點(diǎn)的物理配置，只要能在中央機(jī)房界面上能看到這些關(guān)鍵信息，就將系統(tǒng)草草交付使用，因此往往存在著實(shí)際運(yùn)行幾年以后才發(fā)現(xiàn)當(dāng)初接線錯(cuò)位錯(cuò)誤的現(xiàn)象。

無(wú)法更新、擴(kuò)展和改變。運(yùn)行管理者在建筑的使用過(guò)程中會(huì)不斷對(duì)控制系統(tǒng)提出新要求，如建筑空間改造和裝修，使得照明、空調(diào)、報(bào)警器等終端設(shè)備改換位置或更換設(shè)備類型、或者是改變控制策略、新增控制功能等。這些需求在自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初往往是未知的，需要隨著需求的改變不斷調(diào)整。然而現(xiàn)有的控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)更新、擴(kuò)展和改變。在這種情況下，運(yùn)行管理人員通常也只能對(duì)出現(xiàn)的問(wèn)題置之不理；或是將舊系統(tǒng)棄之不用，完全新建一套系統(tǒng)。

不支持智能分析，智能控制。由于現(xiàn)有的智能建筑的智能系統(tǒng)存在上述的諸多問(wèn)題，因而導(dǎo)致了其實(shí)際上并不是一個(gè)靈活的、兼容的、開放的系統(tǒng)，無(wú)法在其上添加新的功能軟件，全球范圍內(nèi)研究得到的大量的建筑優(yōu)化控制研究成果無(wú)法在實(shí)際工程中落實(shí)。

人機(jī)界面交互性差?，F(xiàn)有的智能控制系統(tǒng)的人機(jī)交互界面往往呆板、丑陋、可操作性差，導(dǎo)致無(wú)法與使用者溝通，使用者看不懂、找不到、不會(huì)用，最終將控制系統(tǒng)束之高閣、棄之不用。

對(duì)建筑控制管理的新認(rèn)識(shí)

建筑由空間組成

江億院士認(rèn)為，空間是建筑空間的“特征”：人以空間為單位活動(dòng)；照明、空調(diào)、插座、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等分布在空間中，影響著所在空間的聲、光、電、熱，因而控制約束和目標(biāo)彼此耦合；這些設(shè)備服務(wù)于同一個(gè)空間中的同一群人，不是為了達(dá)到某些參數(shù)的設(shè)定值，而是以滿足人的舒適需求為主要目標(biāo)。大部分區(qū)域都是被這樣的空間所覆蓋，相對(duì)于能源站、設(shè)備機(jī)房等，前者才是建筑的主體。因此，從建筑的特點(diǎn)出發(fā)重新認(rèn)識(shí)建筑控制，建筑可以看成是由不同功能的空間拼接而成。

除了建筑空間以外，建筑中還存在若干為所有建筑空間末端設(shè)備提供“源”的設(shè)備系統(tǒng)。如冷熱源站，為各個(gè)建筑空間提供冷熱源；變配電站為末端提供電源；新風(fēng)機(jī)組為各個(gè)末端提供清潔空氣；生活熱水水泵為所有空間提供熱水等等。它們安裝在設(shè)備機(jī)房等特殊的空間，其運(yùn)行目標(biāo)是為了滿足所有末端的需求。

“我們嘗試改變以工業(yè)控制系統(tǒng)為參照認(rèn)識(shí)建筑控制的傳統(tǒng)視角，認(rèn)為建筑控制目標(biāo)的主要部分由大量建筑空間按照幾何位置關(guān)系連接組成，少數(shù)服務(wù)于這些建筑空間的‘源’設(shè)備按照系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)連接關(guān)系接入空間網(wǎng)絡(luò)。”

建筑被控物理過(guò)程大都符合‘?dāng)U散方程’

江億告訴記者，傳統(tǒng)工業(yè)控制視角下，我們習(xí)慣性的以“源”設(shè)備為出發(fā)點(diǎn)，用控制中心解決“源”設(shè)備優(yōu)化控制的問(wèn)題。以建筑空間主要目標(biāo)，促使我們研究被控物理參數(shù)在這些空間內(nèi)的變化規(guī)律。

然而仔細(xì)分析這些物理過(guò)程的特點(diǎn)，我們發(fā)現(xiàn)它們都符合“近距離影響大，遠(yuǎn)距離影響小”的特點(diǎn)，即某個(gè)空間模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響通常只局限在其附近的一些空間模塊。

以建筑傳熱為例，當(dāng)局部某個(gè)房間快速升溫時(shí)，只有其周邊幾個(gè)房間的溫度隨之增長(zhǎng)明顯，較遠(yuǎn)的房間幾乎沒(méi)有影響；火災(zāi)發(fā)生時(shí)只有在火源位置房間和其周邊房間的煙氣濃度和溫度快速升高，較遠(yuǎn)的房間沒(méi)有變化；水路系統(tǒng)也是如此，當(dāng)某支路流量變化時(shí)，受影響較大的都是其附近的支路。

建筑被控系統(tǒng)模型示意圖

在對(duì)這樣的物理過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)，真的一定要在中央站進(jìn)行全局優(yōu)化嗎？如果每個(gè)空間模塊都是“智能”的，通過(guò)模塊與相鄰模塊間的相互協(xié)商和數(shù)據(jù)溝通，類似于智能生物群落的自組織協(xié)作，很可能也可以解決全局優(yōu)化控制問(wèn)題（蜜蜂、螞蟻構(gòu)建巢穴，鳥群編隊(duì)都是在沒(méi)有總控的情況下，依靠個(gè)體間的自組織找到問(wèn)題的最優(yōu)解決方案）；同時(shí)由于只在局部交互數(shù)據(jù)，避免了全局?jǐn)?shù)據(jù)收集、傳遞的過(guò)程，很可能實(shí)時(shí)性比集中控制方式更好；最重要的，如果每個(gè)空間只需要和鄰近節(jié)點(diǎn)交互協(xié)商就可以解決全局問(wèn)題，那就避免了傳統(tǒng)的組網(wǎng)問(wèn)題。系統(tǒng)不需要再設(shè)立中央站以及在中央站上重新建立建筑內(nèi)各個(gè)物理過(guò)程的模型，而只需要讓每個(gè)空間模塊能夠辨識(shí)出其鄰近的空間模塊就可以了?；贗T領(lǐng)域自組網(wǎng)技術(shù)的研究，不難找到空間模塊自動(dòng)識(shí)別的方法。即使靠手工配置空間鄰居關(guān)系，這種配置所需的成本遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)系統(tǒng)。

靈活性、可擴(kuò)展性需求

在一些節(jié)能診斷改造和運(yùn)維管理系統(tǒng)升級(jí)項(xiàng)目中，我們逐漸發(fā)現(xiàn)這樣的問(wèn)題：1)建筑開發(fā)商不是未來(lái)的使用者，甚至在此階段還不可能知道未來(lái)的使用者是誰(shuí)；即使他們認(rèn)真設(shè)計(jì)功能也未必符合未來(lái)使用者的運(yùn)維管理的需求。2)隨著商業(yè)建筑經(jīng)營(yíng)策略變化、租戶改變導(dǎo)致的建筑空間分割的變化等，“功能”一定會(huì)發(fā)生變化，而且這種變化總會(huì)不定期的發(fā)生，并且很難準(zhǔn)確預(yù)料。總之，建筑控制管理功能的變化幾乎是不可避免的，并總是在不斷變化著。

這要求智能系統(tǒng)需要局部很高的靈活性，特別是讓物業(yè)管理人員和機(jī)電專業(yè)人員能夠根據(jù)建筑管理需求靈活、快捷的實(shí)現(xiàn)各種控制管理策略。與傳統(tǒng)模式相比，建筑管理人員需要是一種類似從傳統(tǒng)手機(jī)到智能手機(jī)的變化。傳統(tǒng)手機(jī)任何功能都是手機(jī)制造商預(yù)制好的，用戶的任何需求都只能期望下一代手機(jī)產(chǎn)品的升級(jí)；而智能手機(jī)功能是由用戶根據(jù)自己的需要個(gè)性化定制的，手機(jī)功能的升級(jí)和改變不需要任何IT專業(yè)人士的幫助，在保持手機(jī)硬件不變的情況，隨時(shí)通過(guò)添加、刪除不同應(yīng)用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的升級(jí)。

TOS智能建筑平臺(tái)的架構(gòu)及特點(diǎn)

江億介紹，基于對(duì)建筑和其控制管理的認(rèn)識(shí)，我們提出了一種新架構(gòu)，上圖顯示了TOS智能建筑平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)：具體來(lái)講就是將建筑按照所見即所得的方式劃分為若干空間，每個(gè)空間或機(jī)電設(shè)備置入一個(gè)帶有操作系統(tǒng)（TOS）的智能計(jì)算節(jié)點(diǎn)（CPN），再將CPN互連形成一個(gè)計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，CPN之間是平等的協(xié)作關(guān)系。

CPN連接而成的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就是建筑空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)體的模型，復(fù)雜的組網(wǎng)、綁點(diǎn)等專業(yè)工程被簡(jiǎn)化成即插即用的連線，CPN與房間或機(jī)電設(shè)備基于標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式通訊，能夠?qū)⒎块g與機(jī)電設(shè)備的物理模型映射到計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中，從而免去了復(fù)雜的物理建模過(guò)程，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化。

部署了CPN的建筑自身構(gòu)成了能夠并行計(jì)算的多核計(jì)算機(jī)，管理者可以將多個(gè)能夠完成控制管理任務(wù)的APP下載到該計(jì)算機(jī)，非常靈活地滿足了復(fù)雜多變的需求，極大降低了定制化開化的成本。

TOS還提供了機(jī)電和暖通領(lǐng)域的專業(yè)人員容易掌握的編程工具及供人調(diào)用的三級(jí)函數(shù)算法庫(kù)，讓不懂IT技術(shù)的人員也能夠輕松地開發(fā)出多種多樣的樓控軟件。

TOS帶來(lái)的機(jī)遇與變革

“TOS智能建筑平臺(tái)將帶來(lái)全新的使用者體驗(yàn)。”江億說(shuō)。

未來(lái)的物業(yè)管理不再需要中央監(jiān)控，管理人員采用隨身PAD可以在任何區(qū)域接入系統(tǒng)，觀看系統(tǒng)運(yùn)行情況并收集報(bào)表；不需要中央數(shù)據(jù)庫(kù)，而是歷史數(shù)據(jù)記錄在分布的幾臺(tái)服務(wù)器內(nèi)；不依賴于唯一的、定制的管理軟件，管理者可以根據(jù)需要從建筑應(yīng)用中心隨時(shí)下載管理所需的應(yīng)用軟件，甚至可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)同功能的軟件。

江億認(rèn)為，TOS智能建筑平臺(tái)還將帶來(lái)全新的開發(fā)模式。

首先開發(fā)群體變得多元化，社會(huì)各界均有可能成為開發(fā)人員，研究機(jī)構(gòu)的學(xué)者、設(shè)計(jì)院、有經(jīng)驗(yàn)的物業(yè)管理人員、機(jī)電設(shè)備廠商、節(jié)能服務(wù)企業(yè)、研究生、大學(xué)生等，凡是對(duì)建筑運(yùn)行管理有想法的人均可以將其想法輕松地轉(zhuǎn)化為應(yīng)用程序。

這是因?yàn)門OS智能建筑平臺(tái)提供面向建筑設(shè)備專業(yè)的圖形化“編程”工具。如下圖所示。開發(fā)者通過(guò)圖標(biāo)的拖拽、連線等簡(jiǎn)單操作就能夠?qū)崿F(xiàn)程序的編制，因而不需要專業(yè)的編程知識(shí)。

此外，TOS智能建筑平臺(tái)還提供強(qiáng)大的基礎(chǔ)算法庫(kù)的支持，提供基礎(chǔ)計(jì)算庫(kù)、數(shù)學(xué)算法/優(yōu)化算法庫(kù)、常見應(yīng)用函數(shù)庫(kù)，開發(fā)者不需要考慮算法的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程，只需調(diào)用函數(shù)并組成新的序列即可以完成程序的編制并解決問(wèn)題，因而不要求開發(fā)者具備太高的數(shù)學(xué)或物理基礎(chǔ)。

“我們可以推斷，在TOS智能建筑平臺(tái)的支撐和推動(dòng)作用下，智能建筑行業(yè)將形成一種新的格局。”

設(shè)計(jì)院與建筑業(yè)主在建造房屋時(shí)即可在建筑內(nèi)裝入CPN，并形成智能建筑；各類機(jī)電廠商可以將其產(chǎn)品改為TOS兼容產(chǎn)品或者在產(chǎn)品中植入CPN從而將其轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄茉O(shè)備，學(xué)校和研究單位可以研發(fā)各類APP，供用戶下載；使用部門和研發(fā)單位可以根據(jù)需求開發(fā)各種用戶界面，供人使用，這個(gè)行業(yè)上下游的參與者將圍繞TOS智能建筑平臺(tái)形成一個(gè)生態(tài)圈，彼此互利共生，共謀發(fā)展。

廣闊的應(yīng)用前景

TOS智能建筑平臺(tái)技術(shù)起源于建筑領(lǐng)域，但應(yīng)用的范圍絕不僅僅限于建筑，除了空調(diào)控制、節(jié)能診斷、建筑管理、火災(zāi)疏散等基本功能以外，TOS技術(shù)還可能應(yīng)用于多個(gè)其他領(lǐng)域，如街區(qū)網(wǎng)格化管理（每個(gè)街區(qū)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，放置一個(gè)CPN，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格內(nèi)的各種數(shù)據(jù)分析工作，CPN間通過(guò)協(xié)作計(jì)算，實(shí)現(xiàn)全局?jǐn)?shù)據(jù)分析處理，如上右圖所示）；公共安全管理（監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)群體事件、恐怖襲擊，消除誤報(bào)，進(jìn)行群眾疏散，鄰近警力派遣等）；環(huán)境監(jiān)測(cè)管理（如霧霾檢測(cè)分析， 水質(zhì)監(jiān)測(cè)等）；城市水網(wǎng)熱網(wǎng)管理（供水、排水系統(tǒng)控制管理，跑冒滴漏監(jiān)測(cè)報(bào)警，供熱系統(tǒng)調(diào)度，供燃?xì)庀到y(tǒng)調(diào)度等）；智能電網(wǎng)；智能交通、停車場(chǎng)管理等等。

“TOS平臺(tái)是基于無(wú)中心計(jì)算理念的基礎(chǔ)性平臺(tái)，希望各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)的行業(yè)人才都能夠充分利用該平臺(tái)，針對(duì)具體的問(wèn)題開發(fā)出適宜的解決方案?！苯瓋|表示。