系統(tǒng)集成技術(shù)在智能樓宇信息化建設(shè)的研究

吳小冬

【摘 要】為了解決智能樓宇各系統(tǒng)難以協(xié)作和互操作的問題，通過采用MAS技術(shù)進(jìn)行信息系統(tǒng)的集成，引入OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)與操作系統(tǒng)的無縫連接，提出了系統(tǒng)集成技術(shù)在智能樓宇信息化建設(shè)的方案。該方案所具有的擴(kuò)展性和開放性能夠滿足快速發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)所產(chǎn)生的爆炸性的信息協(xié)同與共享的需求。

【關(guān)鍵詞】系統(tǒng)集成 智能樓宇 信息化 MAS OPC

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代樓宇的建設(shè)已經(jīng)適應(yīng)了社會(huì)信息化和高科技的方向。智能樓宇是集建筑、信息技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的產(chǎn)物，其核心是建立一套完整的信息系統(tǒng)集成方案，實(shí)現(xiàn)信息聯(lián)動(dòng)控制、資源共享、安全節(jié)能、綠色環(huán)保的目標(biāo)。已有不少研究者對智能樓宇的信息化建設(shè)提出相關(guān)方案，比如：伍洋[1]采用IBMS（Intelligent Building Management System，智能大廈管理系統(tǒng)）集成平臺實(shí)現(xiàn)智能樓宇系統(tǒng)集成的設(shè)計(jì)；陳勇[2]根據(jù)各子系統(tǒng)的功能采用網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)樓宇智能化集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；段鵬[3]采用Web服務(wù)技術(shù)進(jìn)行智能樓宇系統(tǒng)集成模型研究等。上述研究一般都專注信息控制集成技術(shù)，沒有詳細(xì)闡述信息化全過程的信息集成技術(shù)，因此針對研究者的缺陷，本文提出系統(tǒng)集成技術(shù)在智能樓宇信息化建設(shè)的方案，從信息集成系統(tǒng)和信息控制系統(tǒng)兩方面闡述智能樓宇在信息化建設(shè)過程中的集成技術(shù)，采用MAS（Multi-Agent System，多服務(wù)器系統(tǒng)）和OPC（OLE for Process Control，用于控制OLE的技術(shù)）集成技術(shù)，借助Web技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，從而實(shí)現(xiàn)信息系統(tǒng)與操作系統(tǒng)的無縫連接。

2 集成技術(shù)的相關(guān)研究

2.1 智能樓宇系統(tǒng)集成的介紹

在闡述智能樓宇系統(tǒng)集成之前，有必要先對智能樓宇進(jìn)行介紹。智能樓宇是“3A型智能建筑物”，即具有BA（Building Automation，樓宇自動(dòng)化）、OA（Office Automation，辦公室自動(dòng)化）、CA（Communication Automation，通信自動(dòng)化）功能的建筑。

顧名思義，智能樓宇的系統(tǒng)集成定義為：為了實(shí)現(xiàn)智能樓宇的“3A”功能，依靠計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)和通信技術(shù)、集成技術(shù)等，將各主要設(shè)備子系統(tǒng)的功能和信息集成到統(tǒng)一的操作平臺，實(shí)現(xiàn)所有子系統(tǒng)的信息得以融合，協(xié)調(diào)子系統(tǒng)的協(xié)同工作，從而實(shí)現(xiàn)智能樓宇各子系統(tǒng)的信息綜合、集成、共享以及設(shè)備的互操作化。

智能樓宇集成有兩個(gè)問題需要解決：智能樓宇的集成技術(shù)和智能樓宇的集成模式。本文將只針對智能樓宇的集成技術(shù)進(jìn)行研究。

2.2 傳統(tǒng)智能樓宇的集成技術(shù)研究

目前的智能樓宇包含電梯、消防、溫度控制等多個(gè)系統(tǒng)，由于各個(gè)系統(tǒng)之間并沒有實(shí)現(xiàn)信息的集成共享與互動(dòng)，因此不能發(fā)揮管理的最大化效益。

傳統(tǒng)智能樓宇的集成技術(shù)包括MAS技術(shù)、OPC技術(shù)、嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)，具體如下：

（1）MAS技術(shù)

MAS技術(shù)最初起源于分布式人工智能，Brooks教授于1997年把MAS引進(jìn)智能樓宇的控制體系結(jié)構(gòu)。MAS系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)是由多個(gè)Agent進(jìn)行協(xié)調(diào)與協(xié)作、通信與交互技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制的，因此MAS必須具備以下兩種能力：

MAS的協(xié)調(diào)與控制

由于每個(gè)Agent都具有自治性，單個(gè)Agent采取的行動(dòng)都是按照設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行的，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)Agent之間的沖突，因此必須按照一定規(guī)則進(jìn)行協(xié)調(diào)。

MAS方法包括顯示協(xié)調(diào)和隱式協(xié)調(diào)兩類。其中，顯示協(xié)調(diào)是一種明確的、直接的協(xié)調(diào)機(jī)制，早期的控制系統(tǒng)大多數(shù)采用這種規(guī)則進(jìn)行協(xié)調(diào)，但是由于顯示協(xié)調(diào)不能解決動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、復(fù)雜的環(huán)境，所以現(xiàn)在很多控制系統(tǒng)采用隱式協(xié)調(diào)規(guī)則進(jìn)行控制；隱式協(xié)調(diào)是指Agent被設(shè)計(jì)成遵循某局部的行為準(zhǔn)則，在某種條件下把矛盾轉(zhuǎn)化成可解的多項(xiàng)式，進(jìn)而為處理大量可能沖突形成了全局一致的方案，但是不能處理交互通信的情況。

通信和交換技術(shù)

實(shí)現(xiàn)多個(gè)Agent之間的信息共享與交互，能夠有效地解決多Agent之間的沖突。通信量與問題發(fā)生的類型以及交換信息的多少息息相關(guān)，傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足日益增加的信息量交互的需求。

（2）OPC技術(shù)

OPC技術(shù)由于是采用軟件的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的互聯(lián)關(guān)系，因此能夠簡化系統(tǒng)集成的程序。但是，該集成沒有考慮到人的作用，所以當(dāng)人的目標(biāo)與系統(tǒng)的目標(biāo)發(fā)生沖突時(shí)，無法協(xié)調(diào)矛盾。

（3）嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)

以太網(wǎng)技術(shù)以廉價(jià)、方便的優(yōu)勢為網(wǎng)絡(luò)集成商所追捧。由于該技術(shù)是采用Web服務(wù)器用定時(shí)刷新數(shù)據(jù)提供瀏覽的方式，因此往往不能滿足智能樓宇監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)時(shí)性的要求。

（4）現(xiàn)代的集成系統(tǒng)需求

現(xiàn)代的集成系統(tǒng)是一個(gè)開放、實(shí)時(shí)的系統(tǒng)，其功能包括如下：

可按照用戶的需要自動(dòng)擴(kuò)展信息集成的規(guī)模；

支持即插即用；

低成本實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信息互通以及實(shí)時(shí)通信。

因此，本文結(jié)合以上三種技術(shù)的優(yōu)勢，采用MAS技術(shù)搭建信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的信息集成，將人的活動(dòng)與子系統(tǒng)的信息聯(lián)系在一起，充分考慮人的重要性；利用OPC技術(shù)搭建信息系統(tǒng)，提高系統(tǒng)互操作性的能力，同時(shí)借助以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的無縫連接，從真正的意義上實(shí)現(xiàn)智能樓宇的信息化建設(shè)。

3 系統(tǒng)集成技術(shù)在智能樓宇信息化建設(shè)的

研究

3.1 智能樓宇的信息系統(tǒng)集成模型

智能樓宇信息系統(tǒng)集成模型是一個(gè)多Agent模型。該模型不僅能夠?qū)崿F(xiàn)多Agent之間進(jìn)行單獨(dú)的交流、協(xié)作和信息交互，而且還能把人與樓宇的互動(dòng)作為一個(gè)獨(dú)立的Agent，實(shí)現(xiàn)人和其他樓宇信息智能化系統(tǒng)的Agent之間的信息共享與交互。

（1）模型構(gòu)成

智能樓宇的信息系統(tǒng)集成模型由多個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，包括CNS（Communication and Network System，通信與網(wǎng)絡(luò)集成系統(tǒng)）子系統(tǒng)、SAS（Security Automation System，安防自動(dòng)化子系統(tǒng)）子系統(tǒng)、FAS（Fire Alarm System，消防自動(dòng)化子系統(tǒng)）子系統(tǒng)、OAS（Office Automation System，辦公室自動(dòng)化子系統(tǒng)）子系統(tǒng)、BAS（Building Automation System，樓宇自控子系統(tǒng)）子系統(tǒng)、Person子系統(tǒng)以及各Agent。具體如下：

CNS：包括有線電視系統(tǒng)、廣播音響系統(tǒng)、電話通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等；

SAS：包括巡更管理系統(tǒng)、防盜報(bào)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、周界防范系統(tǒng)、停車系統(tǒng)；

FAS：包括自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)、公共廣播、自動(dòng)滅火系統(tǒng)；

OAS：包括信息發(fā)布系統(tǒng)、智能會(huì)議系統(tǒng)、無紙辦公系統(tǒng)、智能一卡通系統(tǒng)；

BAS：包括飲水供應(yīng)系統(tǒng)、用電照明系統(tǒng)、電梯控制系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)等。

基于上述子系統(tǒng)以及Agent的相互關(guān)系，構(gòu)成智能樓宇的信息系統(tǒng)集成模型，相關(guān)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

（2）模型實(shí)現(xiàn)

圖1中的各子系統(tǒng)的功能是不同的，那么如何通過各Agent實(shí)現(xiàn)信息的集成呢？下面將重點(diǎn)介紹子系統(tǒng)Agent、B Agent（Borad Agent，黑板代理）、C Agent（Coordinator Agent，協(xié)調(diào)代理）以及Person Agent（個(gè)人代理）的功能和工作原理。

子系統(tǒng)Agent

智能樓宇信息系統(tǒng)集成模型的各子系統(tǒng)的功能是基于規(guī)劃層、行為層以及協(xié)作層實(shí)現(xiàn)的，具體如下：

規(guī)劃層的主要功能是實(shí)現(xiàn)日常事務(wù)。日常事務(wù)的執(zhí)行周期是不同的，具有相同執(zhí)行周期的事務(wù)由一個(gè)繼承Ticker Behavior類的行為類來實(shí)現(xiàn)。

行為層的主要功能是處理應(yīng)急實(shí)現(xiàn)，每個(gè)動(dòng)作由一個(gè)繼承One Shot Behavior類的行為類來實(shí)現(xiàn)。一般采集到的消息由一個(gè)Cyclic Behavior類進(jìn)行診斷，如果診斷結(jié)果與設(shè)定的條件相符合，那么系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)相應(yīng)的動(dòng)作放入Action緩沖池等待執(zhí)行。

協(xié)作層的主要功能是協(xié)調(diào)Agent之間的工作協(xié)作。當(dāng)不同Agent之間的目標(biāo)發(fā)生沖突時(shí)，系統(tǒng)采用分布和集中相結(jié)合的方式來處理沖突。

B Agent

B Agent的主要功能是維護(hù)數(shù)據(jù)庫，以供Agent實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)和查詢。

C Agent

如果發(fā)生沖突，該沖突將交由推理機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)，根據(jù)推理機(jī)生成的結(jié)果轉(zhuǎn)換成意圖放進(jìn)Action緩沖池等待執(zhí)行，并把協(xié)調(diào)的結(jié)果反饋給沖突各方。

Person Agent

如果收到其他Agent的協(xié)作信息，Person Agent會(huì)根據(jù)自身的意愿、現(xiàn)有的動(dòng)作以及規(guī)劃，對其他Agent的協(xié)作信息進(jìn)行判斷，以便確定是否進(jìn)行協(xié)作。

3.2 智能樓宇的信息控制集成模型

（1）模型構(gòu)成

為了解決各子系統(tǒng)的互操作問題，將數(shù)據(jù)使用者（OPC Application）和連接數(shù)據(jù)源（OPC Server）之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)OPC技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)集成的過程，并采用設(shè)備→子系統(tǒng)→集成系統(tǒng)[4]。具體如圖2所示。

（2）模型實(shí)現(xiàn)

圖2的模型是由控制層、數(shù)據(jù)通信以及管理層實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的交互和互操作功能，從而實(shí)現(xiàn)信息和資源的共享與傳輸。具體如下：

現(xiàn)場采集設(shè)備層作為最底層，這些設(shè)備不僅能夠獨(dú)立完成采集的功能，而且能夠通過網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備進(jìn)行信息交互和共享；

控制層具有軟硬件接口的模塊化結(jié)構(gòu)，采用軟件接口標(biāo)準(zhǔn)OPC技術(shù)應(yīng)用于系統(tǒng)集成；

數(shù)據(jù)通信采用以太網(wǎng)技術(shù)，具有信息交互、通信的功能，具體是通過標(biāo)準(zhǔn)的OPC接口與OPC Server對接來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；

管理層負(fù)責(zé)對上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并根據(jù)相關(guān)的分析結(jié)果生成報(bào)表的功能。

3.3 小結(jié)

本文所提到的模型受限于現(xiàn)有服務(wù)器性能不足而無法進(jìn)行驗(yàn)證，因此在未來必須對傳統(tǒng)的設(shè)備加以改進(jìn)，引進(jìn)新的服務(wù)器提高系統(tǒng)集成技術(shù)在智能樓宇信息化建設(shè)的效果。

4 結(jié)束語

本文通過對MAS、OPC和嵌入式以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行研究，并根據(jù)這些技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了系統(tǒng)集成技術(shù)在智能樓宇信息化建設(shè)的方案。該方案采用MAS技術(shù)將人的活動(dòng)與子系統(tǒng)的功能有機(jī)連接，以此實(shí)現(xiàn)多源信息的集成；采用OPC技術(shù)提升各子系統(tǒng)的互操作性，使得系統(tǒng)更加開放且具有擴(kuò)展性，因此更容易滿足物聯(lián)網(wǎng)高速所產(chǎn)生的爆炸性信息的存儲(chǔ)、交互和共享的需求。

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