智慧建筑發(fā)展的原驅動力及其技術趨勢

趙哲身

（上海大學）

1 引言

隨著我國智慧城市建設和城市更新的推動和發(fā)展，智慧建筑這個術語越來越多地出現(xiàn)在公眾視野之中。自2019年起，3個《智慧建筑評價標準》相繼發(fā)布或即將發(fā)布，標志著智慧建筑建設正式進入行業(yè)和國家推動階段。然而，到底什么是智慧建筑？它需要解決智能建筑建設中存在的什么問題，它發(fā)展的原驅動力是什么？為什么智慧建筑的出現(xiàn)不可避免？目前對于智慧建筑評價存在什么問題？有什么模糊認識？如何落地？本文將探討這些問題。

2 智慧建筑是智能建筑的未來

2.1 時代的技術特征是智慧建筑發(fā)展的第一驅動力

我國智能建筑行業(yè)近十五年發(fā)生了一些大事，其中也有一些國際事件，標志著時代的技術發(fā)展背景對于建筑智能化行業(yè)的影響：

●2007年H3C進入建筑視頻監(jiān)控行業(yè)，促使視頻從模擬數(shù)字混合時代快速演變到全數(shù)字時代，并開始展示平臺經濟初貌。標志著IT行業(yè)一旦進入建筑智能化行業(yè)，就展現(xiàn)出不同凡響的面貌。

●2013年Google以32億美元兼并Nest名不見經傳的智能溫度面板企業(yè)，標志著國際IT行業(yè)開始長驅直入建筑智能化行業(yè)。

●2017年阿里巴巴發(fā)表智慧建筑白皮書；同年騰訊、小米、華為進軍建筑智能化，標志著國內的IT巨頭嚴重關注建筑智能化行業(yè)。

●2017年邊緣計算參考架構2.0發(fā)布；2018年邊緣計算3.0、2019運營商邊緣計算技術白皮書3.0發(fā)布；標志著邊緣技術將對建筑智能化系統(tǒng)產生深遠影響。

這一切表明，時代已經從工業(yè)文明時代走向信息文明時代。

1）互聯(lián)網、移動互聯(lián)網爆發(fā)期

近20年來，IT行業(yè)逐漸入侵幾乎所有傳統(tǒng)行業(yè)：2003年淘寶沖擊實體商店，解決了人和物連接；2011年微信沖擊電訊行業(yè)，解決了人和人的連接；2012滴滴沖擊出租業(yè)；Google和百度對科技情報檢索方法的創(chuàng)新解決了人和信息的連接。

互聯(lián)網和移動互聯(lián)網消除了距離，互聯(lián)網商店的產生使得終端用戶屏棄了實體店的渠道中介——資源和終端用戶直接連接，大大降低了購物成本，方便了用戶，同時強壯了物流體系，其結果是去中心（介）化。

移動互聯(lián)網使得隨時、隨地服務可及；用戶可利用碎片化時間獲得服務，降低了服務的機會成本；線上與線下更容易結合。因此，服務成為本質，應成為企業(yè)戰(zhàn)略的指導思想。

去中介化的結果是資源直接和個體結合，其結果是個體主義的發(fā)展[1]。因此企業(yè)應越來越重視客戶端，為個體或是終端用戶服務將是發(fā)展的大趨勢。

2）物聯(lián)網快速成長期

物聯(lián)網快速成長的最為明顯的標志是硬件芯片的發(fā)展——硬件芯片邁入了物聯(lián)網時代。

現(xiàn)在，一個單核ARM芯片擴展后能夠支持音頻和視頻的接入（見圖1）；一個四核芯片具備CPU+GPU結構，能運行Android操作系統(tǒng)，專用硬件加速器滿足目標多媒體的性能，GPU2Dv2和GPU3Dv2分別提供2D和3D圖形算法的硬件加速，顯示直至HD1080分辨率；矢量圖像處理單元GPUVGv2的三維圖形加速器支持各種矢量圖形功能；芯片具有攝像機端口和增強的串行音頻接口提供全雙工串行端口（見圖2）。

圖1 單核芯片具備連接Wi-Fi功能

圖2 4核ARM架構芯片的功能圖

芯片國產化也取得了巨大的成就，已經能夠滿足物聯(lián)網和智慧建筑領域的全部需求。全志、瑞芯微、樂鑫、虎賁、思元、征程二代、求索、嘉楠科技等紛紛嶄露頭角，其中一部分還是AI芯片。

物聯(lián)網帶來物理和體制的扁平化，實現(xiàn)了終端用戶的可交互性；增強了個性化的定制和體驗迭代。物聯(lián)網使得物質世界最大程度地數(shù)字化、網絡化和智能化；同時也使得平臺作用越來越強大。

3）人工智能技術爆發(fā)前期

人工智能使用機器代替人類進行認知、識別、分析、學習和決策。它具有適應特性，有學習能力，有演化迭代，有連接擴展。支撐人工智能的關鍵技術有：機器學習、知識圖譜、自然語言處理、計算機視覺、人機交互、生物特征識別、虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實和數(shù)據孿生等。

人工智能技術已廣泛用于人臉識別、場景行為識別、生產過程異常識別、生產工序操作監(jiān)測、零部件質量檢測、建筑工地鋼筋加工和捆扎監(jiān)視、數(shù)據聚類分析、空調負荷預測和電力需求側預測等。

2.2 智能建筑建設中存在的問題是智慧建筑發(fā)展的第二驅動力

我國智能建筑經歷了二十余年建設高潮的歷程，從單體建筑到建筑群；從單一的辦公建筑到GB50314定義的十類建筑；單體體量從幾萬平方米，到一百五六十萬㎡；系統(tǒng)從3A到GB50314涉及的26個子系統(tǒng)，取得了極為重大的成就，也存在諸多問題。

2.2.1 越來越復雜的樹狀結構

GB50314涉及的26個建筑智能化子系統(tǒng)，呈樹狀，互相獨立，通過智能化集成系統(tǒng)相連接。其有下述弊?。荷婕皫资N不同協(xié)議，數(shù)據共享困難，容易形成信息孤島；管理復雜，運維困難，普通物業(yè)管理公司難以勝任；硬件、軟件開銷很大，線纜用量極大。圖3是上海湘芒果智能化集成管理框架。

圖3 建筑智能化系統(tǒng)的復雜樹狀結構

用戶期待通過智慧化解決：希望有更為簡潔架構，簡約協(xié)議并標準化，希望集成方式變得簡單；能大幅降低智能化系統(tǒng)硬軟件成本，使得設計、施工和調試成本也能大幅降低；降低使用門檻，簡化使用流程，便利建筑運維和優(yōu)化管理；傳感器和控制設備的配置及鏈接更加簡單、穩(wěn)定；系統(tǒng)和設備之間能夠通過自識別、免配置，實現(xiàn)快速集成，即插即用；能夠自定義路徑，在同一個架構上實現(xiàn)GB50314中不同子系統(tǒng)的功能；能方便使用數(shù)據驅動、人工智能技術賦能建筑設備和空間管理的故障自診斷、運行自學習；最后，希望能將建筑全生命周期的管理理念融入建筑智能化發(fā)展中，構成建筑物管理和運行的閉環(huán)。

2.2.2 智慧建筑極需解決BA存在的若干問題

建筑設備監(jiān)控管理系統(tǒng)是目前建筑智能化幾十個系統(tǒng)中唯一國產化不夠成功、沒有創(chuàng)新的子系統(tǒng)。國外的主流BA品牌在國內的應用表現(xiàn)也乏善可陳。原因復雜，這里僅僅闡述技術因素。

1）BA組態(tài)過于復雜

BA的應用需要有五種組態(tài)，現(xiàn)場必須有高年資工程師才能勝任。它們是點的組態(tài)、DDC組態(tài)、原理圖組態(tài)、控制邏輯組態(tài)和平面圖組態(tài)。一個應用良好的樓控系統(tǒng)還需要對于重要的測試參數(shù)進行趨勢圖配置，保證重要點位上傳數(shù)據的顆粒度足夠精細，這些都對現(xiàn)場工程師提出了很高的要求。智慧建筑應當解決這一難題，實現(xiàn)組態(tài)的傻瓜化、簡約化（見圖4）。

圖4 BA的復雜的組態(tài)

2）控制回路PID需要高級技師長時間調試，導致實際不調試

BA的調試對象如組合式空調系統(tǒng)，具有閉環(huán)控制回路，需要進行比例、積分、微分（即PID）參數(shù)調試，以滿足被控參數(shù)的穩(wěn)定性、實時性和靜態(tài)誤差。由于P、I、D參數(shù)調試時互相耦合，對于調試工程師提出了非常高的要求，需要花費大量的時間，導致工程實踐中的不調試。結果圖5所示的震蕩屢見不鮮。

圖5 PID參數(shù)沒有調試下的被控參數(shù)震蕩

結論：智慧建筑需要實現(xiàn)對于被控對象的建模和被控參數(shù)的自學習。

3）傳感器數(shù)據不準，期望壽命太短

建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)中需要有大量的傳感器來感知空間參數(shù)和設備狀態(tài)，如溫濕度、CO2、CO、流量、液位等。它們價格不菲，但壽命不長，是導致BA不長的時期內失效的原因之一，文獻2比較了某些傳感器的MTBF1數(shù)據和實際樓宇自控系統(tǒng)中收集的數(shù)據計算MTBF2的差異，參見表格1。從表格1中可見，兩者差異在5到10倍，即傳感器實際壽命比期望壽命短得多。更有甚者，大部分傳感器在運行一段時間后精度會有所偏離，需要及時標定，而離線整定不僅價格貴，而且?guī)缀醪豢刹僮鳌?/p>

結論：智慧建筑必須解決傳感器標定問題。

表1 部分傳感器期望壽命與實際壽命比較

4）傳感器價格太貴

建筑中的傳感器普遍存在價格較貴的問題，如流量計、冷量計等，迫切需要研發(fā)價格下降幾倍甚至幾十倍的傳感器群。當今IC傳感器快速發(fā)展，具有微機電系統(tǒng)MEMS的傳感器可以檢測環(huán)境變化，某種物理、化學或生物的存在和強度，如溫度、壓力、聲音或化學成分等；在IC芯片上開槽能夠檢測流量。圖6是采用MEMS結構的仿生學水流傳感器。因此，傳感器技術正在發(fā)生一場革命，需要我們高度關注，未來智慧建筑將大量使用MEMS結構的傳感器。

圖6 微結構水流傳感器

5）迫切需要人工智能技術介入

人工智能技術的應用可以解決建筑設備中控制回路的整定復雜而耗時的問題。圖7展示了新風機送風溫度在使用人工智能辨識模型、優(yōu)化PID參數(shù)后的控制效果。與圖5對比，表冷器水閥不再震蕩，而是穩(wěn)定在開度40%到60%之間，這無疑是最優(yōu)的。

圖7 模型優(yōu)化后的水閥行程

2.2.3 視頻系統(tǒng)需要物聯(lián)網連續(xù)空間相關性計算

智能建筑視頻監(jiān)控系統(tǒng)常常用來測試人流量，現(xiàn)有視頻監(jiān)控系統(tǒng)檢測誤差較大。因空間具有連續(xù)性，連續(xù)空間視頻人流的相關性計算能大大提高人流檢測精度。

2.2.4 全生命周期運維的閉環(huán)需求

長期以來，智能建筑的建設和運維是開環(huán)的，沒有設計師或任何其他組織的終身責任制。因此，設計、施工、調適、運維無法建立良性反饋。形成制度閉環(huán)，才能提高建筑質量，根本改變物業(yè)管理人員不將節(jié)能視為生命、隨意將自動置換成手動的行為。因此，智慧建筑的到來伴隨著體制的改革。

3 三個《智慧建筑評價標準》

2019年，中國房地產業(yè)協(xié)會住宅技術委員會和江蘇省智慧建筑工程研究中心率先聯(lián)合頒布了T/CREA 002-2020智慧建筑評價標準，并于2020年10月1日生效。2021年1月中國節(jié)能協(xié)會頒布團體標準T/CABEE 002-2021智慧建筑評價標準，于2021年5月1日實施。緊接著，中國工程建設標準化協(xié)會的智慧建筑評價標準T/CECS進入征求意見稿階段。

學習這三個標準，有幾個共同特點：都對智慧建筑進行了比較準確的定義；都從智慧建筑的安全、健康、低碳、便捷、服務等功能出發(fā)進行評價。無疑的，它們推進了我國智慧建筑建設的實施。但由于現(xiàn)行標準體系的限制，目前智慧建筑的系統(tǒng)架構短時期內不可能改變，因此，以上述功能作為評價智慧建筑的主要判據是正確的。

但是，當前大數(shù)據和AI技術在建筑智慧化方面應用實例極少，發(fā)展需要過程，因此，標準存在重硬件設施，輕軟件功能，沒有充分按智慧建筑定義評價的缺點，應是受當前現(xiàn)實限制的不得已而為之。希望今后在標準的修訂版中加強人工智能應用引導。

4 智慧建筑定義

綜合上述三個智慧建筑評價標準的成果，可以比較準確地給出智慧建筑定義：基于物聯(lián)網、大數(shù)據和人工智能技術，構建新一代信息綜合管理平臺，通過對建筑數(shù)據的全面感知、泛在連接、及時傳送和信息整合，實現(xiàn)自主學習、自動推斷和主動決策，達到設施和環(huán)境管控的自我進化，人、環(huán)境和設施的相互協(xié)同，提供安全、健康、低碳、便捷的高質量建筑的目的。

分析上述定義，“物聯(lián)網、大數(shù)據、人工智能和新一代平臺”是技術架構基礎和手段，“全面感知、泛在連接、及時傳送和信息整合”是對系統(tǒng)軟硬件設施三個層次的要求，“自主學習、自動推斷和主動決策、自我進化”是對軟件功能的要求，是智慧化核心，“設施和環(huán)境管控的自我進化，人、環(huán)境和設施的相互協(xié)同，提供安全、健康、低碳、便捷的高質量建筑”是目標。筆者認為，評價標準宜順應這幾個層面深入展開。

5 智慧建筑的架構

物聯(lián)網和芯片技術的發(fā)展驅動智慧建筑未來必然以物聯(lián)網為架構，原來的樹形架構的26個子系統(tǒng)將扁平化，成為具有群智能功能的魔方架構。在建筑中，每個單元空間將配置有1個節(jié)點；每一個重要設備配置1個節(jié)點。每個節(jié)點按需要前后、左右、上下相互連接，從通信上互為冗余（見圖8）[3]。

圖8 魔方結構的未來智慧建筑架構[3]

建筑智能化大部分子系統(tǒng)都將運行在這一統(tǒng)一的架構中，從而節(jié)約了大量的線纜，極大地降低智能化系統(tǒng)硬軟件成本，以及設計、施工的工作量。

原來幾十個子系統(tǒng)采用的不同的協(xié)議將徹底被摒棄，節(jié)點之間的連接將采用統(tǒng)一的主流協(xié)議，從而，使得數(shù)據容易共享，打破了信息孤島。降低了使用門檻，簡化了使用流程，便利了建筑運維人員運維和優(yōu)化管理。

不再需要對于每個子系統(tǒng)構建安全屏障，僅僅只需要關注一個統(tǒng)一系統(tǒng)的安全問題。

筆者認為，智慧建筑物聯(lián)網架構中，有下述幾個特征：

1）魔方架構可以是不完整的，即節(jié)點的上下連接（一般是不同樓層的連接）可以按實際需要斷開或連接。

2）節(jié)點承擔邊緣功能，向下是端，向上是平臺（本地或云），因此扁平系統(tǒng)的縱向架構是云、邊、端結構。

3）節(jié)點的操作系統(tǒng)應是實時的，節(jié)點芯片按需要可以是多核或單核的?？臻g節(jié)點操作系統(tǒng)可以是實時輕量級的，僅擁有實時內核，重點設備或需要承擔視頻功能的節(jié)點操作系統(tǒng)應是實時重量級的，需要能自動進行多核并行計算和負載均衡計算。

4）每個空間節(jié)點只與鄰近節(jié)點交互，并按需做相關性計算。

5）新一代平臺的建設應是①產品化組態(tài)的；②具備國產的地理空間信息系統(tǒng)，以滿足建筑作為智慧城市的一個節(jié)點的需要；設備位置及屬性應采用國產的輕量化的BIM編碼系統(tǒng)；③應建立統(tǒng)一的數(shù)據入庫標準、數(shù)據交互標準、數(shù)據接入標準；④應逐步實現(xiàn)自主學習、自動推斷和主動決策等人工智能功能；⑤具有自我進化功能。

6 智慧建筑的屬性

6.1 智慧建筑是閉環(huán)的、自學習的、能自動進化的

與智能建筑不同，智慧建筑一定能夠形成閉環(huán)。不僅是物理系統(tǒng)的閉環(huán)，還有環(huán)境和人的閉環(huán)。物理系統(tǒng)閉環(huán)指設備的運行、用能能夠及時得到反饋，能夠實現(xiàn)滿足健康舒適前提下的節(jié)能模式，能夠優(yōu)化設備的運行和控制；環(huán)境的閉環(huán)是指能夠自學習人的使用習慣，自學習環(huán)境的舒適度；人的閉環(huán)是指能感知人的情緒，通過人體工程學、環(huán)境或音視頻虛擬技術舒緩人的情緒或激發(fā)人的工作激情，達到提高工作效率、減輕勞動強度的目的。

6.2 智慧建筑將建筑與人、物與物、人與物鏈接在一起

智慧建筑實現(xiàn)建筑和人的互動。例如，能根據舒適度和天氣自動啟閉的智慧窗，并聯(lián)動對應的空調系統(tǒng)；根據氣候和能耗自動調節(jié)的呼吸幕墻；根據太陽入射角自動調整太陽能光伏電池板的平面夾角等。

智慧建筑實現(xiàn)人和環(huán)境的互動。例如空調末端和燈光能記憶并自學習人的使用習慣，自動滿足人的體驗。

智慧建筑能實現(xiàn)人和物互動。語言控制智能技術將在此得到很大的應用。例如，瞳孔聚焦技術驅動服務機器人伺候老人、用水計量和冰箱門磁判斷孤獨老人每天晨起時的健康狀態(tài)等是人工智能技術在養(yǎng)老領域的應用；老人院的墻體顯示播放老人一生中高光時刻的影像能治愈孤獨老人的心靈等。

6.3 智慧建筑的節(jié)點路徑應當是軟件定義的（SDN）

由于智慧建筑與智能建筑最大的不同點是將26個獨立的軟硬件子系統(tǒng)軟化為相應的功能模塊，并運行在統(tǒng)一的硬件架構上。而不同的子系統(tǒng)功能需要不同的節(jié)點路徑：例如，BA系統(tǒng)路徑只與空間節(jié)點和暖通設備、照明設備和其他動力設備有關，門禁系統(tǒng)路徑只與空間節(jié)點和視頻聯(lián)動設備有關，它們的路徑是不一樣的。因此，智慧建筑的一個重要屬性，是軟件定義網絡SDN的。

在智慧建筑中，可以通過機器人解決傳感器自整定問題，以提高傳感器的期望壽命。機器人攜帶高精度、及時整定的傳感器。需要對節(jié)點傳感器進行整定時，機器人巡檢到相應空間，通過SDN功能自動斷開空間節(jié)點連接的原傳感器，并與機器人攜帶的傳感器連接，實現(xiàn)整定，整定后將整定誤差發(fā)送到該節(jié)點供校正，然后恢復到原有連接狀態(tài)（見圖9）。

圖9 整定機器人

6.4 智慧建筑是一個開放的體系

作為智慧城市的一個細胞，智慧建筑上行連接到智慧城市云平臺；橫向與智慧城市各個子系統(tǒng)平臺互聯(lián)。因此智慧建筑是一個開放體系。

6.5 智慧建筑必須是低碳綠色的、環(huán)境友好的、低維護成本的

①智慧建筑強調，建筑高質量、長壽命是最大的綠色；建筑設計要進行風、光、氣流、能耗模擬技術，因地制宜地使用被動技術；選用綠色建材設備；采用智慧化手段實現(xiàn)綠色施工。

②環(huán)境應滿足健康、舒適、體驗友好的要求：室內空氣品質應符合《公共建筑室內空氣質量控制設計標準JGJT 461-2019》；室內自然光環(huán)境和照明光環(huán)境符合《健康建筑評價標準》的要求；光環(huán)境能與遮陽及照明聯(lián)動；能根據室內空氣品質與空調和門窗聯(lián)動。

③運行應是綠色的，冷熱源應采用群控系統(tǒng)，且實時EERs＞5.2；采用人工智能技術進行負荷逐時預測，并能做到按需供能；應具有能源管控系統(tǒng)，能分析建筑級、系統(tǒng)級和設備級能效，并加以提升，具有故障判斷和優(yōu)化控制策略。

④應能通過自學習和自診斷決策，將自身的運行水平維護在設計定義的功能和性能上。

6.6 安全與防災

6.6.1 建筑安全

智慧建筑的部分節(jié)點具有視頻監(jiān)控、音頻監(jiān)測、防火災、火災廣播、防入侵等功能；并能在災情發(fā)生時自動計算并提供最佳逃生路徑指示。

支持人臉識別、場景分析和自動告警功能，對可疑對象自動跟蹤鎖定，并實時推送到相關人員。

能通過相關性計算獲取精確的瞬時人流量，用于險情分析、空調負荷計算和供能平衡。

6.6.2 網絡、數(shù)據與設備安全

智慧建筑應從物理與環(huán)境安全、通信網絡安全、節(jié)點與平臺安全、應用程序安全、數(shù)據安全防護、監(jiān)測預警、安全規(guī)劃與組織建設、人員管理及培訓、資產安全管理、應急響應、配置管理、訪問控制等方面滿足安全要求。

7 結語

智慧建筑是時代技術發(fā)展的必然產物，它將把建筑物和人的互動提升到一個新的層次，而不能僅僅是智能建筑的名稱新包裝。我們發(fā)展智慧建筑要切實解決二十余年智能建筑建設中存在的問題。智慧建筑能大大降低硬件系統(tǒng)成本，將建筑智能化的大部分子系統(tǒng)軟化為功能模塊，因此，建設新一代的信息化管理平臺尤為重要。發(fā)展智慧建筑的一個極為重點方面是建設軟件，努力將數(shù)據驅動技術加以應用。我們要加速人工智能在智慧建筑中的應用，極力推動它的落地，使得建筑更有靈性、更具人的智慧。期待我們行業(yè)和標準對此加以引導和推動。