陳 烈

（上海建坤信息技術有限責任公司，上海 200032）

大型公共建筑的精準管控是城市精細化管理的重要組成。樓宇自控系統(tǒng)（BA，Building Automation）是實施機電控制的系統(tǒng)，亦是大型公共建筑精準管控的關鍵，直接影響著機電設備運行的效率、成本、耗能和安全。通過自動控制系統(tǒng)優(yōu)化機電設備運行，可節(jié)能 10%～15%，再結合物業(yè)精細化管控，節(jié)能最高可達 50% 以上[1]。相關數(shù)據(jù)顯示，2016年全球 BA 系統(tǒng)市場總額約3600 億元，我國市場約80億元，其中，華東地區(qū)約占 40%，年增長率在 10% 以上。我國 BA 系統(tǒng)市場被國外品牌壟斷，自主品牌占有率不超過 10%，BA 系統(tǒng)是智能建筑23個主要智能化系統(tǒng)中唯一未充分國產(chǎn)化的系統(tǒng)。另一方面，普遍存在“不好用，用不好”的問題，已建成的 BA 系統(tǒng)平均使用率 ＜ 60%，優(yōu)化控制實現(xiàn)率 ＜ 7%[2]。因此，亟須在 BA 的基礎上，研究智慧機電設備管控系統(tǒng)，為構建安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的智慧建筑提供強力支撐。

1 智慧機電設備管控系統(tǒng)

智慧機電設備管控系統(tǒng)是為精準管控服務、實現(xiàn)全局最優(yōu)控制，融合了需求、模型、流程和軟件，是 BA 系統(tǒng)的升級。智慧機電設備管控系統(tǒng)是建筑物聯(lián)網(wǎng)的一個節(jié)點，以建筑使用者和管理者的需求為導向，融合檢測技術、控制技術和邊云協(xié)同技術，配置實時感知、理解、判斷、決策、執(zhí)行、學習等智慧能力，以追求全局智能協(xié)同、運行效率最優(yōu)為目標，全面獲取與共享建筑動態(tài)、靜態(tài)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)建筑機電系統(tǒng)優(yōu)化運行和維護管控一體化，是建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

從發(fā)展趨勢來看，智慧機電設備管控系統(tǒng)的發(fā)展將經(jīng)過3個階段。第一個階段是對當前 BA 系統(tǒng)升級，按照新的需求，增加各類新型傳感器和建筑信息化平臺，實現(xiàn)對各建筑結構、環(huán)境、人員及機電設備的狀態(tài)監(jiān)測和優(yōu)化控制。第二個階段將實現(xiàn)時空的拓展，時間上將往設計、規(guī)劃和建設進行前饋，實現(xiàn)全生命期覆蓋，空間上將與物業(yè)系統(tǒng)、BIM 系統(tǒng)深度融合，構建人、空間、機電系統(tǒng)的全方位體系，實現(xiàn)建筑物的最優(yōu)控制。第三階段將是全人工智能階段，實現(xiàn)無人值守的建筑物智慧運營。

2 物業(yè)管理對智慧機電設備管控系統(tǒng)的要求

物業(yè)管理承擔著智能建筑運行和維護的職能。很多建筑雖建設了智能化系統(tǒng)，卻并未實現(xiàn)智能化的效果，昂貴的投資常成為擺設。早在2000年，姜平[3]提出“可以認為智能化技術或者智能化系統(tǒng)最終是為物業(yè)管理而服務的工具和一種有效地實現(xiàn)物業(yè)管理目標的手段”。趙哲身教授對智能建筑運行狀況進行了深刻的反思，提出“物業(yè)管理企業(yè)對智能化設施的管理本身遠比智能化系統(tǒng)設施的建設重要”，并從機制、理念、人才和核心任務等角度給出了解決方案[4]。因此，物業(yè)管理的需求對智慧機電設備管控系統(tǒng)發(fā)展影響重大。

物業(yè)公司的部門一般可分為市場拓展部、物業(yè)咨詢部、物業(yè)管理處、工程管理部和人力資源部等11個部門54個崗位，共162個 KPI 績效指標[5]。其中有22個指標與機電設施管控相關，具體如表1所示[6]。由表1可以得出以下結論。① 與機電設施管控相關的 KPI（Key Performance Indicator，關鍵績效指標考核）約占總體 KPI 指標的 15.6%，與業(yè)務部門有直接對應關系，與管理部門的績效關聯(lián)性不強。② 物業(yè)管理重點關注機電設備的完好率和故障率，對性能和效率要求不高。③ 機電管理的目標和質量無統(tǒng)一要求，缺乏標準。

思源智慧物業(yè)軟件 3.0 如圖1所示。以此為例可知，從物業(yè)管理軟件的角度來看，機電設施管理并非最核心的內(nèi)容。因此，智慧機電設備管控系統(tǒng)一方面要與物業(yè)管理的需求、目標和 KPI 緊密結合，使其自身成為物業(yè)管理必不可少的支撐，才會得到物業(yè)管理重視、重用。另一方面，要嵌入到物業(yè)管理的流程中，串聯(lián)起人、機、物、法、環(huán)各要素，形成管理與控制的閉環(huán)，才能將智慧機電設備管控系統(tǒng)發(fā)揮出效能。

表1 機電設施管理與物業(yè)管理 KPI 的關系

圖1 智慧物業(yè)軟件 3.0 的功能架構

3 大型公共建筑機電設備精準管控多目標需求

結合智能建筑和物業(yè)管理的相關定義和標準，可將建筑運行目標設定為安全、健康、綠色、低碳、清潔、舒適、便利、節(jié)能、美觀。各目標的定義(釋義)及與機電系統(tǒng)的關系如表2所示。

表2 建筑運行目標及與機電系統(tǒng)的關系

建筑內(nèi)機電系統(tǒng)在為某個目標服務的同時，常會對其他目標造成影響，如夜景景觀照明增加了建筑的美觀程度，但也增加了能耗、碳排放及用電安全的不確定性；增加建筑熱舒適度的同時也有可能會增加空調(diào)系統(tǒng)的能耗；增加室內(nèi)潔凈度、增加室內(nèi)清掃設備的同時會損耗和消耗能源。因此，可以認為機電系統(tǒng)的多目標存在著一定的耦合，這增加了管理和運營的復雜度。另一方面，不僅僅是單個系統(tǒng)對多個目標產(chǎn)生影響，而且多個機電系統(tǒng)可協(xié)同為同一目標服務，這促使機電設備管控系統(tǒng)形成多目標全局優(yōu)化的協(xié)同控制。

4 智慧機電設備管控系統(tǒng)架構設計

根據(jù)智慧機電設備管控系統(tǒng)定義、技術發(fā)展趨勢和建筑物運營管理的新要求，提出多目標全局優(yōu)化的智慧機電設備管控系統(tǒng)架構，如圖2所示。

5 智慧機電設備管控系統(tǒng)三大精準管控關鍵技術

在技術層面，目前國內(nèi)外建筑機電管控系統(tǒng)產(chǎn)品架構陳舊，普遍停留在10a 前的水平，無法滿足建筑精準運營的要求，存在的主要問題如下所示。① 目前建筑行業(yè)中應用的傳感器精度偏低，誤差大，且均為傳統(tǒng)傳感器，無存儲、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡傳輸?shù)裙δ?。?系統(tǒng)網(wǎng)絡架構是從工業(yè)控制網(wǎng)絡過渡而來，無法適應建筑物二次改造和設備升級的需求。③ 組態(tài)配置、策略和模型不夠智能，對業(yè)者的素質要求較高，限制了系統(tǒng)效用發(fā)揮。④ 系統(tǒng)以可視化運行為主，運營管理功能缺失，缺乏智能的數(shù)據(jù)分析、主動的安全方法和節(jié)能減排策略。圍繞目標精準、感知精準、控制精準，亟須在以下3個方面形成關鍵技術。

5.1 高精度的芯片型傳感器數(shù)據(jù)采集

建筑傳感器特性隨著時間而變化，其傳感器生產(chǎn)廠提供的平均無故障時間 MTBF 1（Mean Time Between Failure，MTBF）與實際樓宇自控系統(tǒng)應用的 MBTF2分別如表3所示，兩者存在較大差距[7]。建筑內(nèi)的傳感器的安裝往往是“一次性”的，在安裝完成以后，很少有管理者關注傳感器是否失效、是否準確，這對建筑機電設備的精準控制的造成較大的影響。MEMS 傳感器是建筑傳感器發(fā)展的新方向，MEMS 傳感器的高可靠性、高精度、微型化、智能化、網(wǎng)絡化特點適合應用于建筑領域，可通過算法延長傳感器的校準時間、可通過網(wǎng)絡化提高組網(wǎng)的便捷性、通過微型化可以增加傳感器布設的形式，適應不同應用場景的需求。實驗室試驗與實際建筑調(diào)查的傳感器平均無故障時間對比如表3所示。

圖2 智慧機電設備管控系統(tǒng)架構圖

表3 實驗室試驗與實際建筑調(diào)查的傳感器平均無故障時間對比

5.2 無中心的全分布式架構

早期建筑運行管理的對象比較單一，主要集中于大型的機電設備，系統(tǒng)的終端不具有控制調(diào)節(jié)的能力，或由使用者根據(jù)需求手動調(diào)節(jié)。因此，在建筑自控發(fā)展初期，系統(tǒng)組態(tài)的矛盾并不凸顯。但隨著智能建筑概念的提出，建筑自控的功能開始變得豐富多樣和前端化[3]?，F(xiàn)在的機電管控系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的 DCS 架構，改造項目實施難、改造成本高、配置錯誤率高。另外，隨著智慧建筑的發(fā)展，在智能節(jié)點的連接方面出現(xiàn)了3個新需求，即具備底層信息高效共享的能力、具備自識別和自組織的能力、具備易操作和易改造的能力。因此，面向大數(shù)據(jù)的智慧機電設備管控系統(tǒng)將基于無中心的全分布式架構進行建設，其具備高度靈活性和擴展性，同時適用于新建建筑和既有建筑。

5.3 基于 AI 的大數(shù)據(jù)建模和預測

精準的大數(shù)據(jù)建模和預測是智慧建筑機電設備優(yōu)化控制的前提。隨著 AI 技術的快速發(fā)展，AI 將被全面應用于智慧機電設備管控系統(tǒng)中。智能視頻分析將分析人的行為模式，可獲得人對建筑物的需求；通過“互聯(lián)網(wǎng) +”可形成新型人機協(xié)同；基于時間序列智能分析算法，可實現(xiàn)機電系統(tǒng)運行的運行優(yōu)化。在這些過程中，通過對象模型化、大數(shù)據(jù)語法表達、關鍵信息智能識別等關鍵技術，將進一步實現(xiàn)多個目標的全局優(yōu)化。此外，BIM 的應用將使實時動態(tài)大數(shù)據(jù)和靜態(tài)空間信息緊密結合，重新定義數(shù)據(jù)的空間關系，進一步滿足建筑管理者和用戶的需求。

6 結語

本文對智慧機電設備管控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢、定義、需求、目標、架構及關鍵技術進行了深入探討，系統(tǒng)地提出以下幾點建議。

（1）智慧機電設備管控系統(tǒng)的發(fā)展終極目標為形成全人工智能的智能管控，實現(xiàn)無人值守的建筑物智慧運營。

（2）智慧機電設備管控要與物業(yè)管理的需求、目標和 KPI 緊密結合，才能成為建筑運營不可或缺的工具。

（3）設計了一種以大數(shù)據(jù)處理和多目標全局優(yōu)化為核心的智慧機電設備管控系統(tǒng)架構。

（4）圍繞目標精準、感知精準、控制精準，提出三大關鍵技術—MEMS 傳感器、無中心全分布式架構和基于 AI 預測的優(yōu)化控制。本文為新一代智慧建筑的設計、建設和運行提供借鑒。