李維時， 陳 琪， 潘云剛

（中國建筑設計研究院有限公司，北京100044）

0 引言

從上世紀80年代，我國在建筑中引入建筑設備管理系統(tǒng)（簡稱“BMS”）以來，以數(shù)字技術為控制平臺的直接數(shù)字控制系統(tǒng)（簡稱“DDC”）在我國得到了廣泛的應用。但是，由于DDC系統(tǒng)在系統(tǒng)結構、軟件編程等方面的特點和技術要求，以及實際工程從招投標、施工安裝、運行調試和運行管理等操作過程中普遍存在的一些問題，導致我國的BMS系統(tǒng)實際運行管理的現(xiàn)狀，遠遠沒有達到其所預期的功能。建筑物智能化系統(tǒng)維護運行水平不高，甚至一些已投用的DDC系統(tǒng)在2～5年后就恢復到手動運行管理狀態(tài)。實際調研的情況如圖1所示。

分析現(xiàn)有建筑物維護運行智能化程度不高的原因，可以大致歸納為以下因素。

（1）各智能化系統(tǒng)條塊分割，互不兼容（編碼方式不同，代碼不公開等因素造成）。

（2）采用中央站建模，組網(wǎng)建模工作量大，建設成本高。

圖1 全國智能化建筑樓宇控制現(xiàn)狀

（3）各系統(tǒng)不能適應建筑物的個性化設計，不可復制，定制化成本高。各建筑物的建筑設備管理系統(tǒng)由于設備廠家不同，使用需求不同，各個工程之間的系統(tǒng)模式不能復制。這種近似定制開發(fā)的系統(tǒng)控制模式，系統(tǒng)構建成本高，運營維護困難。

（4）系統(tǒng)配置不靈活，修改維護成本高。當物業(yè)管理需要系統(tǒng)做適當調整時，需要DDC設備廠家專業(yè)技術人員進行修改。系統(tǒng)修改成本較高，可實施性差。

（5）信息技術門檻高，專業(yè)知識難以落地。機電專業(yè)的工程師和設計師的控制思路只能通過計算機（或自動化）專業(yè)人員才能完成編程。

針對目前建筑智能化實際運行中出現(xiàn)的上述問題和原因分析，國家科技部于2016年立項了國家重點研發(fā)計劃項目專項“新型建筑智能化系統(tǒng)平臺技術”項目課題，這是十三五期間智能建筑領域的大型研究項目課題之一。本文提到的“新型群智能建筑控制管理平臺系統(tǒng)”，是本專項課題研究的核心內容，其目標是構建適應城鎮(zhèn)化發(fā)展、中國獨立自主的智能化技術體系和標準；在此基礎上，形成覆蓋各種應用的智能產(chǎn)品（冷機、水泵、空氣處理機組、換熱機組、電梯、變配電、照明等），創(chuàng)造一種新的產(chǎn)業(yè)模式，在提升我國建筑智能化設計、建造和運行管理水平的同時，帶動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)完成中國智造的升級。

1 群智能建筑控制管理平臺在控制理念上發(fā)生本質改變

群智能建筑控制管理平臺系統(tǒng)是一個去中心化、扁平型的控制管理平臺（以下稱“新控制管理平臺”）。

原有的建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)（BA），代碼算法不開放，使用者不能方便地按照現(xiàn)場實際情況，調整控制策略，大部分實際運行的系統(tǒng)只能進行簡單的參數(shù)再設定，管理者或設計師無法進行軟件的優(yōu)化和再編程。在建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)運行幾年之后，由于各種原因，相當一部分變?yōu)榱耸謩涌刂?，各種優(yōu)化策略均不能實現(xiàn)。雖然總線技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、集成軟件、OPC、云計算等都在不斷發(fā)展，可智能化實際控制水平卻沒有發(fā)生本質性的提升，系統(tǒng)平臺的架構沒有實質性變化——中央控制中心的這種控制邏輯沒有發(fā)生改變；各個系統(tǒng)相互獨立，條塊分割的情況也沒有改變。各個系統(tǒng)缺乏橫向連接——建筑設備監(jiān)控、照明、安防、消防等每一項都是一個獨立的系統(tǒng)（甚至每個系統(tǒng)內又含N個子系統(tǒng)）。

但是，在一個空間內的電氣設備，往往是發(fā)生關聯(lián)的。比如會議室照明、空調、投影、電動窗簾等電氣設備，是一個協(xié)作使用的情況。如果采用中心控制框架，當中心處理能力足夠強大時，上傳的大量數(shù)據(jù)可以很快準確處理。但末端數(shù)據(jù)的采集和校核是一個極其龐大、復雜的工程。在目前建筑規(guī)模越來越大的趨勢下，建筑群海量的終端數(shù)據(jù)采集，由于安裝、調試、接線等問題，要求上傳全部準確無誤的數(shù)據(jù)信息是難以實現(xiàn)的。當新的設備需要接入原有控制系統(tǒng)時，不但控制系統(tǒng)原有構架需要調整，控制軟件也需要相應修改。這種修改只能由樓控設備廠家專業(yè)工程師完成，這也是目前的BMS系統(tǒng)維護運行水平較低的因素之一。

如果把一幢建筑內的各種空間和使用設備分別視為建筑的一個“節(jié)點單元”，那么，通過對典型建筑和功能的總結，既可以找出這些“節(jié)點單元”自身的運行管理需求，也會找出它們相互之間存在的邏輯聯(lián)系。生物界的群落行為給了一些啟發(fā)：成千上萬的魚群遷移嬉戲、蜜蜂筑巢、螞蟻搬家，眾多低等生物能共同完成異常復雜的“工程”，靠的即是獨立個體自組織、自識別及相互協(xié)作。如今這種控制理念在無人機編隊的編程中已展開使用。新控制管理平臺就是把這個理念應用到系統(tǒng)平臺中。

原樓宇智能化控制平臺流程如圖2所示，群智能建筑控制系統(tǒng)平臺流程如圖3所示。新控制管理平臺優(yōu)于原樓宇智能化控制平臺的方面有以下幾點。

（1）新控制管理平臺是一個無中心、扁平化結構。

（2）新控制管理平臺是一個自組織、自識別的天然集成平臺。

（3）新控制管理平臺采用分布式計算，CPN節(jié)點共同協(xié)作完成全局優(yōu)化控制。

（4）新控制管理平臺功能擴展更靈活。

（5）新控制管理平臺采用標準化產(chǎn)品，設計更簡單。

新控制管理平臺是一個分布式的平臺，系統(tǒng)的拓撲過程源于它的自識別。優(yōu)點是能夠針對條塊分割（即“節(jié)點單元”），解決有針對性的問題，同時實現(xiàn)控制系統(tǒng)對“節(jié)點單元”（建筑空間或者機電設備）的自組織、自識別和自協(xié)調，解決系統(tǒng)和“團隊”問題。對空間單元進行橫向集成，便于實現(xiàn)系統(tǒng)信息的互聯(lián)互通，實現(xiàn)設備之間的分布式協(xié)作。通過這種自組織、協(xié)作場識別和物理場的識別，可以更方便用戶獲得實用信息。

圖2 原樓宇智能化控制平臺

圖3 群智能建筑控制系統(tǒng)平臺

新控制管理平臺采用標準化模塊、標準化節(jié)點以及標準操作系統(tǒng)，實現(xiàn)安裝簡潔、靈活，降低設備安裝、系統(tǒng)維護、機電改造以及升級換代的成本。

這一原創(chuàng)性的新智能化架構必然改變智能建筑業(yè)態(tài)，激發(fā)智能化技術的發(fā)展。

2 群智能建筑控制管理平臺的控制節(jié)點

新控制管理平臺是由一個個獨立平等的節(jié)點連接起來的。相鄰節(jié)點之間相互互動，所有節(jié)點整體進行平等計算。這個系統(tǒng)可以實現(xiàn)自組織識別及節(jié)點間協(xié)作。這個節(jié)點叫 CPN（Computing Processing Node）計算處理單元?？刂葡到y(tǒng)的所有控制算法及都嵌入在每個平行節(jié)點內。

新控制管理平臺為實現(xiàn)系統(tǒng)的標準化、設備的即插即用，引用了標準空間單元和標準設備單元的設計理念。首先平臺覆蓋全部建筑空間。按功能、防火分區(qū)、控制節(jié)點的輻射半徑等因素，整個建筑空間可分為若干標準空間單元。像搭積木一樣，依據(jù)不重不漏的原則，若干標準空間單元按照建筑原有的空間相對關系，把相鄰標準空間單元拼接起來，實現(xiàn)與建筑空間一一對應的空間模型。對建筑物內的機電系統(tǒng)則引入標準設備單元理念。

每個標準空間單元設置一個CPN-A，如圖4所示，每個標準設備單元配置一個CPN-B，如圖5所示。CPN-A之間按照空間相鄰關系連接起來，構成類建筑空間模型的控制平臺。CPN-B按照各機電系統(tǒng)工藝流程關系連接在一起，然后接入到新控制管理平臺。整個新控制管理平臺的構架就搭建完成了。

圖4 計算處理單元CPN-A

圖5 計算處理單元CPN-B

CPN-A、CPN-B節(jié)點內置固化了32種標準數(shù)據(jù)集（1種標準空間單元數(shù)據(jù)集及31種標準設備單元數(shù)據(jù)集）。其中標準空間單元數(shù)據(jù)集包含了建筑空間內從屬的智能機電設備末端，如燈、開關、插座、風機盤管等。31種標準設備單元數(shù)據(jù)集，包括水泵、冷水機組等機電源側設備，可以搭建目前建筑物使用的各種機電系統(tǒng)，形成新型的智能機電系統(tǒng)模型，并接入到新控制管理平臺當中。由于CPN節(jié)點都能自組織、自識別。當CPN節(jié)點與各機電設備采用有線或無線連接之后，自行將設備與相應的標準數(shù)據(jù)集進行匹配，從而達到自動組網(wǎng)的協(xié)作過程。

CPN-A通常以無線WiFi的形式與末端的各智能設備連接。智能設備的種類、數(shù)量、狀態(tài)采集種類均固化在CPN-A的空間標準數(shù)據(jù)集中。當設備安裝完畢后，運行固化在CPN-A設備內的安裝軟件，CPN-A可以通過WiFi自動拾取探測半徑范圍內的智能設備，并建立控制聯(lián)系。

CPN-B通常以有線的形式與末端的各智能設備連接。按照機電系統(tǒng)的工藝流程的邏輯關系，將設備與對應的CPN-B連接起來，再接入到新控制管理平臺中。

3 群智能建筑控制管理系統(tǒng)平臺的設計探索

在新控制管理平臺的設計方面，不斷探討設計原則、設計流程。目前把新控制管理平臺搭建大致分為三個步驟。

3.1 標準空間單元的劃分

（1）按獨立房間劃分為一個空間單元；當房間長度＞16m，可以按約8m半徑劃分多個空間單元；（2）樓梯間、前室單獨劃分功能單元；（3）強、弱電間宜單獨劃分功能單元；（4）設備管井不宜單獨劃分功能單元；（5）電梯井道不劃分功能單元；（6）大堂燈具等，電動窗數(shù)量較多的區(qū)域，功能分區(qū)面積適當減少。

標準空間單元的劃分基本原則為：（1）基本空間單元可以不重不漏地覆蓋所有建筑空間。（2）一個空間單元對應一個CPN-A。圖6為某工程基本空間單元的劃分平面圖。

圖6 某工程基本空間單元的劃分平面圖

3.2 標準設備單元的劃分

為便于系統(tǒng)標準化設計，把采集的運行數(shù)據(jù)及接收控制管理指令，以及交互協(xié)作模式存在一定共性的設備，歸為一種設備單元的標準數(shù)據(jù)集。每個機電設備與其直接相關聯(lián)的傳感器、執(zhí)行機構、配電柜等統(tǒng)稱為標準設備單元。

一個CPN-B對應一個標準設備單元。每個CPN-B中固化了31種標準設備單元的標準數(shù)據(jù)集，分別對應31類典型的機電系統(tǒng)源側設備。CPN-B可以自動識別，將與其連接的各類機電設備分別與相應標準數(shù)據(jù)集匹配。從而使機電設備智能化，為接入系統(tǒng)平臺提供數(shù)據(jù)基礎。

各種標準設備單元可以搭建出復雜多變的眾多機電系統(tǒng)。各類機電設備之間，依據(jù)標準化的信息集，完成相互協(xié)作。

3.3 標準單元的連接原則

（1）一個空間標準單元對應一個平臺節(jié)點CPN-A。

（2）每個CPN-A節(jié)點按照建筑空間的對應位置關系相互連接，不跨接。

（3）依據(jù)機電系統(tǒng)（冷凍機房、給水機房、換熱站等）的工藝流程邏輯，連接各與源類設備一一對應的CPN-B節(jié)點，然后接入到空間標準單元平臺節(jié)點的CPN網(wǎng)絡平臺中。圖7為某工程冷凍站系統(tǒng)工藝流程框圖，圖8為冷凍站標準設備單元連接后接入CPN平臺示意圖。

圖7 某工程冷凍站系統(tǒng)工藝流程框圖

圖8 冷凍站標準設備單元連接后接入CPN平臺示意圖

群智能建筑控制管理系統(tǒng)平臺無論在設計理念，標準化設計、安裝，即插即用靈活拓展等方面，均顛覆了原有智能化控制管理平臺的固有模式。新控制管理平臺的研究和應用，必將會為整個建筑智能化技術領域達到新高度，提供一個堅實的基礎平臺。