杜明芳

(清華大學(xué)信息國家研究中心，北京 100084)

1 智慧建筑系統(tǒng)集成內(nèi)涵與現(xiàn)狀

“系統(tǒng)集成”英文是System Integration，簡(jiǎn)稱SI。系統(tǒng)集成作為一種新興的服務(wù)方式，是近年來國際信息服務(wù)業(yè)中發(fā)展勢(shì)頭最猛的一個(gè)行業(yè)。系統(tǒng)集成的本質(zhì)是最優(yōu)化綜合統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。在IT領(lǐng)域，所謂系統(tǒng)集成，是根據(jù)客戶的具體業(yè)務(wù)需求，將硬件平臺(tái)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、操作系統(tǒng)、工具軟件以及按客戶需求開發(fā)的應(yīng)用軟件，集成為功能和信息相互關(guān)聯(lián)的IT系統(tǒng)。在智能建筑領(lǐng)域，伴隨著智慧城市的蓬勃發(fā)展，“系統(tǒng)集成”正在逐漸成為智能化工程的“標(biāo)配”和“剛需”，也正成為建筑科學(xué)領(lǐng)域研究和關(guān)注的熱點(diǎn)。

我國國家標(biāo)準(zhǔn)《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50314—2000)中規(guī)定：系統(tǒng)集成(SI)是將智能建筑內(nèi)不同功能的智能化子系統(tǒng)在物理上、邏輯上和功能上連接在一起，以實(shí)現(xiàn)信息綜合、資源共享。一般認(rèn)為，智能建筑的系統(tǒng)集成從概念上講，有廣義系統(tǒng)集成和狹義系統(tǒng)集成兩種。廣義系統(tǒng)集成強(qiáng)調(diào)的是以建筑物為基礎(chǔ)，結(jié)合水暖電以及運(yùn)營和服務(wù)等多方位的全面集成。狹義系統(tǒng)集成則僅限于弱電系統(tǒng)的集成，也就是BMS(Building Management System)層次的系統(tǒng)集成。BMS系統(tǒng)集成的本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)各個(gè)集成子系統(tǒng)之間的信息交換、對(duì)各集成子系統(tǒng)實(shí)行統(tǒng)一的監(jiān)督管理及控制。

智慧建筑系統(tǒng)集成最初的也是最基本的目的在于解決獨(dú)立系統(tǒng)造成的“信息孤島”現(xiàn)象。智能建筑系統(tǒng)涵蓋的內(nèi)容相當(dāng)廣泛。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前智能建筑涉及到的不同子系統(tǒng)已達(dá)30多個(gè)，包括樓宇自控、安防系統(tǒng)、消防報(bào)警系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、公共廣播等，而這些系統(tǒng)在智能化初期基本都是單獨(dú)建設(shè)，采取相對(duì)獨(dú)立的技術(shù)路線、系統(tǒng)設(shè)備和控制軟件。這樣使軟硬件之間、系統(tǒng)與系統(tǒng)之間、以及系統(tǒng)運(yùn)行與實(shí)際管理之間相互分割，造成資源浪費(fèi)，形成了一個(gè)個(gè)“信息孤島”，難以適應(yīng)客戶綜合監(jiān)控與集中管理的要求。于是，具有統(tǒng)一軟件平臺(tái)的智能建筑集成化管理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。系統(tǒng)集成的目標(biāo)就是要把不同功能、不同技術(shù)、不同廠商、不同要求、不同操作平臺(tái)，不同接口的不同設(shè)備和系統(tǒng)，用統(tǒng)一的系統(tǒng)平臺(tái)連接起來，協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)，最終實(shí)現(xiàn)一體化管理，從而提高整個(gè)建筑的智能化與信息化水平。

2 智慧建筑系統(tǒng)集成難點(diǎn)分析及數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法的提出

從智慧建筑集成化系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用情況來看，目前異構(gòu)子系統(tǒng)間主要存在以下異構(gòu)特征：

(1)硬件平臺(tái)的異構(gòu)。從大、中、小型計(jì)算機(jī)到工作站、個(gè)人計(jì)算機(jī)、工控機(jī)； 從現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)控制網(wǎng)、局域網(wǎng)到廣域網(wǎng)。

(2)操作系統(tǒng)的異構(gòu)。有DOS、Windows 3.1、Window 9.x、Windows NT、UNIX、OS/2、Linux 等。

(3)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的異構(gòu)。有文件結(jié)構(gòu)、Access、dBase、FoxPro、Oracle、Sybase、DB2、Informix 等。

(4)開發(fā)工具的異構(gòu)。各個(gè)應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)工具不同，可能會(huì)是匯編語言、Turbo C、Borland C、VC、VB、PB、Delphi、Java 等。

“系統(tǒng)集成”，更確切地講應(yīng)該是數(shù)據(jù)的融合、網(wǎng)絡(luò)的融合、架構(gòu)的融合、知識(shí)的融合。目前智慧建筑系統(tǒng)集成的難點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：(1)管理層與控制層的互聯(lián)互通；(2)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的融合；(3)大數(shù)據(jù)背景下的實(shí)時(shí)集成與約簡(jiǎn)集成；(4)可視化仿真模擬下的立體透明集成。

目前智慧建筑系統(tǒng)集成的幾種主要方式及其特點(diǎn)如下：

(1)以硬接點(diǎn)方式進(jìn)行系統(tǒng)集成

也稱為以干接點(diǎn)方式進(jìn)行系統(tǒng)集成。即通過增加一個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)的輸入/輸出接點(diǎn)或傳感器，接入另一個(gè)設(shè)備子系統(tǒng)的輸入/輸出接點(diǎn)進(jìn)行集成。

(2)以樓宇自控系統(tǒng)BAS為中央平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)集成

即樓宇自控系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接其他子系統(tǒng)，樓宇自控系統(tǒng)可以監(jiān)測(cè)、控制和管理其它集成子系統(tǒng)。這就相當(dāng)于將樓宇自控系統(tǒng)與BMS集成系統(tǒng)合二為一。優(yōu)點(diǎn)是可充分利用BAS平臺(tái)所提供的強(qiáng)大的網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)換功能，將各子系統(tǒng)連通； 缺點(diǎn)是一旦樓宇自控系統(tǒng)發(fā)生故障出現(xiàn)停機(jī)BMS集成系統(tǒng)也就會(huì)癱瘓，失去對(duì)其余各子系統(tǒng)監(jiān)控和管理的能力。

(3)基于子系統(tǒng)并行和OPC方式進(jìn)行系統(tǒng)集成

這是在總結(jié)以上經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出的，其核心思想是：將整個(gè)大系統(tǒng)分成管理層和控制層兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)層次，中央數(shù)據(jù)庫位于管理層，各子系統(tǒng)位于控制層，各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口(如OPC接口、Modbus協(xié)議)以平等方式集成到中央數(shù)據(jù)庫，管理層通過BMS系統(tǒng)的核心調(diào)度程序?qū)Ω髯酉到y(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、管理。這是目前公認(rèn)的最先進(jìn)的手段，比起前兩種，其優(yōu)勢(shì)不言而喻。但它只強(qiáng)調(diào)了“通過開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口”集成，沒有涉及到如果有些設(shè)備或平臺(tái)不支持某些工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況——在工程實(shí)際中，這種情況經(jīng)常會(huì)發(fā)生。另外，這種只靠標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)集成的做法有很大的局限性。很多時(shí)候子系統(tǒng)或中央監(jiān)控平臺(tái)并不能提供標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議接口，那么這種方案就徹底失效了。

以上經(jīng)典系統(tǒng)集成方法各有優(yōu)劣，仍在工程中廣泛使用。但這些集成方法均不能解決建筑工業(yè)化和建筑大數(shù)據(jù)時(shí)代智慧建筑系統(tǒng)集成的新需求。新的時(shí)期，智慧建筑系統(tǒng)集成的新需求集中體現(xiàn)在：能夠?qū)崟r(shí)可靠處理建筑大數(shù)據(jù)，能夠滿足建筑工業(yè)化趨勢(shì)，能夠滿足數(shù)據(jù)安全智享訴求，能夠建立在科學(xué)模型基礎(chǔ)之上。為此，提出基于數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成方法，該方法可滿足新時(shí)期的系統(tǒng)集成新需求，實(shí)現(xiàn)建筑工程全生命周期集成。

數(shù)字孿生綜合圖形圖像學(xué)、系統(tǒng)工程、智能控制、數(shù)據(jù)科學(xué)、地理信息系統(tǒng)等多學(xué)科的特點(diǎn)，面向?qū)嶋H應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)字化工程需求，提供以數(shù)據(jù)線索關(guān)聯(lián)、以多模型仿真的綜合集成方法。數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法適合各種大小的系統(tǒng)，在智能建筑系統(tǒng)中，從單個(gè)建筑構(gòu)件、單個(gè)設(shè)備到大型建筑智能化工程，都可以采用多粒度數(shù)字孿生集成思路進(jìn)行不同層級(jí)上的集成，然后再進(jìn)行縱向集成，最終實(shí)現(xiàn)縱橫交織的透明化互聯(lián)互通。

數(shù)據(jù)的流動(dòng)是一個(gè)建筑智能化系統(tǒng)的生命源泉。在一個(gè)現(xiàn)代化的建筑物中必須對(duì)各個(gè)方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行交換和處理。這些數(shù)據(jù)包括：報(bào)警信息、控制信息、監(jiān)測(cè)信息、設(shè)定值更改信息、手動(dòng)控制信號(hào)、日程改變信息、系統(tǒng)維護(hù)信息、事件報(bào)告信息、質(zhì)量控制信息、能源管理和企業(yè)調(diào)度信息等。對(duì)這些數(shù)據(jù)的訪問應(yīng)該簡(jiǎn)單、快速和方便，因此必須實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成以降低通信的成本。建筑物的用戶對(duì)系統(tǒng)會(huì)有不同的要求，不同的用戶可以根據(jù)自己的需要，在系統(tǒng)中、在家里、甚至在旅途中都能通過不同的途徑訪問這些數(shù)據(jù)。因此建筑物的各個(gè)子系統(tǒng)必須能集成運(yùn)行、簡(jiǎn)化操作、降低成本。為了滿足這些要求，集成化的系統(tǒng)必須建立在一種先進(jìn)且開放的技術(shù)平臺(tái)上，不受當(dāng)前或近期技術(shù)水平的限制。既要采用當(dāng)前最新的技術(shù)，又要考慮到未來的發(fā)展； 既要降低建造和運(yùn)行成本，又要易于管理，盡快獲得投資回報(bào)。數(shù)字孿生系統(tǒng)集成平臺(tái)可有效滿足上述需求。

3 信息物理系統(tǒng)與數(shù)字孿生

信息物理系統(tǒng)(CPS，Cyber-Physical Systems)是一個(gè)綜合計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和物理環(huán)境的多維復(fù)雜系統(tǒng)，通過3C(Computer、Communication、Control)技術(shù)的有機(jī)融合與深度協(xié)作，實(shí)現(xiàn)大型工程系統(tǒng)的實(shí)時(shí)感知、動(dòng)態(tài)控制和信息服務(wù)。信息物理系統(tǒng)作為計(jì)算進(jìn)程和物理進(jìn)程的統(tǒng)一體，是集成計(jì)算、通信與控制于一體的下一代智能系統(tǒng)。信息物理系統(tǒng)使用信息虛體以遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)、安全、可靠、協(xié)同的方式操控物理實(shí)體，采用人機(jī)交互接口實(shí)現(xiàn)人和信息物理空間的交互，將人類智慧賦能到信息物理系統(tǒng)。從本質(zhì)上說，CPS是一個(gè)具有控制屬性的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也是一個(gè)具有網(wǎng)絡(luò)屬性的控制系統(tǒng)。美國國家科學(xué)基金會(huì)用“信息物理系統(tǒng)”一詞來描述傳統(tǒng)術(shù)語無法有效說明的日益復(fù)雜的系統(tǒng)。美國國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)認(rèn)為，CPS將讓整個(gè)世界互聯(lián)起來。CPS目前已被列為美國研究投資的重中之重。在德國，CPS同樣被認(rèn)為是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)和內(nèi)核。

數(shù)字孿生(DT，Digital Twin)的概念源自工業(yè)制造領(lǐng)域。數(shù)字孿生是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程。數(shù)字孿生七要素可總結(jié)為：物理空間、數(shù)字空間、數(shù)據(jù)、模型、控制、管理、服務(wù)。美國國防部最早提出將Digital Twin技術(shù)用于航空航天飛行器的健康維護(hù)與保障。Digital twin最為重要的啟發(fā)意義在于，它實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)向信息空間(賽博空間)數(shù)字化模型的反饋。這是一次工業(yè)領(lǐng)域中逆向思維的壯舉。從基于數(shù)據(jù)流和業(yè)務(wù)流的控制系統(tǒng)角度來看，只有帶有反饋回路的系統(tǒng)才能真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全生命周期跟蹤，才是真正的全生命周期概念，才能真正在數(shù)據(jù)全生命周期范圍內(nèi)保證信息世界與物理世界的協(xié)同。智能系統(tǒng)的智能首先要感知、建模，然后才是分析推理和智慧決策。各種基于數(shù)字化模型的仿真分析、數(shù)據(jù)挖掘及人工智能應(yīng)用，都是為了實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)實(shí)物理系統(tǒng)的更好適配。如果沒有Digital twin對(duì)物理實(shí)體的模型化描述，所謂的智能系統(tǒng)就是無源之水。

4 基數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成模式

如果將建筑看作一種物理系統(tǒng)，那么智慧建筑系統(tǒng)集成就可看作是人(人類智慧)、建筑物理實(shí)體、建筑信息虛體三者的融合。在以海量大數(shù)據(jù)、人工智能、5G物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈可信計(jì)算為主要技術(shù)代表的智能時(shí)代，智慧建筑系統(tǒng)集成的內(nèi)涵呈現(xiàn)出“五全”綜合特征：全域立體感知、全系統(tǒng)可信互聯(lián)、全體系精準(zhǔn)管控、全數(shù)據(jù)智能決策、全景實(shí)時(shí)可視交互。在以上特征不斷深化發(fā)展的基礎(chǔ)上，智慧建筑系統(tǒng)集成正朝著數(shù)字孿生建筑方向快速演進(jìn)。數(shù)字孿生建筑是數(shù)字建筑與物理建筑的融合體，其技術(shù)模式的核心是數(shù)據(jù)線程和模型體系。數(shù)字孿生建筑是智慧建筑系統(tǒng)集成的有效方法與根本路徑?；贑PS和數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成模式如圖1所示。

圖1 基數(shù)字孿生的智慧建筑系統(tǒng)集成模式

基于數(shù)字孿生的新型智慧建筑系統(tǒng)集成參考模型，即數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成參考模型如圖2所示。

圖2 數(shù)字孿生建筑系統(tǒng)集成參考模型

參考模型包含五個(gè)層次：?jiǎn)卧?jí)、單系統(tǒng)級(jí)、集成系統(tǒng)級(jí)、企業(yè)級(jí)、商業(yè)級(jí)。每個(gè)層級(jí)內(nèi)部均可采用數(shù)字孿生，從而實(shí)現(xiàn)多個(gè)顆粒度上的數(shù)字孿生。

單元級(jí)系統(tǒng)集成：從虛擬建筑設(shè)備的維度實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑設(shè)備的生產(chǎn)要素、運(yùn)行過程、維護(hù)活動(dòng)等的控制與管理。

單系統(tǒng)級(jí)系統(tǒng)集成：?jiǎn)蜗到y(tǒng)主要包括消防、安防、樓宇自控及其所包含的更低一級(jí)子系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)物理子系統(tǒng)與虛擬子系統(tǒng)的雙向映射與實(shí)時(shí)交互，實(shí)現(xiàn)物理子系統(tǒng)及虛擬子系統(tǒng)的全要素、全流程以及多業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的融合。

集成系統(tǒng)級(jí)系統(tǒng)集成：構(gòu)建智慧建筑集成管理系統(tǒng)(SBMS)云平臺(tái)，使建筑具備虛實(shí)聯(lián)動(dòng)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建設(shè)、管理及運(yùn)營的能力?；跀?shù)字孿生進(jìn)行建筑工程全生命周期管控、調(diào)度及決策，探索最優(yōu)化建筑管理新模式。

企業(yè)級(jí)系統(tǒng)集成：構(gòu)建企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)(ERP)云平臺(tái)，主要實(shí)現(xiàn)客戶關(guān)系管理(CRM)和供應(yīng)鏈管理(SCM)。使智能建筑集成系統(tǒng)資源和信息與企業(yè)管理系統(tǒng)有機(jī)融合，探索最優(yōu)化企業(yè)管理新模式。

商業(yè)級(jí)系統(tǒng)集成：在智慧建筑集成管理系統(tǒng)和企業(yè)資源計(jì)劃系統(tǒng)基礎(chǔ)上構(gòu)建商業(yè)級(jí)智慧建筑集成管理系統(tǒng)(BI-SBMS)云平臺(tái)，使建筑具備商業(yè)智能能力，實(shí)現(xiàn)建筑智能經(jīng)濟(jì)生態(tài)。

基于數(shù)字孿生的智慧建筑集成系統(tǒng)的一個(gè)突出趨勢(shì)是共享化。在共享智慧建筑集成系統(tǒng)領(lǐng)域，設(shè)施、工具、信息、數(shù)據(jù)、服務(wù)等都可以通過共享平臺(tái)和共享模式實(shí)現(xiàn)共享和交換，從而使得以上資源加速流轉(zhuǎn)，發(fā)揮更大作用，取得更大經(jīng)濟(jì)效益。共享模式是破解資源短缺，實(shí)現(xiàn)高效發(fā)展的重要途徑，無論是體量還是運(yùn)營模式及種類，智慧建筑系統(tǒng)集成領(lǐng)域都存在極大發(fā)展空間。以智慧建筑集成系統(tǒng)云腦為共享中心的智慧建筑集成系統(tǒng)共享模式如圖3所示。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面來看，需要以數(shù)字孿生系統(tǒng)組態(tài)軟件平臺(tái)為中心，銜接物理孿生體空間中的部件要素和數(shù)字孿生體仿真系統(tǒng)。組態(tài)軟件平臺(tái)通過程序?qū)崟r(shí)比較信息系統(tǒng)和物理系統(tǒng)兩個(gè)空間中的參數(shù)值，計(jì)算虛實(shí)系統(tǒng)的誤差，在軟件后臺(tái)實(shí)現(xiàn)基于智能算法的誤差自動(dòng)校正、資源自動(dòng)配置及虛實(shí)雙系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制。

圖3 智慧建筑集成系統(tǒng)共享模式

圖4 基于組態(tài)軟件平臺(tái)的數(shù)字孿生建筑集成系統(tǒng)

5 總結(jié)與展望

目前很多系統(tǒng)由于技術(shù)上的障礙無法實(shí)現(xiàn)預(yù)期的集成或只能進(jìn)行“假”集成，系統(tǒng)之間并沒有完全按目標(biāo)實(shí)現(xiàn)互連互通，往往一個(gè)大系統(tǒng)中有若干子系統(tǒng)在獨(dú)立運(yùn)行，整個(gè)工程只是硬件上的簡(jiǎn)單堆砌。系統(tǒng)集成不應(yīng)該是“1+1=2”的簡(jiǎn)單疊加，而應(yīng)是在系統(tǒng)思維指導(dǎo)下的優(yōu)化運(yùn)籌和智能約簡(jiǎn)。數(shù)字孿生系統(tǒng)集成法具有集大成的特點(diǎn)，基于數(shù)字孿生理論和方法發(fā)展智慧建筑系統(tǒng)集成，有可能在未來成為智慧建筑系統(tǒng)集成理論與工程實(shí)踐的主導(dǎo)模式。建筑數(shù)字孿生體從數(shù)據(jù)和模型的角度，依據(jù)復(fù)雜系統(tǒng)控制與決策理論為建筑信息模型提供了科學(xué)性和落地性都極強(qiáng)的解決方案?；跀?shù)字孿生建筑和建筑信息模型，可構(gòu)建出由模型到系統(tǒng)再到體系的微觀與宏觀一體化的智慧建筑系統(tǒng)集成模式，真正實(shí)現(xiàn)基于模型的建筑系統(tǒng)工程。

城市信息模型(City Information Modeling，CIM)是以數(shù)字孿生為理論基礎(chǔ)，以城市數(shù)據(jù)為信息基礎(chǔ)，以城市空間地理信息模型、BIM模型及城市智能計(jì)算系統(tǒng)模型等多模型為核心，以數(shù)據(jù)為線索，建立起的服務(wù)于城市場(chǎng)景應(yīng)用的數(shù)字孿生體。建立城市信息模型的目的是使城市信息得到更加科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)、統(tǒng)一、明確的表達(dá)，為城市建設(shè)與治理提供數(shù)字引擎。城市信息模型試圖從城市建模的角度為城市提供更加科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)谋磉_(dá)，以“信息”為主線貫穿城市空間，使物理分散的城市在信息空間中實(shí)現(xiàn)邏輯集成，因此能夠更好地優(yōu)化城市、管理城市、治理城市。CIM應(yīng)依托數(shù)字孿生理論和技術(shù)建立，宜采用基于模型的復(fù)雜系統(tǒng)工程思維。CIM的建立可由數(shù)字孿生建筑互聯(lián)產(chǎn)生，這也是CIM構(gòu)建的一條最可行的路徑。