智能建筑系統(tǒng)集成與工程設(shè)計

◎ 包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 車煥文

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，作為信息時代要求的新興建筑——智能建筑，在建筑業(yè)中的比重越來越大。由于智能建筑在我國興起和發(fā)展的歷史不長，設(shè)計法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，加之學(xué)術(shù)上的某些絕對“優(yōu)化”思潮的影響，就智能建筑工程而言，無論從建設(shè)方的開發(fā)思想方面，還是設(shè)計、施工方面，均存在不少誤區(qū)，筆者就其中一些主要的問題，提出一些意見，與同行討論。

1 智能建筑系統(tǒng)集成

系統(tǒng)集成是智能建筑的核心，這一點(diǎn)已經(jīng)成為大家的共識。所謂系統(tǒng)集成簡單地說就是將各相關(guān)的子系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合成一個綜合的大系統(tǒng)。“有機(jī)”的含義則包括“優(yōu)化”與“協(xié)調(diào)”。從理論上講，智能建筑主要包括樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）、通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（CNS）、辦公自動化系統(tǒng)（OAS）。嚴(yán)格意義上講，智能建筑還應(yīng)包括與之相應(yīng)的建筑環(huán)境和周邊公共設(shè)施。智能建筑系統(tǒng)集成的最終目標(biāo)是將這三大系統(tǒng)有機(jī)地結(jié)合成一個綜合的建筑集成管理系統(tǒng)IBMS（Integrated Building Management System），在這一綜合系統(tǒng)中，BA系統(tǒng)則成為中央監(jiān)控的，具有分布式計算機(jī)控制模式的設(shè)備管理系統(tǒng)FMS（Facility Management System），而CN系統(tǒng)則成為擔(dān)負(fù)數(shù)字、語音、圖象和監(jiān)控信號傳輸?shù)模哂虚_放式特點(diǎn)的綜含業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)(ISDN)，OA系統(tǒng)則成為事務(wù)型、管理型、決策型于三個層次集成的一體化辦公自動化系統(tǒng)。隨著智能控制技術(shù)的引入，近年來學(xué)術(shù)界又引入了智能集成管理系統(tǒng)概念I(lǐng)IBMS。不過，不少學(xué)者認(rèn)為這種提法除了使其概念復(fù)雜化而外，并無過多的實際價值，事實上，現(xiàn)階段不少BA系統(tǒng)已經(jīng)引入了部分智能控制技術(shù)。

圖1所示為一完整的綜合建筑集成管理系統(tǒng)（IBMS）結(jié)構(gòu)框圖。圖中，中央監(jiān)控管理系統(tǒng)（集成信息管理中心）是大樓的中央管理層，它對智能建筑中的“三大系統(tǒng)”實行最高級別的監(jiān)控和管理。通過公共通信網(wǎng)絡(luò)將各子系統(tǒng)集成到同一計算機(jī)支撐的平臺上，建立起整個建筑的中央監(jiān)控和管理界面，并在統(tǒng)一的界面上，方便、快捷、有效地實現(xiàn)對大樓內(nèi)被集成的各子系統(tǒng)的監(jiān)視、控制和管理。

值得指出的是，在確定智能建筑系統(tǒng)集成目標(biāo)時，絕不能單純追求其技術(shù)指標(biāo)，盲目追求“最優(yōu)”，更要充分考慮投資與回報，以及實際管理的需要。因此，國家標(biāo)準(zhǔn)《智能建筑設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50314-2000)對甲級、乙級、丙級智能建筑系統(tǒng)集成的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)有不同程度的規(guī)定。就現(xiàn)階段我國的實際情況而言，絕大多數(shù)智能建筑的樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）并未真正實現(xiàn)與其它系統(tǒng)的集成，事實上，它除了維持自身的中央監(jiān)控特點(diǎn)外，其監(jiān)控信號尚未借助現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)傳輸。像這種集成程度，就是通常所指的停留在CNS和OAS的所謂弱電工程系統(tǒng)集成的范疇。

1.1 BAS系統(tǒng)集成及其網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)

樓宇自動化控制系統(tǒng)是涉及內(nèi)容最為廣泛的系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要有兩種形式，一是集散控制模式，另一種是分布式計算機(jī)控制模式。由于真正的分布式控制模式要求所有變送單元、執(zhí)行單元均必須是全數(shù)字化的智能化儀器儀表，目前實施起來略有困難，所以現(xiàn)階段樓宇自動化系統(tǒng)均采用的是兩層或三層的集散控制模式，見圖2。一般中小型智能建筑多采用兩層結(jié)構(gòu)，即把管理層和監(jiān)控層合二而一。大型建筑和建筑小區(qū)則常采用三層結(jié)構(gòu)。

就現(xiàn)場控制層而言，各直接數(shù)字控制器（DDC）到網(wǎng)絡(luò)控制器（NCU）之間的信息傳送又有兩種方式，一是采用R S-4 85主從式接口，另一種是采用Lonworks或CANBus，分別見圖3（a）、（b）。

后者由于實際上采用了總線式雙向通信技術(shù)，無論其可靠性、容錯能力、傳輸速率都優(yōu)于主從式RS-485接口，所以在智能建筑建設(shè)中應(yīng)優(yōu)先考慮此種方式。

由于集散控制系統(tǒng)（DCS）是由兩層或三層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，低層（又稱下位機(jī)）網(wǎng)絡(luò)，即現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)，屬于實時網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是分散、通訊量小、速率低。第二層和第三層網(wǎng)絡(luò)均屬于信息管理網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是相對集中，通訊量大，要求有足夠的帶寬，應(yīng)當(dāng)盡量利用弱電工程集成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)。顯然由于兩個網(wǎng)絡(luò)之間的這種特性差異，網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時采用網(wǎng)絡(luò)控制器就必不可少了。

1.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

BAS中信息管理網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)往往具有不同的通信協(xié)議。信息管理網(wǎng)絡(luò)（以太網(wǎng)）越來越多地采用網(wǎng)絡(luò)層的TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，而現(xiàn)場控制層由于采用的總線形式不同，而采用Lontalk或Profibus或BACnet通信協(xié)議。其中BACnet協(xié)議是第一個被美國供熱通風(fēng)與空調(diào)工程師協(xié)會（ASHRAE）確認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，除了它能與標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議兼容外，更由于它針對采暖通風(fēng)與空調(diào)專業(yè)的特點(diǎn)，規(guī)定了一系列相關(guān)指令，更能滿足智能建筑的特殊需要，因此是我國樓宇自動化控制系統(tǒng)推薦采用的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議。

圖1 建筑集成管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖2 三層結(jié)構(gòu)的集散控制系統(tǒng)

圖3 集散控制系統(tǒng)現(xiàn)場控制級方案

2 智能建筑工程設(shè)計

2.1 綜合布線系統(tǒng)設(shè)計

嚴(yán)格意義上講，綜合布線系統(tǒng)GCS（Generic Cabling System）是智能建筑三大系統(tǒng)（BAS、CNS和OAS）系統(tǒng)總集成的硬件傳輸媒件，它擔(dān)負(fù)四類信號，即數(shù)字、圖象、語音和監(jiān)控信號的傳輸任務(wù)。然而正如前文所說，目前的集成目標(biāo)使它還僅停留在數(shù)字、語音、圖象三類信號傳輸?shù)娜蹼姽こ碳蔂顟B(tài)，故還不能準(zhǔn)確地稱它為綜合布線系統(tǒng)，而應(yīng)稱為結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)SCS（Struetured Cabling System）。

綜合布線系統(tǒng)設(shè)計是當(dāng)前民用建筑設(shè)計院（所）擔(dān)負(fù)的智能建筑工程設(shè)計的主要內(nèi)容之一。圖4所示為典型方案。事實上它是由兩個網(wǎng)絡(luò)，即以數(shù)字程控交換機(jī)為中樞的語音網(wǎng)絡(luò)和以計算機(jī)主機(jī)（服務(wù)器）為中樞的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。語音網(wǎng)絡(luò)由于要求的傳輸速率相對較低（10MbPs），即其（垂直）干線子系統(tǒng)通常采用三類大對數(shù)非屏蔽雙絞線（UTP），必要時可用五類或超五類大對數(shù)UTP來提高其傳輸速率（一般可達(dá)100Mbps）。而數(shù)字網(wǎng)，則因其信號量大，要求傳輸速率高（作為局域網(wǎng)，100Mbps的傳輸速率幾乎能滿足要求），其干線子系統(tǒng)，宜采用多模光纖，光纖的對數(shù)不得少于48個信息位/對光纖，且應(yīng)以末端配線架容量為準(zhǔn)，而不是以實際信號位的數(shù)量為準(zhǔn)。這是因為結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)配線架產(chǎn)品是以100對或300對模塊組裝而成，這樣自然而然地為工作區(qū)信息位留有冗余。

UPS電源是結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)特別引起注意的問題。由于各樓層交接間雖然位置較對應(yīng)，但畢竟處于不同樓層，且交接間面積有限，為便于管理，交接間的電源插座可以采用首端切換的方式，即集中在計算機(jī)房或交接機(jī)房設(shè)置市電與UPS切換裝置。

2.2 公共安全系統(tǒng)工程設(shè)計

智能建筑中公共安全系統(tǒng)一般由四個子系統(tǒng)組成，即閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)（CCTV），防盜報警系統(tǒng)，出入管理系統(tǒng)（門禁系統(tǒng)），以及保安巡邏系統(tǒng)(巡更系統(tǒng))。

公共安全系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意的問題主要有以下幾個方面：

圖4 結(jié)構(gòu)化布線系統(tǒng)（SCS）方案

a.攝像機(jī)的數(shù)量和位置布置。應(yīng)嚴(yán)格控制攝像機(jī)的數(shù)量和質(zhì)量，尤其是云臺攝像機(jī)的數(shù)量。目前的攝像機(jī)均屬電荷藕合式（CCD），其水平清晰度一般均能滿足要求，但市場價格相差卻很大。黑白攝像機(jī)和彩色攝像機(jī)的價格差異則更大，而且一般言之，黑白攝像機(jī)的靈敏度比彩色攝像機(jī)高，所以不必要分辨顏色時，應(yīng)盡量選用黑白攝像機(jī)。攝像機(jī)的數(shù)量與布置應(yīng)根據(jù)有效監(jiān)視范圍仔細(xì)考慮。能不用云臺攝像機(jī)則應(yīng)盡量不用，否則其工程造價將大幅度提高。

b.視頻矩陣切換器的選取。設(shè)計時應(yīng)明確建設(shè)方需要同時監(jiān)視幾路，同時錄制幾路攝象機(jī)信號的基本要求。監(jiān)視器的數(shù)量絕非與攝象機(jī)數(shù)量一一對應(yīng)。這是確定視頻矩陣切換器，以及畫面分割器的主要依據(jù)。對于中小型閉路電視監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選用計算機(jī)內(nèi)置卡式視頻切換模塊。

c.防盜報警系統(tǒng)的布防與撤防。在選取防盜報警系統(tǒng)時應(yīng)特別留意系統(tǒng)控制器是否具有便于設(shè)定的布防與撤防功能，以及布防后的延遲時間。

d.系統(tǒng)集成。公共安全系統(tǒng)所轄四個系統(tǒng)必須互聯(lián)，必要時需與CNS和OAS集成，構(gòu)成真正的弱電工程集成系統(tǒng)，這就要求對各子系統(tǒng)的操作平臺進(jìn)行認(rèn)真考慮。一般目前多采用Windows NT，它具有編程簡單，界面友好的特點(diǎn)。此外上述四個子系統(tǒng)應(yīng)盡量選用同一商家的產(chǎn)品，以減少驗收時出現(xiàn)的故障推誘現(xiàn)象。

2.3 其它系統(tǒng)設(shè)計

a.樓宇自動化系統(tǒng)設(shè)計。從系統(tǒng)集成現(xiàn)狀考慮，樓宇自動化系統(tǒng)的現(xiàn)場控制對象主要包括空調(diào)、電梯、給排水、照明和變配電等子系統(tǒng)。而現(xiàn)階段的整個樓宇自控系統(tǒng)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)幾乎均是采用集散控制結(jié)構(gòu)模式，表1是目前國內(nèi)主要采用的系統(tǒng)產(chǎn)品及其特點(diǎn)。一般樓宇自動化系統(tǒng)設(shè)計均直接由系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)商實施，但作為建設(shè)方和設(shè)計人員必須首先明確兩個問題:一是現(xiàn)場控制級的范圍和所控對象的控制目標(biāo)的精度;二是現(xiàn)場控制級網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)哪Ｊ剑瑧?yīng)優(yōu)先考慮基于BACnet協(xié)議下的總線模式。此外，在確定系統(tǒng)產(chǎn)品時還應(yīng)充分了解系統(tǒng)的人機(jī)交互方式，及其控制通信協(xié)議(軟件)，此通信協(xié)議不同于用于網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)耐ㄐ艆f(xié)議，而是人機(jī)交互的媒介或交互規(guī)則，它包括人機(jī)界面和人機(jī)間的控制信息傳輸。例如，一些控制組態(tài)軟件就屬于典型的控制通信協(xié)議，它在操作管理人員的知識域與設(shè)備控制對象的狀態(tài)空間之間建立映射關(guān)系，且多數(shù)具有友好的圖形界面。

b.車庫管理與收費(fèi)系統(tǒng)設(shè)計。車庫管理與收費(fèi)系統(tǒng)是否隸屬于公共安全系統(tǒng)，目前在學(xué)術(shù)界有兩種分類方式。就設(shè)計而言卻往往將其作為BAS系統(tǒng)中一個單獨(dú)的子系統(tǒng)予以考慮。同樓宇自動化系統(tǒng)中的其它一些子系統(tǒng)一樣；由于設(shè)計院(所)并不負(fù)責(zé)成套的系統(tǒng)產(chǎn)品的安裝、調(diào)試工作，細(xì)部設(shè)計仍往往由承包商進(jìn)行，設(shè)計部門只需作粗略的總體系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計的主要內(nèi)容是能準(zhǔn)確地反映和體現(xiàn)業(yè)主的需求，并使之參與到建筑物的整體系統(tǒng)集成之中。