建筑智能化設備IP網融合承載實踐初探

張丹育(同方數字城市產業本部， 北京 100083)

1 引言

在當今IT技術一日千里的時代，每天都在談論著云計算、物聯網、下一代網絡NGN，不過這些貌似都該是IT精英們的職責，很難與智能建筑系統集成商聯系在一起。精英們在以經濟性、效率性及易用性等多個維度為坐標的空間里，將這條IP曲線無限上揚，不斷地上演著一幕幕信息化產業巨變。從電話交換網絡的日益衰敗，我們可以看到通信網絡的未來，很快將是“everything over IP”的世界。然而在當前的智能建筑領域，也來探討IP統一承載，是否還有些言之過早？

然而，銀行系統的安保主管抱怨說分行越來越多，圖像調用、檢索、回放越來越慢，各分行之間的設備大多不能兼容，系統擴展變得舉步維艱；大型醫院的院長前來咨詢，是否能將一期門急診、二期醫技樓、三期病房樓的不同傳輸架構的弱電產品全部集成在一起協同工作；當大規模建筑園區的業主提出他們的困惑，如此多的單體建筑、設備、入駐單位，以及如此多的個性化需求，如何實現并進行靈活有效的運維管理等等。其實這些問題都指向了同一個關鍵點，即建筑智能化系統傳統通信模式的變革時代，由工業總線網過渡到IP網絡，由各系統傳輸獨立組網到智能化業務統一融合承載的時代，已經到來了。

從時下互聯網不可思議的成功中，我們完全可以獲得啟示──在通信承載網絡設計上，簡單有效的業務模型和靈活的物理層設計最具有生命力[1]。因此，互聯網可以飛速蔓延到世界每個角落，越來越多的應用被承載在IP網絡上，也促使著越來越多基于網絡互聯應用的新技術和新模式應運而生，進一步將互聯網的用處放大到極致。下一代網絡NGN已經被明確定義：泛指不同于目前一代的網絡，而是以IP技術為核心，可以同時支持話音、數據和多媒體業務的、開放的和融合的網絡。IP網絡已經強大到誰也無法阻擋它滲透到各行各業每一個領域的腳步，當然，也包括建筑智能化領域。

IP網絡在高帶寬、經濟性、協議開放和標準化等方面的突出優勢，潛移默化地影響著建筑智能化系統通信網絡的發展方向。上文提到的那些令業主和集成商頭疼的問題，唯有通過一個數字化、模塊化和高彈性的建筑智能化體系架構才可以解決，而支撐這個功能體系架構的通信平臺，正是一個完全融合的IP網絡。

2 融合的必然

確定了IP通信架構，自然就面臨組網格局的選擇，是各子系統單獨組網，還是融合承載？

在建筑智能化子系統中，視頻監控系統、樓宇控制系統及出入口控制系統等都是比較重要的子系統，其設備數量和成本均在整個智能化系統工程中占據較大份額。幾年前，視頻監控系統主要以模擬監控為主，攝像機與視頻矩陣之間的傳輸鏈路采用星形敷設的同軸電纜，樓宇控制系統和出入口控制系統基于工業控制系統發展而來，所以控制器之間的通訊方式均采用工業總線，如C-bus、CAN、FF及Modbus等。建筑物內的智能化子系統各自搭建獨立的物理通信鏈路來實現數據傳輸的模式，在實際工程中已經沿用了很多年。

如果智能化各子系統的通訊方式全部統一為IP模式后，仍然采用獨立的交換和傳輸設備，不僅會增加網絡的建設成本，還會因為設備數量的增多而增加運行維護的成本。尤其是對于現在的網絡設備，如果用其強大的交換能力僅僅去承載一個只有幾M甚至幾百K流量的智能化子系統，這無疑是對網絡資源的極大浪費，不符合綠色建筑的建設目標。2010年1月，國務院召開常務會議，決定加快推進電信網、廣播電視網和互聯網的三網融合。雖然建筑智能化IP網絡融合并不是指電信、廣電和互聯網的融合，但它們在本質上是相同的，都是將多種業務流如視頻、語音、控制數據等整合在同一個物理網絡上進行傳輸，最終的目標也都是向全IP化演進。

“融合”的內涵是豐富的，它可以是一種趨勢，也可以是一種技術實現手段，還可以是終端用戶的體驗。融合可以存在于網絡層(物理層)、業務層，甚至是運營層。在建筑智能化領域，融合的含義同樣是多層次的。隨著建筑物規模的園區化、企業的全球化，他們必須要在信息資源上進行跨區域的整合、并要求已有通訊架構具備高度可擴展性，那么就需要一個互通互聯的標準化通訊網絡實現信息共享和即連即用，這屬于信息應用層面的融合；隨著建筑物內部弱電子系統越來越多，其傳輸方式林林總總，吊頂內、豎井內擁擠雜亂，同樣需要一個統一的傳輸承載網來實現“綠色”通信，這屬于物理通信平臺層面的融合；物業公司作為建筑智能化系統的管理方，更希望面對的是一種完全整合的建筑智能化集成管理平臺，簡單清晰的設備架構，便于故障排查和日常運維，這屬于管理層面的融合。而所有應用層和管理層的融合，最終都要依賴于“通信融合”這個基礎平臺。

目前，智能建筑行業產品的數字化技術已趨于成熟，隨之而來的工作就是廠商們逐步將產品傳輸架構向IP網絡移植，大部分廠商已陸續推出不同深度的、基于IP架構的產品和解決方案，并逐漸成為行業應用主流。在這個大前提下，建筑智能化系統承載網絡走向融合，已經成為一種必然的趨勢。

3 融合的難點

但是融合并沒有那么簡單。

由于計算機網絡技術和IP技術發展太快，而且產品的研發和應用往往會先于標準規范的出臺。因此，目前國內外還鮮有書籍和文獻詳細探討建筑智能化的IP網絡融合，對于建筑智能化各子系統的業務流量特征也沒有任何量化的指標進行描述。建筑智能化專業中很多子系統傳輸的都是多媒體數據，與傳統數據網不同，多媒體業務對網絡帶寬、延時、抖動和丟包非常敏感，更因為有些子系統(如緊急廣播、門禁等)關乎建筑物內人員的生命財產安全，所以建設者和使用者會特別擔心這些系統在其承載網絡融合之后，能否被可靠傳輸。所以，要實現建筑物內部真正的“一網到底”，我們還有很多問題需要探究。

1)首先，大部分的集成商和設計院對于近幾年涌入建筑智能化市場的IP產品其通訊的核心內容并不了解，即各廠家產品的IP通信處于哪個層級，究竟是采用簡單的“隧道”技術(將原有非IP協議數據包通過PAD[2]轉換設備進行IP協議包封裝和拆裝)，還是采用真正意義上的標準化IP體系架構進行成幀和傳輸管理，能否探知各廠家產品的流量特性，包括數據包大小、突發特性、流量路由、傳輸使用的端口、采用組播/單播方式等等。

2)其次，IP網絡產生之初，就是個不確定性網絡。傳統以太網采用 “盡力而為”的服務模型以及FIFO的完全平等排隊原則，在傳輸時延和抖動方面的控制非常有限，使得這么多年來傳統以太網難以進入工業控制領域。建筑智能化中很多子系統都具有工業控制的“血統”，如樓宇自控系統、出入口控制系統、防盜報警系統……這些系統對數據的實時性要求高，對數據丟包敏感，而視頻類信息流具有相當多的突變數組，比如多個I幀重疊，就好像是海浪，一旦在網絡上突發，勢必會影響到其他子系統的數據傳輸。由于擔心網絡出現擁塞，網絡設計和配置時自然會考慮增加帶寬，只要任何一條鏈路的可用帶寬遠遠大于平均的通訊負載，設計者就可以高枕無憂了。可這違背了項目投資者的經濟性意愿，也不符合我國大力提倡的節能環保基調。如何解決網絡配置中“大馬拉小車”的通病，設計一個經濟合理的網絡配置方案，是我們所面臨的第二個問題。

3)最后，工程不是實驗品，來不得半點差池，沒有可靠的測量數據和實際應用案例，一定不能應用在工程上。由于智能建筑行業產品目前還處于模擬向數字化、總線網向IP網完全轉型的過渡時期，大部分工程尤其對于視頻監控系統規模較大的項目，仍采用各弱電子系統的IP網絡單獨組網的保守模式。雖然近期有一些智能化項目陸續采用統一網絡承載的技術架構，但均因項目體量較小，無法向我們提供實際的工程數據支撐。加之建筑智能化系統眾多，迄今為止，也沒有任何一家廠商或集成商能夠客觀的提供各類業務流量的特征數據，以及統一承載后的傳輸質量評價數據。

基于上述現狀，我們急需通過有效的實驗測試，拿到量化的數據。

對于建筑智能化網絡融合來說，如果網絡不能夠事先精確了解被承載系統的業務特征，那么基于排隊、調度、帶寬的QoS標準就不可能被建立。因為只有看清被承載對象的數據特征和業務功能特征，才可以通過有針對性的QoS保障技術，實現建筑智能化IP網絡的可靠融合。然而建筑智能化產品大多為進口設備，國外廠商對國內工程商的常規技術支持往往都是差強人意，更不要說涉及產品深層次技術問題的支持了。“與廠商溝通難”是建筑智能化融合所面臨的最大困擾。

要充分了解網絡上被承載的對象，我們還需要借助網絡廠商的支持，只有精通網絡技術的廠商，才能為我們提供實現數據采集、數據分析和有針對性的網絡模型部署。所以我們選擇H3C公司作為建筑智能化設備IP網融合承載實踐的合作伙伴，在對于智能建筑行業未來傳輸架構的發展趨勢上，H3C公司與同方有著高度一致的觀點，并認同論證的最佳手段就是實驗。

4 解決方案初探

實驗論證選取一個在建筑規模和使用功能上都較有代表性的實際工程(智能建筑領域最常見的辦公樓)，我們將其定義為“典型應用場景”，并對所選取典型子系統的流量大小、流量特征進行深入分析。在此基礎上，結合所選取的典型應用場景的規模、點位及用戶使用需求特點等，完成相應承載網絡設計；并通過1：1組網和流量模擬，在實驗室搭建高度仿真的系統模型，通過對火災報警廣播、正常業務廣播、視頻集中調用、樓控系統實時狀態及報警上傳、門禁實時狀態上傳及異常報警等典型業務的模擬操作，測試各種業務場景是否完全正常運行，以證明所設計的智能化IP融合網絡在統一承載能力、網絡安全、流量優先級策略等方面的設計切實有效。

經過嚴格論證，制定了如下實驗方法和步驟：

1)典型項目場景選取

2)典型應用系統選取

3)典型產品品牌選取

4)典型業務功能確定

5)模型化抽象、流量提取、設計與實驗驗證

其中第五步的具體實現工作方法為：

·需求分析

·流量采集

·方案設計

·方案驗證

最終我們選取了同方股份有限公司在2009年中標的《中石油新疆烏魯木齊大廈》這個實際工程案例作為聯合試驗的典型應用場景。實驗中涉及智能建筑中五大子系統：樓宇自控系統、視頻監控系統、出入口控制系統、背景音樂及緊急廣播系統、多媒體信息發布系統。為保證研發項目實施方法的科學性，實驗共分成兩期，分步實施的目的是能夠快速拿到階段性成果并進行分析和糾錯，從而讓二期的實驗更加有效，以降低實驗能耗和風險。

同方作為集成商，在最佳網絡融合實踐中處于承上啟下的位置，不僅要根據目前行業工程現狀來把控典型應用場景的選取和智能化產品技術架構的選擇，還要將建筑智能化各子系統的業務特性準確的傳遞給H3C的研發人員，并且整合第三方廠商資源為實驗提供被測設備和深層次的技術支持，建立起智能化產品廠商和H3C之間的良好互動關系，保證整個實踐每個環節的順利實現。

網絡最佳融合實踐持續近一年半的時間，測試結果和預期大體一致。通過測試獲得了所需要的各項信息，如：參與測試的廠商產品IP數據包的特征；參與測試的廠商產品通訊架構中的全部數據流向路徑；建筑智能化子系統IP網絡融合的需求分析方法；建筑智能化系統IP承載網絡的設備配置方法以及建筑智能化系統IP承載網絡的QoS控制策略部署方法等。據此分析出五大子系統對IP融合承載網絡的需求，及同一承載網絡下各自的優先級保障需求。

在測試完成之后，通過向未參加測試的主流廠商發放《需求分析模板》文件，獲取這些廠商的一部分IP通訊數據特征，包括采用Cobanet、Bacnet/IP協議的產品，同已測試產品進行比對，以提高實驗結論的通用性。本實踐中所采用的典型應用場景原型——新疆中石油烏魯木齊大廈項目，進入調試階段后，也會提供實際的工程運行評價數據。

在測試中可以發現，目前網絡廠商的產品技術和QoS控制策略比較完善，對建筑智能化網絡的可靠融合是能夠保障的。而對于參測的智能化產品來說，由于弱電系統網絡融合還處于探索階段，各弱電廠家的產品研發仍主要聚焦在其弱電功能實現上。傳統組網中各弱電設備均是專網保障，無需考慮統一承載，所以弱電產品廠商對自身設備的網絡特性關注較少，其數據IP化也缺乏規范，常常是為了IP而IP，導致一些弱電設備在傳輸中對網絡資源的占用較大，或同一子系統中的不同業務數據流無法區分服務端口等等，均給智能化網絡融合帶來了一定的難度。但總體來說，這些問題都還可以通過VLAN、QoS保障策略來進行屏蔽，確保各業務的有序運行。

5 實踐的意義

希望通過實驗，能探究出不同子系統、不同品牌的產品，在IP通信層面的差異性和共性，以及網絡平臺對于建筑智能化系統的承載能力極限，用測試得出的量化數據對上述內容進行描述，進而觸類旁通，形成系統的分析思路，最終提出不限于具體品牌的網絡融合解決方案。由于實際工程項目不可能窮盡，廠商產品也不可能窮盡，沒有也不可能找出一種萬能的網絡模型適用于所有建筑智能化項目，我們所希望的，是通過整個實踐過程，找到分析和解決“建筑智能化統一承載”問題的方法，這才是本項目的主旨所在。只有學會方法，才能讓系統設計人員面對不同的項目和不同的產品能提出有效的網絡設計方案。建筑工程從來都有著高度的可類比性，雖不能完全復制，但可以進行類比分析，在ISO9000質量認證體系中，也明確指出“類比法”是建筑工程最常用的設計評審標準。所以掌握分析“網絡融合承載”問題的方法，是這項網絡融合實踐的最大意義所在，而且隨著實驗的推進，測試數據的積累，經驗的不斷豐富，這種意義也將越來越凸顯。

雖然在建筑智能化系統網絡融合承載的道路才剛剛開始，但至少同方和H3C已經在這方面沉淀了大量的技術資料和測試數據。目前網絡融合實踐引起了很多業內專家的關注，GB50314《智能建筑設計標準》和GB50339《智能建筑工程質量驗收規范》編制組成員還針對“建筑智能化網絡融合”實驗進行了專題的討論，并且在GB50339《智能建筑工程質量驗收規范》的新版修編內容中，已經引入建筑智能化設備IP網絡整體規劃的思路和檢測規定。我們有理由相信，今天的一小步探索，會對促進和規范未來智能建筑領域的IP化發展起到很重要的作用。

任何一個小小的進步或是跨越，都不是一個人或是一組戰略的功勞，而是來自整個團隊的通力合作，而支撐我們克服所有困難、完成融合實踐的最大動力，是我們對網絡融合的堅定信念，所以在文章的最后，向項目小組每一位成員的辛苦付出致敬！

[1]美 Grenville Armitage.IP網絡的服務質量—多業務互聯網的基礎[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2]董春橋.智能樓宇BACnet原理與應用[M].北京：電子工業出版社，2003.