基于智能建筑中的樓宇自動化系統(tǒng)的設計研究

劉寧娜++顧瑞

摘 要：智能建筑是智能建筑技術和新興信息技術相結合的產(chǎn)物，起源于20世紀后二十年，隨著信息技術的不斷發(fā)展，智能建筑也在不斷的發(fā)展，智能建筑通常由樓宇自動化系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、信息自動化系統(tǒng)、消防自動化系統(tǒng)和安保自動化系統(tǒng)五個系統(tǒng)組成，其中樓宇自動化系統(tǒng)則是智能建筑設計的核心和重點。文章首先介紹了智能建筑的定義和特點，然后重點分析了樓宇自動化系統(tǒng)的組成要素，并在此基礎上，從設計思路、設計依據(jù)、設計概要和系統(tǒng)結構這五個方面對樓宇自動化的具體設計進行了研究和論述。

關鍵詞：智能建筑；信息技術；樓宇自動化；設計

中圖分類號：TU855 文獻標識碼：B

1.引言

20世紀的后20年和21世紀的前10年，是信息技術和智能技術迅猛發(fā)展和革新的時代，數(shù)字洪流已經(jīng)席卷了人類社會的方方面面，人類社會逐步由工業(yè)化時代向數(shù)字時代邁進。在新的數(shù)字化時代背景下，在建筑行業(yè)，人們對建筑物的辦公、居住環(huán)境以及設施管理提出了越來越新的要求，建筑不再是一個簡單的遮風避雨供人居住的場所，而是演變成具備安全、高效、舒適、綠色、節(jié)能以及智能化的功能，成為能夠參與人類辦公、生產(chǎn)、生活活動的具有“生命”特性的實體。如果把建筑比作人體的話，那么傳統(tǒng)的建筑只是具備了人體的外在骨骼和肌肉，而智能建筑則是在此基礎上加上智慧的“頭腦”和靈敏的“神經(jīng)系統(tǒng)”的完整的“人”。

2.智能建筑的定義及特點

智能建筑[1]的概念最先是起源于20世紀80年代的美國，1984年，美國康涅狄格州哈特福德市的“城市廣場”（City Place）是世界上公認的智能化大廈，其具備了先進的通信系統(tǒng)、辦公自動化系統(tǒng)、及自動監(jiān)控和建筑設備管理系統(tǒng)。隨著信息技術的迅速發(fā)展，智能建筑的內(nèi)涵得到不斷的擴展和豐富。到目前為止，對于智能建筑，國內(nèi)外有著不同的詮釋，美國建筑協(xié)會將智能建筑定義為：通過將建筑物的結構、系統(tǒng)、服務和管理4項基本要求以及它們之間的內(nèi)在關系進行最優(yōu)化，從而提供一個投資合理的、具有高效、舒適、便利環(huán)境的建筑物。國內(nèi)學術界將智能建筑定義為：利用系統(tǒng)集成方法，將智能型計算機技術，通信技術、信息技術與建筑技術有機結合，通過對設備的自動監(jiān)控、對信息資源的管理和對使用者的信息服務及其與建筑的優(yōu)化組合，所獲得的投資合理，適合信息社會需要并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點的建筑物。雖然國內(nèi)外對智能建筑的定義描述不盡相同，但對其本質特點的認同卻是一致的，即智能建筑可以為人民提供一個優(yōu)越的工作與生活環(huán)境，這種環(huán)境有著安全、舒適、便利、高效、靈活的特點。

3.智能建筑的組成要素

智能建筑通常由5個自動化系統(tǒng)要素[2]組成，簡稱為5A（A是Automation的簡寫），分別是樓宇自動化系統(tǒng)BA（Building Automation System），辦公自動化系統(tǒng)OA（Office Automation System），信息自動化系統(tǒng)CA（Communication Automation System），消防自動化系統(tǒng)FA（Fire Automation System）和安保自動化系統(tǒng)SA（Safety Automation System）這五個自動化系統(tǒng)。其中：

樓宇自動化系統(tǒng)是智能建筑中的核心系統(tǒng)也是最能體現(xiàn)智能建筑的舒適、便利、高效特點的系統(tǒng)，它運用計算機系統(tǒng)對建筑的各個方面實行自動化的監(jiān)控及管理，如空調、照明、電梯、配電和給排水。

辦公自動化系統(tǒng)是圍繞計算機網(wǎng)絡進行的信息的建立、存儲和處理，包括文字處理、電子記事、數(shù)據(jù)庫、日程安排、統(tǒng)計管理和決策管理等。

信息自動化系統(tǒng)是指通過電纜、光纜等有線或無線的傳輸方式，使用相關通信設備快速傳遞語音和圖像，包括傳輸語音的電話網(wǎng)系統(tǒng)、傳輸圖像的有線電視系統(tǒng)、傳輸數(shù)據(jù)的Internet、ISDN系統(tǒng)。

消防自動化系統(tǒng)是指建筑樓宇內(nèi)的人工報警器、智能探測器、滅火噴淋系統(tǒng)、緊急廣播及照明系統(tǒng)。

安防自動化系統(tǒng)是指以運用安全防范產(chǎn)品和其它相關產(chǎn)品所構成的入侵報警系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、出入口控制系統(tǒng)、防爆安全檢查等的系統(tǒng)；或是由這些系統(tǒng)為子系統(tǒng)組合或集成的電子系統(tǒng)或網(wǎng)絡。

在國內(nèi)智能建筑設計時除了5A智能建筑設計外，有時還會有3A智能建筑設計，3A設計時是將5A設計的消防自動化變?yōu)橄缊缶卜雷詣踊楸０脖O(jiān)控一并納入到樓宇自動化的設計范圍內(nèi)。

智能建筑的這五個系統(tǒng)彼此之間的功能相對獨立，各自在不同的領域發(fā)揮著應有的作用，但他們又不是完全獨立的，樓宇的綜合布線將他們彼此相連，同時用于智能管理的計算機系統(tǒng)又對這幾個系統(tǒng)進行綜合集成，統(tǒng)一管理，使得各個系統(tǒng)之間創(chuàng)造出高效、舒適的生活，工作環(huán)境時，構成了一個有機的建筑功能系統(tǒng)。

4.樓宇自動化系統(tǒng)的設計

4.1樓宇自動化系統(tǒng)的設計思路

樓宇自控系統(tǒng)是利用計算機控制技術組成高度自動化的綜合管理系統(tǒng)，對分散于建筑物內(nèi)的機電設備（冷熱源系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、送排風系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)等）進行分散控制、統(tǒng)一管理，實現(xiàn)對各設備的監(jiān)測與控制，保證所有設備的正常運行，并達到最佳狀態(tài)。同時，在計算機軟件的支持下進行信息處理、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)分析、邏輯判斷、圖形識別等，從而提高樓宇管理和服務的現(xiàn)代化水平，降低運營成本，從而提供一個一個高度安全、舒適、高效的工作、生活環(huán)境。通常樓宇自動化系統(tǒng)是由樓宇內(nèi)的若干個建筑設備的監(jiān)控子系統(tǒng)組成，即送排風系統(tǒng)監(jiān)控、暖通空調系統(tǒng)監(jiān)控、變配電系統(tǒng)監(jiān)控、照明系統(tǒng)監(jiān)控和電梯系統(tǒng)監(jiān)控。

在進行樓宇自控系統(tǒng)設計的時候，應當考慮以下六個方面的因素：

（1）實用性：樓宇自動化系統(tǒng)的設計應將實用作為首先考慮的內(nèi)容。在符合樓宇建筑具體實際功能和需要的前提下，合理平衡各個子系統(tǒng)的經(jīng)濟性和先進性，避免片面追求先進性而脫離實際或片面追求經(jīng)濟性而損害智能化建設的初衷。

（2）可靠性：樓宇自動化系統(tǒng)控制著樓宇的各個重要的設備系統(tǒng)，系統(tǒng)設計應確保每天24小時連續(xù)工作，局部設備故障不會影響整個系統(tǒng)的正常運行，也不會影響其它智能化子系統(tǒng)的正常運行。關鍵的系統(tǒng)部件對故障容錯和數(shù)據(jù)備份應提供相應的解決措施。

（3）安全性：樓宇自動化系統(tǒng)設計選用的所有設備、配件及其系統(tǒng)，在保證其安全、可靠運行的同時，應符合國際和國家的有關安全標準和規(guī)范要求，并在非理想環(huán)境下能有效工作。

（4）易維護性：樓宇自動化系統(tǒng)需要監(jiān)視和監(jiān)控的設備品種繁多，而且位置分散，要保證日常系統(tǒng)正常工作、可靠運行，系統(tǒng)必須具有高度可靠的可維護性和易維護性。盡量做到所需人員少，維護工作量小，維護強度弱，維護費用低。

（5）標準性和可擴展性：樓宇自動化系統(tǒng)的設計應采用國家和國際標準及規(guī)范，兼容不同廠家、不同協(xié)議的設備和系統(tǒng)。必須采用符合工業(yè)標準的操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡技術、相關數(shù)據(jù)和圖形系統(tǒng)。各子系統(tǒng)可方便進出總系統(tǒng)，同時具有開放接口，以便用戶進行二次開發(fā)。

（6）先進性：樓宇自動化系統(tǒng)是信息時代建筑與信息技術相結合的產(chǎn)物，因此系統(tǒng)方案的設計應力求與當前科學技術高速發(fā)展的潮流相吻合。系統(tǒng)總體結構定位于高起點、開放式、模塊化，從而建設一個可擴展的平臺，保護前期工程與后續(xù)技術的銜接。

4.2樓宇自動化系統(tǒng)的設計依據(jù)

樓宇自動化系統(tǒng)的設計應當首先根據(jù)甲方的需求以及提供的相應建筑圖紙為基礎，同時參照相應的設計規(guī)范如：《智能建筑設計標準》（GB/T50314—2006）、《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB50189-2005）、《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GB50019-2003）、《民用建筑電氣設計規(guī)范》（JGJ16-2008）、《電氣裝置安裝工程施工及驗收規(guī)范》（CBJ232—92）、《建筑設計防火規(guī)范》（CBJ16—87）95修訂、《火災自動報警系統(tǒng)設計規(guī)范》（GBJl16—92）、《商用建筑線纜標準》（EIA/TIA—568A）、《信息技術互連國際標準》（ISO/IECl1801—95）和《高層民用建筑設計防火規(guī)范》（GB50045-95）。

4.3樓宇自動化系統(tǒng)的設計概要

樓宇自動化系統(tǒng)[3]的設計是為大樓各機電設備提供一套完善的自動化管理解決方案，以提高各機電系統(tǒng)效率和可靠性，其建筑設備監(jiān)控系統(tǒng)由冷熱源、空調暖通、變風量末端、送排風、電梯等監(jiān)控系統(tǒng)組成。

通常樓宇自動化系統(tǒng)主控工作站應設在各樓消防及保安控制中心內(nèi)，負責各大樓的機電設備監(jiān)控，為了增強系統(tǒng)的靈活性，系統(tǒng)應預留備用接口，同時設計時應根據(jù)甲方的要求在某些房間增設監(jiān)控點，減少能源消粍，提高經(jīng)濟效益。

樓宇自動化系統(tǒng)的設計是通過網(wǎng)絡控制器（NC）、直接數(shù)字控制器（DDC）對所有機電設備進行監(jiān)控，系統(tǒng)還應通過數(shù)據(jù)通訊接口對空調冷熱機組及電梯等設備進行監(jiān)控。

在對樓宇自動化系統(tǒng)進行設計時應采用分布智能系統(tǒng)，利用分布在樓宇現(xiàn)場的可擴展數(shù)字控制器及I/O擴展模塊，完成對建筑機電設備的實時監(jiān)測，保護與控制任務。各控制器在設計時應確保既能獨立運作，又可以在中央工作站指導下工作。在正常情況下使用人員只需要在中央工作站進行監(jiān)控，不需要直接操作其它控制器，這樣極大地方便了系統(tǒng)的管理，此外，系統(tǒng)的設計應建立標準、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，并具有標準的開放接口，便于被集成信息的利用和更高層次的信息集成，為建筑內(nèi)的綜合管理與調度提供基礎平臺。控制器（DDC）應采用現(xiàn)場控制方式，控制器之間采用點對點通信。控制器必須具有獨立的監(jiān)測和控制能力，可根據(jù)需要隨意增加/減少總線上的控制器，而通信線故障不會影響控制器的現(xiàn)場控制功能。

應將樓宇自動化系統(tǒng)設計為完整的分布式集散控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)應采用標準化局域網(wǎng)技術和眾多子系統(tǒng)集成技術實施對樓內(nèi)所有實時監(jiān)控系統(tǒng)的集成監(jiān)控、聯(lián)動和管理，系統(tǒng)應既可相對獨立運轉，又可聯(lián)合成為一個有機整體，可以由系統(tǒng)管理服務器完成對不同工作站及現(xiàn)場控制器的控制權限的設定。

4.4樓宇自動化系統(tǒng)的網(wǎng)絡結構

通常將樓宇自動化系統(tǒng)設計為兩層網(wǎng)絡結構，即管理層網(wǎng)絡和控制層網(wǎng)絡，具體如下：

（1）管理層網(wǎng)絡：管理層網(wǎng)絡是由帶鼠標及彩色顯示器的個人電腦和打印機組成操作站、數(shù)據(jù)管理服務器組成。操作站不需要BAS專用軟件，而采用網(wǎng)絡瀏覽器作為用戶界面，授權用戶可以通過Web瀏覽器提供的用戶界面簡捷地登陸到數(shù)據(jù)管理服務器。用戶可以通過Web瀏覽器在網(wǎng)絡任何一點獲得數(shù)據(jù)管理服務器上的數(shù)據(jù)。管理人員和操作者，通過觀察顯示器所顯示的各種信息以及打印機所記錄的各種信息來了解當前或以前整個大樓各種機電設備的運行狀況，也可通過鍵盤或鼠標的操作來改變各種機電設備的運行狀況，從而達到管理者各種特定的控制要求。操作站級的設計應以高速通訊方式進行信息交換，其通訊速率應達10/100M波特。從而確保系統(tǒng)的實時性，避免通信阻塞。

（2）控制層網(wǎng)絡：控制層網(wǎng)絡通常設計成點對點（Peer to Peer）的通信方式，同一樓宇內(nèi)的控制層網(wǎng)絡上的網(wǎng)絡控制器可以進行無主從的對話，并不依賴與管理層的操作站，網(wǎng)絡上任一節(jié)點故障時不影響系統(tǒng)的正常運行和數(shù)據(jù)傳輸。控制層網(wǎng)絡采用以太網(wǎng)絡，通訊速率為10/100M，通過六類UTP 把各個樓層的網(wǎng)絡控制器分別連接入管理型以太網(wǎng)交換機，各個樓層的以太網(wǎng)交換機與相對應的交換機進行級聯(lián)。每個網(wǎng)絡控制器都有獨立的IP地址，使用IP協(xié)議互聯(lián)，通訊速率在10M/100Mbps自動切換。控制層網(wǎng)絡通常由網(wǎng)絡控制器和直接控制器組成，網(wǎng)絡控制器應配置高性能的微處理器，從而滿足對現(xiàn)場設備監(jiān)控管理的需要，而且應承擔從管理級網(wǎng)絡至控制層網(wǎng)絡的總線匹配、通信管理的功能，是現(xiàn)場控制設備與操作站通信聯(lián)系的紐帶。

5.結語

在信息時代，隨著信息技術與傳統(tǒng)建筑設計相結合的產(chǎn)物智能建筑的出現(xiàn)，使得人們追求更加舒適、更加安全、更加高效的工作和生活環(huán)境的愿望成為可能，這就給建筑設計人員提出了新的挑戰(zhàn)，在熟練掌握本專業(yè)的知識的基礎上還要學習最先進的信息技術，并將其應用到建筑設計之中，從而設計出滿足人們工作、生活需求的智能建筑。本文在描述了智能建筑的定義和組成要素的基礎上，從設計思路、設計依據(jù)、設計概述和網(wǎng)絡結構三個方面對智能建筑中的樓宇自動化系統(tǒng)的設計進行研究。

參考文獻

[1] 尹秀偉.智能建筑設計及智能建筑發(fā)展前景[J].低壓電器，2001.1.2.

[2] 張慶芳等.淺論智能建筑在我國的發(fā)展[J].山西建筑，2004.6.

[3] 趙向娟.對樓宇自動化系統(tǒng)分析[J].科技信息，2010（03）.