智慧建筑：建筑業轉型升級之路

文｜杜明芳

圖1 智慧建筑定義（智能建筑演進視角）

圖2 智慧建筑定義（CPS 系統視角）

智慧建筑的發展背景

黨的十九大報告明確提出了數字中國、智慧社會概念，作為數字中國、智慧社會戰略落地實施的重要載體，智能建筑行業具有義不容辭的歷史責任。當前，我國智能建筑行業創新、融合、轉型發展的需求十分強烈，但相關理論、方法、方向依舊比較模糊。智慧建筑是未來的發展方向已成為業界共識，智慧建筑的概念和實踐體系正處于初步形成階段，來自不同方面的定義和做法也不盡相同，因此，智慧建筑急需從內涵、架構、理論體系方面加以明確化，才能為業界提供更好的方向指引，才能更好地促進行業健康可持續發展。

圖3 智慧建筑八個基本特征

在經濟全球化背景下，以信息技術革命以及由信息技術革命帶動的、以高新科技產業為龍頭的新經濟正處于飛速發展中，新經濟時代正在被開啟。新經濟以數字技術為標志和驅動力，以知識資源為依托，創新性知識在知識中占主導，創意產業成為龍頭產業，是一種智慧經濟形態，具有低失業、低通貨膨脹、低財政赤字、高增長的特點。數字經濟是新經濟的具體展現形態，是傳統工業經濟改革轉型的方向。它采用現代創新引擎“互聯網+”“人工智能+”“創新2.0”改造傳統工業經濟，重構出智能型經濟新業態，具有數字化、網絡化、全球化、知識化、智能化、開源化的特征。在數字化背景下，不同產業和區域的生態之間，開始發生越來越多的關聯，它們可能將不再羈于行業、地域等因素帶來的條塊分割，緊密地交錯起來，讓跨界地帶產生豐富的創新空間，從而形成一個“數字生態共同體”。在此背景下，建筑業呈現出的新趨勢為 ：工業化、數字化（BIM）、綠色化、互聯網化、AI 化。智慧建筑應該密切結合新經濟、數字經濟、數字生態的背景進行定義。

智慧建筑的定義

從智能建筑演進的視角看，智慧建筑的定義如圖1所示，是智能建筑在五個維度上拓展后形成的新概念。這五個維度包括：時間維度、空間維度、要素邊界維度、計算方式維度、新經濟模式維度。集中體現了近年來以“互聯網+”為代表的新一代信息技術為傳統行業的賦能作用。

從CPS 系統視角看，智慧建筑（smart building）的定義如圖2所示。

智慧建筑應具有八個基本特征：實時感知、高效傳輸、自主控制、自主學習、個性化定制、自尋優進化、自組織協同、智能決策。如圖3所示。

圖4 智慧建筑系統架構

智慧建筑的系統架構

隨著智慧建筑和新一代信息技術、工業技術的發展，智慧建筑集成系統的架構也有所改變。以往是分布式控制系統架構占主導，現在更多的向去中心化、網絡扁平化、計算分布化、環境交互直接化方向演化。本文結合工業互聯網、5G、人工智能及邊緣計算理論，提出兩種智慧建筑集成化系統架構模式描述方法，代表了未來智慧建筑系統架構的演進方向。隨著5G商用化的到來，2020年～2022年將迎來5G 換機潮及相應的基于5G 移動通信的物聯網的大爆發。在5G 物聯網時代到來之際，過去幾年云計算的充分發展和大數據的沉淀隨之引發了邊緣計算落地應用的各種可能，也引發了智慧建筑邊緣計算需求的迅猛增長，智慧建筑邊緣計算節點成為智慧建筑體系架構中的核心組成要素。各種新型智能基礎設施綜合驅動下的智慧建筑系統架構如圖4所示。

圖5 智慧建筑類腦計算

未來的智慧建筑架構將朝著云、邊、端一體化協同的智能計算體系發展演進，人工智能算法將被嵌入到云端運營管理中心、邊緣計算端節點及移動端節點，形成智慧建筑泛在智能物聯網。相應的建筑邊緣計算節點將進一步細分為三種類型：（1）邊緣計算節點I 即建筑分腦邊緣計算節點，與運營管理中心云直接互聯，形成分布式協同計算體系，一般布設在社區、園區、商業集聚區；（2）邊緣計算節點II 即控制網內用于就地控制、協議轉換、路由等功能的邊緣計算；（3）邊緣計算節點III 即感知控制裝置內嵌的計算，位于系統網絡最底層。未來，移動邊緣計算(MEC)也將成為5G 建筑物聯網的主流計算模式。

圖6 建筑工業互聯網的三層體系

圖7 智慧建筑Agent 強化學習算法框架

智慧建筑的理論體系

作為發展中的事物，智慧建筑迄今為止并無嚴謹的理論體系，智慧建筑理論體系的構建是支撐產業發展的奠基性工作。基于此，本文提出構成智慧建筑理論體系的四個核心點：（1）云腦及類腦計算和情感計算；（2）建筑工業互聯網；（3）多智能體強化學習；（4）智慧建筑知識圖譜。這四點分別從不同角度解釋智慧建筑理論的內涵，互為補充，充分體現了人工智能與建筑的耦合。

智慧建筑云腦及類腦計算采用類腦計算技術路線，如圖5所示。

情感計算的概念1997年由MIT 媒體實驗室Picard 教授提出，她指出情感計算是與情感相關，來源于情感或能夠對情感施加影響的計算。目前的人工智能還很難達到情感智能水平，智慧建筑在健康程度、節能程度、人機友好程度方面的情感計算需要探索。

建筑工業互聯網的三層體系如圖6所示。

Multi-Agent 理論目前已廣泛應用于城市、經濟、工業、建筑、物流、供應鏈等領域，世界上許多數學家、經濟學家、人工智能學家等都正在對該系統進行深入研究。Multi-Agent 理論為多自主體傳感器網絡、自組織動態智能網絡、無線傳感網、城市物聯網等的發展提供了理論支撐，能夠很好的描述和解釋現實世界中的智能化應用系統。智慧建筑和智慧城市系統非常適合應用該理論。由于智慧建筑與智慧城市系統無法在實際項目中承受強化學習算法所要求的多次試錯，就需要借助仿真系統完成這種試錯過程。因此，提出一種采用BIM 建模仿真實體建筑，在仿真空間中模擬和學習真實世界的方法。并將試錯反饋信息關聯到真實世界中的建筑與城市。智慧建筑Agent 強化學習算法框架如圖7所示。

隨著全球第四次科技革命的深入推進，智慧建筑的研究、開發、應用將會得到進一步蓬勃發展。從建筑領域自身來看，本領域對智能、節能、高效、舒適、便捷、人性化、健康等方面存在巨大需求，而當前階段這些方面發展的尚不夠理想，能夠真正以人為本、環境友好的智慧建筑示范項目還比較少。在大數據、云計算、“互聯網+”已經充分發展的基礎上，人工智能時代到來，人工智能將成為助力以上需求實現的有力工具。同時，隨著智慧城市建設的深入推進，智慧建筑理論體系將會加速形成和不斷完善，成為智慧城市理論體系奠基性的組成部分。