新型群智能建筑控制管理系統平臺的探索?

李維時， 陳 琪， 潘云剛

（中國建筑設計研究院有限公司，北京100044）

0 引言

從上世紀80年代，我國在建筑中引入建筑設備管理系統（簡稱“BMS”）以來，以數字技術為控制平臺的直接數字控制系統（簡稱“DDC”）在我國得到了廣泛的應用。但是，由于DDC系統在系統結構、軟件編程等方面的特點和技術要求，以及實際工程從招投標、施工安裝、運行調試和運行管理等操作過程中普遍存在的一些問題，導致我國的BMS系統實際運行管理的現狀，遠遠沒有達到其所預期的功能。建筑物智能化系統維護運行水平不高，甚至一些已投用的DDC系統在2～5年后就恢復到手動運行管理狀態。實際調研的情況如圖1所示。

分析現有建筑物維護運行智能化程度不高的原因，可以大致歸納為以下因素。

（1）各智能化系統條塊分割，互不兼容（編碼方式不同，代碼不公開等因素造成）。

（2）采用中央站建模，組網建模工作量大，建設成本高。

圖1 全國智能化建筑樓宇控制現狀

（3）各系統不能適應建筑物的個性化設計，不可復制，定制化成本高。各建筑物的建筑設備管理系統由于設備廠家不同，使用需求不同，各個工程之間的系統模式不能復制。這種近似定制開發的系統控制模式，系統構建成本高，運營維護困難。

（4）系統配置不靈活，修改維護成本高。當物業管理需要系統做適當調整時，需要DDC設備廠家專業技術人員進行修改。系統修改成本較高，可實施性差。

（5）信息技術門檻高，專業知識難以落地。機電專業的工程師和設計師的控制思路只能通過計算機（或自動化）專業人員才能完成編程。

針對目前建筑智能化實際運行中出現的上述問題和原因分析，國家科技部于2016年立項了國家重點研發計劃項目專項“新型建筑智能化系統平臺技術”項目課題，這是十三五期間智能建筑領域的大型研究項目課題之一。本文提到的“新型群智能建筑控制管理平臺系統”，是本專項課題研究的核心內容，其目標是構建適應城鎮化發展、中國獨立自主的智能化技術體系和標準；在此基礎上，形成覆蓋各種應用的智能產品（冷機、水泵、空氣處理機組、換熱機組、電梯、變配電、照明等），創造一種新的產業模式，在提升我國建筑智能化設計、建造和運行管理水平的同時，帶動傳統產業完成中國智造的升級。

1 群智能建筑控制管理平臺在控制理念上發生本質改變

群智能建筑控制管理平臺系統是一個去中心化、扁平型的控制管理平臺（以下稱“新控制管理平臺”）。

原有的建筑設備監控系統（BA），代碼算法不開放，使用者不能方便地按照現場實際情況，調整控制策略，大部分實際運行的系統只能進行簡單的參數再設定，管理者或設計師無法進行軟件的優化和再編程。在建筑設備監控系統運行幾年之后，由于各種原因，相當一部分變為了手動控制，各種優化策略均不能實現。雖然總線技術、互聯網技術、集成軟件、OPC、云計算等都在不斷發展，可智能化實際控制水平卻沒有發生本質性的提升，系統平臺的架構沒有實質性變化——中央控制中心的這種控制邏輯沒有發生改變；各個系統相互獨立，條塊分割的情況也沒有改變。各個系統缺乏橫向連接——建筑設備監控、照明、安防、消防等每一項都是一個獨立的系統（甚至每個系統內又含N個子系統）。

但是，在一個空間內的電氣設備，往往是發生關聯的。比如會議室照明、空調、投影、電動窗簾等電氣設備，是一個協作使用的情況。如果采用中心控制框架，當中心處理能力足夠強大時，上傳的大量數據可以很快準確處理。但末端數據的采集和校核是一個極其龐大、復雜的工程。在目前建筑規模越來越大的趨勢下，建筑群海量的終端數據采集，由于安裝、調試、接線等問題，要求上傳全部準確無誤的數據信息是難以實現的。當新的設備需要接入原有控制系統時，不但控制系統原有構架需要調整，控制軟件也需要相應修改。這種修改只能由樓控設備廠家專業工程師完成，這也是目前的BMS系統維護運行水平較低的因素之一。

如果把一幢建筑內的各種空間和使用設備分別視為建筑的一個“節點單元”，那么，通過對典型建筑和功能的總結，既可以找出這些“節點單元”自身的運行管理需求，也會找出它們相互之間存在的邏輯聯系。生物界的群落行為給了一些啟發：成千上萬的魚群遷移嬉戲、蜜蜂筑巢、螞蟻搬家，眾多低等生物能共同完成異常復雜的“工程”，靠的即是獨立個體自組織、自識別及相互協作。如今這種控制理念在無人機編隊的編程中已展開使用。新控制管理平臺就是把這個理念應用到系統平臺中。

原樓宇智能化控制平臺流程如圖2所示，群智能建筑控制系統平臺流程如圖3所示。新控制管理平臺優于原樓宇智能化控制平臺的方面有以下幾點。

（1）新控制管理平臺是一個無中心、扁平化結構。

（2）新控制管理平臺是一個自組織、自識別的天然集成平臺。

（3）新控制管理平臺采用分布式計算，CPN節點共同協作完成全局優化控制。

（4）新控制管理平臺功能擴展更靈活。

（5）新控制管理平臺采用標準化產品，設計更簡單。

新控制管理平臺是一個分布式的平臺，系統的拓撲過程源于它的自識別。優點是能夠針對條塊分割（即“節點單元”），解決有針對性的問題，同時實現控制系統對“節點單元”（建筑空間或者機電設備）的自組織、自識別和自協調，解決系統和“團隊”問題。對空間單元進行橫向集成，便于實現系統信息的互聯互通，實現設備之間的分布式協作。通過這種自組織、協作場識別和物理場的識別，可以更方便用戶獲得實用信息。

圖2 原樓宇智能化控制平臺

圖3 群智能建筑控制系統平臺

新控制管理平臺采用標準化模塊、標準化節點以及標準操作系統，實現安裝簡潔、靈活，降低設備安裝、系統維護、機電改造以及升級換代的成本。

這一原創性的新智能化架構必然改變智能建筑業態，激發智能化技術的發展。

2 群智能建筑控制管理平臺的控制節點

新控制管理平臺是由一個個獨立平等的節點連接起來的。相鄰節點之間相互互動，所有節點整體進行平等計算。這個系統可以實現自組織識別及節點間協作。這個節點叫 CPN（Computing Processing Node）計算處理單元。控制系統的所有控制算法及都嵌入在每個平行節點內。

新控制管理平臺為實現系統的標準化、設備的即插即用，引用了標準空間單元和標準設備單元的設計理念。首先平臺覆蓋全部建筑空間。按功能、防火分區、控制節點的輻射半徑等因素，整個建筑空間可分為若干標準空間單元。像搭積木一樣，依據不重不漏的原則，若干標準空間單元按照建筑原有的空間相對關系，把相鄰標準空間單元拼接起來，實現與建筑空間一一對應的空間模型。對建筑物內的機電系統則引入標準設備單元理念。

每個標準空間單元設置一個CPN-A，如圖4所示，每個標準設備單元配置一個CPN-B，如圖5所示。CPN-A之間按照空間相鄰關系連接起來，構成類建筑空間模型的控制平臺。CPN-B按照各機電系統工藝流程關系連接在一起，然后接入到新控制管理平臺。整個新控制管理平臺的構架就搭建完成了。

圖4 計算處理單元CPN-A

圖5 計算處理單元CPN-B

CPN-A、CPN-B節點內置固化了32種標準數據集（1種標準空間單元數據集及31種標準設備單元數據集）。其中標準空間單元數據集包含了建筑空間內從屬的智能機電設備末端，如燈、開關、插座、風機盤管等。31種標準設備單元數據集，包括水泵、冷水機組等機電源側設備，可以搭建目前建筑物使用的各種機電系統，形成新型的智能機電系統模型，并接入到新控制管理平臺當中。由于CPN節點都能自組織、自識別。當CPN節點與各機電設備采用有線或無線連接之后，自行將設備與相應的標準數據集進行匹配，從而達到自動組網的協作過程。

CPN-A通常以無線WiFi的形式與末端的各智能設備連接。智能設備的種類、數量、狀態采集種類均固化在CPN-A的空間標準數據集中。當設備安裝完畢后，運行固化在CPN-A設備內的安裝軟件，CPN-A可以通過WiFi自動拾取探測半徑范圍內的智能設備，并建立控制聯系。

CPN-B通常以有線的形式與末端的各智能設備連接。按照機電系統的工藝流程的邏輯關系，將設備與對應的CPN-B連接起來，再接入到新控制管理平臺中。

3 群智能建筑控制管理系統平臺的設計探索

在新控制管理平臺的設計方面，不斷探討設計原則、設計流程。目前把新控制管理平臺搭建大致分為三個步驟。

3.1 標準空間單元的劃分

（1）按獨立房間劃分為一個空間單元；當房間長度＞16m，可以按約8m半徑劃分多個空間單元；（2）樓梯間、前室單獨劃分功能單元；（3）強、弱電間宜單獨劃分功能單元；（4）設備管井不宜單獨劃分功能單元；（5）電梯井道不劃分功能單元；（6）大堂燈具等，電動窗數量較多的區域，功能分區面積適當減少。

標準空間單元的劃分基本原則為：（1）基本空間單元可以不重不漏地覆蓋所有建筑空間。（2）一個空間單元對應一個CPN-A。圖6為某工程基本空間單元的劃分平面圖。

圖6 某工程基本空間單元的劃分平面圖

3.2 標準設備單元的劃分

為便于系統標準化設計，把采集的運行數據及接收控制管理指令，以及交互協作模式存在一定共性的設備，歸為一種設備單元的標準數據集。每個機電設備與其直接相關聯的傳感器、執行機構、配電柜等統稱為標準設備單元。

一個CPN-B對應一個標準設備單元。每個CPN-B中固化了31種標準設備單元的標準數據集，分別對應31類典型的機電系統源側設備。CPN-B可以自動識別，將與其連接的各類機電設備分別與相應標準數據集匹配。從而使機電設備智能化，為接入系統平臺提供數據基礎。

各種標準設備單元可以搭建出復雜多變的眾多機電系統。各類機電設備之間，依據標準化的信息集，完成相互協作。

3.3 標準單元的連接原則

（1）一個空間標準單元對應一個平臺節點CPN-A。

（2）每個CPN-A節點按照建筑空間的對應位置關系相互連接，不跨接。

（3）依據機電系統（冷凍機房、給水機房、換熱站等）的工藝流程邏輯，連接各與源類設備一一對應的CPN-B節點，然后接入到空間標準單元平臺節點的CPN網絡平臺中。圖7為某工程冷凍站系統工藝流程框圖，圖8為冷凍站標準設備單元連接后接入CPN平臺示意圖。

圖7 某工程冷凍站系統工藝流程框圖

圖8 冷凍站標準設備單元連接后接入CPN平臺示意圖

群智能建筑控制管理系統平臺無論在設計理念，標準化設計、安裝，即插即用靈活拓展等方面，均顛覆了原有智能化控制管理平臺的固有模式。新控制管理平臺的研究和應用，必將會為整個建筑智能化技術領域達到新高度，提供一個堅實的基礎平臺。