建筑大腦讓智能建筑走向智慧建筑

張桂青陳浩

(1.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南250101；2.山東省智能建筑技術重點實驗室，山東 濟南250101)

0 引言

2017年阿里巴巴集團發布了國內首個智慧建筑白皮書[1]，將智慧建筑發展歷程分為3個階段，即1980年前為傳統建筑，1980—2015年為智能建筑和2015年后為智慧建筑。

世界公認的第一幢智能建筑是1984年在美國康涅狄格州哈特福特市出現的，其實際上是一幢38層的租賃式辦公建筑，引入了信息通信系統，較好地實現了語音通信、電子郵件、信息檢索等功能，后來又接入空調系統、給排水系統、供配電系統實現了部分建筑設備的遠程控制，初步實現了建筑設備自動化系統(Building Automation System，BAS)。美國第一幢智能建筑的成功案例在全球引起了巨大的沖擊，行業內相關企業紛紛效仿，20世紀80年代中后期，日本東京的本田青山大廈、中國香港的匯豐銀行總部大樓、中國北京發展大廈等更有針對性地設置了建筑設備自動化系統、通信系統、辦公系統等，這也就是后來智能建筑“5A系統”(Building Automation System，BA；Communication automation system，CA；Office Automation System，OA；Fire Alarm System，FA和Security Protection and Alarm System，SA)的雛形[2]，此后幾年時間，國內又陸續建成了北京西客站、深圳帝王大廈等智能大廈。隨著GB 50314—2015《智能建筑設計標準》[3]的頒布實施，明確了智能建筑由信息設施系統、建筑設備管理系統、信息化應用系統、公共安全系統、智能化集成系統和機房工程6個部分組成，為智能建筑賦予了新的內涵。

在這一過程中，霍尼維爾、江森、西門子等外企迅速發展，占據了90%以上的市場份額，并在技術上保持暫時領先。近年來，國內的樓控企業如浙大中控、和欣運達、同方股份、大華科技、達實智能、賽為智能等通過技術引進和依靠自主研發創新，也逐步發展起來，其態勢迅猛。

進入21世紀以來，物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術的發展，為傳統的智能建筑賦予了新的內涵。人們對智慧建筑的關注點開始由技術轉向用戶體驗和綠色環保方面，“用戶生活質量”“用戶需求響應”“環境友好”“綠色節能”“衛生”等名詞受到從業人員越來越多的重視[4]。近期學者們還在關注整個社會和生態的“可持續發展”，通過建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)、人工智能等技術提高建筑的整體智慧和自適應能力。2017年以來，霍尼韋爾、江森、西門子國際三大品牌先后發布了其智慧建筑白皮書[5-7]，中國勘察設計協會工程智能分會、中國建筑節能協會等國內多機構也都發布了智慧建筑白皮書[8]，國內騰訊、達實公司均稱建成了海濱大廈、達實大廈等智慧大廈，這標志著智慧建筑時代正式到來。

在這一背景下，文章試圖就智慧建筑內涵、構架、平臺、大數據應用等核心技術及其應用推廣存在的問題等進行綜述，并對其發展方向做出展望。

1 智慧建筑內涵

1.1 智慧建筑與建筑大腦

智慧建筑目前沒有統一的定義。業內存在多種版本，較有代表性的4種定義[1，9-10]見表1。

表1 智慧建筑常見定義表

表1中各種版本的智慧建筑定義描述角度和側重點有所不同，阿里巴巴定義的智慧建筑更加關注大數據、人工智能以及自進化、自學習；美國智能建筑協會的定義更多地站在使用者的視角，考慮他們的資金投入和實際獲得；歐洲智能建筑集團更加注重效率和資源，綠色節能理念極強。角度雖有所不同，但可以從這些定義和描述中提煉出極大的相似處:合理應用新一代信息技術，注重以人為本實際成效，達到綠色節能、安全高效、便捷舒適等的最終目標。

綜合各方內容，國內首個智慧建筑相關的標準《智慧建筑評價標準》給出了智慧建筑的最新定義[11]:以建筑為載體，以智慧應用為目標，構建綜合服務平臺，實現建筑數據的全面感知、推理、判斷和自我決策，通過對設施及環境空間的自進化和自適應管控，構建人、設施、環境互為協調的整合體，從而提供具有安全、高效、節能、舒適人性化功能環境的建筑。

這一標準同時給出了“智慧建筑綜合服務平臺”的定義:以物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術為基礎構建的具有建筑數據獲取、數據處理、數據服務，實現資源共享、協同運行和優化管控等綜合應用的建筑智慧運營管理平臺。

由此可以看出，雖然目前沒有“建筑大腦”的明確定義，但定義的智慧建筑綜合服務平臺就是實際的建筑大腦。其為智慧建筑賦予了生命，從知識的獲取到通過數據分析，不斷學習和進化以及自我決策，實現建筑全局的優化運行。最終達到以人為本，為人們提供更好的服務，提升用戶的體驗。

1.2 智慧建筑與智能建筑的區別

“智能建筑”與“智慧建筑”，雖然一字之差，卻代表了兩代產品，本質的區別是有沒有“建筑大腦”，二者的具體區別見表2。

表2 智能建筑與智慧建筑區別表

上述區別體現了智慧建筑的3個特征[1]:全面感知和永遠在線的“生命體”、擁有“大腦”的自進化智慧平臺及人機物深度融合的開放生態系統。

2 智慧建筑體系架構及其關鍵技術

不同于傳統的智能建筑，智慧建筑采用物聯網體系架構，包括了感知層、傳輸層、數據平臺層、智慧應用層。該結構的不同表示方式如圖1和2所示。未來的智慧建筑應該具有自己的“大腦”，能控制和自動調節建筑內的各類設施，讓建筑具有判斷能力，并驅動執行器進行有序工作。當智慧建筑所有的靜態數據和動態數據都集中到一個平臺上，通過基于大數據分析技術的智慧建筑大腦將所有系統變成一個整體，各系統間能智慧有機地協同聯動[12]。

圖1 智慧建筑體系構架圖

2.1 物聯網體系構架

智慧建筑物聯網構架是萬物互聯的基礎，現場層末端設備包括接口、感知類設備和執行類設備，實現所有空間數據全面感知、設備可測可控。全局優化的算法需要不同的現場設備控制來實現，這是智慧建筑全局優化控制的基本要求。與傳統智能建筑分布式控制系統(Distributed Control System，DCS)構架相比，物聯網架構具有扁平化、可擴展、可重構等特點。實現這一功能需解決現場測控層物聯網設備自描述、自組網等難題，智能硬件設備支持可重構、自組網、即插即用等核心技術[13]。

除了常規的能耗、溫度濕度等傳感器信號監測外，增加高頻采樣的配電回路及重要設備運行電氣參數監測也是很關鍵的。其可以實現設備在線識別與分解、電源諧波監測、設備故障診斷、電氣火災監測、能源精細化管理以及用戶用能行為分析等功能[14]。基于開放的結構，根據需要可以隨時增設任意需要的傳感器，通過視頻監控、門禁等子系統獲得用戶行為等，從而獲取建筑中的各類數據。

2.2 現代通信與網絡技術

網絡是智慧建筑的神經系統，由圖2可以看出，智慧建筑傳輸層的骨干網絡必然是以太網，其傳輸線纜目前多以光纖＋雙絞線為主，但業界最新推出的無源全光網(Passive Optical LAN，POL)具有安裝簡單、機房要求低、節能、長壽命、帶寬無限等優點，是未來智慧建筑網絡發展的最新趨勢。

圖2 智慧建筑構架示意圖

現場測控的傳感網絡目前產品種類繁多，既有RS485、樓宇自動化控制網絡(Building Automation and Control networks，BACnet)等現場總線的有線網絡，也有紫蜂(ZigBee)、無線保真(Wireless Fidelity，Wi-Fi)、遠距離無線電(Long Range Radio，LoRa)等無線網絡產品。集成的難點在于設備種類多、協議混雜。設備和系統快速接入平臺對其相應的智能網關和路由器產品提出了新要求[15]。進入21世紀20年代，第五代移動通信技術(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)和Wi-Fi6的超低時延、超高速率、超大接入量技術優勢必將進一步整合優化傳輸網絡。

2.3 數據平臺與人工智能技術

智慧建筑區別智能建筑的根本特征是具有數據平臺，雖然傳統智能建筑集成了智能建筑管理系統(Intelligent Building Management System，IBMS)，但各子系統數據沒有真正打通，更沒有沉淀。智慧建筑數據平臺依托物聯網技術匯聚各類運行數據，構建綜合服務的一站式平臺，需要突破的核心技術有:

(1)多源異構數據的存儲與處理 智慧建筑運行數據是典型的多源異構數據，包括了傳感器采集的結構化數據和視頻、聲音、圖像、文本等非結構化數據。數據分析利用的前提是對其進行同構化處理，通過構建關聯模型剔除冗余數據、清洗數據，實現多源數據相互融合。

(2)實現數據與應用的解耦設計 雖然智慧建筑數據平臺不像大型商業平臺數據量那么巨大，但從技術上按照新型微服務構架、分層構架和解耦設計對未來系統的靈活性和運行穩定性非常重要。

智慧建筑具有自學習自進化功能，這些功能依賴逐漸成熟的人工智能理論和技術。在數據平臺基礎上，運算對比歷史數據，根據用戶的日常人為設置情況和用戶的使用習慣，自學習適應建筑使用者的個性化需求[16]。擁有自我決策和學習進化能力的建筑大腦像人一樣能學習、會思考，集人工智能和群體智能于一身，以數字科技創新驅動的發展模式賦能傳統建筑行業。智慧建筑需要從外界環境和用戶行為中獲取信息、挖掘相關數據，并進行自身調整。建筑系統不再停留在人為設置的階段，而是會像人一樣自動感知建筑內部的一切，從中自發地提取可用信息。近年來，人工智能算法研究的成熟和云計算、大數據基礎設施的完善，使得“自學習能力”的廣泛應用成為可能。在智慧建筑建設中，深度強化學習基于前期的深度挖掘成果，能對環境、經濟、用戶體驗等各方面出現的各類復雜問題進行快速建模，完成建筑智能從基礎的數據采集與展示[17]，向敏銳感知、深度洞察與實時綜合決策的智慧化階段。這就是人工智能帶給智慧建筑的改變。

2.4 智慧場景抽象與應用開發

智慧建筑是以人為本的建筑，追求新一代信息技術更好地為用戶服務，是通過建筑全運維期的智慧運維來體現的，是綠色建筑的重要組成部分。發展綠色建筑是我國建筑業政策性導向，2006年以來，相應的評價標準先后3次更新，現行GB/T 50378—2019《綠色建筑評價標準》，與2014版的最大變化在于由原來的考核“四節一環保”到“安全耐久、健康舒適、生活便利、資源節約、環境宜居”等以人為本的考核指標[18]。這與智慧建筑以人為本的定位完全一致，智慧建筑是在運維全過程通過智能化手段營造智慧應用場景，為用戶提供一站式服務，從而實現綠色建筑相關指標。

智慧建筑服務平臺在全面感知獲取建筑大數據的基礎上，通過數據分析和處理，根據需要與邊緣計算設備協同，從全局的角度深入挖掘建筑安全隱患、節能潛力、健康環境優化運行潛力等內容，能否實現智慧建筑在安全、高效、節能、舒適等方面應用場景的抽象與開發成為關鍵。

(1)安全防范 合理應用視頻監控、出入口控制、門禁、周邊防范、入侵報警、停車管理、火災自動報警等系統，構建綜合安防平臺，實現高空拋物、電動車進電梯等異常事件報警，建筑全過程人員和設備安全監控。

(2)高效便捷 智慧服務平臺為人們提供了一站式服務，管理人員、運維人員、物業人員、個人用戶均可通過平臺獲取高效便捷的服務。智慧物業、智慧辦公、智慧家居、智慧門禁以及信息查詢發布、獲取政務服務、遠程監控用電設備和空間環境等功能，為人們提供了高效便捷的工作和生活環境。

(3)綠色節能 建筑大腦可以深層次挖掘建筑能耗數據背后的“秘密”，利用歷史數據挖掘用能規律和異常用能行為，提供建筑全局優化的節能策略[19-21]，通過智能管控，提高制冷機組等大型設備能效比，可以分析人員行為，有效管控末端設備實現舒適與節能的多目標優化控制[22]。還可以在建筑用能預測基礎上對利用綜合能源的建筑實現多能互補的優化調度和管控[23]。實踐證明，有效利用智能化管控可實現建筑節能10%～30%[24]。

(4)健康舒適 空氣質量、水質、熱濕環境、空調通風等都是影響建筑環境的重要因素。通過智能化管控空調、通風等設備保證室內人工冷熱源熱濕環境滿足規范和舒適性要求；而通過物聯網感知可實時監測可吸入顆粒物、細顆粒物、二氧化碳、一氧化碳、苯、甲醛等常見影響空氣質量因素及濁度、余氯、酸堿度(pH值)、電導率等水質指標，根據需要還可以增加聲環境、光環境等相關監測。

3 推進智慧建筑面臨的機遇和挑戰

3.1 智慧建筑發展機遇

3.1.1 “新基建”和“碳達峰、碳中和”政策機遇

“新基建”是以新發展理念為引領，以技術創新為驅動，以信息網絡為基礎，面向高質量發展需要，提供數字轉型、智能升級、融合創新等服務的全新基礎設施體系[25]。其正在全方位助力智慧建筑的快速發展，如在信息通信方面，5G具有超大規模的連接能力和傳輸速度，使萬物互聯到萬物智聯成為可能。在數據處理方面，“新基建”引導的大數據、人工智能、物聯網、云技術等形成聚合效應，數以萬計的新設備“入網”，建筑大數據以指數爆炸式地增長，海量的數據為人工智能的智慧化處理提供了前提條件。

在建筑節能方面，進一步挖掘建筑節能潛力是實現“碳達峰、碳中和”目標的重大需求，智能建筑可實現建筑運行的主動節能，但多年來實際效果不佳。在“雙碳”政策驅動下，特別是在國家電網推進“萬棟樓宇節能改造”的背景下，智慧建筑節能應用迎來了新的契機，建筑節能不再單純依靠圍護結構，推進智慧建筑智慧化運維，有效解決智能建筑節能技術、管理等系列問題的時代已經到來。

3.1.2 新一代信息技術帶來的機遇

在智慧建筑發展中，新一代信息化技術是重要的驅動力。大數據時代，隨著大數據云計算基礎設施的不斷完善，物聯網、人工智能、虛擬現實等技術的發展，智慧建筑的綠色發展、智慧化運營、個性化定制和服務化創新升級成為了可能。未來萬物互聯的智慧時代，人機物深度融合成為必然，“連接＋大數據智能＋自適應服務”會成為智慧建筑的基本范式，虛擬現實和增強現實將成為人類和建筑交互的主要方式，人工智能將會成為提升最終用戶體驗和智慧化感知的重要手段[26]。人工神經網絡、決策支持系統、專家系統、多智能體技術、強化學習等都屬于可以應用到智慧建筑中的人工智能技術[27]。

3.2 智慧建筑面臨的挑戰

雖然智能建筑經歷了近30年的發展，但基于新一代信息技術的智慧建筑還是新生事物，還面臨著許多問題，主要表現在缺乏標準、平臺不完善、人工智能應用還在初級階段、數據安全有待加強等方面。

3.2.1 權威標準缺失

要全面推廣智慧建筑的工程應用，標準的重要性不言而喻，智慧建筑作為新生事物還沒有權威的國際和國家標準，國內相關機構也都在加快制定智慧建筑相關標準，以適應行業的發展，但目前頒布的都是團體標準，國家強制性標準還沒有形成。截至目前，國內發布的智慧建筑相關標準共有3項。中國建筑節能協會和中國房地產業協會均發布了《智慧建筑評價標準》[11，28]，中國建筑學會建筑電氣分會編制了《智慧建筑設計標準》[29]。“評價標準”是提出智慧建筑的建設目標，達到以評促建的目的。“設計標準”應指導設計師進行系統設計和設備選型等。但目前的標準隨著時間的推移和智慧建筑技術的不斷發展均有進一步提升完善的空間。

值得注意的是，智慧建筑標準建設需要緊扣行業、企業實際，促進標準落地。智慧建筑團體標準雖然不是強制性國家標準，但通過行業協會推廣起到了標準落地的任務，必將為我國智慧建筑的發展發揮積極的推動作用。但不同團體標準難免會有差異，甚至互相有矛盾，隨著智慧建筑技術的不斷實踐，智慧建筑團體標準也會不斷完善，行業標準、地方標準也會相繼出現，人們期待智慧建筑的內涵得到廣泛共識，盡早有更加權威的國家強制標準出現。通過國家標準規范和指導團體、地方標準的實施，最終依靠企業推動智慧建筑的健康發展。

3.2.2 平臺不完善與數據安全有待加強

智慧建筑區別智能建筑的最大特征是有統一的綜合服務平臺，平臺的好壞是直接關系能否建立建筑大數據以及能否有效利用數據達到真正的智慧建筑的關鍵。前面關于平臺的描述可以發現，這不是簡單的數據存儲和展示，而是一個復雜的應用系統。其不再是傳統DCS系統組態軟件以及IBMS的構架，而是需要采用物聯網數據中臺、微服務等理念的新框架，滿足智慧建筑數據資源共享、協同運行的需要。

目前，智慧建筑服務平臺普遍存在大數據分析功能薄弱、人工智能應用不足等問題，需在數據分析算法不斷應用的基礎上持續創新和迭代。項目建設中過于側重硬件投入，看不見的資產(如軟件系統等)投資比例過低，導致智慧建筑“骨骼”健全，卻“大腦”不靈，無法發揮應有的作用，“短命”的智慧建筑就會層出不窮，理想的智慧建筑難以落地。人們必須改變傳統智能建筑“重硬件輕軟件”的理念，加大軟件平臺的開發和升級維護的投入，切實保證建筑大腦的聰明決策和執行機構的及時響應。

數據安全是智慧建筑綜合服務平臺必須解決的另一個難題，傳統智能建筑管理平臺均在本地部署，幾乎不涉及數據安全問題。但智慧建筑綜合服務平臺需要滿足云端部署，智慧建筑海量的建筑數據中隱含著用戶的各類信息，數據安全與隱私問題不容忽視，應采取有效的各類信息安全防范措施對系統的硬件、軟件及其系統中的數據傳輸、訪問、存儲進行保護，不受惡意破壞、更改、泄露，保證信息網絡系統安全、穩定和可靠。特別值得注意的是，安全無止境，物聯網數據安全是長期任務，需要跟蹤最新信息安全技術，不斷升級安全措施。

3.2.3 智慧運維任重道遠

傳統智能建筑沒有發揮有效作用的重要原因之一是智能化系統運維沒有做好[30]，普遍存在“重建設輕運維”的現象。從建筑的壽命來看，70%以上的時間是運維方在使用[24]，而在實際過程中，由于運維與設計施工的脫節，導致智慧化工程難以發揮最佳效果，一旦出現問題難以修復。建筑后期運維責任不明確，資金不到位，斥巨資打造的建設項目卻沒能發揮應有的作用。

全生命期的智慧運維是相比于傳統運維而言的。傳統的被動式運維所覆蓋的設備和管線，都是出現了故障、影響到正常使用時才會處理，或是等到使用壽命達到極大值時才會有所反應。傳統的運維背后蘊含著巨大的風險，任何故障都可能導致巨大的經濟損失，甚至引發安全事故；其次突發事件的快速應變和處理難以實現，應急人員疏散、安保人員調配、出入口引導控制、消防設備聯動啟停等都是依靠運維人員，不僅低效而且覆蓋面窄，效果不全面，同時給運維人員造成了巨大的管控壓力。

智慧運維依托綜合服務平臺，在不需要人為干預的情況下，通過自我決策實現建筑的可視、可管、可控，提供數字化運行的高水平自動化運維。利用大數據分析，實現設備預測性維護、用能異常診斷、人員行為分析、提供個性化服務等。智慧大腦在綜合研判建筑設備歷史運行數據和標準數據后，應用人工智能算法，可以識別當前設備的壽命狀態，在設備出現故障之前進行預測性維護，提早更換或維修相關設備，避免對建筑的整體正常運行產生不必要的影響，規避突發緊急事故可能造成的經濟損失或人員傷害。利用數據挖掘到的用能規律和專家系統等實現建筑物自動節能優化運行。遇到突發事件能自動進入應急響應狀態，自動調度和管控相關設備，提高運維人員效率。

但實際現狀是截至目前，以上功能多數還停留在設計研發階段，真正實現理想智慧運維的案例還不多。主要原因是智慧運維平臺還不夠完善，數據處理運維場景的開發缺乏實際應用的驗證。目前智能建筑運維人員技術素質不高是運維效果不好的另一個原因，理論上講，智慧化程度越高對運維人員要求越低，就像“傻瓜相機”對拍照人的技術水平要求不高一樣。但目前智慧運維系統的“傻瓜”程度遠沒達到完全代替人的水平。從這個角度來看，智慧運維前景美好，智慧運維系統的升級迭代開發任重道遠。

4 結語

具有建筑大腦的智慧建筑是多學科交叉、多技術融合發展的綜合性產業，學科交叉和技術融合帶來的最大優勢就是豐富的創新空間，原來單學科、單技術不能解決的問題可以用新領域的技術或方法得以實現。近幾年，在多方推動下智慧建筑發展迅速，騰訊、華為等IT企業紛紛打造自身的智慧建筑樣板，業界人員也展開充分想象，一時間，BIM、城市信息模型(City Information Modeling，CIM)、數字孿生、區塊鏈、群智能、建筑大腦、建筑操作系統等概念和技術都在智慧建筑中提了出來。但應當看到，經過近10年的發展，智慧建筑的基本體系已經形成，但大數據、人工智能應用在現實中還處在初級階段，許多提法還停留在概念和論文階段，需要科研人員積極探索和深入研究并隨著具體實踐和應用不斷完善。

未來建筑必然是智慧、綠色和健康的，在技術驅動、市場驅動下，智慧建筑在國內將達到萬億的市場規模，同時智慧園區、智慧住區、智慧城市的發展進一步推動智慧建筑的發展。智慧建筑作為智慧城市“大平臺”下的“小平臺”支撐著“大平臺”的良性運行，智慧建筑的內涵必將得到進一步豐富和發展。