數據融合背景下智慧樓宇技術架構與應用的思考

劉增祥 郭文高 劉 暢

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

自1984年美國康涅狄格州的哈特福特市建立起世界第一幢智能大廈以后，智能建筑在世界范圍得到了廣泛的認同和快速的發(fā)展，并帶動了相關產業(yè)和經濟的發(fā)展。在這一發(fā)展歷程中，智能建筑自動化也隨著科學技術的進步和人們需求的變化不斷得以發(fā)展和完善，已經形成了操作簡單、使用方便且相對獨立、多樣的樓宇自動化系統(tǒng)，給人們的日常辦公、生活帶來了極大的便利。

進入21世紀，隨著新的理念和要求的提出，以及新興技術的興起和應用，通過對當前的樓宇自動化進行再審視，發(fā)現了新的問題和不足之處：如當前樓宇建設系統(tǒng)多，系統(tǒng)集成度較低，各業(yè)務相對獨立；對于較大型的樓宇，各系統(tǒng)采集數據眾多，但數據利用不充分，無法為樓宇綜合管理提供應用策略支撐；各系統(tǒng)對人工的依賴程度依然較高，運營維護時效和成本亟待改善；樓宇能源消耗監(jiān)管較差，無法實現綠色環(huán)保自動節(jié)能管控。

當前智慧樓宇的建設更多的是結合物聯(lián)網、人工智能、通信技術的發(fā)展，側重于樓宇系統(tǒng)裝置、設備的使用方面，而在對采集數據的融合使用方面則相對匱乏，如樓宇應急中心通過將攝像頭、微卡口、設備的狀態(tài)信息進行采集，日常運營期間，可以對客流情況進行監(jiān)視，實現了物、人、資源數據的總覽。當有應急突發(fā)事件發(fā)生時，無法將物的數據、人的數據、資源的數據進行統(tǒng)一整合、分析挖掘，形成樓宇特定場景的智慧型應用方案。

因此，利用技術手段，在目前樓宇智能化的基礎上，打破相互間的“數字壁壘”，通過系統(tǒng)之間的深度互聯(lián)，實現數據融合和在此基礎上的多層次業(yè)務應用，從而建設基于數據融合背景下的智慧型樓宇顯得尤有必要。

1 智慧樓宇的技術架構

智慧樓宇技術架構以當前智能化技術架構為基礎，著重體現各系統(tǒng)之間的數據融合、共享、分析和挖掘，并在此基礎上，形成在安防、能耗、辦公、運營、維護等各方面的多層次業(yè)務應用。

圖1為基于數據融合背景下智慧樓宇的技術架構示意圖。從樓宇基礎信息的物理采集到業(yè)務應用，可分為感知層、網絡層、數據平臺層和應用層等四個層級，囊括視頻監(jiān)控、入侵與邊界、門禁、對講等安防類系統(tǒng)，計算機網絡、公共廣播、多媒體會議、信息發(fā)布、無線覆蓋等辦公和信息系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)測、設備控制、空調、電力與照明、給水排水、消防等能耗管理系統(tǒng)。

圖1 智慧樓宇技術架構示意圖

其中，感知層是智慧樓宇技術架構的基礎層，也是整個智慧樓宇技術體系的首要環(huán)節(jié)，它包括各系統(tǒng)的基礎信息的采集終端，以及對用戶指令的執(zhí)行末梢。涵蓋視頻監(jiān)控攝像機、溫濕度檢測傳感器、門禁卡讀卡器、廣播音箱、揚聲器、LED屏、無線天線等各種設備。網絡層是智慧樓宇設備間、系統(tǒng)間互聯(lián)進行信息交互的紐帶，既包括樓宇干線系統(tǒng)，也包括支線系統(tǒng)；既有光纖、網線、視音頻線等有線方式，也包括無線AP、天線等無線方式；既包含上述物理線纜材料，也包含交換機、路由器、ONU等網絡接入和交換設備。

數據平臺層是智慧樓宇數據采集和應用的數據中心，是智慧樓宇與以往樓宇系統(tǒng)在技術體系架構方面的主要差異體現。根據功能分工不同，數據平臺層可劃分為基礎數據存儲模塊、數據分析與挖掘模塊、過程數據存儲模塊、應用數據存儲模塊，以及數據共享與交換模塊，各模塊采用統(tǒng)一標準的協(xié)議和應用接口進行數據傳遞和交互?；A數據包括系統(tǒng)配置數據和各系統(tǒng)采集的現場視頻數據、音頻數據、圖片數據、結構化數據和非結構化的數據。系統(tǒng)需要采用大容量、高性能的存儲設備將基礎數據進行分類存儲，并能夠根據實際需要快速的進行寫入和讀取。數據分析和挖掘通過對采集的基礎數據信息進行加工和分析，采用自主學習和專家判斷等方式生成應用規(guī)則和策略，為智慧樓宇的業(yè)務應用和系統(tǒng)管理提供應用指導和策略支持。數據分析和挖掘包括但不限于人員車輛分析與識別、數據關系分析、流量分析、機器學習、研判分析等。

過程數據是系統(tǒng)運行過程中的中間變量數據，數據分析計算過程中產生的數據等。應用數據是面向用戶和系統(tǒng)應用的數據，包括用戶配置數據、自定義數據、應用配置數據、應用業(yè)務平臺數據等。數據共享與交換實現各存儲數據模塊間的數據交互與傳遞，數據之間的交互宜采用標準統(tǒng)一的軟件接口和協(xié)議，如采用OPC、Socket、WEB Service、SIP等接口和協(xié)議技術等。

應用層是智慧樓宇面向用戶多維度使用和管理的可視化應用平臺，通過該平臺可一覽樓宇的海量信息，實時了解智慧樓宇狀態(tài)，實現對樓宇的綜合智慧管理。應用層業(yè)務包括智慧安防管理、能耗管理、信息發(fā)布管理、車輛管理、資產管理、運營管理、客戶服務等，應用層業(yè)務的展示和使用可采用監(jiān)控大屏、PC終端、移動APP、戶外LED、全息投影等多種方式。

2 智慧樓宇數據融合應用淺析

將各系統(tǒng)采集的基礎數據進行匯集，通過各系統(tǒng)之間的共享和交互通道，在此基礎上進行基于高級應用的數據分析與挖掘，可以建立服務用戶的高層次及新的業(yè)務應用。智慧樓宇的業(yè)務應用可以從如下幾個方面予以考慮：

2.1 以人為本的樓宇智慧應用體系和策略

以樓宇中人的舒適、方便和健康為宗旨是構建智慧樓宇的首要目標，智慧樓宇的應用體系和策略應將人作為構建智慧樓宇的組成環(huán)節(jié)，體現“人在回路（human in the loop）”的理念。以此為出發(fā)點，通過數據融合，可以將各種系統(tǒng)建立基于人員信息的一體化應用方案。例如，人員通過無感人臉識別順利進入樓宇，數據中心后臺通過計算或規(guī)劃，根據常住人員的歷史軌跡對其拜訪客戶自動生成路線，并與電梯控制系統(tǒng)聯(lián)動自動派梯。樓宇入駐人員進入樓層超市購物可以實現人臉自動掃描扣費，進入房間時，門禁系統(tǒng)自動開門，根據預約及室內外溫度，自動調節(jié)室內的電動窗簾、空調、照明，當離開時，門禁聯(lián)動相關的系統(tǒng)自動關閉。當樓宇內人員進入停車場時，根據GIS地圖可自動反向尋車，車輛駛出時停車管理系統(tǒng)自動計時扣費等。

另外，在樓宇內辦公的人員可以通過手機APP查看會議室的空閑狀態(tài)并進行線上預約，當會議即將開始時，會議室燈光照明、電動窗簾、空調根據外部環(huán)境自動調節(jié)到適宜的內部環(huán)境，并根據預先的線上設置，自動啟動多媒體會議系統(tǒng)并建立遠程連接。通過和物流機器人進行數據聯(lián)通，樓宇內辦公人員的快遞文件等可以通過物流機器人自動派送上樓，送達需要接收的收件人。

2.2 以綠色環(huán)保為理念的能耗智慧管理

前已述及，通過分布在樓宇內的監(jiān)測點，對建筑內部的溫度、濕度、光照度、空氣質量等進行監(jiān)測，并根據采集數據對樓宇的內部環(huán)境進行調節(jié)。同時，能耗管理系統(tǒng)通過樓宇安防系統(tǒng)采集的人員信息，結合后臺大數據了解人員匯聚情況，根據當前樓宇內空調、照明、電梯等運行情況，制定能耗控制策略和方案，實現資源的合理化應用，達到節(jié)能減排和能耗的智慧管理。

根據樓宇日常運行早高峰、晚高峰、節(jié)假日等的客流情況，以及樓宇環(huán)境監(jiān)測、設備控制、空調、電力與照明、給水排水、消防等日常運行數據，通過智慧樓宇平臺的數據融合和能耗分析，形成不同時段、不同場景、不同應用下的能耗管理策略，實現能耗自動調節(jié)和自主管理。

2.3 基于日常業(yè)務的智慧化應用

基于系統(tǒng)互聯(lián)和數據融合，開發(fā)多種業(yè)務的智慧化應用。通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵與邊界系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等的數據融合，可以建立樓宇智慧安防系統(tǒng)。當有人員非法入侵時，入侵與邊界系統(tǒng)可以及時檢測并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，將入侵區(qū)域的視頻切換安保人員監(jiān)控終端，可以通過遠程語音進行廣播驅離震懾。樓宇內部人員當進入超越權限的區(qū)域，門禁系統(tǒng)會自動報警并與視頻監(jiān)控聯(lián)動，切換相關視頻至安保監(jiān)控終端。監(jiān)控系統(tǒng)可以對樓宇內部重要區(qū)域的物體滯留、物體移動、人員聚集、人員徘徊等自動檢測，經后臺數據分析后形成處置策略，通知安保人員。

進入樓宇的車輛通過車牌自動掃描進入停車場，智慧停車管理系統(tǒng)根據車場內車位使用情況自動引導駕駛人員到空閑車位，通過視頻采集到駕駛人員信息和GIS定位，當駕駛人員離開時，系統(tǒng)自動生成反向尋車軌跡。

通過RFID可以對樓宇資產進行錄入建立物資管理檔案，樓宇智慧安防系統(tǒng)對物資按照使用權限和重要程度進行分區(qū)、分時、分狀態(tài)等進行布防，當有異常情況時進行視頻聯(lián)動、PC終端頁面、手機短信進行報警提示等，并要求物資管理人員根據使用管理規(guī)則進行處置。

2.4 基于BIM+IBMS的智慧運維管理

IBMS（智慧樓宇管理系統(tǒng)）通過系統(tǒng)軟硬件接口標準化、規(guī)范化的方式將樓宇各個組成系統(tǒng)集成為一個“有機”統(tǒng)一的整體進行管理。通過IBMS，可以對樓宇所有組成系統(tǒng)進行集中監(jiān)視和管理，同時，通過數據共享和交換平臺可以實現系統(tǒng)之間的信息共享和工作協(xié)同，并為智慧安防、能耗管理、運營維護提供便利。BIM（建筑信息模型）利用數字化技術建立完整、與實際情況一致的樓宇建筑體和建筑物構件三維模型，通過信息化手段，為項目關聯(lián)方建立信息交換和共享平臺。

通過IBMS與BIM系統(tǒng)的結合和數據映射，可以將樓宇傳感層數據匯集到基于三維可視化的樓宇運維管理平臺上，實現樓宇設備、設施的統(tǒng)一可視化監(jiān)控與管理。BIM模型產出標準參照LOD等級規(guī)范，智慧樓宇各專業(yè)系統(tǒng)感知層的設施、設備規(guī)格，安裝位置，電氣回路等信息分樓層與BIM模型嚴格對應。

在運維管理過程中，物業(yè)服務是智慧樓宇運行和管理最基礎的功能。BIM模型可以查看樓宇內部空間布局、設施設備和重要資產的分布，空間管理監(jiān)控可以查看樓宇內工位、展廳、餐廳、會議室的利用情況，設備監(jiān)控設施可以對樓內攝像頭、電梯、空調、水泵等設施的運行、保養(yǎng)和維修等情況進行監(jiān)控，資產監(jiān)視可以實時了解樓宇內服務器、精密儀器等大型、重要的設施的運行狀態(tài)，通過建立BIM和IBMS間的數據模型，結合動態(tài)監(jiān)測數據，可以對各類空間的占有規(guī)律、設備故障定位、故障預警、故障率分析、設施采購方案等進行及時處置和優(yōu)化。

BIM與IBMS的結合，可以三維可視化的方式提高樓宇日常維護過程中的便利性和精準度，提高運維管理效率，降低因維護不及時、定位不準確、故障確診難等原因造成的成本增加和經濟損失。

3 結束語

作為新時代智慧家族中的一員，智慧樓宇是樓宇智能化發(fā)展到現階段一種新的理念，是在傳統(tǒng)樓宇智能化的基礎上，借助互聯(lián)網、物聯(lián)網、大數據、人工智能等新興技術進行的模式創(chuàng)新，技術開發(fā)和業(yè)務應用目前尚處于研究和初步實踐階段，沒有統(tǒng)一的評判和建設標準。

本研究通過對智慧樓宇技術架構和基于此架構數據融合相關應用的初步探討，意在為智慧樓宇的項目設計、工程實施、應用開發(fā)、業(yè)務拓展等提供參考，起到拋磚引玉之作用。