淺談基于NB-IoT技術(shù)的人工智能在智能建筑中的應(yīng)用

常議，魏文龍，馬紅略，劉芮

（中建二局安裝工程有限公司華南分公司）

1 NB-IOT概念及應(yīng)用前景

1.1 NB-IOT概念

窄帶物聯(lián)網(wǎng)英文名稱：Narrow Band Internet of Tings，簡稱NB-IOT，它是IoT（物聯(lián)網(wǎng)）領(lǐng)域一種新興的技術(shù)，由于它支持低功耗設(shè)備在廣域網(wǎng)的蜂窩數(shù)據(jù)連接，也被稱為低功耗廣域網(wǎng)（LPWA)。簡單的講，其實(shí)它就是物聯(lián)網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，目前國際上主流的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有：NB-IOT(基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)）、eMTC（增強(qiáng)型機(jī)器類型通信）、LoRa（基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸方案）、sigfox。相比LoRa和sigfox的設(shè)計(jì)用于機(jī)器類型通信的私有技術(shù)，NB-IoT和eMTC已經(jīng)建立了國際標(biāo)準(zhǔn)，為大規(guī)模商用創(chuàng)造了條件。

NB-IoT（窄帶物聯(lián)網(wǎng)的包含三個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層[1]。其整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要分為5部分：終端、無線網(wǎng)側(cè)、核心網(wǎng)側(cè)（EPC）、物聯(lián)網(wǎng)支撐平臺(tái)及應(yīng)用服務(wù)器。運(yùn)營商依托移動(dòng)蜂窩接入網(wǎng)絡(luò)面向各類物聯(lián)網(wǎng)終端、傳感節(jié)點(diǎn)等提供連接接入；面向整體物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)提供專用接入及業(yè)務(wù)服務(wù)，包括面向各類行業(yè)的連接、數(shù)據(jù)、分析等服務(wù)。

1.2 NB-IoT特點(diǎn)

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IOT）作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有如下4個(gè)特點(diǎn)：廣覆蓋，NB-IOT改善了室內(nèi)覆蓋效果，在同樣的頻段下，NB-IOT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益20dB，覆蓋面積擴(kuò)大100倍；海量連接，NB-IOT一個(gè)扇區(qū)支持10萬個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)；低能耗，NBIOT終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長達(dá)10年；低成本，由于NB-IoT簡化了協(xié)議、射頻硬件，減少了基帶復(fù)雜程度，所以單個(gè)接連模塊不足5美元。

1.3 NB-IOT應(yīng)用前景

隨著NB-IoT(窄帶物聯(lián)網(wǎng)）通信技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)組織構(gòu)架與商業(yè)模式的調(diào)整，NB-IoT獲得了長足發(fā)展。尤其是以云計(jì)算、大數(shù)據(jù)為核心的組織架構(gòu)，通過扁平化操作，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)[2]。3GPP目前有3種基于蜂窩技術(shù)的LpWA標(biāo)準(zhǔn)：NB-IoT、LTE-MTC、Cat M1（LTE-M)和EC-GSM，很大程度上推動(dòng)了全球移動(dòng)運(yùn)營商試用和部署LPWA數(shù)量的加速增長。截至2020年2月底，國內(nèi)三大運(yùn)營商N(yùn)B-IoT連接數(shù)突破1億，國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迎來里程碑。

與其他技術(shù)相比，NB-IOT技術(shù)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其不可復(fù)制的優(yōu)勢(shì)決定了其廣泛的應(yīng)用場景（見表1），包括智能家居、智慧交通、智慧工業(yè)、動(dòng)物保護(hù)、智能門鎖、智能水表、智慧農(nóng)業(yè)等，且未來隨著NB-IOT技術(shù)和配套建設(shè)持續(xù)發(fā)展，NB-IOT應(yīng)用場景將持續(xù)擴(kuò)大。隨著國家對(duì)新基建的重視以及三大運(yùn)營商全面推進(jìn)5G基站建設(shè)，將帶動(dòng)NB-IoT發(fā)展，而5G組網(wǎng)快速推進(jìn)加大拓展了物聯(lián)網(wǎng)低時(shí)延、高可靠、大連接等應(yīng)用場景，未來NB-IoT發(fā)展前景和空間值得期待。

表1 NB-IoT典型應(yīng)用場景

2 智能建筑及NB-IOT在智能建筑中的應(yīng)用

2.1 智能建筑的概念

NB-IOT技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要領(lǐng)域是“智慧城市”，而“智能建筑”又是構(gòu)成智慧城市生態(tài)鏈中的重要一環(huán)。所謂智能建筑，它是以建筑為平臺(tái)，兼?zhèn)浣ㄖO(shè)備、辦公自動(dòng)化及通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，集結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、管理及它們之間的優(yōu)化組合，向人們提供一個(gè)高效、舒適、便利、安全的環(huán)境空間。從信息化角度講，智能建筑可以被稱為能夠響應(yīng)實(shí)時(shí)事件的自動(dòng)化結(jié)構(gòu)模型。

智能建筑依托于以NB-IOT技術(shù)為基礎(chǔ)的人工智能技術(shù)，將人工智能和智能建筑結(jié)合在一起，智能建筑物中的各類傳感器、探測(cè)器、攝像頭，由它們編織起來的海量信息、數(shù)據(jù)，借助不那么昂貴、高度可訪問、非常先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)傳輸給智能建筑控制系統(tǒng)，在第一時(shí)間記錄、運(yùn)算、判別、動(dòng)作，并向樓宇管理人員提供相應(yīng)的科學(xué)決策和解決方案。樓宇管理者根據(jù)系統(tǒng)提供的參數(shù)，對(duì)智能建筑環(huán)境進(jìn)行微調(diào)，以優(yōu)化住戶的生活體驗(yàn)，提高結(jié)構(gòu)安全、可靠性，并將有害的生態(tài)影響降至最低。智能建筑是未來建筑行業(yè)的發(fā)展方向已然成為行業(yè)共識(shí)，在人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（IOT）、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新興信息技術(shù)加持下，智能建筑是建筑智慧化發(fā)展的必然結(jié)果。

2.2 NB-IOT在綠色智能建筑中的應(yīng)用

目前，“碳達(dá)峰、碳中和”已成為我國階段性目標(biāo)，綠色智能建筑理念在滿足建筑實(shí)現(xiàn)高度現(xiàn)代化、智能化的同時(shí)，也切合了節(jié)能減排、減少碳排放的主題。在智能建筑中尤其是圖書館照明能耗達(dá)到30%—40%[3]，為減少能耗，新型材料和智能照明系統(tǒng)被大量用在智能建筑中。

以北京城市副中心圖書館C型天窗調(diào)光系統(tǒng)為例，該調(diào)光系統(tǒng)由787塊調(diào)光玻璃組成，其結(jié)構(gòu)為白色半鋼化玻璃+彩釉邊彩+PVB+調(diào)光膜，由采光玻璃、傳感器、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)及控制共同構(gòu)成調(diào)光系統(tǒng)（見圖1），與外聯(lián)的樓宇自控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)等共同組成的圖書館外幕墻和金屬屋面的“呼吸系統(tǒng)”與“皮膚”。NB-IOT在這些系統(tǒng)里的價(jià)值在于系統(tǒng)將根據(jù)實(shí)時(shí)獲得的建筑物外墻及里面的傳感器的數(shù)據(jù)對(duì)空間環(huán)境狀態(tài)的整體情況和局部情況進(jìn)行分析判斷，當(dāng)出現(xiàn)環(huán)境質(zhì)量變化尤其是可能影響人的工作生活健康水平時(shí)發(fā)出預(yù)警，并啟動(dòng)相應(yīng)的預(yù)案來調(diào)節(jié)環(huán)境，從而提供一個(gè)持續(xù)健康、舒適溫馨的空間環(huán)境。同時(shí)，調(diào)光系統(tǒng)的內(nèi)置1mm的調(diào)光膜本身就是一個(gè)LED顯示單元。控制系統(tǒng)（見圖2)通過控制模塊向787個(gè)顯示單元發(fā)出光電信號(hào)，整個(gè)調(diào)光系統(tǒng)可以根據(jù)四季變化，在潺潺流水中呈現(xiàn)“四季輪回”，在夜間也能呈現(xiàn)“滿天繁星”的動(dòng)態(tài)意境。

圖1 C型天窗調(diào)光系統(tǒng)平面布置圖

圖2 智能調(diào)光玻璃控制線路走向圖（部分）

2.3 基于NB-IOT技術(shù)的人工智能在智能停車場中的應(yīng)用

智能停車系統(tǒng)(見圖3）包含用戶端服務(wù)端、系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集端、智能感知端，用戶服務(wù)端由服務(wù)平臺(tái)面向用戶APP，車主停車時(shí)通過APP可以實(shí)時(shí)查詢車位空缺情況，并可就近選擇停車區(qū)域。離開機(jī)場取車時(shí)通過APP的反向?qū)ぼ嚬δ埽鉀Q車主尋找車輛的煩惱，同時(shí)車主也能享受預(yù)約停車、共享車位、在線辦理長租手續(xù)等功能。系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集端通過“云傳輸”技術(shù)收集、存貯車主預(yù)約信息、車主個(gè)人信息、人像信息、車輛信息、車位信息等海量信息，服務(wù)器將收集的信息通過AI運(yùn)算，并將運(yùn)算結(jié)果以指令的形式分配到各個(gè)子系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如AGV自動(dòng)導(dǎo)行機(jī)器人），實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)有機(jī)聯(lián)動(dòng)。智能感知端主要由各種硬件構(gòu)成如視頻監(jiān)控、雷達(dá)傳感器、熱能傳感器、雷達(dá)測(cè)距儀、掃描儀等，這些硬件將感知記錄的車輛信息、車主信息、停車時(shí)長、車場空間等轉(zhuǎn)為數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸給系統(tǒng)數(shù)據(jù)端[4]。

圖3 智能停車系統(tǒng)生態(tài)組成（部分）

北京大興國際機(jī)場日均190萬人次吞吐量，機(jī)場停車壓力可想而知，大興機(jī)場通過智能化管理和引導(dǎo)，用高效統(tǒng)一的管理，成功化解供需矛盾，為旅客帶來了便捷優(yōu)惠的停車服務(wù)，不失為一個(gè)成功的典型案例。

北京大興機(jī)場的智能停車SONIC系統(tǒng)，通過感知智能停車設(shè)備數(shù)據(jù)、移動(dòng)端數(shù)據(jù)、城市大數(shù)據(jù)等，打通各個(gè)數(shù)據(jù)孤島，匯聚全域數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并提供統(tǒng)一接口及賬戶體系，嫁接到生態(tài)業(yè)務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)停車場流量二次變現(xiàn)，同時(shí)提供定制化AI算法模塊來支撐頂層智能應(yīng)用，產(chǎn)品模塊可解耦賦能，最終打造智能停車操作系統(tǒng)。

SONIC系統(tǒng)包含2C的服務(wù)中臺(tái)、2B的業(yè)務(wù)中臺(tái)、2G的數(shù)據(jù)中臺(tái)三個(gè)平臺(tái)，2C的服務(wù)中臺(tái)通過為C端客戶量身打造APP，解決車主的停車，取車，繳費(fèi)等問題。2B的業(yè)務(wù)中臺(tái)通過部署云端系統(tǒng)，如“崗?fù)ぼ浖薄ⅰ霸瓶头薄ⅰ霸破脚_(tái)”等運(yùn)營后臺(tái)，為管理者打造管理工具進(jìn)行技術(shù)賦能，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制各停車場業(yè)務(wù)，包括場地管理、車輛管理、電子支付和發(fā)票、優(yōu)免系統(tǒng)、團(tuán)隊(duì)管理、考勤管理、審批流程，打造人工客服實(shí)現(xiàn)場地?zé)o人值守。2G的數(shù)據(jù)中臺(tái)通過搭建中控平臺(tái)展示大屏，提供機(jī)場監(jiān)控、APP運(yùn)營監(jiān)控和停車場經(jīng)營分析等綜合信息展示，為機(jī)場停車樓的綜合管理方提供安防、經(jīng)營、人群畫像等多種類的實(shí)時(shí)分析和展示服務(wù)。如對(duì)停車場流入流出的車流量進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)停車場收入進(jìn)行預(yù)測(cè)，對(duì)各停車場整體流量情況，收入情況，車主情況等進(jìn)行分析。

3 結(jié)語

本文通過詳細(xì)地介紹NB-IOT技術(shù)的原理及應(yīng)用場景，并闡述了部分基于NB-IOT技術(shù)的人工智能技術(shù)應(yīng)用于智能建筑的成功案例，意在說明通過此項(xiàng)技術(shù)賦能建筑、智慧城市，可以加速人工智能在城市生態(tài)系統(tǒng)的推廣和普及，同時(shí)為人們提供更加高效、便捷、智能的生活體驗(yàn)。