與智慧城市相接軌的建筑運營管理平臺

2014-08-06 09:38孫鳶飛

智能建筑電氣技術 2014年4期

關鍵詞：子系統(tǒng)智能化建筑

孫鳶飛

(中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)智能工程中心，北京 100044)

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智能化集成系統(tǒng)(IIS intelligented integration system)的定義：

在《智能建筑設計標準》(GB/T 50314-2000)中定義為：“將智能建筑內不同功能的智能化子系統(tǒng)在物理上、邏輯上和功能上連接在一起，以實現(xiàn)信息綜合、資源共享”。

在《智能建筑設計標準》(GB/T 50314-2006)中定義為：“將不同功能的建筑智能化系統(tǒng)，通過統(tǒng)一的信息平臺實現(xiàn)集成，以形成具有信息匯集、資源共享及優(yōu)化管理等綜合功能的系統(tǒng)”。

1997年頒布的建設部[1997]第60號部令《建設工程勘察設計資質管理規(guī)定》和建設部[1997]290號文《建筑智能化系統(tǒng)工程設計管理暫行規(guī)定》通知，如果以此作為智能建筑行業(yè)產生的標志，至今已經(jīng)走過了十七個年頭。然而，《智能建筑設計標準》作為本行業(yè)最高標準，始終沒有定義智能化集成系統(tǒng)到底是“為誰扛槍，為誰打仗”這個首先必須要解決的問題。

也就是說，這么多年的智能建筑系統(tǒng)集成工作始終沒有“目標”，沒有明確智能化集成系統(tǒng)的作用和功能，以及這個系統(tǒng)到底是給誰使用。也不難理解大多數(shù)建設單位不明白為什么一定要推薦他們增設“智能化集成系統(tǒng)”，并且不愿意花錢增加這個系統(tǒng)。以往的“智能化集成系統(tǒng)”普遍是形同虛設。

近兩年，住建部正在大力組織專家團隊，修編各個行業(yè)的國家標準，其中也包括《智能建筑設計標準》，此次修編特別注意到了對于智能化集成系統(tǒng)(IIS intelligented integration system)的定義，是“為實現(xiàn)建筑的運營及管理目標，以多種類智能化信息基于統(tǒng)一信息平臺的集成方式，從而形成具有信息匯聚、資源共享、協(xié)同運行、優(yōu)化管理等綜合應用功能的系統(tǒng)”。即為建筑物業(yè)運營管理服務，提高機電設備功效，減少能源消耗和污染排放?？傊?，設置智能化集成系統(tǒng)是為了提高運營管理水平。

基于新版國標“智能化集成系統(tǒng)”的理論依據(jù)，必然要研制新標準基礎上的智能化集成系統(tǒng)運營管理平臺。

表1 各智能化子系統(tǒng)的集成內容

中國建筑設計研究院與日本松下電器研究開發(fā)(中國)有限公司，早在2006年1月就向建設部申報了《建筑機電設備開放式通信協(xié)議研究》課題，2008年6月通過了建設部科學技術司的驗收，并獲得了2009年度華夏建設科學技術獎二等獎。

2012～2013年，中國建筑設計研究院應用開放式通信協(xié)議(即iopeNet)技術，研制了建筑運營管理平臺，并成功地應用于中國石油鉆井研發(fā)中心大樓項目，取得了良好的效果。

1 建筑運營管理平臺的用途

智能化集成系統(tǒng)是以實現(xiàn)建筑的運營及管理為目標，這是新國標的定義，所以建筑運營管理平臺由物業(yè)運營管理者來操作使用，使得物業(yè)運營管理者全面掌控建筑或建筑群的運營狀態(tài)，完全是一個信息化、可視化、智能化的集成管理系統(tǒng)。

這里所說的“建筑運營”指的是運行、維護與經(jīng)營三重含義。

物業(yè)運營管理人員要想全面掌控自己的建筑或建筑群的運營狀態(tài)，就必須從這三方面著手。

運行——可視化實時了解各個智能化子系統(tǒng)的當前運行參數(shù)；

維護——表格化分類掌握各個智能化子系統(tǒng)的設備維護信息；

經(jīng)營——圖表化管理能耗分類與分區(qū)的分析數(shù)據(jù)、流程化管理操作人員和應急組織指揮等。

為什么第一套比較完整的應用開放式通信協(xié)議(即iopeNet)技術的建筑運營管理平臺能夠在中國石油鉆井研發(fā)中心項目得以實現(xiàn)？第一，中國石油的建筑建設單位在以往的建筑中安裝使用過多種建筑智能化集成系統(tǒng)產品，在了解建筑運營管理平臺的功能用途后，認為這是他們多年來所真正需要的產品；第二，中國石油的建筑智能化系統(tǒng)往往是由世界各國品牌的智能化子系統(tǒng)組成，各自的通信協(xié)議互相不能交換信息，相互間無法協(xié)同工作，需要有人協(xié)助他們將相關數(shù)據(jù)整合在一起；第三，中國石油雖然是能源工業(yè)企業(yè)，但十分重視節(jié)能減排，必須要有各類、各區(qū)域的能源監(jiān)控管理。該項目中建筑運營管理平臺各子系統(tǒng)及功能如表1和圖1所示。

圖1 中石油項目對建筑運營管理的需求

圖3 數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、記錄功能

2 建筑運營管理平臺的功能

建筑運營管理平臺必須方便物業(yè)運營管理者的操作使用。具體的使用功能包括以下5項：數(shù)據(jù)采集和顯示記錄；友好的人-機對話界面；突發(fā)事件的應急預案；能源統(tǒng)計的分析報表；機電設備的運維數(shù)據(jù)。建筑運營管理平臺的5大功能如圖2所示。

圖2 建筑運營管理平臺的5大功能

1)數(shù)據(jù)采集和顯示記錄

建筑運營管理平臺通過子系統(tǒng)層的末端設備進行數(shù)據(jù)采集，并通過現(xiàn)場總線或控制網(wǎng)絡上傳到通信層的多功能模塊，多功能模塊對采集的數(shù)據(jù)進行處理后，在其Web畫面進行顯示，并存儲在內存中。同時通過統(tǒng)一通信協(xié)議，上傳到建筑運營管理平臺中心服務器，通過建筑運營管理平臺的畫面進行顯示。系統(tǒng)內的全部運行數(shù)據(jù)集中存儲在建筑運營管理平臺中心服務器的數(shù)據(jù)庫中。各功能如圖3所示。

操作管理模塊包括：集中監(jiān)控；實時報警管理；設備管理；能耗管理；日志管理；聯(lián)動任務管理；時間表任務管理；工作臺管理；歷史數(shù)據(jù)存儲；信息統(tǒng)計查詢；消息服務管理；用戶權限管理。

2)友好的人-機對話界面

(1)視覺與交互基本方案

①人-機界面與應用程序分離

應用程序和人-機界面分離的思想類似于數(shù)據(jù)庫管理中數(shù)據(jù)和應用程序分離，在人-機交互系統(tǒng)中，同樣可以把人-機界面功能交給用戶界面管理系統(tǒng)平臺完成，應用程序不再管理人-機交互功能，也不和人-機界面編碼混雜在一起。

②人-機界面一致性

人-機界面的一致性主要體現(xiàn)在輸入、輸出方面的一致性，具體指在應用程序的不同部分，不同應用程序之間，具有相似的界面外觀、布局、相似的人-機交互方式以及詳細的信息顯示格式。還表現(xiàn)在于用戶的心理模型相匹配，符合用戶以往的知識、經(jīng)驗、期待；以及與現(xiàn)實世界相匹配，內容的表現(xiàn)形式與現(xiàn)實系統(tǒng)硬件相對應，在位置、外觀、狀態(tài)方面體現(xiàn)與現(xiàn)實世界的一致性。

③系統(tǒng)反饋用戶

人機交互系統(tǒng)的反饋是指用戶從計算機一方得到信息，表示計算機對用戶的動作所做的反應，用戶以此來判斷操作是否為計算機所接受，是否正確，以及操作的效果是什么，操作人員進行的每一項操作都應有系統(tǒng)反饋。另外，要設計產生閉合的對話動作序列。應形成有開始、中間和結尾的組合，信息反饋在完成一組動作后給操作員一種滿意可靠的感覺。

④使用圖形和隱喻

圖形具有直觀、形象、信息量大等優(yōu)點，使用戶的操作及其響應直接可視和逼真。讓使用者避免過多的學習，隱喻可幫助用戶在使用系統(tǒng)過程中與自身心理模型相匹配，并可以通過圖形隱喻的方式與現(xiàn)實世界相匹配。界面圖形和隱喻應具有功能可見性，即通過圖形直接體現(xiàn)功能以及使用方式。

⑤及時的出錯處理和幫助功能

系統(tǒng)設計應能夠對可能出現(xiàn)的錯誤進行檢測和處理，出錯信息應清楚、易理解，應包含出錯位置、出錯原因及修改出錯建議等方面的內容。系統(tǒng)應具有保護功能，防止因用戶的誤操作而破壞系統(tǒng)的運行和設備安全。另外，系統(tǒng)應提供幫助功能，幫助用戶學習使用系統(tǒng)。

(2)交互功能方案

軟件歡迎頁面登錄進入，第一級導航為樓層地理位置導航，可以用三維樓層的模型，各層分割做成鏈接菜單，點擊樓層選擇菜單進入某一樓層界面。該界面可縮放可拖動查看。放大和縮小的范圍根據(jù)具體樓層大小和管理點數(shù)量以及密集程度確定。地圖為平面或假三維地圖，反映具體設備位置。在該頁面顯示該層常用的重要管理點的工作狀態(tài)，該界面用于單樓層全局監(jiān)視故障報警和緊急狀態(tài)使用。第二級菜單為子系統(tǒng)選擇菜單。點擊彈出此系統(tǒng)該層的設備分布。界面上可以實現(xiàn)設備的監(jiān)視、控制、報警等功能。所有控制功能需要加用戶密碼權限限制。有異常和報警的頁面自動彈出，也有日志記錄。有設備使用累計時間、檢修記錄和設定標準超過報警。可視化人-機對話界面如圖4所示。

3)突發(fā)事件的應急預案

當發(fā)生突發(fā)事件時，建筑運營管理平臺可以按照事先預定的連動程序進行有關設備的控制，并播放報警提示音。

4)能源統(tǒng)計的分析報表

建筑運營管理平臺提供了豐富的能耗顯示和對比分析功能。建筑運營管理平臺軟件和計量管理服務器里，可以用圖表的形式表示日報、月報及年報。并且在這些圖表中還可以分別和其他的日、月、年的數(shù)據(jù)進行比較，從而幫助管理者對不同能源以及同一回路或群組在不同時期的能量消耗進行分析。能源分析圖表如圖5所示。

圖4 可視化人-機對話界面的組成

圖5 能源分析圖表

能源計量部分包括用電量計量、用水量計量和熱冷量計量。電表采集回路的電量，水表采集管路的水量，能量表采集管路的熱冷量。建筑運營管理平臺的計量管理服務器通過基于控制總線方式，將電表、水表、能量表的數(shù)據(jù)采集上來。建筑運營管理平臺讀取計量管理服務器的數(shù)據(jù)，進行能耗分析并生成報表。

系統(tǒng)實現(xiàn)了遠程抄表功能，把所有電表、水表、能量表的讀數(shù)采集上來，實現(xiàn)自動化節(jié)省人力。計量管理服務器提供了用電量、水量、熱冷量的日報、月報、年報數(shù)據(jù)。在建筑運營管理平臺上將這些數(shù)據(jù)以柱狀圖、曲線圖、餅狀圖的形式展現(xiàn)。日報以小時為單位，呈現(xiàn)一天當中各回路的用能情況。月報和年報則分別以天和月為單位。用電日報主要反映各回路用戶日常用電的習慣，是研究分析用電情況的重要資料。用電、用水、用能的月報和年報用來統(tǒng)計用戶的整體耗能情況和耗能季節(jié)性變化的規(guī)律，通過總量比較來分析結果。可將不同用戶的能耗量進行橫向比較，分析不同用戶的耗能特點。也可以單個用戶的日報、月報、年報統(tǒng)計耗能情況，可根據(jù)用能的歷史記錄進行節(jié)能分析。

建筑運營管理平臺還具有如下的功能：

(1)可以搜索確定某能源回路，按時間分類查看能耗的任意日報、月報、年報，此功能可以實現(xiàn)用戶用能數(shù)據(jù)查詢的基本功能，可以輔助計費校對等功能。

(2)可以在確定一個能源回路前提下調出多條時間的曲線在同一畫面顯示，以查看此回路的能耗歷史變化并做對比分析。

(3)可以先確定日、月、年的時間信息，調出不同能源回路。以查看同一時間不同用戶的用能情況對比。

(4)可以跟據(jù)樓宇實際的使用情況，將各能源回路組合為用戶群組，作為查詢的對象。需要在計量單元內設定。

(5)可以做出能耗報表，包括了實際用量、累計值、最大值、最小值和平均值等信息供節(jié)能參考。

(6)可以報表導出，將各類能源數(shù)據(jù)以MS-Office CSV報表格式導出。

(7)群組設定導入/導出，可將分類后的群組設定導出/導入，以方便用戶查看。

(8)系統(tǒng)日志，記錄報警、異常信息的日志，供用戶查看系統(tǒng)運行狀況。

5)機電設備的運維數(shù)據(jù)

建筑運營管理平臺提供設備的使用壽命及故障的分析功能。同時提供相應的節(jié)能分析以及運營成本分析手段。主要包括以下4個方面的功能：

(1)能源分析：可以通過收集計量管理服務器測量到的能耗量信息來分析設備的運行狀態(tài)。在建筑運營管理平臺界面和計量管理服務器Web界面里可以通過圖表的形式來選擇顯示日報數(shù)據(jù)(每小時的能耗量)、月報數(shù)據(jù)(每天的能耗量)、年報數(shù)據(jù)(每月的能耗量)。

(2)設備壽命分析：提供顯示機電設備開/關累計次數(shù)以及累計運行時間的功能，以便分析設備的使用壽命。

(3)故障管理：可以顯示出系統(tǒng)各個組成部分的異常發(fā)生/恢復的狀態(tài)/變化履歷。并且，狀態(tài)變化履歷可保存包括本月在內的連續(xù)3個月的歷史數(shù)據(jù)。iopeNet管理平臺還提供電子郵件警報通知功能。當系統(tǒng)的各個組成部分發(fā)生異常時，可以向預先登錄好的電子郵箱中發(fā)送異常通知。同時也可向設定好的郵件群組發(fā)送異常通知郵件。

(4)運營成本分析：本系統(tǒng)可以進行簡單的費用計算的設定。在建筑運營管理平臺畫面里，可以顯示出簡單的費用計算值。建筑運營管理平臺可以顯示并打印有關用能量信息的報告書。能耗量數(shù)據(jù)可以以MS-Office CSV報表文件的形式下載，通過EXCEL等工具軟件進行分析。同時本系統(tǒng)還提供了綠色環(huán)保相關的功能。在建筑運營管理平臺畫面里可以進行簡單的CO2使用量的換算，并顯示出CO2的換算值。

運營狀態(tài)分析功能通過以下方式來體現(xiàn)準確性及提案性：

(1)準確性：本系統(tǒng)通過分層數(shù)據(jù)采集的方式，可以準確地將被測數(shù)據(jù)反映到iopenView軟件畫面中。當設備或通信發(fā)生異常時，本系統(tǒng)還可以通過數(shù)據(jù)再取得的功能，將歷史數(shù)據(jù)正確讀入。

(2)提案性：本系統(tǒng)通過多種圖表形式及豐富的對比功能，將設備的運營狀態(tài)直觀地展示給用戶，方便用戶對數(shù)據(jù)進行分析并給出相應提案。

6)建筑運營管理平臺的管理及配置

(1)建筑運營管理平臺的權限管理

權限管理是建筑運營管理平臺的輔助模塊，用來完善管理平臺的附加功能，提高管理平臺的整體可用性。

權限管理包括以下功能：管理員信息賬戶式管理；配置信息加密；使用記錄日志；管理賬戶信息備份。

(2)建筑運營管理平臺的配置管理

建筑運營管理平臺配置管理實現(xiàn)系統(tǒng)的所有配置信息，實現(xiàn)方便的配置管理功能。由于建筑運營管理平臺軟件是組態(tài)形式，因此，可方便快速實現(xiàn)配置信息的本地操作功能。

管理點配置管理的主要功能有：監(jiān)控樹的配置管理(即管理點邏輯結構管理)；配置信息的讀取、保存。功能模塊如圖6所示。

圖6 功能模塊圖

圖7 中石油鉆井研發(fā)中心建筑運營管理平臺的系統(tǒng)架構(一)

(3)建筑運營管理平臺的系統(tǒng)設定

系統(tǒng)管理為系統(tǒng)管理者提供系統(tǒng)運行的參數(shù)設定、系統(tǒng)配置及運行方式修改的功能。提供以下4個子功能：

①設備運行指標設定：在建筑運營管理平臺畫面中，可以設定月及年的能耗利用目標值。在月報畫面或年報畫面中，當測量值超過了目標值后，會發(fā)出警報信息。同時還可以登錄區(qū)域管理系統(tǒng)的各個組成部分，設定他們的名稱、編制控制用場景以及設定序列控制的程序等。

②數(shù)據(jù)采集周期設定：可以設定建筑運營管理平臺的數(shù)據(jù)更新周期，畫面更新的缺省值為15s。

③全級別設定：建筑運營管理平臺可以預先設定操作者的登錄賬號，對于每一個登錄賬號，可以賦予監(jiān)視、設定、控制或管理的權限。管理權限的用戶可以使用系統(tǒng)所有的功能；級別越低的用戶，所能使用的功能就越少；級別最低的監(jiān)視用戶只能實現(xiàn)設備的狀態(tài)監(jiān)視功能。

④日志級別設定：可以在中心服務器中為每一個登錄賬號賦予設定日志、控制日志、管理日志的閱覽權限。

3 建筑運營管理平臺系統(tǒng)構成

建筑運營管理平臺是由子系統(tǒng)層、通信服務層、中心服務器層等三個層次構成。中石油鉆井研發(fā)中心項目中管理平臺的系統(tǒng)架構如圖7和圖8所示。

圖8 中石油鉆井研發(fā)中心建筑運營管理平臺的系統(tǒng)架構(二)

各層功能如下：

1)子系統(tǒng)層

由各廠家可單獨運行的子系統(tǒng)構成。包括子系統(tǒng)核心控制器、外部接口模塊、現(xiàn)場執(zhí)行器、現(xiàn)場儀表、傳感器等設備。實現(xiàn)對子系統(tǒng)的精細控制和全部運行狀態(tài)參數(shù)的監(jiān)視，進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、測量、傳輸和統(tǒng)計分析。

2)通信服務層

由建筑運營管理平臺、多功能服務器、I/O控制器組成。

多功能服務器負責子系統(tǒng)層設備的接入和管理，對子系統(tǒng)層的通信協(xié)議進行解析，并統(tǒng)一封裝為iopeNet統(tǒng)一通信協(xié)議，實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸和子系統(tǒng)間的連動和互操作。同時，多功能服務器自身提供了Web畫面，具有監(jiān)視、控制、設定與管理功能，用戶可通過多功能服務器對子系統(tǒng)進行管理。

I/O控制器為多功能服務器提供更多種類和數(shù)量的擴展接口，包括模擬輸入接口、模擬輸出接口、數(shù)字輸入接口、數(shù)字輸出接口、RS232接口、RS485接口和網(wǎng)絡接口。同時，I/O控制器可進行快速的程序開發(fā)，對應協(xié)議數(shù)據(jù)定義簡單的子系統(tǒng)。減輕開發(fā)和測試的工作量，適合工程方案變更時系統(tǒng)的靈活修改。

建筑運營管理平臺提供給建筑運營管理者的用戶操作軟件，提供了豐富的系統(tǒng)管理功能和友好的人-機交互畫面。具有如下技術特點：

①友好的人機界面，軟件層次清晰，使用簡單；

②畫面風格簡潔，高還原度的設備運行模型，使用戶一目了然設備運行狀態(tài)；

③工程現(xiàn)場建筑結構的還原，可以準確進行設備定位和精確操作；

④可根據(jù)工程需要靈活定制。

3)中心服務器層

系統(tǒng)可通過代理服務器接入互聯(lián)網(wǎng)，進行更大區(qū)域內的管理，真正實現(xiàn)設備上網(wǎng)。通過功能和性能更強大的中心服務器進行整體管理，提供后端設備接入和數(shù)據(jù)接收；通過數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲、處理和分析，提供節(jié)能應用、物業(yè)管理服務；并通過前端提供的Web畫面進行管理。

4 建筑運營管理平臺與智慧城市

2013年7月22日，國家發(fā)改委、工信部、科技部、公安部、財政部、國土資源部、住建部、交通部八部委研究起草并報請國務院《關于促進智慧城市健康發(fā)展的指導意見》，故以信息化為基礎的“智慧城市”建設已提升為國家發(fā)展戰(zhàn)略。

中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)的建筑運營管理平臺，旨在解決“底層集成”的協(xié)議轉換和數(shù)據(jù)整合問題。應用統(tǒng)一通信協(xié)議(即iopeNet)技術，尤其是其中采用了大數(shù)據(jù)所使用的IPv6技術，實現(xiàn)了建筑或建筑群的智能化運行、維護與經(jīng)營管理，進而可以為智慧城市提供基礎信息。因為，城市是由建筑與設施等組成，只有這些基礎(建筑、設施)的數(shù)據(jù)通過智能化轉換，進入大數(shù)據(jù)時代的云計算中心，使得物聯(lián)網(wǎng)可以使用這些數(shù)據(jù)，才有可能構成城市智慧化，達到智慧城市頂層設計的基礎要求。物業(yè)運營平臺在智慧城市中的位置如圖9所示。

圖9 物業(yè)運營平臺在智慧城市中的作用

雖說目前的建筑運營管理平臺還是建立在二維視覺基礎上的可視化運行環(huán)境，但完全可以實現(xiàn)三維動態(tài)的可視化管理，使建筑或建筑群具有生命力。因為，中國建筑設計院有限公司(原中國建筑設計研究院)成立已久的BIM(建筑信息模型)設計研究中心，可以提供建筑的空間運行環(huán)境，今后的物業(yè)運營管理人員，只需使用各種移動的或固定的個人通信設備，就可以在三度空間里監(jiān)控和管理自己的建筑或建筑群。