陳 烈

（上海建坤信息技術(shù)有限責(zé)任公司，上海 200032）

大型公共建筑的精準(zhǔn)管控是城市精細(xì)化管理的重要組成。樓宇自控系統(tǒng)（BA，Building Automation）是實(shí)施機(jī)電控制的系統(tǒng)，亦是大型公共建筑精準(zhǔn)管控的關(guān)鍵，直接影響著機(jī)電設(shè)備運(yùn)行的效率、成本、耗能和安全。通過自動(dòng)控制系統(tǒng)優(yōu)化機(jī)電設(shè)備運(yùn)行，可節(jié)能 10%～15%，再結(jié)合物業(yè)精細(xì)化管控，節(jié)能最高可達(dá) 50% 以上[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2016年全球 BA 系統(tǒng)市場總額約3600 億元，我國市場約80億元，其中，華東地區(qū)約占 40%，年增長率在 10% 以上。我國 BA 系統(tǒng)市場被國外品牌壟斷，自主品牌占有率不超過 10%，BA 系統(tǒng)是智能建筑23個(gè)主要智能化系統(tǒng)中唯一未充分國產(chǎn)化的系統(tǒng)。另一方面，普遍存在“不好用，用不好”的問題，已建成的 BA 系統(tǒng)平均使用率 ＜ 60%，優(yōu)化控制實(shí)現(xiàn)率 ＜ 7%[2]。因此，亟須在 BA 的基礎(chǔ)上，研究智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)，為構(gòu)建安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的智慧建筑提供強(qiáng)力支撐。

1 智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)

智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)是為精準(zhǔn)管控服務(wù)、實(shí)現(xiàn)全局最優(yōu)控制，融合了需求、模型、流程和軟件，是 BA 系統(tǒng)的升級(jí)。智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)是建筑物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，以建筑使用者和管理者的需求為導(dǎo)向，融合檢測技術(shù)、控制技術(shù)和邊云協(xié)同技術(shù)，配置實(shí)時(shí)感知、理解、判斷、決策、執(zhí)行、學(xué)習(xí)等智慧能力，以追求全局智能協(xié)同、運(yùn)行效率最優(yōu)為目標(biāo)，全面獲取與共享建筑動(dòng)態(tài)、靜態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)建筑機(jī)電系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行和維護(hù)管控一體化，是建筑產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分。

從發(fā)展趨勢來看，智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)的發(fā)展將經(jīng)過3個(gè)階段。第一個(gè)階段是對當(dāng)前 BA 系統(tǒng)升級(jí)，按照新的需求，增加各類新型傳感器和建筑信息化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對各建筑結(jié)構(gòu)、環(huán)境、人員及機(jī)電設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測和優(yōu)化控制。第二個(gè)階段將實(shí)現(xiàn)時(shí)空的拓展，時(shí)間上將往設(shè)計(jì)、規(guī)劃和建設(shè)進(jìn)行前饋，實(shí)現(xiàn)全生命期覆蓋，空間上將與物業(yè)系統(tǒng)、BIM 系統(tǒng)深度融合，構(gòu)建人、空間、機(jī)電系統(tǒng)的全方位體系，實(shí)現(xiàn)建筑物的最優(yōu)控制。第三階段將是全人工智能階段，實(shí)現(xiàn)無人值守的建筑物智慧運(yùn)營。

2 物業(yè)管理對智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)的要求

物業(yè)管理承擔(dān)著智能建筑運(yùn)行和維護(hù)的職能。很多建筑雖建設(shè)了智能化系統(tǒng)，卻并未實(shí)現(xiàn)智能化的效果，昂貴的投資常成為擺設(shè)。早在2000年，姜平[3]提出“可以認(rèn)為智能化技術(shù)或者智能化系統(tǒng)最終是為物業(yè)管理而服務(wù)的工具和一種有效地實(shí)現(xiàn)物業(yè)管理目標(biāo)的手段”。趙哲身教授對智能建筑運(yùn)行狀況進(jìn)行了深刻的反思，提出“物業(yè)管理企業(yè)對智能化設(shè)施的管理本身遠(yuǎn)比智能化系統(tǒng)設(shè)施的建設(shè)重要”，并從機(jī)制、理念、人才和核心任務(wù)等角度給出了解決方案[4]。因此，物業(yè)管理的需求對智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)發(fā)展影響重大。

物業(yè)公司的部門一般可分為市場拓展部、物業(yè)咨詢部、物業(yè)管理處、工程管理部和人力資源部等11個(gè)部門54個(gè)崗位，共162個(gè) KPI 績效指標(biāo)[5]。其中有22個(gè)指標(biāo)與機(jī)電設(shè)施管控相關(guān)，具體如表1所示[6]。由表1可以得出以下結(jié)論。① 與機(jī)電設(shè)施管控相關(guān)的 KPI（Key Performance Indicator，關(guān)鍵績效指標(biāo)考核）約占總體 KPI 指標(biāo)的 15.6%，與業(yè)務(wù)部門有直接對應(yīng)關(guān)系，與管理部門的績效關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。② 物業(yè)管理重點(diǎn)關(guān)注機(jī)電設(shè)備的完好率和故障率，對性能和效率要求不高。③ 機(jī)電管理的目標(biāo)和質(zhì)量無統(tǒng)一要求，缺乏標(biāo)準(zhǔn)。

思源智慧物業(yè)軟件 3.0 如圖1所示。以此為例可知，從物業(yè)管理軟件的角度來看，機(jī)電設(shè)施管理并非最核心的內(nèi)容。因此，智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)一方面要與物業(yè)管理的需求、目標(biāo)和 KPI 緊密結(jié)合，使其自身成為物業(yè)管理必不可少的支撐，才會(huì)得到物業(yè)管理重視、重用。另一方面，要嵌入到物業(yè)管理的流程中，串聯(lián)起人、機(jī)、物、法、環(huán)各要素，形成管理與控制的閉環(huán)，才能將智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)發(fā)揮出效能。

表1 機(jī)電設(shè)施管理與物業(yè)管理 KPI 的關(guān)系

圖1 智慧物業(yè)軟件 3.0 的功能架構(gòu)

3 大型公共建筑機(jī)電設(shè)備精準(zhǔn)管控多目標(biāo)需求

結(jié)合智能建筑和物業(yè)管理的相關(guān)定義和標(biāo)準(zhǔn)，可將建筑運(yùn)行目標(biāo)設(shè)定為安全、健康、綠色、低碳、清潔、舒適、便利、節(jié)能、美觀。各目標(biāo)的定義(釋義)及與機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)系如表2所示。

表2 建筑運(yùn)行目標(biāo)及與機(jī)電系統(tǒng)的關(guān)系

建筑內(nèi)機(jī)電系統(tǒng)在為某個(gè)目標(biāo)服務(wù)的同時(shí)，常會(huì)對其他目標(biāo)造成影響，如夜景景觀照明增加了建筑的美觀程度，但也增加了能耗、碳排放及用電安全的不確定性；增加建筑熱舒適度的同時(shí)也有可能會(huì)增加空調(diào)系統(tǒng)的能耗；增加室內(nèi)潔凈度、增加室內(nèi)清掃設(shè)備的同時(shí)會(huì)損耗和消耗能源。因此，可以認(rèn)為機(jī)電系統(tǒng)的多目標(biāo)存在著一定的耦合，這增加了管理和運(yùn)營的復(fù)雜度。另一方面，不僅僅是單個(gè)系統(tǒng)對多個(gè)目標(biāo)產(chǎn)生影響，而且多個(gè)機(jī)電系統(tǒng)可協(xié)同為同一目標(biāo)服務(wù)，這促使機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)形成多目標(biāo)全局優(yōu)化的協(xié)同控制。

4 智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)定義、技術(shù)發(fā)展趨勢和建筑物運(yùn)營管理的新要求，提出多目標(biāo)全局優(yōu)化的智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2所示。

5 智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)三大精準(zhǔn)管控關(guān)鍵技術(shù)

在技術(shù)層面，目前國內(nèi)外建筑機(jī)電管控系統(tǒng)產(chǎn)品架構(gòu)陳舊，普遍停留在10a 前的水平，無法滿足建筑精準(zhǔn)運(yùn)營的要求，存在的主要問題如下所示。① 目前建筑行業(yè)中應(yīng)用的傳感器精度偏低，誤差大，且均為傳統(tǒng)傳感器，無存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ?。?系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是從工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)過渡而來，無法適應(yīng)建筑物二次改造和設(shè)備升級(jí)的需求。③ 組態(tài)配置、策略和模型不夠智能，對業(yè)者的素質(zhì)要求較高，限制了系統(tǒng)效用發(fā)揮。④ 系統(tǒng)以可視化運(yùn)行為主，運(yùn)營管理功能缺失，缺乏智能的數(shù)據(jù)分析、主動(dòng)的安全方法和節(jié)能減排策略。圍繞目標(biāo)精準(zhǔn)、感知精準(zhǔn)、控制精準(zhǔn)，亟須在以下3個(gè)方面形成關(guān)鍵技術(shù)。

5.1 高精度的芯片型傳感器數(shù)據(jù)采集

建筑傳感器特性隨著時(shí)間而變化，其傳感器生產(chǎn)廠提供的平均無故障時(shí)間 MTBF 1（Mean Time Between Failure，MTBF）與實(shí)際樓宇自控系統(tǒng)應(yīng)用的 MBTF2分別如表3所示，兩者存在較大差距[7]。建筑內(nèi)的傳感器的安裝往往是“一次性”的，在安裝完成以后，很少有管理者關(guān)注傳感器是否失效、是否準(zhǔn)確，這對建筑機(jī)電設(shè)備的精準(zhǔn)控制的造成較大的影響。MEMS 傳感器是建筑傳感器發(fā)展的新方向，MEMS 傳感器的高可靠性、高精度、微型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化特點(diǎn)適合應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，可通過算法延長傳感器的校準(zhǔn)時(shí)間、可通過網(wǎng)絡(luò)化提高組網(wǎng)的便捷性、通過微型化可以增加傳感器布設(shè)的形式，適應(yīng)不同應(yīng)用場景的需求。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與實(shí)際建筑調(diào)查的傳感器平均無故障時(shí)間對比如表3所示。

圖2 智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)架構(gòu)圖

表3 實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)與實(shí)際建筑調(diào)查的傳感器平均無故障時(shí)間對比

5.2 無中心的全分布式架構(gòu)

早期建筑運(yùn)行管理的對象比較單一，主要集中于大型的機(jī)電設(shè)備，系統(tǒng)的終端不具有控制調(diào)節(jié)的能力，或由使用者根據(jù)需求手動(dòng)調(diào)節(jié)。因此，在建筑自控發(fā)展初期，系統(tǒng)組態(tài)的矛盾并不凸顯。但隨著智能建筑概念的提出，建筑自控的功能開始變得豐富多樣和前端化[3]。現(xiàn)在的機(jī)電管控系統(tǒng)大多采用傳統(tǒng)的 DCS 架構(gòu)，改造項(xiàng)目實(shí)施難、改造成本高、配置錯(cuò)誤率高。另外，隨著智慧建筑的發(fā)展，在智能節(jié)點(diǎn)的連接方面出現(xiàn)了3個(gè)新需求，即具備底層信息高效共享的能力、具備自識(shí)別和自組織的能力、具備易操作和易改造的能力。因此，面向大數(shù)據(jù)的智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)將基于無中心的全分布式架構(gòu)進(jìn)行建設(shè)，其具備高度靈活性和擴(kuò)展性，同時(shí)適用于新建建筑和既有建筑。

5.3 基于 AI 的大數(shù)據(jù)建模和預(yù)測

精準(zhǔn)的大數(shù)據(jù)建模和預(yù)測是智慧建筑機(jī)電設(shè)備優(yōu)化控制的前提。隨著 AI 技術(shù)的快速發(fā)展，AI 將被全面應(yīng)用于智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)中。智能視頻分析將分析人的行為模式，可獲得人對建筑物的需求；通過“互聯(lián)網(wǎng) +”可形成新型人機(jī)協(xié)同；基于時(shí)間序列智能分析算法，可實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)運(yùn)行的運(yùn)行優(yōu)化。在這些過程中，通過對象模型化、大數(shù)據(jù)語法表達(dá)、關(guān)鍵信息智能識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)，將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的全局優(yōu)化。此外，BIM 的應(yīng)用將使實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)大數(shù)據(jù)和靜態(tài)空間信息緊密結(jié)合，重新定義數(shù)據(jù)的空間關(guān)系，進(jìn)一步滿足建筑管理者和用戶的需求。

6 結(jié)語

本文對智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢、定義、需求、目標(biāo)、架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入探討，系統(tǒng)地提出以下幾點(diǎn)建議。

（1）智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)的發(fā)展終極目標(biāo)為形成全人工智能的智能管控，實(shí)現(xiàn)無人值守的建筑物智慧運(yùn)營。

（2）智慧機(jī)電設(shè)備管控要與物業(yè)管理的需求、目標(biāo)和 KPI 緊密結(jié)合，才能成為建筑運(yùn)營不可或缺的工具。

（3）設(shè)計(jì)了一種以大數(shù)據(jù)處理和多目標(biāo)全局優(yōu)化為核心的智慧機(jī)電設(shè)備管控系統(tǒng)架構(gòu)。

（4）圍繞目標(biāo)精準(zhǔn)、感知精準(zhǔn)、控制精準(zhǔn)，提出三大關(guān)鍵技術(shù)—MEMS 傳感器、無中心全分布式架構(gòu)和基于 AI 預(yù)測的優(yōu)化控制。本文為新一代智慧建筑的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)行提供借鑒。