黃雅如， 胡淑晶

(中國城市發(fā)展規(guī)劃設(shè)計咨詢有限公司，北京 100120)

0 引言

智慧機電是智慧城市組成部分，其研究不限于自身的技術(shù)發(fā)展，更有城市應(yīng)用維度的提升。 本文以此為方向，重點關(guān)注思考智慧機電如何順應(yīng)發(fā)展，從服務(wù)城市、應(yīng)用于城市的視角，實現(xiàn)轉(zhuǎn)型思考、技術(shù)落地。

1 智慧城市與智慧機電

智慧城市從城市發(fā)展需求出發(fā)，運用數(shù)字、信息技術(shù)，有效整合各類城市管理系統(tǒng)，實現(xiàn)城市各系統(tǒng)間信息資源共享和業(yè)務(wù)協(xié)同，推動城市管理和服務(wù)智慧化。 智慧城市涉及城市政策、活動、產(chǎn)品、服務(wù)相關(guān)的個體和團體，內(nèi)容包含城市建設(shè)、城市運維、城市運行、城市評價等各方面，是一種嶄新的工作思考。

近年來，數(shù)字化信息化助推智慧城市發(fā)展，也推動影響建筑行業(yè)向智慧化變革。 智慧城市的CIM平臺整合建筑BIM 技術(shù)、城市地理信息GIS 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)IOT 技術(shù)，成為城市動態(tài)信息的有機綜合體，實現(xiàn)城市信息化集成和協(xié)同管理，并在城市建設(shè)和管理場景中廣泛應(yīng)用，成為智慧城市的重要技術(shù)支持。

智慧機電作為智慧建筑的一部分，是智慧城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施，響應(yīng)城市需求，應(yīng)用于城市場景。智慧機電統(tǒng)籌給排水、暖通空調(diào)、建筑電氣、智能化、動力等專業(yè)，利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能、BIM、GIS、LOT、AI、PC、大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生、數(shù)字融合、系統(tǒng)集成等技術(shù)，以技術(shù)服務(wù)城市，為城市提供節(jié)能環(huán)保、高效便捷、綠色健康、可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。智慧機電的思考邏輯如圖1 所示。

圖1 智慧機電的思考邏輯

2 智慧機電一體化的工作思考

2.1 智慧思維引領(lǐng)

智慧機電一體化的思考，重要的是智慧思維的引領(lǐng)。 首先從智慧的思考方向，智慧機電比傳統(tǒng)機電更加高效高能，依托互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等數(shù)字化、信息化技術(shù)的加持，智慧機電系統(tǒng)具備更多的感知、研判、服務(wù)和能力。

第二以智慧城市為視角，智慧機電不僅是自身系統(tǒng)的強大，更需要開放與共享，能隨時隨處在與城市其他系統(tǒng)交互共融，共建智慧城市一張網(wǎng)，在城市大腦的指揮下，協(xié)同工作，不斷提升城市綜合能力和公共服務(wù)水平。

第三一體化，亦稱綜合化，智慧機電設(shè)計應(yīng)打破原有單點單線、單專業(yè)、單技術(shù)工作的思維，以目標和成果為導(dǎo)向，改階段工作為全程工作、改單專業(yè)工作為全專業(yè)工作、改串聯(lián)工作為并行工作，通過統(tǒng)一標準、開放接口、集成設(shè)計、數(shù)據(jù)鏈接，實現(xiàn)系統(tǒng)集成、一體化工作的智慧目標。

2.2 智慧機電一體化的工作思考

(1)需求導(dǎo)向:隨著技術(shù)的發(fā)展和人民生活水平的提高，使用者對機電系統(tǒng)的需求有以下幾大變化:需求總量增加、需求種類增加、個性化需求增加、靈活性需求增加等。 面對需求的變化，需要重新審視梳理傳統(tǒng)的技術(shù)體系，多維度全面響應(yīng)需求變化，并以數(shù)字化、信息化技術(shù)為支撐，提供合理有效的技術(shù)方案。

(2)問題導(dǎo)向:機電系統(tǒng)服務(wù)從建成期開始即進入建筑壽命等長的長期服務(wù)周期，機電系統(tǒng)的合理性及服務(wù)效益均需從運行期體現(xiàn)，俗話說三分建設(shè)七分運行，智慧機電需要提前預(yù)估使用者的問題和困難并不斷自學(xué)習(xí)。 伴隨社會、技術(shù)、經(jīng)濟的快速發(fā)展，機電系統(tǒng)配置不足、配置不夠合理、產(chǎn)品多元化更新等問題，不斷成為城市發(fā)展中的痛點。 同時，作為智慧城市的技術(shù)落地端，智慧機電也面臨與智慧城市相關(guān)系統(tǒng)協(xié)同的問題。 如建筑消防系統(tǒng)不僅服務(wù)保護建筑本身，也與城市消防、應(yīng)急、醫(yī)療等智慧相關(guān)系統(tǒng)聯(lián)動。

(3)結(jié)果導(dǎo)向:智慧機電應(yīng)該秉持以終為始的設(shè)計思路，由于建筑工程建造復(fù)雜性，建筑機電也是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，導(dǎo)致客戶認知的技術(shù)難度較高，因此需要采用以結(jié)果為導(dǎo)向的系統(tǒng)思維，為客戶提供包含設(shè)計方案、產(chǎn)品方案、實施方案、運維方案的一體化整體解決方案。 不同于傳統(tǒng)建筑體系中各項服務(wù)分段，分步推進的串聯(lián)式工作思路，智慧機電需要全程控制理念，合理選擇技術(shù)、并行設(shè)計、有效控制成本，通過集成設(shè)計、系統(tǒng)整合，有效滿足客戶使用。

(4)目標導(dǎo)向:智慧機電以提供更好的服務(wù)為目標，不僅面向現(xiàn)在的城市，也要應(yīng)對未來城市的需求挑戰(zhàn)，是不斷完善、持續(xù)解決問題的過程。 在智慧城市的框架下，既要針對應(yīng)用場景一體化解決問題，又要考慮未來發(fā)展需求滿足。 在保證系統(tǒng)安全前提下，擁有系統(tǒng)完善、外擴接口、容錯和冗余設(shè)計的智慧機電，才可以讓城市更有韌性，也是智慧機電的研究方向。 如科學(xué)確定城市及區(qū)域能源預(yù)留，需要綜合總量預(yù)留、接口外擴、合理調(diào)峰、共享使用等技術(shù)措施。

3 智慧機電一體化的設(shè)計(技術(shù))策略

智慧機電一體化既有思維的轉(zhuǎn)變和引導(dǎo)，更要有落地的行動和策略。 智慧機電的技術(shù)策略要點是統(tǒng)籌各機電專業(yè)能力，融合數(shù)字化、信息化技術(shù)，面向應(yīng)用端需求，實現(xiàn)多因子共目標、多資源共行動的智慧機電系統(tǒng)一體化。

3.1 以三維數(shù)字模型技術(shù)為支撐的全過程設(shè)計一體化

智慧機電涉及專業(yè)多、內(nèi)外接口多、服務(wù)周期長，傳統(tǒng)的設(shè)計思路和制圖工具已不能滿足要求。作為建筑信息化的新型技術(shù)，從設(shè)計階段開始的正向BIM 設(shè)計，是智慧機電的重要工具和技術(shù)載體。正向BIM 設(shè)計，可實現(xiàn)可視化設(shè)計、全生命期性能化設(shè)計、管線綜合、自動生成圖紙、一鍵工程算量等功能，有效提高設(shè)計效率和質(zhì)量。 另外，三維可視化的表達方式也便于綜合解決項目復(fù)雜問題，實現(xiàn)項目決策、成本控制和技術(shù)綜合。 同時，將正向BIM數(shù)據(jù)由設(shè)計傳導(dǎo)至采購、制造、施工環(huán)節(jié)，加入材料、經(jīng)濟、施工等實施管理信息，搭載建筑物數(shù)字信息的“數(shù)字孿生”由此而生，可實現(xiàn)建筑全生命期的設(shè)計一體化和管理信息化。 圖2 為某項目機電三維數(shù)字模型(BIM 技術(shù))示例。

圖2 機電三維數(shù)字模型(BIM 技術(shù))

3.2 以智慧建造為方向的設(shè)計實施一體化

智慧建造是智慧城市、智能建筑的典型應(yīng)用場景。 智慧建造充分利用制造、智能技術(shù)，建立和應(yīng)用智能化系統(tǒng)，提高建造過程智能化水平，提升建造效率和建筑質(zhì)量。 如裝配式建筑采用標準化設(shè)計、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配式施工、一體化裝修、信息化管理的建造方式，是近年國家大力推廣的實踐方向。 為實現(xiàn)智慧建造，設(shè)計師需要學(xué)習(xí)模數(shù)化、標準化、工業(yè)化的設(shè)計方法，了解制造、運輸、安裝等產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)行業(yè)技術(shù)水平，以BIM、互聯(lián)網(wǎng)、AI 等數(shù)字化、信息化技術(shù)為依托，精準設(shè)計、數(shù)據(jù)鏈接，前置實施階段二次設(shè)計和技術(shù)配合，實現(xiàn)從設(shè)計到建造的一體化。

3.3 以智慧運維平臺為終端的設(shè)計運維一體化

項目運維管理以建筑物作為主體出發(fā)，通過物聯(lián)感知(含傳感器、RFID、攝像頭、條碼識別等)采集建筑完工數(shù)據(jù)、設(shè)備運營數(shù)據(jù)、建筑健康監(jiān)測數(shù)據(jù)等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并對獲取的建筑數(shù)據(jù)進行融合和處理，根據(jù)應(yīng)用端需求制定不同的應(yīng)用策略，實現(xiàn)現(xiàn)場子系統(tǒng)與運維管理應(yīng)用端的融合鏈接，形成管理和監(jiān)控一體化的智慧運維管理系統(tǒng)。 智慧運維管理平臺為所有的應(yīng)用提供共享的數(shù)據(jù)、存儲、安全、計算，可實現(xiàn)實時監(jiān)測、設(shè)備管理、故障預(yù)警及告警、統(tǒng)計分析、信息管理、移動終端等功能和應(yīng)用，實現(xiàn)高效運維。

以智慧運維平臺為終端，設(shè)計階段應(yīng)結(jié)合運維管理及智慧城市的要求，統(tǒng)籌項目本體設(shè)計、監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計、運維管理等設(shè)計需求，梳理運維管理的建議與要求，合理確定運維平臺建設(shè)的技術(shù)策略和設(shè)計方案，因而智慧機電設(shè)計不僅提供機電設(shè)備選擇，也提出設(shè)備運維監(jiān)控要求，梳理各子系統(tǒng)接口及融合關(guān)系，確定并實施運維平臺整合策略，才能實現(xiàn)設(shè)計和運維一體化目標。 同時，單個運維平臺面向城市，聯(lián)動響應(yīng)智慧城市需求，打造集監(jiān)控、運維、管理為一體化的系統(tǒng)平臺，平臺架構(gòu)示例如圖3所示。

4 案例——智慧管廊項目實踐

4.1 項目概況

玉溪市紅塔大道綜合管廊東起撫仙路，西至火車站，全長約2 500m。 中國建設(shè)科技集團參與投資并設(shè)計施工，完成包含項目本體、各監(jiān)控子系統(tǒng)、管廊運維管理平臺的整體建設(shè)。

圖3 智慧運維平臺架構(gòu)示例

項目本體管廊分為兩艙，分別為燃氣艙和綜合艙，入廊有排水及再生水管線、電力管線、通信管線、燃氣管線共4 種管線類型。 管廊監(jiān)控子系統(tǒng)由排水系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、火災(zāi)自動報警系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)、安防監(jiān)控系統(tǒng)組成。 管廊監(jiān)控運維管理平臺包含服務(wù)應(yīng)用層、服務(wù)接口層、融合層、數(shù)據(jù)層、現(xiàn)場接口層共五個層次，采集機電系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，通過服務(wù)接口層接入智慧平臺。

項目于2017～2020 年間完成整體建設(shè)，目前已投入使用，運行狀態(tài)良好。

4.2 項目一體化設(shè)計特點

(1)監(jiān)控運維管理平臺設(shè)計與管廊本體設(shè)計一體化(BIM 技術(shù))

本項目從管廊本體設(shè)計開始到管廊運維管理設(shè)計實施階段均以數(shù)字化(BIM 技術(shù))作為支撐。管廊本體設(shè)計搭建BIM 模型，為3D 設(shè)計及運維提供可視化的模型場景。 運維管理平臺設(shè)計在項目本體BIM 設(shè)計成果基礎(chǔ)上，生成輕量化BIM 模型，如圖4，結(jié)合設(shè)計及現(xiàn)場實施情況(圖5)，將現(xiàn)場各入廊管線、配控站等設(shè)備和設(shè)施補充進入三維模型，進行準確的設(shè)備和設(shè)施定位。 同時，在三維模型中將管廊內(nèi)設(shè)備及設(shè)施進行編碼(管廊編號、艙室類型、防火分區(qū)、所屬系統(tǒng)、設(shè)備類別、設(shè)備順序號)，供運維管理人員在統(tǒng)一的三維模型中讀取各種運維管理數(shù)據(jù)，使設(shè)備及設(shè)施管理更加精準、高效，實現(xiàn)了設(shè)計、實施、運維的一體化模式。

(2)監(jiān)控運維管理平臺設(shè)計與管廊監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計一體化

圖4 BIM 輕量化運維模型示意圖

圖5 紅塔大道綜合管廊橫斷面圖

監(jiān)控運維管理平臺包含了對管廊本體的監(jiān)控、運維及管理功能，同時開放對外接口，與入廊管線單位進行數(shù)據(jù)互聯(lián)。 為了解決系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)及業(yè)務(wù)融合，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準以及標準化的數(shù)據(jù)接口，現(xiàn)場各子系統(tǒng)通過DTS(數(shù)據(jù)傳輸服務(wù))將各子系統(tǒng)資源的數(shù)據(jù)上報至API 服務(wù)。 API 服務(wù)為管廊運維平臺對外的提供數(shù)據(jù)接口，主要提供資源數(shù)據(jù)上報、告警數(shù)據(jù)上報等功能。 平臺子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入結(jié)構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 平臺子系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入結(jié)構(gòu)圖

監(jiān)控運維管理平臺不僅友好納入了管廊原有監(jiān)控系統(tǒng)，同時也預(yù)留標準化的、通用的統(tǒng)一接口以適應(yīng)未來子系統(tǒng)的改變及入廊管線的增加，保障長周期下管廊運營運維工作的正常進行。

(3)監(jiān)控運維管理平臺軟件設(shè)計與硬件設(shè)計一體化

平臺使用的軟件與硬件設(shè)計須一體化，真正完成系統(tǒng)搭建及整合，有效利用資源。 如本項目大屏的顯示系統(tǒng)即為軟硬件相結(jié)合的典型案例，大屏尺寸及數(shù)量的選擇為硬件設(shè)計板塊，如何控制大屏展示及頁面切換功能為軟件設(shè)計板塊。 針對運維管理平臺的軟件設(shè)計功能及運維需求，選擇大屏數(shù)量及尺寸，滿足對各防火分區(qū)、設(shè)備、人員等進行監(jiān)視和控制的運維工作要求，兼顧應(yīng)用場景的展示功能，本項目大屏顯示系統(tǒng)選用55 寸液晶屏幕，采用3×6 陣列方式排列，共18 塊液晶拼接屏而成。 確定大屏(硬件)設(shè)計后，對18 個大屏的控制功能進行軟件開發(fā)，實現(xiàn)頁面展示功能，滿足總覽模式、設(shè)備監(jiān)控、人員監(jiān)控、管線監(jiān)控、視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、能耗監(jiān)控、廊體監(jiān)控等多場景應(yīng)用。

本項目通過軟件設(shè)計與硬件設(shè)計的無縫對接，使軟件與硬件互為基礎(chǔ)、相互促進、相互融合、相互約束，實現(xiàn)完整的系統(tǒng)功能。

4.3 一體化設(shè)計實施效果

管廊運維管理平臺的設(shè)計從需求端入手，實現(xiàn)了運維管理平臺與管廊本體設(shè)計的一體化。 從結(jié)果導(dǎo)向出發(fā)，將管廊各個監(jiān)控子系統(tǒng)融合，實現(xiàn)了一體化、綜合化的管理模式，避免管理混亂。 同時，從管理平臺整體設(shè)計角度出發(fā)，解決了軟件設(shè)計與硬件設(shè)計相融合的問題，實現(xiàn)了專業(yè)的設(shè)計集成，避免了資源的浪費。 通過運維管理平臺的一體化設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)直觀的現(xiàn)場監(jiān)控、準確的情況分析、智能的事件處理、高效的人員管控、合理的工作流程，有效地提升了運維管理效率及應(yīng)急處理能力。

5 結(jié)束語

數(shù)字及信息化技術(shù)迅猛發(fā)展，傳統(tǒng)機電設(shè)計面臨智慧化的需求和挑戰(zhàn)，智慧機電應(yīng)打破固有思路的局限，將智慧思維融入傳統(tǒng)機電設(shè)計中，擴大專業(yè)視角和技術(shù)協(xié)同，形成一體化的智慧機電設(shè)計。同時，智慧機電是智慧城市一部分，智慧城市視角下的智慧場景及應(yīng)用，將實現(xiàn)智慧機電的整合與突破，為未來機電技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造無限可能。