智能建筑系統集成與工程設計

◎ 包頭鐵道職業技術學院 車煥文

隨著我國國民經濟的迅猛發展，作為信息時代要求的新興建筑——智能建筑，在建筑業中的比重越來越大。由于智能建筑在我國興起和發展的歷史不長，設計法規和標準尚不完善，加之學術上的某些絕對“優化”思潮的影響，就智能建筑工程而言，無論從建設方的開發思想方面，還是設計、施工方面，均存在不少誤區，筆者就其中一些主要的問題，提出一些意見，與同行討論。

1 智能建筑系統集成

系統集成是智能建筑的核心，這一點已經成為大家的共識。所謂系統集成簡單地說就是將各相關的子系統有機地結合成一個綜合的大系統?！坝袡C”的含義則包括“優化”與“協調”。從理論上講，智能建筑主要包括樓宇自動化系統（BAS）、通訊網絡系統（CNS）、辦公自動化系統（OAS）。嚴格意義上講，智能建筑還應包括與之相應的建筑環境和周邊公共設施。智能建筑系統集成的最終目標是將這三大系統有機地結合成一個綜合的建筑集成管理系統IBMS（Integrated Building Management System），在這一綜合系統中，BA系統則成為中央監控的，具有分布式計算機控制模式的設備管理系統FMS（Facility Management System），而CN系統則成為擔負數字、語音、圖象和監控信號傳輸的，具有開放式特點的綜含業務數字網(ISDN)，OA系統則成為事務型、管理型、決策型于三個層次集成的一體化辦公自動化系統。隨著智能控制技術的引入，近年來學術界又引入了智能集成管理系統概念IIBMS。不過，不少學者認為這種提法除了使其概念復雜化而外，并無過多的實際價值，事實上，現階段不少BA系統已經引入了部分智能控制技術。

圖1所示為一完整的綜合建筑集成管理系統（IBMS）結構框圖。圖中，中央監控管理系統（集成信息管理中心）是大樓的中央管理層，它對智能建筑中的“三大系統”實行最高級別的監控和管理。通過公共通信網絡將各子系統集成到同一計算機支撐的平臺上，建立起整個建筑的中央監控和管理界面，并在統一的界面上，方便、快捷、有效地實現對大樓內被集成的各子系統的監視、控制和管理。

值得指出的是，在確定智能建筑系統集成目標時，絕不能單純追求其技術指標，盲目追求“最優”，更要充分考慮投資與回報，以及實際管理的需要。因此，國家標準《智能建筑設計標準》（GB/T50314-2000)對甲級、乙級、丙級智能建筑系統集成的設計標準有不同程度的規定。就現階段我國的實際情況而言，絕大多數智能建筑的樓宇自動化系統（BAS）并未真正實現與其它系統的集成，事實上，它除了維持自身的中央監控特點外，其監控信號尚未借助現有的結構化布線系統傳輸。像這種集成程度，就是通常所指的停留在CNS和OAS的所謂弱電工程系統集成的范疇。

1.1 BAS系統集成及其網絡互聯

樓宇自動化控制系統是涉及內容最為廣泛的系統，其系統結構主要有兩種形式，一是集散控制模式，另一種是分布式計算機控制模式。由于真正的分布式控制模式要求所有變送單元、執行單元均必須是全數字化的智能化儀器儀表，目前實施起來略有困難，所以現階段樓宇自動化系統均采用的是兩層或三層的集散控制模式，見圖2。一般中小型智能建筑多采用兩層結構，即把管理層和監控層合二而一。大型建筑和建筑小區則常采用三層結構。

就現場控制層而言，各直接數字控制器（DDC）到網絡控制器（NCU）之間的信息傳送又有兩種方式，一是采用R S-4 85主從式接口，另一種是采用Lonworks或CANBus，分別見圖3（a）、（b）。

后者由于實際上采用了總線式雙向通信技術，無論其可靠性、容錯能力、傳輸速率都優于主從式RS-485接口，所以在智能建筑建設中應優先考慮此種方式。

由于集散控制系統（DCS）是由兩層或三層網絡構成，低層（又稱下位機）網絡，即現場控制網絡，屬于實時網絡，其特點是分散、通訊量小、速率低。第二層和第三層網絡均屬于信息管理網絡，其特點是相對集中，通訊量大，要求有足夠的帶寬，應當盡量利用弱電工程集成系統的結構化布線系統。顯然由于兩個網絡之間的這種特性差異，網絡互聯時采用網絡控制器就必不可少了。

1.2 網絡通信協議

BAS中信息管理網絡和現場控制網絡往往具有不同的通信協議。信息管理網絡（以太網）越來越多地采用網絡層的TCP/IP（傳輸控制協議/網際協議）標準協議，而現場控制層由于采用的總線形式不同，而采用Lontalk或Profibus或BACnet通信協議。其中BACnet協議是第一個被美國供熱通風與空調工程師協會（ASHRAE）確認的標準數據通訊協議，除了它能與標準網絡通信協議兼容外，更由于它針對采暖通風與空調專業的特點，規定了一系列相關指令，更能滿足智能建筑的特殊需要，因此是我國樓宇自動化控制系統推薦采用的標準通信協議。

圖1 建筑集成管理系統總體結構

圖2 三層結構的集散控制系統

圖3 集散控制系統現場控制級方案

2 智能建筑工程設計

2.1 綜合布線系統設計

嚴格意義上講，綜合布線系統GCS（Generic Cabling System）是智能建筑三大系統（BAS、CNS和OAS）系統總集成的硬件傳輸媒件，它擔負四類信號，即數字、圖象、語音和監控信號的傳輸任務。然而正如前文所說，目前的集成目標使它還僅停留在數字、語音、圖象三類信號傳輸的弱電工程集成狀態，故還不能準確地稱它為綜合布線系統，而應稱為結構化布線系統SCS（Struetured Cabling System）。

綜合布線系統設計是當前民用建筑設計院（所）擔負的智能建筑工程設計的主要內容之一。圖4所示為典型方案。事實上它是由兩個網絡，即以數字程控交換機為中樞的語音網絡和以計算機主機（服務器）為中樞的數字網絡構成。語音網絡由于要求的傳輸速率相對較低（10MbPs），即其（垂直）干線子系統通常采用三類大對數非屏蔽雙絞線（UTP），必要時可用五類或超五類大對數UTP來提高其傳輸速率（一般可達100Mbps）。而數字網，則因其信號量大，要求傳輸速率高（作為局域網，100Mbps的傳輸速率幾乎能滿足要求），其干線子系統，宜采用多模光纖，光纖的對數不得少于48個信息位/對光纖，且應以末端配線架容量為準，而不是以實際信號位的數量為準。這是因為結構化布線系統配線架產品是以100對或300對模塊組裝而成，這樣自然而然地為工作區信息位留有冗余。

UPS電源是結構化布線系統設計時應當特別引起注意的問題。由于各樓層交接間雖然位置較對應，但畢竟處于不同樓層，且交接間面積有限，為便于管理，交接間的電源插座可以采用首端切換的方式，即集中在計算機房或交接機房設置市電與UPS切換裝置。

2.2 公共安全系統工程設計

智能建筑中公共安全系統一般由四個子系統組成，即閉路電視監視系統（CCTV），防盜報警系統，出入管理系統（門禁系統），以及保安巡邏系統(巡更系統)。

公共安全系統設計時應注意的問題主要有以下幾個方面：

圖4 結構化布線系統（SCS）方案

a.攝像機的數量和位置布置。應嚴格控制攝像機的數量和質量，尤其是云臺攝像機的數量。目前的攝像機均屬電荷藕合式（CCD），其水平清晰度一般均能滿足要求，但市場價格相差卻很大。黑白攝像機和彩色攝像機的價格差異則更大，而且一般言之，黑白攝像機的靈敏度比彩色攝像機高，所以不必要分辨顏色時，應盡量選用黑白攝像機。攝像機的數量與布置應根據有效監視范圍仔細考慮。能不用云臺攝像機則應盡量不用，否則其工程造價將大幅度提高。

b.視頻矩陣切換器的選取。設計時應明確建設方需要同時監視幾路，同時錄制幾路攝象機信號的基本要求。監視器的數量絕非與攝象機數量一一對應。這是確定視頻矩陣切換器，以及畫面分割器的主要依據。對于中小型閉路電視監視系統應優先選用計算機內置卡式視頻切換模塊。

c.防盜報警系統的布防與撤防。在選取防盜報警系統時應特別留意系統控制器是否具有便于設定的布防與撤防功能，以及布防后的延遲時間。

d.系統集成。公共安全系統所轄四個系統必須互聯，必要時需與CNS和OAS集成，構成真正的弱電工程集成系統，這就要求對各子系統的操作平臺進行認真考慮。一般目前多采用Windows NT，它具有編程簡單，界面友好的特點。此外上述四個子系統應盡量選用同一商家的產品，以減少驗收時出現的故障推誘現象。

2.3 其它系統設計

a.樓宇自動化系統設計。從系統集成現狀考慮，樓宇自動化系統的現場控制對象主要包括空調、電梯、給排水、照明和變配電等子系統。而現階段的整個樓宇自控系統產品結構幾乎均是采用集散控制結構模式，表1是目前國內主要采用的系統產品及其特點。一般樓宇自動化系統設計均直接由系統產品開發商實施，但作為建設方和設計人員必須首先明確兩個問題:一是現場控制級的范圍和所控對象的控制目標的精度;二是現場控制級網絡傳輸的模式，應優先考慮基于BACnet協議下的總線模式。此外，在確定系統產品時還應充分了解系統的人機交互方式，及其控制通信協議(軟件)，此通信協議不同于用于網絡傳輸的通信協議，而是人機交互的媒介或交互規則，它包括人機界面和人機間的控制信息傳輸。例如，一些控制組態軟件就屬于典型的控制通信協議，它在操作管理人員的知識域與設備控制對象的狀態空間之間建立映射關系，且多數具有友好的圖形界面。

b.車庫管理與收費系統設計。車庫管理與收費系統是否隸屬于公共安全系統，目前在學術界有兩種分類方式。就設計而言卻往往將其作為BAS系統中一個單獨的子系統予以考慮。同樓宇自動化系統中的其它一些子系統一樣；由于設計院(所)并不負責成套的系統產品的安裝、調試工作，細部設計仍往往由承包商進行，設計部門只需作粗略的總體系統設計。設計的主要內容是能準確地反映和體現業主的需求，并使之參與到建筑物的整體系統集成之中。