基于魯棒性原理的建筑智能化系統雙核集成設計研究

摘 要：針對建筑小區土建設計缺陷所造成的建筑內部消防系統設計不足、多種智能產品通信協議不兼容、多元智能子系統需要系統集成、聯動、可靠運行的問題，提出 “無縫、雙核建筑智能化系統集成”的設計理念，采用基于清華同方提供的TECH-M32-8視頻矩陣切換器及TECH-K80操縱鍵盤“雙核”集成技術，系統集成后使用效果良好，具有很好的應用前景。

關鍵詞：魯棒性; 建筑智能化; 系統集成; 雙核集成

中圖分類號：TN399-34 文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0156-04

Dual-core Integration Design of Building Intelligent System Based on Robustness Principle

LI Wei

(Department of Electronic and Control Engineering， Chang’an University， Xi’an 710061， China)

Abstract： Aiming at the shortcomings such as the firefighting system design in the Building Community caused by the building civil engineering design flaws， the protocols among a variety of smart products are not compatible， and the multiple intelligent subsystem needs integrate， linked and reliable operation， a design philosophy about the seamless and dual-core BISI is proposed. This design adopts the TECH-M32-8 video matrix switcher and TECH-K80 keyboard manipulation dual-core technology provided by Tongfang， which has good system integration effect and application prospect.

Keywords： robustness; building intelligent system; system integration; dual-core integration

0 引 言

近年來，隨著現代計算機、網絡技術的飛速發展以及人們對生活、辦公使用條件的較高追求，智能建筑、智能小區、建筑智能化系統集成建設已經成為建筑經濟領域方興未艾的技術進步趨勢。基于以太網、TCP/IP協議的建筑智能化系統集成技術成為未來智能建筑、智能化小區的發展方向［1-2］。

我國現階段“建筑智能化系統集成”始終停留在理論研究和不徹底的智能化集成階段，這種技術現狀制約著行業的發展。本文提出的“建筑智能化雙核系統集成技術”有效地解決了多種智能化系統產品集成中的通信協議無縫開放與集成問題，對有先天性設計缺陷的火災自動報警消防系統實現了獨立核心集成的手動、自動模式的聯動運行；對于擁有多個不同參數屬性子系統的建筑安防系統實現了安防獨立核心集成聯動。經過實際的運營測試表明，所設計的雙核集成系統各項指標均監控正常，系統能夠抑制不確定性因素及較大擾動的影響，具有良好的魯棒性能。

1 魯棒性

魯棒性就是系統的健壯性。它是在異常和危險情況下系統生存的關鍵。所謂“魯棒性”，是指控制系統在一定(結構，大小)的參數攝動下，維持某些性能的特性。

魯棒性定義中強調參數攝動的結構和大小，是因為在魯棒性分析和設計中，必須考慮參數的攝動，參數的攝動表征了系統的不確定性。系統要維持的某些特性可以是穩定性，也可以是某些性能指標［3］。

2 建筑智能化雙核集成系統組成

2.1 火災自動報警消防系統

火災自動報警消防系統是智能化雙核集成系統集成運行的第一個核心，主要功能是實現全轄區范圍內的“無縫”聯網、手/自動切換聯動平穩集成運行。

本設計針對已建成建筑小區的各個自動消防系統獨立運行、分散化管理的運行制式，根據現有的火災自動消防系統聯網聯動的技術基礎條件，利用TCP/IP網絡將這些離散式報警設備進行聯網，統一為整體聯動的火災自動報警系統，實施智能化系統集成管理。

火災自動報警消防系統需要在現有的建筑小區內設立一個消防智能化聯網監控管理中心平臺，依托小區內現有的局域網，通過劃分一塊安全性最高、最可靠的VPN虛擬專網構建數據信息傳輸骨干網絡，將小區內的火災報警控制器通過信號采集設備，集中地采集到統一的系統監控平臺上，進行實時監測、全局控制，集中管理，以保障小區內的人員生命及財產安全。其集成設計方案包括網絡平臺建設、管理系統功能軟件開發設計、聯網用戶傳輸設備設計等三項技術內容［4-8］。

2.1.1 網絡平臺建設

(1) 聯網監控中心

在建筑小區內建設一處聯網監控中心，通過干線光纜將消防監控中心信號與各個防火分區的樓宇內部區域火災自動報警器聯網。監控中心配置有一臺用于值班人員操作的PC機。

(2) 各火災報警控制器

各個火災報警控制器通過TCP/IP網絡接入小區管理中心。

(3) 消防視頻監控子系統及接口設計

采用系統主機的RS 232或RS 485接口連接方式，通過串口服務器連接TCP/IP。圖1為其接口界面圖。

智能設備安防系統與火災自動報警系統的工程界面劃分以圖中虛線為界，虛線以左為火災自動報警系統部分，以右為智能化集成管理系統部分。

火災自動報警系統需提供空余的串行接口，并提供滿足各接口功能的數據，建筑設備監控系統提供協議轉換設備及數據轉換服務。

(4) 視頻監控系統接口網關設計

視頻監控系統硬件接口要求模擬視頻矩陣提供標準控制鍵盤口：RS 232或RJ-45；模擬視頻矩陣提供標準視頻輸出口：復合視頻RAC，BNC；硬盤錄像機提供網絡接口：RJ-45視頻監控系統軟件接口要求視頻矩陣提供RS 232或TCP/IP協議的控制協議，硬盤錄像機提供滿足前述接口功能的SDK開發軟件包，如有綜合性視頻管理平臺軟件也應提供滿足前述接口功能的SDK開發軟件包。其接口網關示意圖如圖2所示。

2.1.2 管理系統功能軟件開發設計

設計中根據建筑小區的實際的需求，設計的集成系統管理軟件主要包括12個功能模塊: 分別為用戶管理模塊，日志管理模塊，火警實時監控模塊，報警信息管理模塊，成災火警管理模塊，故障管理模塊，電子平面模塊，入網單位管理模塊，聯網網關ASE管理模塊，在崗人員管理模塊，報表模塊，數據挖掘和統計分析模塊。

2.1.3 聯網用戶傳輸設備的設計

建筑小區內所有入網用戶或者單位都采用同方自主研發的傳輸設備，將各個不同消防生產廠家的報警系統設備中的火警、故障等信號傳輸到各區縣消防監控中心，傳輸設備滿足國標《消防聯動控制系統-傳輸設備》GB16806-2006性能和功能的設計要求。其主要儀器設備配置如下：

(1) 在每棟樓的火災報警主機旁邊設消防遠程監控傳輸設備一臺，它可將不同火災報警系統的報警、故障等信息通過解析后以網絡的方式傳送到消防報警監控中心。

(2) 消防報警監控中心設網絡交換機一臺，接受由消防遠程監控傳輸設備傳輸的消防信息，并上傳到監控中心工作站。

(3) 消防報警監控中心工作站由工控機、顯示器、打印機、系統軟件等組成。

(4) 消防報警監控中心同時設遠程操作臺，用于消防水泵起停控制，并有手/自轉換功能；用于噴淋水泵起停控制，并有手/自轉換功能。

2.2 建筑安防系統

建筑安防系統集成是除過自動消防系統之外的第二個集成運行核心。該集成核心實施包括樓宇可視對講子系統、視頻監控子系統、周界防范報警子系統、出/入口自動門禁子系統、自動巡更子系統、背景音樂子系統等智能化弱電設備系統的集成研究設計，以實現多元“無縫”平穩集成運行［9-14］。

安防系統集成以搭建組織機構內的安全防范管理平臺為目的，利用綜合布線技術、通信技術、網絡互聯技術、多媒體應用技術、安全防范技術、網絡安全技術等將相關設備、軟件進行集成設計、安裝調試、界面定制開發和應用支持。安防系統集成既可作為一個獨立的系統集成項目，也可作為一個子系統包含在智能建筑系統集成中。

本設計系統主要實現綜合安防系統集成中的自動報警、防偷拆、全天候自檢、布防撤防及復位命令、報警響應分類、數據保持、記錄及歷史文檔存儲等軟件功能。

由于目前建筑小區安裝的安防設備眾多、品牌分散、功能不一，系統無法實現聯網管理及智能報警功能。要實現真正意義上的智能安防及智能報警功能，就必須將所有的樓宇和單元進行聯網，本設計提出的集成方案是基于魯棒性原理虛擬網絡，將建筑小區內各樓宇、各單元、各住戶的安防系統，按照不同主機設備品牌通過總線方式連結成獨立運行的專用子網，同時配備相應的管理計算機設備及軟件進行主網集成管理，樓宇單元主機即可實現與管理中心的通信，通過這種方式實現小區的智能安防。

3 建筑智能化系統集成總體設計

3.1 建筑智能化系統集成總體設計框架

ezIBS智能建筑集成管理系統采用J2EE技術路線，包含一組部署在ezONE業務基礎平臺之上的應用組件，可通過J2EE/WebServices架構與同方ezONE業務基礎平臺融合成為一個獨立于智能建筑系統廠商的平臺，能夠將小區內各種智能化子系統的信息資源匯集到一個平臺之上，以統一的方式展現，所有的文件和信息都盡可能采用XML標準表達和描述，通過對資源的收集、分析、傳遞和處理，從而對整個建筑小區進行最優化的控制及決策支持，達到高效、節能、經濟、協調的運行狀態。整套系統可支持多種操作系統。本系統框架設計分為四層，如圖3所示。

第一層：人機接口層，用于各級操作員對系統的監視和操作，包括一般用戶和管理員用戶，有線與無線(包括PDA、手機、POS)界面，本設計集成的用戶界面層采用標準的瀏覽器，這一層次主要通過ezONE業務基礎平臺的實時門戶實現，支持個性化的用戶界面，并包括一系列通用組件如用戶權限、內容管理、通用查詢、報表等。監控組態由支持先進的SVG(scalable vector graphics)矢量圖標準的ezHMI工具組件生成。

第二層：業務邏輯層，提供第一層的用戶界面所需的經邏輯處理后的所有數據實現業務功能。業務邏輯層將被封裝成很多業務組件。

業務邏輯層主要采用接口隔離的設計方法，保證組件的內部修改不影響應用系統的其他層次。同時業務組件還可以以Web Services的方式橫向為第三方系統提供服務，以利于第三方軟件的集成。

第三層：數據管理層，提供系統運行所需數據的存儲管理、備份、遷移等支持。包括數據庫和文件系統，數據庫主要存儲業務數據，文件系統主要存儲系統配置數據。

第四層：數據通信層(接口層)，專用于數據采集和與外部系統或設備的數據交換，執行必要的協議轉換。

3.2 建筑智能化系統集成平臺選型和技術實施

本設計方案中智能化集成系統從三個層次進行，第一層次為子系統縱向集成，目的在于各子系統具體功能的實現。對于火災自動報警系統及綜合安防系統首先實現本領域內的縱向集成；第二層次為橫向集成，主要體現各子系統的聯動和優化組合，在確立各子系統重要性的基礎上，實現幾個關鍵子系統的協調優化運行，報警聯動控制等再生功能；第三層次為一體化集成，即在橫向集成的基礎上，實現中央集成管理系統(IBMS)，即實現信息域層次的集成。主要體現在與物業管理信息系統的集成上。

設計采用子系統平等方式，選用基于J2EE/Applet與XML，Web Services技術的開放軟件平臺為基礎實現，系統軟件全部采用Web方式的三層軟件架構，采用實時數據庫技術，SVG矢量組態圖形技術，與子系統接口采用統一規范的接口框架，支持主流的OPC，BACnet，LonWorks等工業標準，同時充分利用J2EE技術路線的開放源代碼資源，確保系統今后的開放性和可持續性。

建筑自動消防系統與安防系統集成設計共同采用基于清華同方提供的TECH-M32-8視頻矩陣切換器及TECH-K80操縱鍵盤，開發、解密各廠家智能產品通信協議，重新設計基于軍網網聚能力的密鑰網關，共同實現“雙核”無縫集成系統同級別并列運行。

4 系統魯棒性分析

本文設計的智能化雙核集成系統集成平臺對話界面友好，數據維護密匙安全可靠，系統功能可擴展性強，并且各子系統網關獨立，內部系統兼容性好，經過實際運行測試，本集成系統在輸入錯誤、磁盤故障、網絡過載、電網電壓波動、高頻電磁波干擾、有惡意攻擊等情況下，能夠保持正常運行，系統不死機、不崩潰，具有高度的魯棒性。

5 結 語

本文設計的“雙核”無縫集成的建筑智能化集成系統，有效地解決了多種智能化系統產品集成中的通信協議無縫開放與集成問題，對先天性設計缺陷的火災自動報警消防系統實現了獨立集成的手動、自動模式的聯動運行，這種“雙核”系統集成技術取得了良好的預期設計效果，從運行的效果來看，該系統運行穩定，各項指標監控正常，能對我國新建智能小區的建筑智能化系統集成工作予以指導，并可用以指導改造原有住宅小區智能化建設，克服設計缺陷。

參 考 文 獻

［1］王再英，韓養社，高虎賢.樓宇自動化系統原理與應用［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［2］王娜，王儉．智能建筑概論［M］.2版.北京:人民交通出版社，2007.

［3］胡壽松，王執銓，胡維禮.最優控制理論與系統［M］.北京：科學出版社，2005.

［4］李惟．蘭州軍區西安某干休所建筑智能化系統集成［D］.西安：長安大學，2011.

［5］蔣中，孔令成.城市互聯消防安全數字化監控系統的設計與實現[J].現代電子技術，2009，32（9）：124-126.

［6］鄭冬強.基于SPCE061A的智能建筑消防監控系統設計[J].現代電子技術，2009，32（9）：133-134.

作者簡介：

李 惟 女，1969年出生，陜西西安人，工學碩士，工程師。主要研究方向為應用電子與控制工程。