建筑智能化系統IP融合承載網分析

薛 凌 / 范 晨(同方數字城市產業本部， 北京 100083)

1 概述

數字化、網絡化、集成化給智能建筑帶來了前所未有的希望，這三者中，集成化是我們的里程碑。集成化所需要的技術含量最高，但給人類帶來了極大的方便以及高效率、舒適、安全、節能的環境，它使一個復雜的事物在功能操作上變得簡單化。為實現信息化，智能建筑中所涉及的各種子系統的高科技產品幾乎全面進入了數字化時代，即已從原來的模擬產品進化到數字產品，并逐漸進入了能在IP通信模式下工作的系統時期。而通信網的融合，是信息集成化的基礎。

由于IP網絡在帶寬、協議開放及標準化等方面優勢突出，在其盛行之初，已經有智能化專業機構和廠商，開始考慮將其引入各自領域作為新的傳輸平臺，替代過去以串行總線和專業協議為核心的傳輸架構，比如由ISO、ANSI和ASHRAE聯合定義的BACnet/IP協議，由BOSCH公司基于以太網協議開發的Corbernet協議等。

隨著智能建筑領域新需求的不斷出現，尤其是以視頻監控為代表的高帶寬、高實時性多媒體應用系統的高速發展，進一步推動了IP網絡在建筑智能化領域的滲透，使其逐步從服務于辦公信息系統擴展到了服務于建筑智能化控制體系的傳輸領域，近幾年各智能化系統廠商陸續推出各自基于TCP/IP架構的產品和解決方案，已經逐漸成為行業應用主流。

2 IP網絡發展歷程

在建筑智能化領域，IP網絡的逐步滲透，經歷了從后臺處理數據傳輸逐步發展到前端原始數據傳輸的過程，從個別系統割裂傳輸到逐步融合傳輸的過程。

2.1 辦公網階段

在該階段，計算機成為標準辦公設備，電子化辦公逐步取代傳統的紙質辦公，為實現辦公計算機互聯互通而產生的綜合布線系統和計算機網絡系統，逐漸成為智能建筑的標準系統。由于國內計算機及網絡技術起步較晚，在開始得到大范圍應用時，基于雙絞線的以太網結構已經成為主流，而基于同軸線纜的總線網絡部署還極少。

2.2 獨立承載網階段

真正促使IP網絡成為智能化系統的傳輸平臺，是源于以視頻監控為代表的多媒體業務的興起與大范圍部署，由于模擬數據在處理方面的局限性及在傳輸方面的質量保證難度，視頻監控系統率先成為大范圍采用IP傳輸平臺的子系統，針對視頻監控的專用IP傳輸網在很多智能建筑項目中部署，同時樓控、廣播等子系統的IP化進程也如火如荼，IP網絡在建筑智能化領域由辦公網階段進入獨立承載網階段。

2.3 建筑智能化網階段

近幾年在大量建筑和園區智能化項目中，為解決傳統架構在管理的靈活性和架構擴展性等方面存在的明顯局限性，IP架構解決方案迅速成為此類項目的最佳選擇。然而在同一項目中為各智能化子系統搭建獨立IP網絡，明顯存在建設與運維成本高、管理難度大等問題，也不符合節能減排與綠色環保的理念。因此在一些實際項目中，已經有將多個系統承載在一套物理網絡上的嘗試，由于這種嘗試沒有規范化的解決思路與可靠的數據作為支撐，存在一定的潛在風險，針對這種情況，同方率先定義了“建筑智能化網”概念，并聯合行業內的優秀企業發起“智能建筑網絡融合實驗”，開發出解決方案，用于指導設計與施工。

“智能建筑網絡融合”與廣義的“網絡融合”概念是一致的，核心都是融合承載，差異是范圍不同，業務不同。廣義的“網絡融合”著眼于將現存的電信網、移動網、互聯網和廣播電視網等承載多種不同業務的廣域網絡統一融合到一套新的網絡架構上，而智能建筑網絡融合(建筑智能化網)嚴格講是廣義網絡融合的一個范例，是將建筑內所有的信息業務系統進行統一融合承載。

建筑智能化網(Building Intelligent Network，簡稱BINet)是指在智能建筑內構建單一物理IP網絡，通過VLAN、Qos等保障策略，針對各子系統功能流量業務需求，為視頻監控、出入口控制、多媒體信息發布、樓宇自動化控制等智能化子系統，提供功能流量級高可靠、高實時和高安全的統一傳輸承載服務。

建筑智能化網概念的清晰提出，實現了IP網絡在智能建筑領域的重新定位，勢必逐漸成為智能建筑的標準設計思路與規范，而此后IP網絡在智能建筑內的發展走向則成為一個值得展望的話題。

我們在業界率先明確提出建筑智能化網(BINet)概念，并聯合著名的網絡廠商H3C和行業內的多家知名廠商發起“智能建筑IP網絡融合實驗”，目的是希望能夠通過對智能化系統IP數據流量的分析，開發出多智能化系統在IP網絡統一可靠承載的解決方案，使人們在規劃和設計整個通信承載網絡時，更加理性，盡可能避免在行業內部普遍存在的通信架構設計偏保守、系統規模和產品性能“越高越好”或“越大越好”等諸多問題。

3 融合實驗分析

3.1 實驗概述

建筑智能化系統IP網絡融合最佳實踐應用場景為一個建筑面積69 343m2，地上35層，地下2層的單體建筑，涵蓋公共廣播與背景音樂、門禁、樓宇自控、視頻監控、多媒體信息發布五個智能化子系統。

網絡融合實驗結果對智能建筑具體工程的設計與實施具有一定的指導意義。在智能建筑系統集成工程中，建筑智能化各子系統應采用單獨的網絡還是采用統一的承載網絡在業界爭議已久，無非從網絡安全、網絡帶寬、網絡性能等方面眾說紛紜，但都沒有量化的實驗數據來證實。通過這次網絡融合實驗，給實際工程提供了量化的實驗數據。

本實驗網絡共承載5個弱電子系統：Techcon樓宇自控系統、H3C視頻監控系統、TYCO門禁系統、ITC公共廣播系統和神州視翰陽光多媒體信息發布系統，本網絡融合項目將以上各弱電子系統統一承載在由以太網絡交換設備構成的公共網絡中，共用同一套網絡承載設備。

各智能化子系統詳細實驗設計在前面各子系統章節中已經詳述，這里不再贅述。

3.2 各子系統流量特征分析

前面各子系統文章中對各子系統的流量特征做了詳細分析，現歸納如表1。

各弱電系統的業務流可通過源、目的地址，源、目的端口，協議類型等承載網絡設備可識別的流量特征，從承載網絡中傳輸的其他數據流中被識別分離出來，以得到承載網絡提供的QOS保障。根據各弱電系統業務流的不同緊急程度賦予不同的優先級，各弱電系統相關的業務流量COS優先級標記值如表2。

網絡融合采用嚴格優先級調度方式，確保緊急業務得到高優先級調度，優先轉發。

3.3 融合承載的網絡技術保障策略

本融合實驗并不涉及新技術的開發，而是針對典型業務應用，分析其對傳輸的需求，選擇網絡技術中最適當的特性予以保障，本設計主要考慮了QOS、高可靠性、高安全性、可管理性和可擴展性五個方面的技術保障。

表1 各子系統流量特征詳細分析表

3.3.1 QoS技術保障

網絡上接入了5個弱電系統的大量設備，尤其是視頻監控系統產生的流量沖擊比較大，為避免各弱電系統業務流量相互影響，需要在承載網絡上對各弱電系統的各種業務流部署端到端的QoS保障，從流量分類、流量標記、隊列調度三個方面進行全網的QoS部署。

1)流量分類：各弱電系統的業務流可通過源、目的地址，源、目的端口，協議類型等承載網絡設備可識別的流量特征，從承載網絡中傳輸的其他數據流中被識別分離出來，以得到承載網絡提供的QOS保障。

2)流量標記：通常情況下，弱電系統發出的流量不帶有優先級標記，這樣各弱電系統所處的地位一致，必須根據各弱電系統業務流的緊急程度不同賦予不同的優先級。例如由于公共廣播系統具有消防聯動緊急廣播的業務，必須保障該業務具有最高優先級，因此在承載網絡上對相關業務流量標記為COS6。

表1 各子系統流量特征詳細分析表(接表1)

3)隊列調度：采用嚴格優先級調度方式即Strict Priority (SP)，確保緊急業務得到高優先級調度，優先轉發。

3.3.2 高可靠性技術保障

為保障各弱電系統在突發異常情況下仍能穩定可靠運行，需要在承載網絡上做高可靠性保障。高可靠性設計如下：

1)承載網絡核心采用兩臺核心交換機，每臺交換機采用雙主控、雙電源、雙風扇，提供硬件冗余保護；

2)兩臺核心交換機通過兩條萬兆鏈路形成IRF堆疊，消除單鏈路故障；

3)接入交換機與核心交換機之間的連接采用雙千兆光纖上行，每根光纖分別連接雙核心中的一臺。兩條千兆上行鏈路運行LACP協議實現跨設備跨板卡的鏈路聚合，既提高上行帶寬，又可實現冗余備份。

3.3.3 安全性技術保障

表2 各弱電系統相關業務流量COS優先級標記表

圖1 網絡融合前建筑智能化子系統網絡架構圖

運行在同一個承載網絡上的各弱電系統必須保證相互之間無流量干擾，才不會對其他系統的穩定運行造成影響，因此在承載網絡的設計上必須考慮安全性保障，具體措施如下：

1)在樓層接入交換機、智能化機房接入交換機、消控中心接入交換機上做合理的VLAN和IP子網劃分，保證各弱電系統的設備分別處于不同的VLAN和IP子網中，以隔離接入在同一接入交換機上的各弱電系統之間的網絡廣播流量；

2)不同樓層的弱電系統設備劃分在不同VLAN和IP子網中，隔離各樓層之間的弱電系統流量串擾；

3)在核心交換機上為各弱電系統做合理VLAN和IP子網劃分，且按不同弱電系統做VRF配置，保證各弱電系統間業務隔離。

3.3.4 可擴展性技術保障

樓層接入交換機已保證20%接入能力冗余，核心交換機兩臺各預留了若干可擴展槽位，以實現未來可能的弱電系統設備的擴容。

針對未來視頻監控系統以IP攝像頭替換四路視頻編碼器的情況，替換后視頻監控系統所占承載網絡的接入點數量將出現4倍增長，此時接入交換機可以由24口替換為48口，提供足夠的接入點。

3.4 實驗結果

根據各子系統的流量分析，設計了每個子系統

圖2 網絡融合后建筑智能化子系統網絡架構圖

的實驗模型，采用真實設備在實驗室完成搭建，通過有效觸發，產品典型流量，并使用流量采集軟件進行采集、分析與抽樣，做成足以代表每個子系統流量特征的典型流量數據。再對應承載網絡設計，在大型實驗室按照1：1的規模進行組網，通過專業流量模擬設備(可同時輸出數千路模擬流量的頂級專業設備)將此前采集的典型流量，按照實際系統的流量邏輯特征注入1：1網絡中運行，并7×24h檢測各流量的損耗參數，經過為期一個月的運行與監控，證明各種業務流量完全正常，智能化IP融合網絡在承載、安全和優先級等方面的設計切實有效，達到了項目目標。

4 結束語

通過以上網絡融合前后的對比不難發現，通過網絡融合，智能建筑各子系統采用統一的網絡承載平臺，在完全滿足各系統網絡需求的前提下，優化了配置，大大降低了投資成本、施工成本及后期的維護管理成本。

網絡融合前建筑智能化子系統網絡架構如圖1。

網絡融合后建筑智能化子系統網絡架構如圖2。

通過實驗發現各智能化系統的IP化程度不同，整體尚處在比較初步的階段，而且由于弱電系統廠商實現方式有差異，弱電系統協議及原理種類繁多，因此不同系統不同產品對網絡的要求也不同。

各弱電廠家目前還主要聚焦在其弱電功能實現上，對自身設備的網絡特性關注較少，網絡廠商因不了解弱電系統的業務及實現，對弱電系統的融合承載缺少經驗。

傳統組網中各弱電設備均是專網保障，因此部分弱電設備目前在設計上對網絡資源的占用較大。

融合承載項目實際應用經驗還不多，因此在有條件的情況下，可對方案功能、承載性能等進行測試驗證工作，這樣對融合承載項目能進行更好的保障。隨著弱電系統IP化的逐漸深入，弱電網絡融合承載的實際使用逐漸增加，弱電系統IP流量特征、實際工程等經驗逐漸豐富，各項有效數據逐漸豐富。

[1]建筑智能化系統IP網絡融合解決方案實踐_H3C技術［EB/OL］.http://blog.sina.com.cn/s/blog_61bd83dc01011kv0.html.2012.8.

[2]張丹育.建筑智能化設備IP網融合承載實踐初探[J].智能建筑電氣技術,2012(10).