基于智能建筑中的樓宇自動化系統的設計研究

劉寧娜++顧瑞

摘 要：智能建筑是智能建筑技術和新興信息技術相結合的產物，起源于20世紀后二十年，隨著信息技術的不斷發展，智能建筑也在不斷的發展，智能建筑通常由樓宇自動化系統、辦公自動化系統、信息自動化系統、消防自動化系統和安保自動化系統五個系統組成，其中樓宇自動化系統則是智能建筑設計的核心和重點。文章首先介紹了智能建筑的定義和特點，然后重點分析了樓宇自動化系統的組成要素，并在此基礎上，從設計思路、設計依據、設計概要和系統結構這五個方面對樓宇自動化的具體設計進行了研究和論述。

關鍵詞：智能建筑；信息技術；樓宇自動化；設計

中圖分類號：TU855 文獻標識碼：B

1.引言

20世紀的后20年和21世紀的前10年，是信息技術和智能技術迅猛發展和革新的時代，數字洪流已經席卷了人類社會的方方面面，人類社會逐步由工業化時代向數字時代邁進。在新的數字化時代背景下，在建筑行業，人們對建筑物的辦公、居住環境以及設施管理提出了越來越新的要求，建筑不再是一個簡單的遮風避雨供人居住的場所，而是演變成具備安全、高效、舒適、綠色、節能以及智能化的功能，成為能夠參與人類辦公、生產、生活活動的具有“生命”特性的實體。如果把建筑比作人體的話，那么傳統的建筑只是具備了人體的外在骨骼和肌肉，而智能建筑則是在此基礎上加上智慧的“頭腦”和靈敏的“神經系統”的完整的“人”。

2.智能建筑的定義及特點

智能建筑[1]的概念最先是起源于20世紀80年代的美國，1984年，美國康涅狄格州哈特福德市的“城市廣場”（City Place）是世界上公認的智能化大廈，其具備了先進的通信系統、辦公自動化系統、及自動監控和建筑設備管理系統。隨著信息技術的迅速發展，智能建筑的內涵得到不斷的擴展和豐富。到目前為止，對于智能建筑，國內外有著不同的詮釋，美國建筑協會將智能建筑定義為：通過將建筑物的結構、系統、服務和管理4項基本要求以及它們之間的內在關系進行最優化，從而提供一個投資合理的、具有高效、舒適、便利環境的建筑物。國內學術界將智能建筑定義為：利用系統集成方法，將智能型計算機技術，通信技術、信息技術與建筑技術有機結合，通過對設備的自動監控、對信息資源的管理和對使用者的信息服務及其與建筑的優化組合，所獲得的投資合理，適合信息社會需要并且具有安全、高效、舒適、便利和靈活特點的建筑物。雖然國內外對智能建筑的定義描述不盡相同，但對其本質特點的認同卻是一致的，即智能建筑可以為人民提供一個優越的工作與生活環境，這種環境有著安全、舒適、便利、高效、靈活的特點。

3.智能建筑的組成要素

智能建筑通常由5個自動化系統要素[2]組成，簡稱為5A（A是Automation的簡寫），分別是樓宇自動化系統BA（Building Automation System），辦公自動化系統OA（Office Automation System），信息自動化系統CA（Communication Automation System），消防自動化系統FA（Fire Automation System）和安保自動化系統SA（Safety Automation System）這五個自動化系統。其中：

樓宇自動化系統是智能建筑中的核心系統也是最能體現智能建筑的舒適、便利、高效特點的系統，它運用計算機系統對建筑的各個方面實行自動化的監控及管理，如空調、照明、電梯、配電和給排水。

辦公自動化系統是圍繞計算機網絡進行的信息的建立、存儲和處理，包括文字處理、電子記事、數據庫、日程安排、統計管理和決策管理等。

信息自動化系統是指通過電纜、光纜等有線或無線的傳輸方式，使用相關通信設備快速傳遞語音和圖像，包括傳輸語音的電話網系統、傳輸圖像的有線電視系統、傳輸數據的Internet、ISDN系統。

消防自動化系統是指建筑樓宇內的人工報警器、智能探測器、滅火噴淋系統、緊急廣播及照明系統。

安防自動化系統是指以運用安全防范產品和其它相關產品所構成的入侵報警系統、視頻安防監控系統、出入口控制系統、防爆安全檢查等的系統；或是由這些系統為子系統組合或集成的電子系統或網絡。

在國內智能建筑設計時除了5A智能建筑設計外，有時還會有3A智能建筑設計，3A設計時是將5A設計的消防自動化變為消防報警，安防自動化并為保安監控一并納入到樓宇自動化的設計范圍內。

智能建筑的這五個系統彼此之間的功能相對獨立，各自在不同的領域發揮著應有的作用，但他們又不是完全獨立的，樓宇的綜合布線將他們彼此相連，同時用于智能管理的計算機系統又對這幾個系統進行綜合集成，統一管理，使得各個系統之間創造出高效、舒適的生活，工作環境時，構成了一個有機的建筑功能系統。

4.樓宇自動化系統的設計

4.1樓宇自動化系統的設計思路

樓宇自控系統是利用計算機控制技術組成高度自動化的綜合管理系統，對分散于建筑物內的機電設備（冷熱源系統、空調系統、送排風系統、電梯系統等）進行分散控制、統一管理，實現對各設備的監測與控制，保證所有設備的正常運行，并達到最佳狀態。同時，在計算機軟件的支持下進行信息處理、數據計算、數據分析、邏輯判斷、圖形識別等，從而提高樓宇管理和服務的現代化水平，降低運營成本，從而提供一個一個高度安全、舒適、高效的工作、生活環境。通常樓宇自動化系統是由樓宇內的若干個建筑設備的監控子系統組成，即送排風系統監控、暖通空調系統監控、變配電系統監控、照明系統監控和電梯系統監控。

在進行樓宇自控系統設計的時候，應當考慮以下六個方面的因素：

（1）實用性：樓宇自動化系統的設計應將實用作為首先考慮的內容。在符合樓宇建筑具體實際功能和需要的前提下，合理平衡各個子系統的經濟性和先進性，避免片面追求先進性而脫離實際或片面追求經濟性而損害智能化建設的初衷。

（2）可靠性：樓宇自動化系統控制著樓宇的各個重要的設備系統，系統設計應確保每天24小時連續工作，局部設備故障不會影響整個系統的正常運行，也不會影響其它智能化子系統的正常運行。關鍵的系統部件對故障容錯和數據備份應提供相應的解決措施。

（3）安全性：樓宇自動化系統設計選用的所有設備、配件及其系統，在保證其安全、可靠運行的同時，應符合國際和國家的有關安全標準和規范要求，并在非理想環境下能有效工作。

（4）易維護性：樓宇自動化系統需要監視和監控的設備品種繁多，而且位置分散，要保證日常系統正常工作、可靠運行，系統必須具有高度可靠的可維護性和易維護性。盡量做到所需人員少，維護工作量小，維護強度弱，維護費用低。

（5）標準性和可擴展性：樓宇自動化系統的設計應采用國家和國際標準及規范，兼容不同廠家、不同協議的設備和系統。必須采用符合工業標準的操作系統、網絡技術、相關數據和圖形系統。各子系統可方便進出總系統，同時具有開放接口，以便用戶進行二次開發。

（6）先進性：樓宇自動化系統是信息時代建筑與信息技術相結合的產物，因此系統方案的設計應力求與當前科學技術高速發展的潮流相吻合。系統總體結構定位于高起點、開放式、模塊化，從而建設一個可擴展的平臺，保護前期工程與后續技術的銜接。

4.2樓宇自動化系統的設計依據

樓宇自動化系統的設計應當首先根據甲方的需求以及提供的相應建筑圖紙為基礎，同時參照相應的設計規范如：《智能建筑設計標準》（GB/T50314—2006）、《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2005）、《采暖通風與空氣調節設計規范》（GB50019-2003）、《民用建筑電氣設計規范》（JGJ16-2008）、《電氣裝置安裝工程施工及驗收規范》（CBJ232—92）、《建筑設計防火規范》（CBJ16—87）95修訂、《火災自動報警系統設計規范》（GBJl16—92）、《商用建筑線纜標準》（EIA/TIA—568A）、《信息技術互連國際標準》（ISO/IECl1801—95）和《高層民用建筑設計防火規范》（GB50045-95）。

4.3樓宇自動化系統的設計概要

樓宇自動化系統[3]的設計是為大樓各機電設備提供一套完善的自動化管理解決方案，以提高各機電系統效率和可靠性，其建筑設備監控系統由冷熱源、空調暖通、變風量末端、送排風、電梯等監控系統組成。

通常樓宇自動化系統主控工作站應設在各樓消防及保安控制中心內，負責各大樓的機電設備監控，為了增強系統的靈活性，系統應預留備用接口，同時設計時應根據甲方的要求在某些房間增設監控點，減少能源消粍，提高經濟效益。

樓宇自動化系統的設計是通過網絡控制器（NC）、直接數字控制器（DDC）對所有機電設備進行監控，系統還應通過數據通訊接口對空調冷熱機組及電梯等設備進行監控。

在對樓宇自動化系統進行設計時應采用分布智能系統，利用分布在樓宇現場的可擴展數字控制器及I/O擴展模塊，完成對建筑機電設備的實時監測，保護與控制任務。各控制器在設計時應確保既能獨立運作，又可以在中央工作站指導下工作。在正常情況下使用人員只需要在中央工作站進行監控，不需要直接操作其它控制器，這樣極大地方便了系統的管理，此外，系統的設計應建立標準、統一的數據庫，并具有標準的開放接口，便于被集成信息的利用和更高層次的信息集成，為建筑內的綜合管理與調度提供基礎平臺。控制器（DDC）應采用現場控制方式，控制器之間采用點對點通信。控制器必須具有獨立的監測和控制能力，可根據需要隨意增加/減少總線上的控制器，而通信線故障不會影響控制器的現場控制功能。

應將樓宇自動化系統設計為完整的分布式集散控制系統，該系統應采用標準化局域網技術和眾多子系統集成技術實施對樓內所有實時監控系統的集成監控、聯動和管理，系統應既可相對獨立運轉，又可聯合成為一個有機整體，可以由系統管理服務器完成對不同工作站及現場控制器的控制權限的設定。

4.4樓宇自動化系統的網絡結構

通常將樓宇自動化系統設計為兩層網絡結構，即管理層網絡和控制層網絡，具體如下：

（1）管理層網絡：管理層網絡是由帶鼠標及彩色顯示器的個人電腦和打印機組成操作站、數據管理服務器組成。操作站不需要BAS專用軟件，而采用網絡瀏覽器作為用戶界面，授權用戶可以通過Web瀏覽器提供的用戶界面簡捷地登陸到數據管理服務器。用戶可以通過Web瀏覽器在網絡任何一點獲得數據管理服務器上的數據。管理人員和操作者，通過觀察顯示器所顯示的各種信息以及打印機所記錄的各種信息來了解當前或以前整個大樓各種機電設備的運行狀況，也可通過鍵盤或鼠標的操作來改變各種機電設備的運行狀況，從而達到管理者各種特定的控制要求。操作站級的設計應以高速通訊方式進行信息交換，其通訊速率應達10/100M波特。從而確保系統的實時性，避免通信阻塞。

（2）控制層網絡：控制層網絡通常設計成點對點（Peer to Peer）的通信方式，同一樓宇內的控制層網絡上的網絡控制器可以進行無主從的對話，并不依賴與管理層的操作站，網絡上任一節點故障時不影響系統的正常運行和數據傳輸。控制層網絡采用以太網絡，通訊速率為10/100M，通過六類UTP 把各個樓層的網絡控制器分別連接入管理型以太網交換機，各個樓層的以太網交換機與相對應的交換機進行級聯。每個網絡控制器都有獨立的IP地址，使用IP協議互聯，通訊速率在10M/100Mbps自動切換。控制層網絡通常由網絡控制器和直接控制器組成，網絡控制器應配置高性能的微處理器，從而滿足對現場設備監控管理的需要，而且應承擔從管理級網絡至控制層網絡的總線匹配、通信管理的功能，是現場控制設備與操作站通信聯系的紐帶。

5.結語

在信息時代，隨著信息技術與傳統建筑設計相結合的產物智能建筑的出現，使得人們追求更加舒適、更加安全、更加高效的工作和生活環境的愿望成為可能，這就給建筑設計人員提出了新的挑戰，在熟練掌握本專業的知識的基礎上還要學習最先進的信息技術，并將其應用到建筑設計之中，從而設計出滿足人們工作、生活需求的智能建筑。本文在描述了智能建筑的定義和組成要素的基礎上，從設計思路、設計依據、設計概述和網絡結構三個方面對智能建筑中的樓宇自動化系統的設計進行研究。

參考文獻

[1] 尹秀偉.智能建筑設計及智能建筑發展前景[J].低壓電器，2001.1.2.

[2] 張慶芳等.淺論智能建筑在我國的發展[J].山西建筑，2004.6.

[3] 趙向娟.對樓宇自動化系統分析[J].科技信息，2010（03）.