基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

黃宏聰，齊鵬飛，鄭青松

（1.鼎信信息科技有限責(zé)任公司；2.深圳市康拓普信息技術(shù)有限公司）

1 概述

1.1 智能樓宇

2012年，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《關(guān)于開展國(guó)家智慧城市試點(diǎn)工作的通知》（建辦科〔2012〕42號(hào)），截至2017年底，我國(guó)已有超過500個(gè)城市提出建設(shè)智慧城市。建筑作為城市的基本組成單元和人們的日常活動(dòng)空間，在智慧城市的建設(shè)浪潮中也得以創(chuàng)新和發(fā)展。同時(shí)隨著物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等新興產(chǎn)業(yè)技術(shù)的興起，在傳統(tǒng)樓宇自動(dòng)化的基礎(chǔ)上，智慧建筑和數(shù)字建筑等新的建設(shè)概念和理念逐漸涌現(xiàn)。

智能樓宇，又叫智能建筑，主要是指以建筑物為平臺(tái)，基于對(duì)各類智能化信息的綜合應(yīng)用，集架構(gòu)、系統(tǒng)、應(yīng)用、管理及優(yōu)化組合為一體，具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調(diào)的整合體，為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑[1]。

從具體實(shí)施內(nèi)容來講，智能樓宇通常包括安防監(jiān)控、出入口控制（門禁、停車場(chǎng)）、入侵防范、電梯控制、供配電、空調(diào)新風(fēng)、照明控制、停車場(chǎng)管理、廣播、信息發(fā)布和能耗統(tǒng)計(jì)等數(shù)十個(gè)信息化子系統(tǒng)，業(yè)內(nèi)將上述子系統(tǒng)歸納為五類，分別是建筑設(shè)備自動(dòng)化（BA）、通訊自動(dòng)化（CA）、辦公自動(dòng)化（OA）、火災(zāi)報(bào)警與消防自動(dòng)化（FA）以及安全防范自動(dòng)化（SA），即智能樓宇5A系統(tǒng)[2]。

1.2 智能樓宇綜合管理系統(tǒng)

智能樓宇綜合管理系統(tǒng)，即IBMS（Intelligent Building Management System），主要指通過統(tǒng)一的人機(jī)交互管理界面對(duì)樓宇內(nèi)部眾多的信息化設(shè)施進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)所有智能子系統(tǒng)的集中監(jiān)視和控制以及全局事件的處理，并通過跨系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)樓宇信息化設(shè)施的自動(dòng)化運(yùn)行，提高樓宇運(yùn)維管理的效率。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是通過多個(gè)具備感知能力的傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議形成自組織、智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)，再通過智能化的計(jì)算和互聯(lián)技術(shù)的支撐，實(shí)現(xiàn)信息的匯聚、整合、共享與智能處理[3]。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)主要分為三個(gè)層次：感知層、網(wǎng)絡(luò)層（又稱傳輸層）和應(yīng)用層。感知層是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，主要利用各種傳感器設(shè)備完成信息的采集、轉(zhuǎn)換和收集。網(wǎng)絡(luò)層通過各種長(zhǎng)距離或短距離、有線及無線通信技術(shù)完成感知數(shù)據(jù)的傳輸。應(yīng)用層通過各種數(shù)據(jù)處理呈現(xiàn)人機(jī)交互技術(shù)，滿足不同行業(yè)用戶的信息化業(yè)務(wù)應(yīng)用需求，如監(jiān)控類（車輛監(jiān)控、溫濕度監(jiān)測(cè)）、查詢統(tǒng)計(jì)類（遠(yuǎn)程抄表、資產(chǎn)管理）以及控制類（智慧路燈、智能家居、智能樓宇）等不同類型的應(yīng)用。

2 現(xiàn)狀分析

隨著計(jì)算機(jī)、數(shù)字通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，構(gòu)成智能樓宇的各個(gè)信息化子系統(tǒng)在技術(shù)體制、性能和功能等方面都得到了大幅度的改進(jìn)和提升，例如，融合了人臉識(shí)別和行為分析等功能的數(shù)字高清智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐步代替了傳統(tǒng)的模擬閉路電視監(jiān)控，以往的基于總線的ID卡門禁系統(tǒng)逐漸演變?yōu)榛赥CP/IP數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的IC卡門禁或基于指紋、人臉等生物識(shí)別的智能門禁系統(tǒng)。但在智能樓宇綜合管理系統(tǒng)（IBMS）方面仍存在以下問題：

1）互聯(lián)不通不足，孤島現(xiàn)象依然存在

目前，在智能樓宇綜合管理上，由于子系統(tǒng)和通信協(xié)議的多樣性，各子系統(tǒng)通常作為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)施和部署。各系統(tǒng)之間和各建筑之間無法做到數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)、處理和分析，體現(xiàn)出煙囪式的獨(dú)立部署、獨(dú)立運(yùn)行和獨(dú)立維護(hù)[4]。

2）缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理，跨系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)需要進(jìn)一步加強(qiáng)

在智能樓宇個(gè)別應(yīng)用上，目前已具備初步的聯(lián)動(dòng)控制，如安防管理方面，火災(zāi)系統(tǒng)與廣播、視頻監(jiān)控、門禁系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)，空調(diào)暖通設(shè)備與環(huán)境傳感器的聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了樓宇室內(nèi)空氣、溫濕度等環(huán)境的智能調(diào)節(jié)。但上述的聯(lián)動(dòng)策略是在專業(yè)的接口開發(fā)基礎(chǔ)上完成的，是固化的。用戶無法根據(jù)實(shí)際的系統(tǒng)管理需求和運(yùn)行場(chǎng)景進(jìn)行靈活調(diào)整，實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)策略的自定義。

3）缺乏樓宇大數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)價(jià)值有待挖掘

當(dāng)前智能樓宇綜合管理系統(tǒng)大多從建筑物業(yè)后勤管理的角度進(jìn)行投資建設(shè)，如何對(duì)建筑運(yùn)行的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并發(fā)掘數(shù)據(jù)潛在的價(jià)值，值得進(jìn)一步研究。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，可以借助數(shù)據(jù)分析和挖掘等技術(shù)，進(jìn)一步分析建筑運(yùn)行的規(guī)律，降低建筑運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)維的精益化管理和增值化服務(wù)[5]。

綜合分析，目前智能樓宇的感知、傳輸和記憶能力已經(jīng)相對(duì)完善，但若達(dá)到建筑運(yùn)行的自我推理、判斷和決策的智能化目標(biāo)，需要對(duì)當(dāng)前智能樓宇系統(tǒng)的集成模式進(jìn)行改進(jìn)。針對(duì)上述行業(yè)現(xiàn)狀，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)，為樓宇智能化系統(tǒng)的融合管理與互聯(lián)互通提供解決方案。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇綜合管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

3 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇綜合管理系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)總共分為感知層、接入層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層五個(gè)部分。感知層主要指接受智能樓宇系統(tǒng)統(tǒng)一管理的各種終端設(shè)施，包括動(dòng)力設(shè)備（空調(diào)、新風(fēng)、排風(fēng)、排水、電梯等）、信息感知及采集設(shè)備（環(huán)境傳感器、音視頻設(shè)備）和控制設(shè)備等。傳輸層主要指由樓宇駐地網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)（或?qū)＞€）及移動(dòng)通信網(wǎng)組成的智能樓宇數(shù)據(jù)傳輸和通信管理網(wǎng)絡(luò)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇綜合管理系統(tǒng)架構(gòu)，其核心是接入層和平臺(tái)層兩部分的設(shè)計(jì)，正是這兩個(gè)層次的引入，使應(yīng)用層可以屏蔽感知層終端物理設(shè)備的差異性，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備和系統(tǒng)互聯(lián)互通、融合管理的目標(biāo)。以下重點(diǎn)對(duì)接入層、平臺(tái)層和應(yīng)用層三部分予以說明。

3.1.1 接入層

接入層核心設(shè)備是樓宇物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)，針對(duì)智能樓宇前端接入設(shè)備的協(xié)議多樣性，物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)創(chuàng)造了一個(gè)通用的環(huán)境，可以連接多數(shù)主流的樓宇前端設(shè)備或系統(tǒng)，用戶無需考慮設(shè)備的制造廠家和其使用的通訊協(xié)議。物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)參考架構(gòu)如圖2所示。

物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)內(nèi)置多種協(xié)議設(shè)備模板，可以將不同協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的軟件組件，通過標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議、支持XML的數(shù)據(jù)處理和開放的API為智能樓宇應(yīng)用服務(wù)提供無縫的、統(tǒng)一的設(shè)備數(shù)據(jù)視圖，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合處理和跨系統(tǒng)的互聯(lián)互通。

3.1.2 平臺(tái)層

平臺(tái)層主要提供智能樓宇數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理和分析，為上層應(yīng)用程序以及其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)調(diào)用訪問的接口。平臺(tái)除具備設(shè)備接入、設(shè)備管理、規(guī)則引擎、權(quán)限及安全管理等基礎(chǔ)功能外，還可提供大數(shù)據(jù)分析和人工智能等服務(wù)組件，為智能樓宇上層應(yīng)用提供大數(shù)據(jù)分析挖掘、GIS、語音識(shí)別、視頻分析和3D等高性能海量數(shù)據(jù)處理服務(wù)。智能樓宇平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。

智能樓宇平臺(tái)主要實(shí)現(xiàn)以下功能和目標(biāo)：①通過子系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和設(shè)備聯(lián)動(dòng)；②通過數(shù)據(jù)的集中存儲(chǔ)和管理，實(shí)現(xiàn)智能樓宇的數(shù)據(jù)共享；③通過大數(shù)據(jù)的分析與處理，實(shí)現(xiàn)各種運(yùn)行場(chǎng)景的即時(shí)有效控制；④為樓宇第三方應(yīng)用服務(wù)的接入提供平臺(tái)支撐。

3.1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層調(diào)用平臺(tái)層提供的數(shù)據(jù)和邏輯等元素，通過圖像、表格和視頻等方式為樓宇管理人員提供方便直觀的可視化管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇運(yùn)行狀態(tài)和前端設(shè)備的集中呈現(xiàn)、全局管理和統(tǒng)一控制。

智能樓宇應(yīng)用根據(jù)系統(tǒng)功能的不同可以分為安全防護(hù)、綠色節(jié)能和高效便捷三大類[6]：①安全防護(hù)包括視頻監(jiān)控、入侵監(jiān)測(cè)、火災(zāi)探測(cè)及報(bào)警、（車輛及人員）出入口控制以及應(yīng)急響應(yīng)等；②綠色節(jié)能包括制冷制熱、電器照明控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)和能耗統(tǒng)計(jì)分析等；③高效便捷包括公共廣播、智能會(huì)議、訪客管理、信息引導(dǎo)及發(fā)布、資產(chǎn)管理等。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)參考架構(gòu)

圖3 智能樓宇平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)

圖4 系統(tǒng)本地部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用部署模式

根據(jù)平臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器的部署位置不同，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇管理系統(tǒng)既可以基于云的遠(yuǎn)程部署，也可以進(jìn)行本地部署。系統(tǒng)本地部署網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示。

1）遠(yuǎn)程部署

平臺(tái)層服務(wù)器部署在第三方云服務(wù)平臺(tái)，本地樓宇管理中心或遠(yuǎn)程移動(dòng)管理客戶端可通過Internet訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)，在管理客戶端或監(jiān)控中心大屏上進(jìn)行呈現(xiàn)，這種模式主要適應(yīng)于分布在異地的多個(gè)建筑或建筑群的管理。

2）本地部署

管理中心和平臺(tái)層數(shù)據(jù)服務(wù)器均部署在本地，并對(duì)外提供遠(yuǎn)程訪問的互聯(lián)網(wǎng)接口，主要適應(yīng)于單個(gè)建筑的管理。

4 結(jié)語

本文參考物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)，在感知層、傳輸層和應(yīng)用層三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上，針對(duì)智能樓宇的行業(yè)應(yīng)用需求及特點(diǎn)，引入接入層和平臺(tái)層的概念，形成了智能樓宇綜合管理系統(tǒng)的五層架構(gòu)參考模型。通過接入層設(shè)備的統(tǒng)一接入解析和平臺(tái)層數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲(chǔ)處理，為智能樓宇各信息化系統(tǒng)的互聯(lián)互通和融合管理提供了一種創(chuàng)新性的解決方案思路。

當(dāng)然，智能樓宇系統(tǒng)所涉及的應(yīng)用眾多，除了本文提到的一些常見的智能化子系統(tǒng)外，還包括物業(yè)管理、資產(chǎn)管理、機(jī)房、供配電控制以及BIM等信息化應(yīng)用。此外，基于LoRa和NB-IoT等低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)及方案產(chǎn)品也逐步應(yīng)用于建筑中，因此，在實(shí)際工程中，如何進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)關(guān)和數(shù)據(jù)平臺(tái)的選型或開發(fā)，使其滿足復(fù)雜多樣的樓宇前端設(shè)備接入和上層應(yīng)用，是系統(tǒng)實(shí)施需要考慮的首要問題。