多目標全局優化的智慧機電設備管控系統研究

陳 烈

（上海建坤信息技術有限責任公司，上海 200032）

大型公共建筑的精準管控是城市精細化管理的重要組成。樓宇自控系統（BA，Building Automation）是實施機電控制的系統，亦是大型公共建筑精準管控的關鍵，直接影響著機電設備運行的效率、成本、耗能和安全。通過自動控制系統優化機電設備運行，可節能 10%～15%，再結合物業精細化管控，節能最高可達 50% 以上[1]。相關數據顯示，2016年全球 BA 系統市場總額約3600 億元，我國市場約80億元，其中，華東地區約占 40%，年增長率在 10% 以上。我國 BA 系統市場被國外品牌壟斷，自主品牌占有率不超過 10%，BA 系統是智能建筑23個主要智能化系統中唯一未充分國產化的系統。另一方面，普遍存在“不好用，用不好”的問題，已建成的 BA 系統平均使用率 ＜ 60%，優化控制實現率 ＜ 7%[2]。因此，亟須在 BA 的基礎上，研究智慧機電設備管控系統，為構建安全、高效、便利及可持續發展功能環境的智慧建筑提供強力支撐。

1 智慧機電設備管控系統

智慧機電設備管控系統是為精準管控服務、實現全局最優控制，融合了需求、模型、流程和軟件，是 BA 系統的升級。智慧機電設備管控系統是建筑物聯網的一個節點，以建筑使用者和管理者的需求為導向，融合檢測技術、控制技術和邊云協同技術，配置實時感知、理解、判斷、決策、執行、學習等智慧能力，以追求全局智能協同、運行效率最優為目標，全面獲取與共享建筑動態、靜態數據，實現建筑機電系統優化運行和維護管控一體化，是建筑產業互聯網的重要組成部分。

從發展趨勢來看，智慧機電設備管控系統的發展將經過3個階段。第一個階段是對當前 BA 系統升級，按照新的需求，增加各類新型傳感器和建筑信息化平臺，實現對各建筑結構、環境、人員及機電設備的狀態監測和優化控制。第二個階段將實現時空的拓展，時間上將往設計、規劃和建設進行前饋，實現全生命期覆蓋，空間上將與物業系統、BIM 系統深度融合，構建人、空間、機電系統的全方位體系，實現建筑物的最優控制。第三階段將是全人工智能階段，實現無人值守的建筑物智慧運營。

2 物業管理對智慧機電設備管控系統的要求

物業管理承擔著智能建筑運行和維護的職能。很多建筑雖建設了智能化系統，卻并未實現智能化的效果，昂貴的投資常成為擺設。早在2000年，姜平[3]提出“可以認為智能化技術或者智能化系統最終是為物業管理而服務的工具和一種有效地實現物業管理目標的手段”。趙哲身教授對智能建筑運行狀況進行了深刻的反思，提出“物業管理企業對智能化設施的管理本身遠比智能化系統設施的建設重要”，并從機制、理念、人才和核心任務等角度給出了解決方案[4]。因此，物業管理的需求對智慧機電設備管控系統發展影響重大。

物業公司的部門一般可分為市場拓展部、物業咨詢部、物業管理處、工程管理部和人力資源部等11個部門54個崗位，共162個 KPI 績效指標[5]。其中有22個指標與機電設施管控相關，具體如表1所示[6]。由表1可以得出以下結論。① 與機電設施管控相關的 KPI（Key Performance Indicator，關鍵績效指標考核）約占總體 KPI 指標的 15.6%，與業務部門有直接對應關系，與管理部門的績效關聯性不強。② 物業管理重點關注機電設備的完好率和故障率，對性能和效率要求不高。③ 機電管理的目標和質量無統一要求，缺乏標準。

思源智慧物業軟件 3.0 如圖1所示。以此為例可知，從物業管理軟件的角度來看，機電設施管理并非最核心的內容。因此，智慧機電設備管控系統一方面要與物業管理的需求、目標和 KPI 緊密結合，使其自身成為物業管理必不可少的支撐，才會得到物業管理重視、重用。另一方面，要嵌入到物業管理的流程中，串聯起人、機、物、法、環各要素，形成管理與控制的閉環，才能將智慧機電設備管控系統發揮出效能。

表1 機電設施管理與物業管理 KPI 的關系

圖1 智慧物業軟件 3.0 的功能架構

3 大型公共建筑機電設備精準管控多目標需求

結合智能建筑和物業管理的相關定義和標準，可將建筑運行目標設定為安全、健康、綠色、低碳、清潔、舒適、便利、節能、美觀。各目標的定義(釋義)及與機電系統的關系如表2所示。

表2 建筑運行目標及與機電系統的關系

建筑內機電系統在為某個目標服務的同時，常會對其他目標造成影響，如夜景景觀照明增加了建筑的美觀程度，但也增加了能耗、碳排放及用電安全的不確定性；增加建筑熱舒適度的同時也有可能會增加空調系統的能耗；增加室內潔凈度、增加室內清掃設備的同時會損耗和消耗能源。因此，可以認為機電系統的多目標存在著一定的耦合，這增加了管理和運營的復雜度。另一方面，不僅僅是單個系統對多個目標產生影響，而且多個機電系統可協同為同一目標服務，這促使機電設備管控系統形成多目標全局優化的協同控制。

4 智慧機電設備管控系統架構設計

根據智慧機電設備管控系統定義、技術發展趨勢和建筑物運營管理的新要求，提出多目標全局優化的智慧機電設備管控系統架構，如圖2所示。

5 智慧機電設備管控系統三大精準管控關鍵技術

在技術層面，目前國內外建筑機電管控系統產品架構陳舊，普遍停留在10a 前的水平，無法滿足建筑精準運營的要求，存在的主要問題如下所示。① 目前建筑行業中應用的傳感器精度偏低，誤差大，且均為傳統傳感器，無存儲、數據處理和網絡傳輸等功能。② 系統網絡架構是從工業控制網絡過渡而來，無法適應建筑物二次改造和設備升級的需求。③ 組態配置、策略和模型不夠智能，對業者的素質要求較高，限制了系統效用發揮。④ 系統以可視化運行為主，運營管理功能缺失，缺乏智能的數據分析、主動的安全方法和節能減排策略。圍繞目標精準、感知精準、控制精準，亟須在以下3個方面形成關鍵技術。

5.1 高精度的芯片型傳感器數據采集

建筑傳感器特性隨著時間而變化，其傳感器生產廠提供的平均無故障時間 MTBF 1（Mean Time Between Failure，MTBF）與實際樓宇自控系統應用的 MBTF2分別如表3所示，兩者存在較大差距[7]。建筑內的傳感器的安裝往往是“一次性”的，在安裝完成以后，很少有管理者關注傳感器是否失效、是否準確，這對建筑機電設備的精準控制的造成較大的影響。MEMS 傳感器是建筑傳感器發展的新方向，MEMS 傳感器的高可靠性、高精度、微型化、智能化、網絡化特點適合應用于建筑領域，可通過算法延長傳感器的校準時間、可通過網絡化提高組網的便捷性、通過微型化可以增加傳感器布設的形式，適應不同應用場景的需求。實驗室試驗與實際建筑調查的傳感器平均無故障時間對比如表3所示。

圖2 智慧機電設備管控系統架構圖

表3 實驗室試驗與實際建筑調查的傳感器平均無故障時間對比

5.2 無中心的全分布式架構

早期建筑運行管理的對象比較單一，主要集中于大型的機電設備，系統的終端不具有控制調節的能力，或由使用者根據需求手動調節。因此，在建筑自控發展初期，系統組態的矛盾并不凸顯。但隨著智能建筑概念的提出，建筑自控的功能開始變得豐富多樣和前端化[3]?，F在的機電管控系統大多采用傳統的 DCS 架構，改造項目實施難、改造成本高、配置錯誤率高。另外，隨著智慧建筑的發展，在智能節點的連接方面出現了3個新需求，即具備底層信息高效共享的能力、具備自識別和自組織的能力、具備易操作和易改造的能力。因此，面向大數據的智慧機電設備管控系統將基于無中心的全分布式架構進行建設，其具備高度靈活性和擴展性，同時適用于新建建筑和既有建筑。

5.3 基于 AI 的大數據建模和預測

精準的大數據建模和預測是智慧建筑機電設備優化控制的前提。隨著 AI 技術的快速發展，AI 將被全面應用于智慧機電設備管控系統中。智能視頻分析將分析人的行為模式，可獲得人對建筑物的需求；通過“互聯網 +”可形成新型人機協同；基于時間序列智能分析算法，可實現機電系統運行的運行優化。在這些過程中，通過對象模型化、大數據語法表達、關鍵信息智能識別等關鍵技術，將進一步實現多個目標的全局優化。此外，BIM 的應用將使實時動態大數據和靜態空間信息緊密結合，重新定義數據的空間關系，進一步滿足建筑管理者和用戶的需求。

6 結語

本文對智慧機電設備管控系統的發展趨勢、定義、需求、目標、架構及關鍵技術進行了深入探討，系統地提出以下幾點建議。

（1）智慧機電設備管控系統的發展終極目標為形成全人工智能的智能管控，實現無人值守的建筑物智慧運營。

（2）智慧機電設備管控要與物業管理的需求、目標和 KPI 緊密結合，才能成為建筑運營不可或缺的工具。

（3）設計了一種以大數據處理和多目標全局優化為核心的智慧機電設備管控系統架構。

（4）圍繞目標精準、感知精準、控制精準，提出三大關鍵技術—MEMS 傳感器、無中心全分布式架構和基于 AI 預測的優化控制。本文為新一代智慧建筑的設計、建設和運行提供借鑒。