綠色城區(qū)智能感知平臺技術體系研究

葉鴻 張蒙 高海強 朱佳

摘? 要：本文以綠色城區(qū)智能感知平臺技術體系為分析對象，首先介紹了感知要素與感知對象，接著分析了綠色感知數(shù)據(jù)架構，再接著分析了智能感知平臺應用設計，以便完善綠色城區(qū)智能感知平臺技術體系。

關鍵詞：綠色建筑;感知;數(shù)據(jù)架構;技術體系

中圖分類號：TU98 文獻標識碼：A

0 引言

2020年9月，我國提出力爭2030年前二氧化碳排放達到峰值，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。“雙碳”目標意味著能源結(jié)構的重大調(diào)整，是面向21世紀中葉的發(fā)展戰(zhàn)略。“十四五”期間，我國圍繞推動經(jīng)濟社會高質(zhì)量發(fā)展主旋律，將加快促進節(jié)能減碳綠色轉(zhuǎn)型，實現(xiàn)資源高效利用[1]。事實上，“綠色建筑”可謂這方面的先驅(qū)行業(yè)，至今已經(jīng)走過20年的發(fā)展歷程。從“可持續(xù)發(fā)展”理念出發(fā)，聯(lián)合國環(huán)境與發(fā)展大會在1992年提出“綠色建筑”的概念，重新審視建筑與環(huán)境、能源等攸關人類物質(zhì)生活方方面面之間的關系[2]。

然而，這些理念與技術不易在短期內(nèi)得到感知。綠色建筑用戶通常是關注環(huán)境友好產(chǎn)品的人群，研究表明對環(huán)境漠不關心的感知實驗參與者并不會因“綠色”標簽或室內(nèi)物理條件的不同而影響感知結(jié)果[3]。就目前的情況看來，住房與建設監(jiān)管方、技術支撐方等專業(yè)人士固然了解綠色建筑的理念和技術，但一般大眾可能不具備該能力，也無需具備相關技術能力[4]。因此，將“可感知的綠色建筑”傳達給用戶是貫穿綠色建筑整個生命周期的工作任務。

1感知要素與感知對象

感知（perception）是心理學術語，是對感覺信息的組織、識別和解釋，以表示和理解所呈現(xiàn)的信息或環(huán)境。體驗（experience）是有意識的生物體感知周圍世界的過程。和傳統(tǒng)建筑相比，綠色的親環(huán)境性通常令其被認為更具健康、舒適等感知體驗，但實際作用由環(huán)境感知和生理途徑共同驅(qū)動，而非單一因素。將“可感知的綠色建筑”作為對比研究綠色與傳統(tǒng)建筑的工作基礎，有利于為綠色建筑的學術研究提供實證數(shù)據(jù)。

綠色城區(qū)感知屬于“全景感知”，涉及人們城市生活的多個部門，實際操作的難度因勢而定。例如，大型公共建筑、工業(yè)企業(yè)等部門可響應政策，共享運行數(shù)據(jù)，成為感知數(shù)據(jù)源，但私人住宅數(shù)據(jù)就涉及公民隱私，往往無法獲得直接的感知對象。把問題約束在公共領域，我們將城區(qū)要素大體分為四類，分別是：地理實體、資源環(huán)境、基礎設施、社會服務。

綜上所述，可感知的綠色城區(qū)產(chǎn)生多種要素，分別屬于不同類別，可以被不同部門的人群感知。視其數(shù)據(jù)類型，要素感知分別以數(shù)據(jù)監(jiān)測、監(jiān)控、監(jiān)管的方式進行。

2綠色感知數(shù)據(jù)架構

基于“全景感知”的考慮，綠色城區(qū)的各感知對象可以設計為城區(qū)全要素數(shù)據(jù)采集，以便得到完整的記錄，形成一個“數(shù)據(jù)可溯源、信息可查詢、知識可表達、模型可利用、內(nèi)容可發(fā)布”的全面感知應用。綠色城區(qū)的感知數(shù)據(jù)多源異質(zhì)數(shù)據(jù)的融合、處理、分析及可視化，并遵循數(shù)據(jù)的安全與標準規(guī)約。

2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理在整個數(shù)據(jù)架構中處于支撐地位。時至今日，城市數(shù)據(jù)處理多選擇大數(shù)據(jù)平臺進行，它包括數(shù)據(jù)共享交換平臺、數(shù)據(jù)資源平臺、數(shù)據(jù)服務平臺、數(shù)據(jù)治理平臺等。大數(shù)據(jù)平臺依托（大）數(shù)據(jù)中心，或采用云部署。事實上，大數(shù)據(jù)與云計算均以分布式計算、分布式存儲為基礎，大數(shù)據(jù)的功能需求與云計算解決方案匹配，無論其是共有云還是私有云。云化的資源包括計算、存儲和網(wǎng)絡等組成，以彈性擴展的共享資源池為綠色城區(qū)感知數(shù)據(jù)處理提供按需調(diào)取的IT服務，實現(xiàn)可靠、安全、規(guī)范的技術支撐。

2.2 數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合負責完成感知數(shù)據(jù)的提取（extract）、轉(zhuǎn)換（transform）和加載（load），即ETL過程，最終放置于數(shù)據(jù)倉儲（data warehouse）。傳統(tǒng)的ETL是基于事務（transaction）進行的，數(shù)據(jù)從在線事務處理（OLTP）數(shù)據(jù)庫或其他數(shù)據(jù)源中提取。OLTP具有高吞吐量、大量的讀寫請求的特征，但它們不適合于數(shù)據(jù)分析任務。因此數(shù)據(jù)要在一個暫存區(qū)進行轉(zhuǎn)換（數(shù)據(jù)清洗和優(yōu)化）再用讀優(yōu)化的在線分析處理（OLAP）進行分析。更現(xiàn)代的技術是使用數(shù)據(jù)倉儲，通常是基于云計算的即席分析數(shù)據(jù)庫與SaaS應用的結(jié)合。

城市數(shù)據(jù)無疑歸屬于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和大數(shù)據(jù)（Big Data）的交叉領域。在現(xiàn)代數(shù)據(jù)架構設計中，需要考慮系統(tǒng)的低時延和高可用、多源數(shù)據(jù)的格式、數(shù)據(jù)的容錯性和異常預警等問題。此外，數(shù)據(jù)清洗（data cleansing）在整個數(shù)據(jù)融合過程中的作用顯著，而且其結(jié)果會影響后續(xù)數(shù)據(jù)分析。尤其是從物聯(lián)傳感終端攝入的數(shù)據(jù)和用戶通過表單填報的數(shù)據(jù)，分別對應數(shù)值型和文本型的數(shù)據(jù)清洗模型。

2.3 數(shù)據(jù)分析

為了從綠色城區(qū)感知數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)有用的信息并支持決策，需要借助數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)分析是一個建模過程，包括統(tǒng)計推斷、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)智能等多種方法。

通過各類感知終端采集的綠色建筑（城區(qū)）數(shù)據(jù)，從網(wǎng)絡通信基礎設施匯集到大數(shù)據(jù)平臺，經(jīng)過數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)分析最終得出有效信息，提供給監(jiān)管方、建設方、綠色用戶等不同社會部門來感知和體驗。

2.4 數(shù)據(jù)可視化

數(shù)據(jù)可視化（data visualization）是設計并展現(xiàn)信息的技術統(tǒng)稱，最常見的形式是圖形、圖表、地圖等視覺元素，以幫助用戶直觀地感知數(shù)據(jù)所反映的模式、趨勢或異常。綠色城區(qū)大數(shù)據(jù)以其規(guī)模之大、種類之多、更新之頻繁，難以直接被數(shù)據(jù)使用者采用繼而發(fā)現(xiàn)價值，通常需要借助可視化的輔助工具。數(shù)據(jù)處理過程的結(jié)果之一正是將數(shù)據(jù)接入可視化工具。這些工具形式多樣，既可能是桌面應用程序，也可能是Web前端頁面，甚至小到智能穿戴設備、大至建筑物幕墻投影。

針對不同類型的感知數(shù)據(jù)和展現(xiàn)終端設備，視覺設計師應該慎重考慮呈現(xiàn)目的，并且與數(shù)據(jù)分析師協(xié)同創(chuàng)新，才能制作科學、合理、美觀的數(shù)據(jù)可視化作品。我們通過對感知數(shù)據(jù)的不同來源和維度進行梳理，得到折線圖等11類常用圖表類型，結(jié)合7種可視化任務，即類別、對比、分布、趨勢、相關、關聯(lián)和示意，技術組合關系如表1所示。

3 智能感知平臺應用設計

從綠色城區(qū)的高質(zhì)量發(fā)展角度看，一個能夠從智能傳感到用戶查看的端到端感知應用平臺無疑更具吸引力。通過創(chuàng)建這樣的智能感知平臺，綠色建筑（城區(qū)）相關利益方可以共享數(shù)據(jù)、互聯(lián)互通，最大程度地減少重復開發(fā)、降低跨域風險，并進一步提升數(shù)據(jù)分析質(zhì)量。監(jiān)管方、建設方和綠色用戶在同一個平臺上分別以不同的角色交互數(shù)據(jù)。綠色用戶是建筑使用者，更關心綠色發(fā)展的理念和技術在建筑物和城市基礎設施上的具體應用成效，這些通常包含用戶自身的健康、舒適、生產(chǎn)力等，以及建筑設施設備的安全耐久、節(jié)約便利、空間功能等要素。建設方是綠色建筑（城區(qū)）的專業(yè)支撐，他們除了關心綠色用戶所關心的問題，還需要收集建筑物和城市基礎設施的海量運行數(shù)據(jù)，以便從中得出科學實用的數(shù)據(jù)模型，為建筑物的維修和整改提供參考，感知綠色發(fā)展帶來的經(jīng)濟收益。監(jiān)管方主要是政府相關部門的工作人員，需要全面感知城區(qū)監(jiān)測點位的各類數(shù)據(jù)和從市民處回收的調(diào)查數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都應接入智能感知平臺，監(jiān)測監(jiān)控數(shù)據(jù)經(jīng)由物聯(lián)網(wǎng)平臺獲取，調(diào)查數(shù)據(jù)亦從平臺向民眾發(fā)放，在應用程序域內(nèi)形成良性閉環(huán)。

3.1 技術體系

如圖1所示是常州市高鐵新城規(guī)劃中的綠色城區(qū)智能感知平臺技術體系總圖，目前該感知平臺已經(jīng)進入開發(fā)測試階段。

該技術體系從底層到頂層包括感知對象、感知方法、基礎設施、應用架構、智慧業(yè)務和感知呈現(xiàn)六層，額外兩個支撐來自安全和標準。圖1列舉了各層主要設計內(nèi)容和所需技術。

綠色城區(qū)智能感知平臺設計多個業(yè)務應用，包括但不限于建筑智慧感知、環(huán)境智慧感知、健康智慧感知、交通智慧感知、社會服務智慧感知、能源與水智慧感知等。這些業(yè)務可以分別開發(fā)對應的功能界面，供用戶使用。支撐這些業(yè)務應用的基礎是（云）數(shù)據(jù)中心提供的PaaS服務，在面向服務的開發(fā)架構（SOA）的諸多選擇中，微服務提供松散耦合的細粒度服務集合，適合分布式開發(fā)不同的模塊化應用，更具可擴展性。

3.2 關鍵技術

綠色城區(qū)智能感知平臺采用了多種IT技術的組合創(chuàng)新，其中關鍵技術包括邊緣計算、CIM、深度學習等。

邊緣計算是一個分布式計算框架，使企業(yè)應用更接近數(shù)據(jù)源，如物聯(lián)網(wǎng)設備或本地邊緣服務器。這種方式可以帶來更多信息收益，包括更快的洞察力、改進的響應時間和更好的帶寬可用性。

城市信息模型（CIM）技術是在建筑信息模型（BIM）的基礎上，結(jié)合地理信息系統(tǒng)（GIS）的空間大數(shù)據(jù)分析與呈現(xiàn)功能。BIM使設計人員能夠量化系統(tǒng)和材料對環(huán)境的影響以支持設計可持續(xù)建筑所需的決策，GIS可提供捕獲和分析空間和地理數(shù)據(jù)的能力。CIM做到了BIM與GIS的深度融合，在共享數(shù)據(jù)和服務的基礎上，適用于開發(fā)和部署城市級別的上層業(yè)務應用。

深度學習是人工智能中“機器學習”的一個子集，其神經(jīng)網(wǎng)絡能夠從非結(jié)構化或無標簽的數(shù)據(jù)中監(jiān)督或無監(jiān)督學習。深度學習比傳統(tǒng)機器學習的優(yōu)勢在于其強大的模型表現(xiàn)力。

4 結(jié)論

本文通過梳理從建筑到城區(qū)、“點面結(jié)合”的綠色感知要素和感知對象，提出了“人-建筑物-環(huán)境”的交互作用，分析了整個系統(tǒng)中物質(zhì)和能量的流動關系，并在建成環(huán)境的必要感知對象中找到時空屬性（空間數(shù)據(jù)、時序數(shù)據(jù)）、建成屬性（建筑物和城市基礎設施運行數(shù)據(jù)）、管理屬性（社會服務數(shù)據(jù)、行政管理數(shù)據(jù)）三大類感知數(shù)據(jù)。針對不同種類的感知數(shù)據(jù)，本文提出使用監(jiān)測、監(jiān)控和監(jiān)管的方法進行數(shù)據(jù)采集，并設計綠色感知數(shù)據(jù)架構，包括從數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)分析到數(shù)據(jù)可視化的一系列技術集成，這些技術均需要基于（云）數(shù)據(jù)中心的信息處理能力方可穩(wěn)定、高效、安全地實現(xiàn)。在此基礎上，本文建議了一套綠色城區(qū)智能感知平臺技術體系，并將該體系應用于江蘇省常州市高鐵新城的綠色建筑感知平臺的開發(fā)過程。最后，文章就該體系中的幾個關鍵技術進行簡單闡述。

參考文獻

[1] 李高.“雙碳”目標指引新發(fā)展[J].中國環(huán)境管理，2021（4）：152-152.

[2] 陳俊.習近平生態(tài)文明思想的理論邏輯與現(xiàn)實依據(jù)[D].北京：北京航空航天大學學報 （社會科學版），2018（4）：100-107.

[3] Shamsi， M. S.， and Z. S. Siddiqui. "Green product and consumer behavior： An analytical study."[J].Pertanika Journal of Social Sciences and Humanities，2017（4）：1545-1554.

[4] 劉筱青.基于居民感知的綠色住區(qū)使用后評價研究[D].長沙：湖南大學，2017.

收稿日期：2021-08-05

作者簡介：葉鴻（1984—），男，江蘇宜興人，博士，講師，研究方向：建筑行業(yè)的數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析、軟件架構設計。

通訊作者：張蒙（1990—），女，江蘇徐州人，本科，工程師，副總經(jīng)理，研究方向：環(huán)境監(jiān)測技術、物聯(lián)網(wǎng)技術。