數(shù)字通信在智能建筑中的應(yīng)用

鄧 斌

（廈門中宸集團(tuán)有限公司，福建 廈門 361000）

0 引言

新一代的數(shù)字通信技術(shù)以更快的傳輸速率、更低的時(shí)延以及海量的通信連接給各行各業(yè)帶來深刻的變革，成為構(gòu)筑數(shù)字化經(jīng)濟(jì)社會的關(guān)鍵技術(shù)支撐。5G通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)加速了萬物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的形成。智慧化、數(shù)字化的城市建設(shè)也進(jìn)入了快車道，智慧農(nóng)業(yè)、智能制造、智慧交通、智能建筑等各行各業(yè)都受到新技術(shù)深刻的影響和變革驅(qū)動。在此背景下，新一代數(shù)字通信技術(shù)與智能建筑的融合，對智能建筑數(shù)字化應(yīng)用的影響，為智能建筑的“智慧”進(jìn)程打開了更廣闊的發(fā)展空間。

1 智能建筑通信概述

總體來說，智能建筑是建造技術(shù)、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)綜合運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)人性化、智慧化管理的建筑。智能建筑需要通過通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)建筑物內(nèi)設(shè)備設(shè)施的智能控制；通信網(wǎng)絡(luò)通過無線或有線的網(wǎng)路通道對語音、圖像、傳感數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的采集、交換、傳輸和處理。

通信系統(tǒng)是智能建筑中的重要甚至是核心的組成部分，各種功能系統(tǒng)的應(yīng)用都需要從數(shù)據(jù)的交換作為基礎(chǔ)，包括對語音、圖像、視頻等大量數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理。在智能建筑或智慧小區(qū)中，通信系統(tǒng)主要包括程控交換、公共廣播、電視網(wǎng)絡(luò)、視頻監(jiān)控、寬度接入以及建筑物內(nèi)的移動通信等系統(tǒng)。在現(xiàn)代通信技術(shù)不斷發(fā)展提高的信息時(shí)代，對智能建筑的通信系統(tǒng)也提出了更高的要求，特別是5G技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡蜁r(shí)延和高可靠性對智能建筑的及時(shí)數(shù)據(jù)交流和控制提供了更好的技術(shù)支持。

2 通信系統(tǒng)在智能建筑中的應(yīng)用

智能建筑的功能子系統(tǒng)包括樓宇自動化系統(tǒng)（BAS）、通信自動化系統(tǒng)CAS、辦公自動化系統(tǒng)（OAS），這些子系統(tǒng)都需要通過結(jié)構(gòu)化綜合布線系統(tǒng)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行集成。

結(jié)構(gòu)化綜合布線系統(tǒng)主要是建筑物內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，把建筑物內(nèi)各種設(shè)備的數(shù)據(jù)、語音、圖像互相連接并傳輸，同時(shí)通過和外部Internet連接，形成數(shù)據(jù)交換和共享的有機(jī)整體。其中，通信系統(tǒng)的集成主要是網(wǎng)絡(luò)集成，在智能建筑系統(tǒng)中，通常采用光纖傳輸，每層設(shè)置光纖接口，雙向處理各種數(shù)據(jù)。

某商務(wù)辦公樓的智能化工程內(nèi)容包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、綜合布線系統(tǒng)、視頻安防監(jiān)控系統(tǒng)、多媒體會議系統(tǒng)、公共廣播系統(tǒng)和中心機(jī)房等。綜合布線采用12芯多模光纖、12口及48口光纖配線架、110電話配線架；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)核心交換機(jī)的交換容量≥15 Tbps，整機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)包能力≥2880 Mpps，兩個主控引擎模塊共帶≥24個千兆光接口+24個千兆電接口+8個萬兆光接口，接入層采用48口接入層交換機(jī)，無線AP控制器可支持兩種工作模式，支持IEEE 802.11ac Wave2協(xié)議，支持MU-MIMO；集成網(wǎng)關(guān)和AC雙功能，支持PPPoE、NAT網(wǎng)關(guān)、動態(tài)IP地址、靜態(tài)IP地址設(shè)定等功能。工程采用三級交換網(wǎng)絡(luò)，中心機(jī)房為網(wǎng)絡(luò)中心，各交接配線間設(shè)二級數(shù)據(jù)交換機(jī)，各樓層設(shè)用戶交換機(jī)或集線器。

在智能建筑系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，建筑中的所有設(shè)備設(shè)施、自動化控制系統(tǒng)都依托于通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換和通信協(xié)議轉(zhuǎn)換。如果在設(shè)計(jì)或施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，必然會帶來對功能上有效性的影響，所以需要重點(diǎn)關(guān)注通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在設(shè)計(jì)初期就做好相應(yīng)的規(guī)劃，既要符合技術(shù)的先進(jìn)性、安全性、有效性，還要具有相應(yīng)的拓展性。

2.1 電信系統(tǒng)

電信系統(tǒng)的主要接入方式是光纖接入，已基本實(shí)現(xiàn)了光纖入戶的需求，工程中光纖接入網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要由目標(biāo)局、光交接點(diǎn)、光節(jié)點(diǎn)三級結(jié)構(gòu)組成，設(shè)置光節(jié)點(diǎn)的引入光纖一般按12芯預(yù)留，光節(jié)點(diǎn)機(jī)房內(nèi)置電話遠(yuǎn)端模塊局、數(shù)字環(huán)路系統(tǒng)、光纖節(jié)點(diǎn)機(jī)等，實(shí)現(xiàn)電信綜合業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)網(wǎng)的接入。

2.2 計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)

智能建筑的通信網(wǎng)絡(luò)核心還是IP網(wǎng)絡(luò)，通過IP網(wǎng)絡(luò)，把不同地域或不同地址建筑的設(shè)備和通信設(shè)備終端連接起來，對各種終端數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和處理，為了提高連接效率，需重點(diǎn)關(guān)注相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的調(diào)整設(shè)計(jì)，或者引入虛擬局域網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，構(gòu)建相應(yīng)的虛擬局域網(wǎng)絡(luò)。

2.3 系統(tǒng)集成

智能建筑系統(tǒng)的集成是需要密切結(jié)合應(yīng)用需求的一種綜合集成，能夠在建筑物內(nèi)形成一個一體化的公共通信網(wǎng)絡(luò)，建立整個建筑物內(nèi)所有終端的信息數(shù)據(jù)共享，使各個功能子系統(tǒng)形成一個互相關(guān)聯(lián)、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體，以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和一體化的資源調(diào)度和全局性管理，集成程度決定了智能建筑的智能化程度。

目前，通常情況下建筑智能化系統(tǒng)大都把重心放在樓宇自動化、綜合布線等系統(tǒng)上，忽視了基礎(chǔ)性的數(shù)據(jù)交換和傳輸所需要的通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)優(yōu)化和建設(shè)，數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)是實(shí)現(xiàn)建筑智能交互的關(guān)鍵。通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)決定了智能建筑的智慧水平，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮技術(shù)的先進(jìn)性、可擴(kuò)展性、安全性和管理性能要求。

3 通信技術(shù)對智能建筑數(shù)字化發(fā)展的影響

3.1 5G技術(shù)的發(fā)展

5G作為一種高效的寬帶移動通信技術(shù)，具有高速率、低時(shí)延和大連接等特性，對即時(shí)交流和控制起到重要的作用，對萬物互聯(lián)、人機(jī)交互起到很好的支撐。與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比，有著極高的傳輸效率，能夠確保系統(tǒng)的運(yùn)行流暢和即時(shí)高效，解決了以往的傳輸延遲、反應(yīng)慢、準(zhǔn)確度低甚至需要人工干預(yù)的問題。

國際電信聯(lián)盟定義的5G三大類應(yīng)用場景中的海量機(jī)器類通信（mMTC）這一場景主要面向的就是環(huán)境監(jiān)測傳感數(shù)據(jù)采集、大量設(shè)備設(shè)施數(shù)據(jù)交互的應(yīng)用場景，這對發(fā)展智能建筑、智慧小區(qū)再到智慧城市的數(shù)字化應(yīng)用提供了很好的技術(shù)支持。

智能建筑中通信技術(shù)的發(fā)展，最明顯的發(fā)展就是從有線通信技術(shù)向無線通信技術(shù)的發(fā)展，在智能建筑物或智慧小區(qū)中，會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)和通信要求，這必然會占用大量的通信資源，發(fā)展至今的5G Wi-Fi，采用IEEE 802.11ac標(biāo)準(zhǔn)，可以同時(shí)覆蓋5 GHz和2.4 GHz連個頻段，傳輸速率快，質(zhì)量更高，可以改善無線信號覆蓋的狀況[1]。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展

物聯(lián)網(wǎng)，本質(zhì)上還是物與物、物與人之間的通信。但是由于物聯(lián)網(wǎng)中無數(shù)海量的連接以及大量的數(shù)據(jù)包頻發(fā)，需要龐大的數(shù)據(jù)傳輸和信息處理的能力，對移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力提出了更大的技術(shù)挑戰(zhàn)。

物物相連，物的數(shù)字化應(yīng)用，與移動無線通信技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，核心就是解決不同物體能夠彼此交換信息。采用傳感器、射頻識別技術(shù)、定位技術(shù)等，通過網(wǎng)絡(luò)接入實(shí)現(xiàn)物與物、物與人之間的信息交互，實(shí)現(xiàn)智能化的感知、識別和管理[2]。

在物聯(lián)網(wǎng)中，通信網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸是至關(guān)重要的保障，需要融合有線傳輸、無線傳輸和互聯(lián)網(wǎng)，將物體的信息及時(shí)準(zhǔn)確傳遞至信息處理方，運(yùn)算中心利用云計(jì)算等技術(shù)進(jìn)行分析處理，然后將指令及時(shí)準(zhǔn)確地傳遞至執(zhí)行終端。

3.3 云計(jì)算與人工智能

智能建筑的云平臺設(shè)計(jì)，是實(shí)現(xiàn)智能建筑綜合管理系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合的關(guān)鍵，包括云計(jì)算、大數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)等。人工智能賦予計(jì)算機(jī)智慧和模擬人類思維的技術(shù)，將是最貼近人們生活的應(yīng)用場景，必將使智能建筑的智慧化管理上一個新的臺階。

3.4 通信技術(shù)的發(fā)展與智能建筑的數(shù)字化

通信技術(shù)的發(fā)展以及智能建筑智能化程度的提高，在通信技術(shù)方面對建筑區(qū)域移動通信的需求也越來越明顯，受制于建筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及建筑物內(nèi)移動終端密集的特點(diǎn)，移動通信無線電波在建筑物內(nèi)的損耗和衰弱較大。目前的主要做法就是采用直放站系統(tǒng)和微蜂窩系統(tǒng)，來保證無線通信信號在建筑物內(nèi)的均勻分布并實(shí)現(xiàn)通信自由，隨著5G技術(shù)的發(fā)展，5G微基站也將得到進(jìn)一步的發(fā)展應(yīng)用，這些將給智能建筑的數(shù)字化發(fā)展和提升帶來了機(jī)遇。

3.4.1 智能建筑設(shè)備設(shè)施管理數(shù)字化

設(shè)備設(shè)施數(shù)字化管理是智能建筑管理數(shù)字化的重要組成部分，由于建筑設(shè)備設(shè)施眾多且分散，需要實(shí)時(shí)了解設(shè)備設(shè)施的運(yùn)行參數(shù)和故障信息等，所以要建立一個統(tǒng)一的信息網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字化管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，通過工業(yè)控制總線與各設(shè)備設(shè)施進(jìn)行通信連接，部分還要連接外加傳感器和數(shù)據(jù)通信模塊，從而能夠?qū)崟r(shí)采集運(yùn)行參數(shù)、故障信息和相關(guān)數(shù)據(jù)讀數(shù)等，并傳輸至控制中心。

海量機(jī)器類通信（mMTC）這一場景特性以及高速低時(shí)延的傳輸效率，使智能建筑設(shè)備設(shè)施的數(shù)字化程度得到提升，無線傳輸?shù)撵`活性為具有復(fù)雜性的建筑空間提供了更多的解決方案。

3.4.2 智慧安防管理數(shù)字化

目前智能住宅小區(qū)比較普及的安防系統(tǒng)包括視頻監(jiān)控子系統(tǒng)、巡更管理子系統(tǒng)、邊界入侵報(bào)警子系統(tǒng)、出入口和停車管理子系統(tǒng)、公共廣播子系統(tǒng)，大部分采用計(jì)算機(jī)管理，在數(shù)據(jù)庫層面可以與綜合安防管理平臺集成，并通過相應(yīng)的通信實(shí)現(xiàn)報(bào)警聯(lián)動響應(yīng)。

智能住宅小區(qū)的智慧安防存在海量的多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈接和傳輸，且實(shí)時(shí)性要求高，5G技術(shù)的海量機(jī)器類通信特點(diǎn)以及低時(shí)延性有效解決了傳統(tǒng)安防的難點(diǎn)，可以及時(shí)獲取多節(jié)點(diǎn)和更多維的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

3.4.3 綜合物業(yè)數(shù)字化信息管理平臺

目前的智能化建筑小區(qū)物業(yè)管理的現(xiàn)狀是各個子系統(tǒng)各自發(fā)展，有各自的運(yùn)行特點(diǎn)和技術(shù)特點(diǎn)，比如安防監(jiān)控、電梯等設(shè)備設(shè)施管理、停車場管理等；計(jì)算機(jī)系統(tǒng)也有不同的技術(shù)路線，有不同的硬件、不同的操作系統(tǒng)和不同的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入等；從數(shù)據(jù)單雙向角度看，有監(jiān)控型單向的也有控制型雙向的，從用戶參與角度看，有人機(jī)互動，所以信息的集成有不同的深度和廣度。

智能建筑的綜合物業(yè)數(shù)字化信息管理平臺，必須考慮將小區(qū)、建筑各點(diǎn)位接入到統(tǒng)一的管理平臺，實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)、聯(lián)動和統(tǒng)一協(xié)調(diào)運(yùn)作，實(shí)現(xiàn)信息共享，發(fā)揮綜合效益效率。

智能建筑的運(yùn)維控制中心實(shí)時(shí)收集環(huán)境、動力、安防、網(wǎng)絡(luò)、人員的相關(guān)狀態(tài)信息，并且基于可視化的管理要求呈現(xiàn)相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析圖表，協(xié)助管理者提高對建筑的智能化運(yùn)維效率。

為了滿足物業(yè)管理數(shù)字化的需求，通信網(wǎng)絡(luò)必須實(shí)現(xiàn)電信、電視、視頻監(jiān)控、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)和設(shè)備設(shè)施傳感等信息的互聯(lián)互通和互操作，除數(shù)據(jù)庫共享之外，還要形成應(yīng)用界面的集成和聯(lián)動控制。

3.4.4 其他數(shù)字化應(yīng)用

其他數(shù)字化應(yīng)用有智能化家居、社區(qū)公共信息服務(wù)系統(tǒng)、個性化信息交互、智能多媒體視頻系統(tǒng)等。智能家居數(shù)字化：通過各種傳感和通信模塊采集環(huán)境、設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)家庭電氣設(shè)備和家居的自動智能控制和遠(yuǎn)程控制。社區(qū)公共信息和個性化信息交互：通過智能終端和通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)住戶和物業(yè)中心、訪客以及水電氣第三方數(shù)據(jù)的信息交互。多媒體視頻智能系統(tǒng)：5G技術(shù)的融入，在多媒體方面可以提供超高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）服務(wù)，可以構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)，給人們帶來身臨其境的交互式體驗(yàn)。

4 結(jié)束語

隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，跨有線和無線的應(yīng)用越來越多，并與因特網(wǎng)結(jié)合在一起，呈現(xiàn)出越來越開放的發(fā)展態(tài)勢，云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，為無線通信未來的發(fā)展拓展了想象空間。智能建筑領(lǐng)域采用的無線通信技術(shù)呈現(xiàn)多樣化的趨勢，因此通信路由的發(fā)展，需要考慮各種無線通信技術(shù)集成形成無縫對接，以實(shí)現(xiàn)不同通信技術(shù)設(shè)備之間的正常通信。智慧小區(qū)、智能家居的發(fā)展，對無線傳輸通信網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求越來越高，所以智能建筑通信系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)思路要結(jié)合建筑區(qū)域特點(diǎn)、設(shè)備設(shè)施要求、智能化功能的需求，通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用，特別結(jié)合現(xiàn)在5G通信產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)。目前，數(shù)字通信技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用緩慢，相關(guān)系統(tǒng)和平臺方面的研發(fā)和集成給我們帶來了一些新的挑戰(zhàn)，比如，萬物互聯(lián)數(shù)字化帶來的海量數(shù)據(jù)傳輸所要求的可靠且自適應(yīng)的通信鏈接能力，智慧化管理集成平臺的設(shè)計(jì)功能和大數(shù)據(jù)的處理能力，網(wǎng)絡(luò)和信息安全及個人隱私的保護(hù)問題等，我們還要做進(jìn)一步的努力和研究。