建筑智能化系統(tǒng)IP融合承載網(wǎng)分析

薛 凌 / 范 晨(同方數(shù)字城市產(chǎn)業(yè)本部， 北京 100083)

1 概述

數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化給智能建筑帶來了前所未有的希望，這三者中，集成化是我們的里程碑。集成化所需要的技術(shù)含量最高，但給人類帶來了極大的方便以及高效率、舒適、安全、節(jié)能的環(huán)境，它使一個(gè)復(fù)雜的事物在功能操作上變得簡(jiǎn)單化。為實(shí)現(xiàn)信息化，智能建筑中所涉及的各種子系統(tǒng)的高科技產(chǎn)品幾乎全面進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代，即已從原來的模擬產(chǎn)品進(jìn)化到數(shù)字產(chǎn)品，并逐漸進(jìn)入了能在IP通信模式下工作的系統(tǒng)時(shí)期。而通信網(wǎng)的融合，是信息集成化的基礎(chǔ)。

由于IP網(wǎng)絡(luò)在帶寬、協(xié)議開放及標(biāo)準(zhǔn)化等方面優(yōu)勢(shì)突出，在其盛行之初，已經(jīng)有智能化專業(yè)機(jī)構(gòu)和廠商，開始考慮將其引入各自領(lǐng)域作為新的傳輸平臺(tái)，替代過去以串行總線和專業(yè)協(xié)議為核心的傳輸架構(gòu)，比如由ISO、ANSI和ASHRAE聯(lián)合定義的BACnet/IP協(xié)議，由BOSCH公司基于以太網(wǎng)協(xié)議開發(fā)的Corbernet協(xié)議等。

隨著智能建筑領(lǐng)域新需求的不斷出現(xiàn)，尤其是以視頻監(jiān)控為代表的高帶寬、高實(shí)時(shí)性多媒體應(yīng)用系統(tǒng)的高速發(fā)展，進(jìn)一步推動(dòng)了IP網(wǎng)絡(luò)在建筑智能化領(lǐng)域的滲透，使其逐步從服務(wù)于辦公信息系統(tǒng)擴(kuò)展到了服務(wù)于建筑智能化控制體系的傳輸領(lǐng)域，近幾年各智能化系統(tǒng)廠商陸續(xù)推出各自基于TCP/IP架構(gòu)的產(chǎn)品和解決方案，已經(jīng)逐漸成為行業(yè)應(yīng)用主流。

2 IP網(wǎng)絡(luò)發(fā)展歷程

在建筑智能化領(lǐng)域，IP網(wǎng)絡(luò)的逐步滲透，經(jīng)歷了從后臺(tái)處理數(shù)據(jù)傳輸逐步發(fā)展到前端原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程，從個(gè)別系統(tǒng)割裂傳輸?shù)街鸩饺诤蟼鬏數(shù)倪^程。

2.1 辦公網(wǎng)階段

在該階段，計(jì)算機(jī)成為標(biāo)準(zhǔn)辦公設(shè)備，電子化辦公逐步取代傳統(tǒng)的紙質(zhì)辦公，為實(shí)現(xiàn)辦公計(jì)算機(jī)互聯(lián)互通而產(chǎn)生的綜合布線系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，逐漸成為智能建筑的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)。由于國(guó)內(nèi)計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)起步較晚，在開始得到大范圍應(yīng)用時(shí)，基于雙絞線的以太網(wǎng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為主流，而基于同軸線纜的總線網(wǎng)絡(luò)部署還極少。

2.2 獨(dú)立承載網(wǎng)階段

真正促使IP網(wǎng)絡(luò)成為智能化系統(tǒng)的傳輸平臺(tái)，是源于以視頻監(jiān)控為代表的多媒體業(yè)務(wù)的興起與大范圍部署，由于模擬數(shù)據(jù)在處理方面的局限性及在傳輸方面的質(zhì)量保證難度，視頻監(jiān)控系統(tǒng)率先成為大范圍采用IP傳輸平臺(tái)的子系統(tǒng)，針對(duì)視頻監(jiān)控的專用IP傳輸網(wǎng)在很多智能建筑項(xiàng)目中部署，同時(shí)樓控、廣播等子系統(tǒng)的IP化進(jìn)程也如火如荼，IP網(wǎng)絡(luò)在建筑智能化領(lǐng)域由辦公網(wǎng)階段進(jìn)入獨(dú)立承載網(wǎng)階段。

2.3 建筑智能化網(wǎng)階段

近幾年在大量建筑和園區(qū)智能化項(xiàng)目中，為解決傳統(tǒng)架構(gòu)在管理的靈活性和架構(gòu)擴(kuò)展性等方面存在的明顯局限性，IP架構(gòu)解決方案迅速成為此類項(xiàng)目的最佳選擇。然而在同一項(xiàng)目中為各智能化子系統(tǒng)搭建獨(dú)立IP網(wǎng)絡(luò)，明顯存在建設(shè)與運(yùn)維成本高、管理難度大等問題，也不符合節(jié)能減排與綠色環(huán)保的理念。因此在一些實(shí)際項(xiàng)目中，已經(jīng)有將多個(gè)系統(tǒng)承載在一套物理網(wǎng)絡(luò)上的嘗試，由于這種嘗試沒有規(guī)范化的解決思路與可靠的數(shù)據(jù)作為支撐，存在一定的潛在風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)這種情況，同方率先定義了“建筑智能化網(wǎng)”概念，并聯(lián)合行業(yè)內(nèi)的優(yōu)秀企業(yè)發(fā)起“智能建筑網(wǎng)絡(luò)融合實(shí)驗(yàn)”，開發(fā)出解決方案，用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)與施工。

“智能建筑網(wǎng)絡(luò)融合”與廣義的“網(wǎng)絡(luò)融合”概念是一致的，核心都是融合承載，差異是范圍不同，業(yè)務(wù)不同。廣義的“網(wǎng)絡(luò)融合”著眼于將現(xiàn)存的電信網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)和廣播電視網(wǎng)等承載多種不同業(yè)務(wù)的廣域網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一融合到一套新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，而智能建筑網(wǎng)絡(luò)融合(建筑智能化網(wǎng))嚴(yán)格講是廣義網(wǎng)絡(luò)融合的一個(gè)范例，是將建筑內(nèi)所有的信息業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一融合承載。

建筑智能化網(wǎng)(Building Intelligent Network，簡(jiǎn)稱BINet)是指在智能建筑內(nèi)構(gòu)建單一物理IP網(wǎng)絡(luò)，通過VLAN、Qos等保障策略，針對(duì)各子系統(tǒng)功能流量業(yè)務(wù)需求，為視頻監(jiān)控、出入口控制、多媒體信息發(fā)布、樓宇自動(dòng)化控制等智能化子系統(tǒng)，提供功能流量級(jí)高可靠、高實(shí)時(shí)和高安全的統(tǒng)一傳輸承載服務(wù)。

建筑智能化網(wǎng)概念的清晰提出，實(shí)現(xiàn)了IP網(wǎng)絡(luò)在智能建筑領(lǐng)域的重新定位，勢(shì)必逐漸成為智能建筑的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)思路與規(guī)范，而此后IP網(wǎng)絡(luò)在智能建筑內(nèi)的發(fā)展走向則成為一個(gè)值得展望的話題。

我們?cè)跇I(yè)界率先明確提出建筑智能化網(wǎng)(BINet)概念，并聯(lián)合著名的網(wǎng)絡(luò)廠商H3C和行業(yè)內(nèi)的多家知名廠商發(fā)起“智能建筑IP網(wǎng)絡(luò)融合實(shí)驗(yàn)”，目的是希望能夠通過對(duì)智能化系統(tǒng)IP數(shù)據(jù)流量的分析，開發(fā)出多智能化系統(tǒng)在IP網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一可靠承載的解決方案，使人們?cè)谝?guī)劃和設(shè)計(jì)整個(gè)通信承載網(wǎng)絡(luò)時(shí)，更加理性，盡可能避免在行業(yè)內(nèi)部普遍存在的通信架構(gòu)設(shè)計(jì)偏保守、系統(tǒng)規(guī)模和產(chǎn)品性能“越高越好”或“越大越好”等諸多問題。

3 融合實(shí)驗(yàn)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)概述

建筑智能化系統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)融合最佳實(shí)踐應(yīng)用場(chǎng)景為一個(gè)建筑面積69 343m2，地上35層，地下2層的單體建筑，涵蓋公共廣播與背景音樂、門禁、樓宇自控、視頻監(jiān)控、多媒體信息發(fā)布五個(gè)智能化子系統(tǒng)。

網(wǎng)絡(luò)融合實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)智能建筑具體工程的設(shè)計(jì)與實(shí)施具有一定的指導(dǎo)意義。在智能建筑系統(tǒng)集成工程中，建筑智能化各子系統(tǒng)應(yīng)采用單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)還是采用統(tǒng)一的承載網(wǎng)絡(luò)在業(yè)界爭(zhēng)議已久，無非從網(wǎng)絡(luò)安全、網(wǎng)絡(luò)帶寬、網(wǎng)絡(luò)性能等方面眾說紛紜，但都沒有量化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來證實(shí)。通過這次網(wǎng)絡(luò)融合實(shí)驗(yàn)，給實(shí)際工程提供了量化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

本實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)共承載5個(gè)弱電子系統(tǒng)：Techcon樓宇自控系統(tǒng)、H3C視頻監(jiān)控系統(tǒng)、TYCO門禁系統(tǒng)、ITC公共廣播系統(tǒng)和神州視翰陽(yáng)光多媒體信息發(fā)布系統(tǒng)，本網(wǎng)絡(luò)融合項(xiàng)目將以上各弱電子系統(tǒng)統(tǒng)一承載在由以太網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備構(gòu)成的公共網(wǎng)絡(luò)中，共用同一套網(wǎng)絡(luò)承載設(shè)備。

各智能化子系統(tǒng)詳細(xì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在前面各子系統(tǒng)章節(jié)中已經(jīng)詳述，這里不再贅述。

3.2 各子系統(tǒng)流量特征分析

前面各子系統(tǒng)文章中對(duì)各子系統(tǒng)的流量特征做了詳細(xì)分析，現(xiàn)歸納如表1。

各弱電系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流可通過源、目的地址，源、目的端口，協(xié)議類型等承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可識(shí)別的流量特征，從承載網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)钠渌麛?shù)據(jù)流中被識(shí)別分離出來，以得到承載網(wǎng)絡(luò)提供的QOS保障。根據(jù)各弱電系統(tǒng)業(yè)務(wù)流的不同緊急程度賦予不同的優(yōu)先級(jí)，各弱電系統(tǒng)相關(guān)的業(yè)務(wù)流量COS優(yōu)先級(jí)標(biāo)記值如表2。

網(wǎng)絡(luò)融合采用嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度方式，確保緊急業(yè)務(wù)得到高優(yōu)先級(jí)調(diào)度，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3 融合承載的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)保障策略

本融合實(shí)驗(yàn)并不涉及新技術(shù)的開發(fā)，而是針對(duì)典型業(yè)務(wù)應(yīng)用，分析其對(duì)傳輸?shù)男枨?，選擇網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中最適當(dāng)?shù)奶匦杂枰员Ｕ?，本設(shè)計(jì)主要考慮了QOS、高可靠性、高安全性、可管理性和可擴(kuò)展性五個(gè)方面的技術(shù)保障。

表1 各子系統(tǒng)流量特征詳細(xì)分析表

3.3.1 QoS技術(shù)保障

網(wǎng)絡(luò)上接入了5個(gè)弱電系統(tǒng)的大量設(shè)備，尤其是視頻監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)生的流量沖擊比較大，為避免各弱電系統(tǒng)業(yè)務(wù)流量相互影響，需要在承載網(wǎng)絡(luò)上對(duì)各弱電系統(tǒng)的各種業(yè)務(wù)流部署端到端的QoS保障，從流量分類、流量標(biāo)記、隊(duì)列調(diào)度三個(gè)方面進(jìn)行全網(wǎng)的QoS部署。

1)流量分類：各弱電系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流可通過源、目的地址，源、目的端口，協(xié)議類型等承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可識(shí)別的流量特征，從承載網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)钠渌麛?shù)據(jù)流中被識(shí)別分離出來，以得到承載網(wǎng)絡(luò)提供的QOS保障。

2)流量標(biāo)記：通常情況下，弱電系統(tǒng)發(fā)出的流量不帶有優(yōu)先級(jí)標(biāo)記，這樣各弱電系統(tǒng)所處的地位一致，必須根據(jù)各弱電系統(tǒng)業(yè)務(wù)流的緊急程度不同賦予不同的優(yōu)先級(jí)。例如由于公共廣播系統(tǒng)具有消防聯(lián)動(dòng)緊急廣播的業(yè)務(wù)，必須保障該業(yè)務(wù)具有最高優(yōu)先級(jí)，因此在承載網(wǎng)絡(luò)上對(duì)相關(guān)業(yè)務(wù)流量標(biāo)記為COS6。

表1 各子系統(tǒng)流量特征詳細(xì)分析表(接表1)

3)隊(duì)列調(diào)度：采用嚴(yán)格優(yōu)先級(jí)調(diào)度方式即Strict Priority (SP)，確保緊急業(yè)務(wù)得到高優(yōu)先級(jí)調(diào)度，優(yōu)先轉(zhuǎn)發(fā)。

3.3.2 高可靠性技術(shù)保障

為保障各弱電系統(tǒng)在突發(fā)異常情況下仍能穩(wěn)定可靠運(yùn)行，需要在承載網(wǎng)絡(luò)上做高可靠性保障。高可靠性設(shè)計(jì)如下：

1)承載網(wǎng)絡(luò)核心采用兩臺(tái)核心交換機(jī)，每臺(tái)交換機(jī)采用雙主控、雙電源、雙風(fēng)扇，提供硬件冗余保護(hù)；

2)兩臺(tái)核心交換機(jī)通過兩條萬兆鏈路形成IRF堆疊，消除單鏈路故障；

3)接入交換機(jī)與核心交換機(jī)之間的連接采用雙千兆光纖上行，每根光纖分別連接雙核心中的一臺(tái)。兩條千兆上行鏈路運(yùn)行LACP協(xié)議實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備跨板卡的鏈路聚合，既提高上行帶寬，又可實(shí)現(xiàn)冗余備份。

3.3.3 安全性技術(shù)保障

表2 各弱電系統(tǒng)相關(guān)業(yè)務(wù)流量COS優(yōu)先級(jí)標(biāo)記表

圖1 網(wǎng)絡(luò)融合前建筑智能化子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

運(yùn)行在同一個(gè)承載網(wǎng)絡(luò)上的各弱電系統(tǒng)必須保證相互之間無流量干擾，才不會(huì)對(duì)其他系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，因此在承載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)上必須考慮安全性保障，具體措施如下：

1)在樓層接入交換機(jī)、智能化機(jī)房接入交換機(jī)、消控中心接入交換機(jī)上做合理的VLAN和IP子網(wǎng)劃分，保證各弱電系統(tǒng)的設(shè)備分別處于不同的VLAN和IP子網(wǎng)中，以隔離接入在同一接入交換機(jī)上的各弱電系統(tǒng)之間的網(wǎng)絡(luò)廣播流量；

2)不同樓層的弱電系統(tǒng)設(shè)備劃分在不同VLAN和IP子網(wǎng)中，隔離各樓層之間的弱電系統(tǒng)流量串?dāng)_；

3)在核心交換機(jī)上為各弱電系統(tǒng)做合理VLAN和IP子網(wǎng)劃分，且按不同弱電系統(tǒng)做VRF配置，保證各弱電系統(tǒng)間業(yè)務(wù)隔離。

3.3.4 可擴(kuò)展性技術(shù)保障

樓層接入交換機(jī)已保證20%接入能力冗余，核心交換機(jī)兩臺(tái)各預(yù)留了若干可擴(kuò)展槽位，以實(shí)現(xiàn)未來可能的弱電系統(tǒng)設(shè)備的擴(kuò)容。

針對(duì)未來視頻監(jiān)控系統(tǒng)以IP攝像頭替換四路視頻編碼器的情況，替換后視頻監(jiān)控系統(tǒng)所占承載網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)數(shù)量將出現(xiàn)4倍增長(zhǎng)，此時(shí)接入交換機(jī)可以由24口替換為48口，提供足夠的接入點(diǎn)。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)各子系統(tǒng)的流量分析，設(shè)計(jì)了每個(gè)子系統(tǒng)

圖2 網(wǎng)絡(luò)融合后建筑智能化子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，采用真?shí)設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室完成搭建，通過有效觸發(fā)，產(chǎn)品典型流量，并使用流量采集軟件進(jìn)行采集、分析與抽樣，做成足以代表每個(gè)子系統(tǒng)流量特征的典型流量數(shù)據(jù)。再對(duì)應(yīng)承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，在大型實(shí)驗(yàn)室按照1：1的規(guī)模進(jìn)行組網(wǎng)，通過專業(yè)流量模擬設(shè)備(可同時(shí)輸出數(shù)千路模擬流量的頂級(jí)專業(yè)設(shè)備)將此前采集的典型流量，按照實(shí)際系統(tǒng)的流量邏輯特征注入1：1網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行，并7×24h檢測(cè)各流量的損耗參數(shù)，經(jīng)過為期一個(gè)月的運(yùn)行與監(jiān)控，證明各種業(yè)務(wù)流量完全正常，智能化IP融合網(wǎng)絡(luò)在承載、安全和優(yōu)先級(jí)等方面的設(shè)計(jì)切實(shí)有效，達(dá)到了項(xiàng)目目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過以上網(wǎng)絡(luò)融合前后的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，通過網(wǎng)絡(luò)融合，智能建筑各子系統(tǒng)采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)承載平臺(tái)，在完全滿足各系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)需求的前提下，優(yōu)化了配置，大大降低了投資成本、施工成本及后期的維護(hù)管理成本。

網(wǎng)絡(luò)融合前建筑智能化子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1。

網(wǎng)絡(luò)融合后建筑智能化子系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖2。

通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)各智能化系統(tǒng)的IP化程度不同，整體尚處在比較初步的階段，而且由于弱電系統(tǒng)廠商實(shí)現(xiàn)方式有差異，弱電系統(tǒng)協(xié)議及原理種類繁多，因此不同系統(tǒng)不同產(chǎn)品對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求也不同。

各弱電廠家目前還主要聚焦在其弱電功能實(shí)現(xiàn)上，對(duì)自身設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)特性關(guān)注較少，網(wǎng)絡(luò)廠商因不了解弱電系統(tǒng)的業(yè)務(wù)及實(shí)現(xiàn)，對(duì)弱電系統(tǒng)的融合承載缺少經(jīng)驗(yàn)。

傳統(tǒng)組網(wǎng)中各弱電設(shè)備均是專網(wǎng)保障，因此部分弱電設(shè)備目前在設(shè)計(jì)上對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用較大。

融合承載項(xiàng)目實(shí)際應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)還不多，因此在有條件的情況下，可對(duì)方案功能、承載性能等進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證工作，這樣對(duì)融合承載項(xiàng)目能進(jìn)行更好的保障。隨著弱電系統(tǒng)IP化的逐漸深入，弱電網(wǎng)絡(luò)融合承載的實(shí)際使用逐漸增加，弱電系統(tǒng)IP流量特征、實(shí)際工程等經(jīng)驗(yàn)逐漸豐富，各項(xiàng)有效數(shù)據(jù)逐漸豐富。

[1]建筑智能化系統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)融合解決方案實(shí)踐_H3C技術(shù)［EB/OL］.http://blog.sina.com.cn/s/blog_61bd83dc01011kv0.html.2012.8.

[2]張丹育.建筑智能化設(shè)備IP網(wǎng)融合承載實(shí)踐初探[J].智能建筑電氣技術(shù),2012(10).