新一代智慧大樓的設計方案

王 巍，潘 迪，左 冰，苑東平

（1.中國聯(lián)通網(wǎng)絡技術研究院，北京100048；2.東南大學信息科學與工程學院，江蘇 南京211189；3.北京電信規(guī)劃設計院有限公司，北京100048）

1 概述

隨著信息技術和人工智能技術的不斷發(fā)展，各級政府及眾多企業(yè)已就發(fā)展未來智慧城市達成了共識。智慧城市的發(fā)展基礎就是智慧大樓，建設智慧大樓將是最終建成智慧城市不可或缺的一步。智慧大樓是指在人工智能技術、智能控制技術等一系列新興技術發(fā)展前提下形成的，以傳統(tǒng)建筑大樓為基礎的，集智能準入、智能控制、智能消費等高效管理功能為一體的現(xiàn)代化新型建筑。

世界上第1座智慧大樓追溯到1984年美國康涅狄格州哈特福德市對一座舊的金融大樓的智能化改造，智慧大樓在20世紀90年代開始進入中國。近十年來，隨著北京奧運會的舉辦、“智慧城市”概念的提出以及先進技術的發(fā)展，智慧大樓迎來了投資與建設的熱潮，我國智能建筑目前已約達10 000幢，面積約400億m2，在新增建筑面積中的占比從2006年的10%提升到40%以上。

在傳統(tǒng)大樓的管理模式下，樓內(nèi)的各類設施和設備獨立運行，設備監(jiān)控和管理相關信息獨立存儲，由不同人員獨立管理維護，一方面需要大量人力成本，另一方面難以實現(xiàn)系統(tǒng)間的互聯(lián)互通，統(tǒng)一管理效率低下。在智慧大樓基礎上建成的智慧化信息管理系統(tǒng)將樓內(nèi)設施運行數(shù)據(jù)匯總，從而實現(xiàn)統(tǒng)一的設施管理、能效監(jiān)控，并通過可視化平臺進行展現(xiàn)、分析與控制。

智慧大樓的建設有很多可以依據(jù)的理論。比如，“5A”系統(tǒng)理論是大樓實現(xiàn)智能化的必要組成部分，如表1所示，它包括樓宇自動化（BA）、通信自動化（CA）、辦公自動化（OA）、安全自動化（SA）和消防自動化（FA）。

表1 智慧大樓“5A”系統(tǒng)理論

此外，得到廣泛應用的建筑信息模型（BIM）則是智慧大樓信息管理的理念之一，建筑信息模型是建筑的數(shù)字化表現(xiàn)形式，具體是指為了仿真模擬某一建筑多個方面的實際情況，以該建筑的各項相關數(shù)據(jù)信息為基礎構建的數(shù)字化模型，它具有可視化、模擬化、集中化的特點，是一個協(xié)同共享的信息庫，能夠為大樓整個生命周期各個階段的管理提供依據(jù)。

2 新一代智慧大樓

新一代智慧大樓的建設可以分為3個發(fā)展階段，如圖1所示。

如今，很多商業(yè)及辦公大樓都已經(jīng)達到了第1階段，即實現(xiàn)了樓內(nèi)部分系統(tǒng)的功能智能化，甚至引入了如人臉識別等人工智能技術。功能智能化階段只需要考慮單個系統(tǒng)，是較易實現(xiàn)的；而第2階段即模塊智能化的實現(xiàn)則是智慧大樓的關鍵，該階段是系統(tǒng)模塊化和信息管理智慧化的起點；第3階段的實現(xiàn)則是全面智能化，進一步集成與升級。

考慮到目前尚處的智慧大樓發(fā)展階段（第2階段）的關鍵性，根據(jù)“5A”系統(tǒng)理論，同時引入新興人工智能技術，提出一種新一代智慧大樓的建設方案，其設計圖如圖2所示，此設計主要是針對樓內(nèi)設施的智慧化，包括智能準入、智能控制和智能消費3大模塊。

圖1 新一代智慧大樓發(fā)展階段

圖2 智慧大樓設計圖

2.1 智能準入

辦公大樓的特點是常駐人員多、人員流動大，因此有必要在重要出入口實施高效的、嚴格的準入管理、人員管控和安全監(jiān)控措施。將智慧大樓的智能準入建設依托于人臉識別技術，一方面能夠提高大樓安全系數(shù)，另一方面也可以取締傳統(tǒng)的工牌制度，提高人員的管理效率。

人臉識別技術作為我國人工智能領域首個成熟的技術，其原理是采用人臉識別算法，采集含有人臉的圖像，并自動在圖像數(shù)據(jù)庫中檢測已存儲的人臉信息，找到與之匹配的人臉圖像。相比傳統(tǒng)的生物特征識別技術，人臉識別技術擁有圖像采集速度快、不易復制、對人的行為配合要求低等優(yōu)勢，而目前主流人臉識別技術的準確率也已達99%以上。早期的人臉識別技術只能實現(xiàn)人臉與圖像的1∶1比對，而如今成熟的人臉識別技術已能夠?qū)崿F(xiàn)人臉與圖像庫的1∶N比對，甚至在一些特殊場景能夠?qū)崿F(xiàn)N∶N比對，完全滿足了大樓的智能準入需求。

智能準入在智慧大樓中的應用場景包括出入口閘機、辦公室門禁、關鍵區(qū)域安防監(jiān)控。其中，閘機和門禁主要負責管理人員的出入權限；安防監(jiān)控采用具有人臉識別功能的智能攝像頭，實現(xiàn)人流分析、無權限人員警報等功能。

2.2 智能控制

安全舒適的辦公環(huán)境是大樓入駐公司的形象體現(xiàn)，也是大樓人員的需求所在。智能控制是實現(xiàn)該目標的唯一途徑，也是大樓智能化的基本標準。

大樓智能控制技術通過綜合運用網(wǎng)絡布線技術、自動控制技術以及傳感器技術，實現(xiàn)各類聯(lián)網(wǎng)電氣設備的自動化控制，提高設備的利用率，優(yōu)化設備的運行狀態(tài)和時間，最大程度地降低能耗。

智能控制在智慧大樓中的應用場景包括照明智能控制、空調(diào)及新風智能控制、消防設施智能控制。其中，照明智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)室內(nèi)的人數(shù)及光線的明暗自動調(diào)節(jié)聯(lián)網(wǎng)的燈具和窗簾狀態(tài)，并配套人工操作終端，實現(xiàn)場景模式的自定義與選擇；空調(diào)及新風智能控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實時監(jiān)測的樓內(nèi)溫濕度及空氣質(zhì)量自動調(diào)節(jié)環(huán)境舒適度；消防設施智能控制除了傳統(tǒng)的預防、報警功能，還會將消防信息同步到信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對突發(fā)事件態(tài)勢的實時掌控。

2.3 智能消費

在智慧大樓中，人員的身份及賬戶信息已經(jīng)存儲在統(tǒng)一的管理平臺，因此可以完美實現(xiàn)商品智能識別與人臉識別支付相結(jié)合的智能消費模式。在該模式下，通過圖像識別技術確定消費者所選購的商品種類及價格，通過人臉識別技術確定消費者的身份信息，進而從其個人賬戶中扣取費用。

智能消費模式比如今廣泛使用的移動支付更安全、更便捷，進一步取締了傳統(tǒng)的工牌消費制度，同時也能夠提高入駐商家的營銷能力。但是，商品識別的技術難度較人臉識別更大，何時能夠替代依托條形碼及二維碼的商品識別則取決于圖像識別技術的發(fā)展程度。

智能消費在智慧大樓中的應用場景包括無人商店、無人販賣機、自助食堂。

3 大樓智慧化信息管理

3.1 大樓智慧化信息管理系統(tǒng)設計

除大樓設施的智慧化之外，新一代智慧大樓中還需要建成智慧化的信息管理系統(tǒng)，使傳統(tǒng)大樓的單一管理模式向全系統(tǒng)運行管理模式轉(zhuǎn)變?；诮ㄖ畔⒛Ｐ虰IM的理念，可以提出一種大樓智慧化信息管理系統(tǒng)的設計，該設計圍繞“1個核心，2個圈層”的思路，從而實現(xiàn)“2個維度”的應用管理。

“1個核心”是指以1個統(tǒng)一的物業(yè)及設施管理系統(tǒng)為核心。在樓內(nèi)的設施已通過高速率、高帶寬網(wǎng)絡接入管理系統(tǒng)的基礎上，將智能準入、智能控制、智能消費相關數(shù)據(jù)信息存儲到同一個數(shù)據(jù)庫中，并建立一整套大樓的可視化三維模型，通過該模型實現(xiàn)大樓各部分信息的查詢，以及憑借1個系統(tǒng)聯(lián)動控制多個設施的功能。

“2個圈層”是指通過物理感知層和邏輯感知層實現(xiàn)樓內(nèi)設施和管理系統(tǒng)的交互。圍繞樓內(nèi)設施形成的物理感知層，借助人臉識別技術、傳感器技術等對大樓的運行狀態(tài)進行實時感知反饋；圍繞管理系統(tǒng)的邏輯感知層，整合大樓的運行信息和業(yè)務邏輯，實現(xiàn)協(xié)同管理。

“2個維度”是指智慧化信息管理系統(tǒng)最終將實現(xiàn)設施管理、能效管理兩大維度的功能。

大樓智慧化信息管理系統(tǒng)的架構設計圖如圖3所示。

3.2 設施管理

3.2.1 閘機及門禁系統(tǒng)

閘機及門禁子系統(tǒng)能夠顯示樓內(nèi)閘機及門禁的位置和運行狀態(tài)，提供通過閘機及門禁人員的信息查詢、權限查詢和權限修改，并能夠?qū)崿F(xiàn)對閘機及門禁的遠程控制。

3.2.2 安防監(jiān)控系統(tǒng)

安防監(jiān)控子系統(tǒng)除了能夠調(diào)看樓內(nèi)任意智能攝像頭的監(jiān)控畫面，還能夠?qū)Ξ嬅鎯?nèi)的人員進行人臉識別、身份核驗和行為軌跡分析，對無權限人員闖入、人員異常行為等突發(fā)情況進行報警和跟蹤。

3.2.3 智能照明系統(tǒng)

智能照明子系統(tǒng)能夠顯示樓內(nèi)各區(qū)域照明設施的運行狀態(tài)，并實現(xiàn)整體設施和單個設施的遠程控制。

3.2.4 空調(diào)及新風系統(tǒng)

空調(diào)及新風子系統(tǒng)能夠顯示樓內(nèi)空調(diào)設備和通風設備的運行狀態(tài)，包括各區(qū)域設備的線路、風量、故障等情況，也能夠顯示樓內(nèi)的環(huán)境狀況，包括溫度、濕度、空氣質(zhì)量指數(shù)等指標。一方面協(xié)助制定大樓運行能效策略，另一方面為設備的維護提供便利。

3.2.5 消防報警系統(tǒng)

消防報警子系統(tǒng)在發(fā)生火災、水浸等突發(fā)事件時，能夠根據(jù)連入系統(tǒng)的消防設施對報警區(qū)域進行定位，調(diào)取區(qū)域的安防監(jiān)控畫面，協(xié)助管理人員掌控災情、制定預案，并聯(lián)動照明系統(tǒng)、閘機及門禁系統(tǒng)來保證逃生通道的順暢。

3.2.6 智能消費系統(tǒng)

智能消費子系統(tǒng)具有商店商品的種類及價格查詢、錄入、修改功能，并能夠查看人員的消費記錄，統(tǒng)計和分析商品的售賣情況，協(xié)助商家制定營銷策略。

3.2.7 信息可視化系統(tǒng)

信息可視化子系統(tǒng)在大樓各層設置可視化的信息展示大屏，為樓內(nèi)人員展示管理系統(tǒng)收集到的各種大樓運行狀態(tài)信息，包括電子地圖、環(huán)境監(jiān)測信息、大樓能耗信息、警情信息等，也能夠協(xié)助管理人員進行新聞、通知等信息發(fā)布。

圖3 大樓智慧化信息管理系統(tǒng)架構圖

3.3 能效管理

據(jù)統(tǒng)計，全球有超過40%的能源消耗和21%的溫室氣體排放來自樓宇建筑，其中照明和空調(diào)系統(tǒng)合計占樓宇能耗總成本的40%～60%。目前，在我國的工業(yè)、建筑、交通和生活四大節(jié)能產(chǎn)業(yè)中，建筑節(jié)能是降低能耗、改善城市環(huán)境質(zhì)量的最直接措施。因此，智慧大樓的建設必須采取高效的能效管理措施，將樓宇建筑從能源消費體轉(zhuǎn)變?yōu)槟苄Ь毣芾砥脚_市場的積極參與者。

能效管理主要包括能效監(jiān)控、能效分析、能效策略和智慧化節(jié)能設計。

能效監(jiān)控根據(jù)連入系統(tǒng)的各個設備提供能耗信息，統(tǒng)計大樓的實時能耗，包括用電量、用水量、電力設備工作狀況等，并提供自定義時段的能耗信息查詢。

能效分析根據(jù)獲取的能耗信息，將樓內(nèi)各區(qū)域的能耗數(shù)據(jù)通過圖表方式進行直觀化展現(xiàn)，統(tǒng)計各區(qū)域的能耗比重，通過人工智能技術預測各區(qū)域未來的能耗情況。

能效策略輔助管理人員制定合理的能效管理方法，對高能耗區(qū)域進行跟蹤與診斷，核算各區(qū)域的能耗成本，評估能效管理效果。

智慧化節(jié)能設計能夠根據(jù)智能攝像頭、傳感器等物理感知設備，實時感知樓內(nèi)電氣設備的運行環(huán)境，實現(xiàn)室內(nèi)無人自動斷電等功能。

4 智慧大樓功能圈

新一代智慧大樓的功能圈設計以智慧化信息管理系統(tǒng)為中心，統(tǒng)籌整合智能準入、智能控制和智能消費三大模塊。人員從進入大樓到離開大樓并完成整個辦公及日常需求中所經(jīng)歷的全流程推動了功能圈內(nèi)各系統(tǒng)間的信息流動，進而實現(xiàn)了信息共享與功能聯(lián)動。

智慧大樓的功能圈設計如圖4所示，圖中的箭頭指示了信息流的內(nèi)容及流動方向。在功能圈中，不存在孤立的子系統(tǒng)，各個子系統(tǒng)與中心系統(tǒng)或其他子系統(tǒng)之間均存在信息的交互。如此龐大的信息流交互必須依托良好的網(wǎng)絡條件，因此新興的智能網(wǎng)絡技術如5G、新興的物聯(lián)網(wǎng)技術如窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）等則是決定功能圈流暢運行的關鍵因素。

圖4 智慧大樓功能圈設計

5 結(jié)束語

建設新一代智慧大樓的基礎是對傳統(tǒng)建筑進行智能化改造，這必須依托于飛速發(fā)展的人工智能技術和網(wǎng)絡通信技術，而最終在智慧大樓基石上建成的智慧化信息管理系統(tǒng)將通過統(tǒng)一管控和子系統(tǒng)互聯(lián)互通來實現(xiàn)整個智慧大樓的設施管理、能效管理。以此構建的新一代智慧大樓功能圈，順應了人工智能時代的發(fā)展浪潮，也是打造未來智慧城市的大勢所趨。