智慧建筑：建筑業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)之路

文｜杜明芳

圖1 智慧建筑定義（智能建筑演進(jìn)視角）

圖2 智慧建筑定義（CPS 系統(tǒng)視角）

智慧建筑的發(fā)展背景

黨的十九大報(bào)告明確提出了數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)概念，作為數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)戰(zhàn)略落地實(shí)施的重要載體，智能建筑行業(yè)具有義不容辭的歷史責(zé)任。當(dāng)前，我國(guó)智能建筑行業(yè)創(chuàng)新、融合、轉(zhuǎn)型發(fā)展的需求十分強(qiáng)烈，但相關(guān)理論、方法、方向依舊比較模糊。智慧建筑是未來(lái)的發(fā)展方向已成為業(yè)界共識(shí)，智慧建筑的概念和實(shí)踐體系正處于初步形成階段，來(lái)自不同方面的定義和做法也不盡相同，因此，智慧建筑急需從內(nèi)涵、架構(gòu)、理論體系方面加以明確化，才能為業(yè)界提供更好的方向指引，才能更好地促進(jìn)行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展。

圖3 智慧建筑八個(gè)基本特征

在經(jīng)濟(jì)全球化背景下，以信息技術(shù)革命以及由信息技術(shù)革命帶動(dòng)的、以高新科技產(chǎn)業(yè)為龍頭的新經(jīng)濟(jì)正處于飛速發(fā)展中，新經(jīng)濟(jì)時(shí)代正在被開啟。新經(jīng)濟(jì)以數(shù)字技術(shù)為標(biāo)志和驅(qū)動(dòng)力，以知識(shí)資源為依托，創(chuàng)新性知識(shí)在知識(shí)中占主導(dǎo)，創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)成為龍頭產(chǎn)業(yè)，是一種智慧經(jīng)濟(jì)形態(tài)，具有低失業(yè)、低通貨膨脹、低財(cái)政赤字、高增長(zhǎng)的特點(diǎn)。數(shù)字經(jīng)濟(jì)是新經(jīng)濟(jì)的具體展現(xiàn)形態(tài)，是傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)改革轉(zhuǎn)型的方向。它采用現(xiàn)代創(chuàng)新引擎“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能+”“創(chuàng)新2.0”改造傳統(tǒng)工業(yè)經(jīng)濟(jì)，重構(gòu)出智能型經(jīng)濟(jì)新業(yè)態(tài)，具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、全球化、知識(shí)化、智能化、開源化的特征。在數(shù)字化背景下，不同產(chǎn)業(yè)和區(qū)域的生態(tài)之間，開始發(fā)生越來(lái)越多的關(guān)聯(lián)，它們可能將不再羈于行業(yè)、地域等因素帶來(lái)的條塊分割，緊密地交錯(cuò)起來(lái)，讓跨界地帶產(chǎn)生豐富的創(chuàng)新空間，從而形成一個(gè)“數(shù)字生態(tài)共同體”。在此背景下，建筑業(yè)呈現(xiàn)出的新趨勢(shì)為 ：工業(yè)化、數(shù)字化（BIM）、綠色化、互聯(lián)網(wǎng)化、AI 化。智慧建筑應(yīng)該密切結(jié)合新經(jīng)濟(jì)、數(shù)字經(jīng)濟(jì)、數(shù)字生態(tài)的背景進(jìn)行定義。

智慧建筑的定義

從智能建筑演進(jìn)的視角看，智慧建筑的定義如圖1所示，是智能建筑在五個(gè)維度上拓展后形成的新概念。這五個(gè)維度包括：時(shí)間維度、空間維度、要素邊界維度、計(jì)算方式維度、新經(jīng)濟(jì)模式維度。集中體現(xiàn)了近年來(lái)以“互聯(lián)網(wǎng)+”為代表的新一代信息技術(shù)為傳統(tǒng)行業(yè)的賦能作用。

從CPS 系統(tǒng)視角看，智慧建筑（smart building）的定義如圖2所示。

智慧建筑應(yīng)具有八個(gè)基本特征：實(shí)時(shí)感知、高效傳輸、自主控制、自主學(xué)習(xí)、個(gè)性化定制、自尋優(yōu)進(jìn)化、自組織協(xié)同、智能決策。如圖3所示。

圖4 智慧建筑系統(tǒng)架構(gòu)

智慧建筑的系統(tǒng)架構(gòu)

隨著智慧建筑和新一代信息技術(shù)、工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，智慧建筑集成系統(tǒng)的架構(gòu)也有所改變。以往是分布式控制系統(tǒng)架構(gòu)占主導(dǎo)，現(xiàn)在更多的向去中心化、網(wǎng)絡(luò)扁平化、計(jì)算分布化、環(huán)境交互直接化方向演化。本文結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能及邊緣計(jì)算理論，提出兩種智慧建筑集成化系統(tǒng)架構(gòu)模式描述方法，代表了未來(lái)智慧建筑系統(tǒng)架構(gòu)的演進(jìn)方向。隨著5G商用化的到來(lái)，2020年～2022年將迎來(lái)5G 換機(jī)潮及相應(yīng)的基于5G 移動(dòng)通信的物聯(lián)網(wǎng)的大爆發(fā)。在5G 物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代到來(lái)之際，過去幾年云計(jì)算的充分發(fā)展和大數(shù)據(jù)的沉淀隨之引發(fā)了邊緣計(jì)算落地應(yīng)用的各種可能，也引發(fā)了智慧建筑邊緣計(jì)算需求的迅猛增長(zhǎng)，智慧建筑邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)成為智慧建筑體系架構(gòu)中的核心組成要素。各種新型智能基礎(chǔ)設(shè)施綜合驅(qū)動(dòng)下的智慧建筑系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖5 智慧建筑類腦計(jì)算

未來(lái)的智慧建筑架構(gòu)將朝著云、邊、端一體化協(xié)同的智能計(jì)算體系發(fā)展演進(jìn)，人工智能算法將被嵌入到云端運(yùn)營(yíng)管理中心、邊緣計(jì)算端節(jié)點(diǎn)及移動(dòng)端節(jié)點(diǎn)，形成智慧建筑泛在智能物聯(lián)網(wǎng)。相應(yīng)的建筑邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)將進(jìn)一步細(xì)分為三種類型：（1）邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)I 即建筑分腦邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，與運(yùn)營(yíng)管理中心云直接互聯(lián)，形成分布式協(xié)同計(jì)算體系，一般布設(shè)在社區(qū)、園區(qū)、商業(yè)集聚區(qū)；（2）邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)II 即控制網(wǎng)內(nèi)用于就地控制、協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由等功能的邊緣計(jì)算；（3）邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)III 即感知控制裝置內(nèi)嵌的計(jì)算，位于系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)最底層。未來(lái)，移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)也將成為5G 建筑物聯(lián)網(wǎng)的主流計(jì)算模式。

圖6 建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三層體系

圖7 智慧建筑Agent 強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法框架

智慧建筑的理論體系

作為發(fā)展中的事物，智慧建筑迄今為止并無(wú)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚擉w系，智慧建筑理論體系的構(gòu)建是支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的奠基性工作?；诖耍疚奶岢鰳?gòu)成智慧建筑理論體系的四個(gè)核心點(diǎn)：（1）云腦及類腦計(jì)算和情感計(jì)算；（2）建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；（3）多智能體強(qiáng)化學(xué)習(xí)；（4）智慧建筑知識(shí)圖譜。這四點(diǎn)分別從不同角度解釋智慧建筑理論的內(nèi)涵，互為補(bǔ)充，充分體現(xiàn)了人工智能與建筑的耦合。

智慧建筑云腦及類腦計(jì)算采用類腦計(jì)算技術(shù)路線，如圖5所示。

情感計(jì)算的概念1997年由MIT 媒體實(shí)驗(yàn)室Picard 教授提出，她指出情感計(jì)算是與情感相關(guān)，來(lái)源于情感或能夠?qū)η楦惺┘佑绊懙挠?jì)算。目前的人工智能還很難達(dá)到情感智能水平，智慧建筑在健康程度、節(jié)能程度、人機(jī)友好程度方面的情感計(jì)算需要探索。

建筑工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的三層體系如圖6所示。

Multi-Agent 理論目前已廣泛應(yīng)用于城市、經(jīng)濟(jì)、工業(yè)、建筑、物流、供應(yīng)鏈等領(lǐng)域，世界上許多數(shù)學(xué)家、經(jīng)濟(jì)學(xué)家、人工智能學(xué)家等都正在對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。Multi-Agent 理論為多自主體傳感器網(wǎng)絡(luò)、自組織動(dòng)態(tài)智能網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線傳感網(wǎng)、城市物聯(lián)網(wǎng)等的發(fā)展提供了理論支撐，能夠很好的描述和解釋現(xiàn)實(shí)世界中的智能化應(yīng)用系統(tǒng)。智慧建筑和智慧城市系統(tǒng)非常適合應(yīng)用該理論。由于智慧建筑與智慧城市系統(tǒng)無(wú)法在實(shí)際項(xiàng)目中承受強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法所要求的多次試錯(cuò)，就需要借助仿真系統(tǒng)完成這種試錯(cuò)過程。因此，提出一種采用BIM 建模仿真實(shí)體建筑，在仿真空間中模擬和學(xué)習(xí)真實(shí)世界的方法。并將試錯(cuò)反饋信息關(guān)聯(lián)到真實(shí)世界中的建筑與城市。智慧建筑Agent 強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法框架如圖7所示。

隨著全球第四次科技革命的深入推進(jìn)，智慧建筑的研究、開發(fā)、應(yīng)用將會(huì)得到進(jìn)一步蓬勃發(fā)展。從建筑領(lǐng)域自身來(lái)看，本領(lǐng)域?qū)χ悄?、?jié)能、高效、舒適、便捷、人性化、健康等方面存在巨大需求，而當(dāng)前階段這些方面發(fā)展的尚不夠理想，能夠真正以人為本、環(huán)境友好的智慧建筑示范項(xiàng)目還比較少。在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、“互聯(lián)網(wǎng)+”已經(jīng)充分發(fā)展的基礎(chǔ)上，人工智能時(shí)代到來(lái)，人工智能將成為助力以上需求實(shí)現(xiàn)的有力工具。同時(shí)，隨著智慧城市建設(shè)的深入推進(jìn)，智慧建筑理論體系將會(huì)加速形成和不斷完善，成為智慧城市理論體系奠基性的組成部分。