智慧建筑的發(fā)展趨勢及與智慧城市的關(guān)系

項顥，沈潔，賈琨

XIANG Hao, SHEN Jie, JIA Kun

(中國電子工程設(shè)計院有限公司)

1 智慧建筑的概念

智慧建筑是全信息建筑，在智能建筑基礎(chǔ)上從時間維度拓展到建筑全生命周期，從空間維度拓展到空天地一體化的物聯(lián)網(wǎng)，應(yīng)用邊界涵蓋使用者和管理者（人），計算方式結(jié)合了認知計算和智能計算[1]。

智慧建筑以人為中心，通過感知入駐用戶的生活體驗和感受，為其提供應(yīng)用及服務(wù)，體現(xiàn)科技為人服務(wù)、無處不在的理念。它通過全面感知，認知、自主學習、自我進化、人機交互等人工智能技術(shù)，以科技方法為橋梁，構(gòu)建人、環(huán)境、建筑之間相互協(xié)調(diào)的生態(tài)體系。其相關(guān)系統(tǒng)貫穿了建筑全生命周期中的設(shè)計、建造、運維、改造等各階段之中。

智慧建筑是全信息建筑，是智能建筑和全生命周期管理系統(tǒng)、一體化網(wǎng)絡(luò)、使用管理者（人）、認知及智能計算的結(jié)綜合體。

2 智慧建筑面臨的挑戰(zhàn)

2.1 面臨的主要問題

①智慧建筑的發(fā)展應(yīng)與智慧城市的頂層規(guī)劃相匹配，并能落實分解智慧城市相關(guān)板塊的標準與指標；

②不同技術(shù)標準產(chǎn)生了大量的異構(gòu)數(shù)據(jù)，急需融合，需實現(xiàn)統(tǒng)一共享；

③建立智慧建筑的評測平臺，實現(xiàn)檢測流程指標的標準化。

2.2 需要突破三個技術(shù)方向

①如何將人工智能技術(shù)與其他信息通信技術(shù)結(jié)合起來，并應(yīng)用于建筑行業(yè)；

②如何打通不同應(yīng)用、技術(shù)間的數(shù)據(jù)壁壘，實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)和融合；

③如何將信息通信技術(shù)融入建筑的全生命周期管理，延長建筑的使用壽命。

3 智慧建筑的發(fā)展趨勢

在發(fā)展智慧建筑的進程中，我們需要克服工業(yè)化、信息化、標準化水平以及管理手段的瓶頸和問題，科學規(guī)劃發(fā)展路線。

通過信息技術(shù)演進、社會化服務(wù)和新技術(shù)方向幾個方面闡述智慧建筑發(fā)展趨勢（見圖1）。

圖1 智慧建筑發(fā)展趨勢圖

智慧建筑的發(fā)展是由信息技術(shù)的研究、其他新技術(shù)的發(fā)展推動其社會化服務(wù)的進步。其中信息技術(shù)演進趨勢包括：近期發(fā)展以建筑信息模型（BIM）技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)等的應(yīng)用為主；中期以云計算技術(shù)、大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心技術(shù)的發(fā)展為目標；遠期目標以人工智能技術(shù)的研究為主。由于人工智能技術(shù)是建筑實現(xiàn)智慧化的關(guān)鍵技術(shù)，基于機器學習的弱人工智能將在中期得到應(yīng)用，遠期則針對強人工智能的深層應(yīng)用研究。

發(fā)展智慧建筑的目標是體現(xiàn)以人為中心的社會化服務(wù)，信息技術(shù)和新技術(shù)的發(fā)展為其提供基礎(chǔ)。綠色、健康是近期目標。智慧化的服務(wù)和營銷新模式是中期目標。形成建筑、環(huán)境、使用者管理者（人）之間利用智能化設(shè)備、科學方法進行協(xié)作的閉環(huán)完整生態(tài)系統(tǒng)，是智能建筑發(fā)展的長期目標。

4 智慧建筑急需突破的技術(shù)難點

在需求的推動下，業(yè)內(nèi)企業(yè)通過搭建智慧中臺，促進數(shù)字化轉(zhuǎn)型，形成新的業(yè)務(wù)流程和管理模式。

針對上節(jié)提出的需要突破的技術(shù)問題，給出初步的解決設(shè)想：

4.1 基于人工智能的云平臺

人工智能技術(shù)依托于云計算平臺，它是智慧建筑產(chǎn)業(yè)鏈的核心。不同的傳感器采集的數(shù)據(jù)，由本地化的邊緣計算首先處理。由云計算服務(wù)器集群構(gòu)成智慧建筑的云平臺核心算法部分，采用機器學習算法做出判斷和決策，并通過執(zhí)行器、控制器對進行控制。平臺的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 智慧建筑云平臺核心算法

4.2 多源融合數(shù)據(jù)分析中心

在智慧建筑工程中，我們建議形成區(qū)域及行業(yè)建筑群的數(shù)據(jù)中心，對普遍意義的數(shù)據(jù)進行融合、統(tǒng)計及分析。數(shù)據(jù)的融會貫通是將建筑的數(shù)據(jù)和其他建筑的數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，并且與人類的意圖相關(guān)聯(lián)，通過數(shù)據(jù)分析能進行智慧行為的改變，這意味著將建筑數(shù)據(jù)與人類的期望相關(guān)聯(lián)。在管理數(shù)據(jù)方面貫通BIM、項目管理（PM）和企業(yè)管理平臺，通過數(shù)據(jù)智能，提供全產(chǎn)業(yè)鏈和全生命周期的自適應(yīng)服務(wù)。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

4.3 社會化需求促進發(fā)展

當前人工智能的發(fā)展還處于弱人工智能階段，在未來智慧建筑產(chǎn)業(yè)中將向強人工智能轉(zhuǎn)換。強人工智能系統(tǒng)建立在弱人工智能算法的基礎(chǔ)上。首先能自動獲取知識，并具備一定人類感知和認知的能力。感知認知分析后的數(shù)據(jù)進入智能專家系統(tǒng)，它含有規(guī)則庫、知識庫、算法庫，智能信息檢索系統(tǒng)能在專家系統(tǒng)中經(jīng)分析判斷提取適合的方法，在自動規(guī)劃單元形成處理策略，經(jīng)智能控制單元實施。完成一次處理流程后，系統(tǒng)能對處理結(jié)果進行分析、推理、形成新的知識、規(guī)則和算法。這一過程是循環(huán)往復(fù)的持續(xù)優(yōu)化的學習過程，中間有人機交互，但不需要人為的干預(yù)。從而形成一個智慧體。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

通過上述持續(xù)優(yōu)化過程，可以提升管理水平的智慧化，使所使用的平臺具備：在線、開放、可進化的自學習、具有內(nèi)生智慧的數(shù)據(jù)模型這四個特點。

5 智慧建筑與智慧城市

5.1 從智慧建筑到智慧城市

智慧建筑發(fā)展到一定階段，其規(guī)模化、網(wǎng)絡(luò)化也促進智慧城市的發(fā)展。智慧城市是我國城市轉(zhuǎn)型升級、提高增效的必由之路，是融合新型城鎮(zhèn)化、工業(yè)化、信息化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和綠色化的有效載體。建設(shè)智慧城市是貫徹黨中央、國務(wù)院關(guān)于創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展。推動新型城鎮(zhèn)化，全面建成小康社會的重要舉措。早期城市智慧化建設(shè)所留下來的：“信息孤島”，“安全隱患”，“重技術(shù)輕服務(wù)”等問題也逐漸暴露，通過人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、 物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展能夠加以解決。

2014 年國家發(fā)改委聯(lián)合七部委發(fā)布《關(guān)于促進智慧城市健康發(fā)展的指導(dǎo)意見》為中國智慧城市建設(shè)確定了基本原則。此后各部委又陸續(xù)發(fā)布了智慧城市相關(guān)國家政策文件，促進了中國智慧城市的發(fā)展，并帶動了智慧建筑的迅速普及。2017 年我國啟動智慧城市建設(shè)和在建智慧城市的數(shù)量已累計超過500 個。

目前大量智慧建筑組成的智慧城市，智慧社區(qū)如雨后春筍般涌現(xiàn)。智慧建筑也隨著智慧城市的發(fā)展不斷積累經(jīng)驗、完善技術(shù)應(yīng)用和實際體驗，已經(jīng)全面融入了智慧城市整體設(shè)計實施之中，做到從頂層設(shè)計開始的一體化設(shè)計實施及全面應(yīng)用。

5.2 智慧建筑與智慧城市的關(guān)系

智慧建筑是智慧城市的基本單元和載體，智慧城市的頂層設(shè)計對智慧建筑具有指導(dǎo)作用，智慧城市與智慧建筑相互支撐。

1）智慧建筑對智慧城市的支撐體現(xiàn)在下面兩點：

①智慧建筑為智慧城市提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。智慧建筑各個階段，廣泛采用了：BIM、數(shù)據(jù)庫、計算機通信、計算機圖形、人機交互、傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、虛擬現(xiàn)實（VR）等技術(shù)，對建筑進行全生命周期的管理，構(gòu)成數(shù)據(jù)采集的重要來源。

②智慧城市建設(shè)依靠智慧建筑提供的數(shù)據(jù)進行分析與應(yīng)用，為決策提供數(shù)據(jù)支撐。根據(jù)《中國智能建筑行業(yè)發(fā)展報告（2013-2018）》顯示，我國每年約新建智能建筑4000 億m2。隨著智能建筑的不斷普及，它作為智慧城市的固定數(shù)據(jù)收集節(jié)點，發(fā)揮著穩(wěn)定的、細致的作用，可以充分反映城市居民的工作和生活情況。

圖3 多源數(shù)據(jù)中心組成結(jié)構(gòu)

圖4 基于強人工智能的持續(xù)學習優(yōu)化功能

2）智慧城市的頂層設(shè)計對智慧建筑具有指導(dǎo)作用

智慧城市是由智能建筑的智慧體形成的互聯(lián)網(wǎng)，在城市整體規(guī)劃中，還需要考慮智慧交通、公共服務(wù)等環(huán)節(jié)。智慧建筑是整個城市網(wǎng)絡(luò)體系的有機組成部分。

不同城市、不同類型建筑具有不同的特點，其構(gòu)成智慧建筑的數(shù)據(jù)采集來源和管理關(guān)注點都是不同的。針對智慧城市頂層設(shè)計規(guī)劃中的不同指標，在智慧建筑建設(shè)過程中，需要分類規(guī)劃，針對不同類型的建筑數(shù)據(jù)，差異化地實施管理。

6 結(jié)語

本文通過智慧建筑的概念，分析了其面臨的問題和挑戰(zhàn)。針對當前的問題，從信息化、新技術(shù)、社會化服務(wù)給出了智慧建筑未來10 年～15 年的發(fā)展趨勢。我們分析了智慧建筑急需突破的三個技術(shù)難點，給出了智慧建筑云平臺核心算法、多源數(shù)據(jù)中心組成結(jié)構(gòu)、基于強人工智能的持續(xù)學習優(yōu)化功能的解決方案。最后論述了智慧建筑與智慧城市的關(guān)系，對于提升智慧建筑的技術(shù)、拓展其應(yīng)用具有重要意義。