基于城市數(shù)字底座的智慧建筑操作系統(tǒng)探析

劉 翀[華建數(shù)創(chuàng)（上海）科技有限公司， 上海 200070]

1 智慧建筑的發(fā)展歷程

黨的十九大報告明確提出了數(shù)字中國、智慧社會概念，作為數(shù)字中國戰(zhàn)略落地實施的重要載體，智慧建筑行業(yè)正步入迅速發(fā)展的新時代。智慧建筑市場未來前景巨大，國內(nèi)外針對智能建筑、智慧建筑的定義和做法不盡相同。本文針對智慧建筑行業(yè)的發(fā)展歷程進(jìn)行了簡單梳理。

1.1 傳統(tǒng)建筑

20 世紀(jì) 80 年代引入智能建筑概之前，國內(nèi)建筑市場普遍存在的是以舊基建時代特點為代表的傳統(tǒng)建筑。傳統(tǒng)建筑自動化程度低，管理基本依靠人工。如照明，燈光只能手動操作開關(guān)。傳統(tǒng)建筑中，信息不能互通，如電費、水費、燃?xì)赓M等計算還需人工抄表。傳統(tǒng)建筑的光纖入戶、三網(wǎng)融合等功能亦需要大量改造升級工作。當(dāng)前，全國范圍內(nèi)對智能建筑的認(rèn)識還不夠全面深入。一些所謂的智能建筑，其功能融合度上存在欠缺，喪失了智能建筑的根本要義，本質(zhì)上仍未擺脫傳統(tǒng)建筑的束縛。

1.2 智能建筑

智能建筑是為適應(yīng)現(xiàn)代信息社會對建筑物功能、環(huán)境和高效管理要求，由傳統(tǒng)建筑的基礎(chǔ)上發(fā)展而來。有關(guān)智能建筑的構(gòu)成及特征說法眾多，普遍認(rèn)為智能建筑應(yīng)具有環(huán)境感知、信息傳遞及處理、系統(tǒng)集成信息分析判斷及系統(tǒng)操控響應(yīng)等能力。此類能力建立在 CA（通信自動化系統(tǒng)）、OA（辦公自動化系統(tǒng)）、BA（建筑設(shè)備自動化運行系統(tǒng)）、SA（安全自動化系統(tǒng)）、FA（火警自動系統(tǒng)）、GCS（綜合布線系統(tǒng)）有機(jī)結(jié)合、系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)上。智能化程度的高低取決于系統(tǒng)綜合集成的程度。

1.3 數(shù)字建筑

隨著產(chǎn)業(yè)數(shù)字化變革大潮到來，數(shù)字科技承載中國建筑智慧化與產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)型的進(jìn)程。相關(guān)行業(yè)普遍認(rèn)為，數(shù)字建筑是指利用 BIM 和云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能（AI）等信息技術(shù)引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的行業(yè)戰(zhàn)略。結(jié)合先進(jìn)的精益建造理論方法，集成人員、流程、數(shù)據(jù)、技術(shù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)建筑的全過程、全要素、全參與方的數(shù)字化、在線化、智能化，從而構(gòu)建項目、企業(yè)和產(chǎn)業(yè)的平臺生態(tài)新體系。數(shù)字建筑是建筑產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的核心引擎，通過新設(shè)計、新建造、新運維的“三新“驅(qū)動產(chǎn)業(yè)變革與創(chuàng)新發(fā)展，可讓建筑產(chǎn)業(yè)提升至工業(yè)級精細(xì)化水平，規(guī)模化地滿足個性化需求，交付達(dá)到工業(yè)級品質(zhì)的健康建筑產(chǎn)品。在數(shù)字化變革的大趨勢下，作為數(shù)字科技與建筑產(chǎn)業(yè)有效融合的數(shù)字建筑，普遍具有數(shù)字化、在線化、智能化三大特征。

1.4 智慧建筑

在數(shù)字化背景下，不同產(chǎn)業(yè)和區(qū)域的生態(tài)之間聯(lián)系愈發(fā)緊密，不再局限于行業(yè)、地域等因素的限制。跨界應(yīng)用產(chǎn)生豐富的創(chuàng)新空間，從而形成統(tǒng)一智慧生態(tài)共同體。在此背景下，建筑產(chǎn)業(yè)密切結(jié)合新基建、互聯(lián)網(wǎng)+ 為智慧建筑賦能，并從演進(jìn)視角將智慧建筑定義為智能建筑在時間、空間、要素邊界、計算方式和新經(jīng)濟(jì)模式 5 個維度上拓展形成的新概念。智慧建筑應(yīng)具有 8 個基本特征，即實施感知、高效傳輸、自主控制、自主學(xué)習(xí)、個性化定制、自尋優(yōu)進(jìn)化、自組織協(xié)同和智能決策。

2 智慧建筑的現(xiàn)狀分析

隨著智慧建筑發(fā)展到一定階段，其規(guī)?；?、網(wǎng)絡(luò)化同時促進(jìn)了智慧城市的發(fā)展。早期城市智慧化建設(shè)所留下來的“煙囪系統(tǒng)”“信息孤島”“安全隱患”“重技術(shù)輕服務(wù)”等問題也逐漸暴露出來，亟須通過新一代信息技術(shù)的迅猛發(fā)展逐步加以解決。但從現(xiàn)階段我國智慧建筑的發(fā)展現(xiàn)狀來看，仍存在以下問題。① 頂層設(shè)計層面缺乏科學(xué)的整體規(guī)劃及切實可行的分類實施框架。② 技術(shù)應(yīng)用層面存在技術(shù)瓶頸，核心技術(shù)創(chuàng)新能力亟待加強(qiáng)。③ 系統(tǒng)集成層面：煙囪系統(tǒng)、信息孤島等現(xiàn)象亟待解決。④ 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)層面：數(shù)據(jù)開放共享進(jìn)展緩慢，亟待統(tǒng)一數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。⑤ 管理制度層面：亟待管理體制創(chuàng)新。⑥ 產(chǎn)業(yè)發(fā)展層面：亟待健全產(chǎn)業(yè)支撐體系、擴(kuò)展智慧建筑應(yīng)用范疇。⑦ 保障體系層面：亟待完善相應(yīng)的保障措施。⑧ 評價體系層面：尚未完善針對智慧建筑考核的整體評價體系。

3 解決方案總體思路

3.1 建筑操作系統(tǒng)（BOS）理念

智慧建筑大腦是一款泛建筑類的智能化操作系統(tǒng)（BOS，Building Operation System）。該系統(tǒng)利用云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)，使建筑具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調(diào)的智慧生命體，可為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的智慧建筑。其以“數(shù)字孿生、虛實映射、雙智驅(qū)動”為建設(shè)理念，以空間可視化為載體，以智慧建筑大腦為核心，整合建筑時空數(shù)據(jù)，打通信息孤島，實現(xiàn)場景聯(lián)動，賦予智慧建筑行業(yè)數(shù)據(jù)驅(qū)動能力。智慧建筑操作系統(tǒng) BOS 業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖 1 所示。

BOS 可靈活部署在公有云、私有云、混合云環(huán)境下。核心功能基于 Docker 容器化部署運行，外部接口為其他開發(fā)者或集成服務(wù)商提供的交互接口服務(wù)，向下對接各類應(yīng)用子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，向上為數(shù)創(chuàng)自身的應(yīng)用及合作伙伴提供數(shù)據(jù)集成、模型展示等服務(wù)。BOS 主要組件包括建筑數(shù)據(jù)連接器、建筑感知適配器和建筑孿生數(shù)字底板。通過數(shù)模分離技術(shù)進(jìn)行處理，并按構(gòu)件分類標(biāo)準(zhǔn)及映射規(guī)則進(jìn)行匹配、關(guān)聯(lián)相關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù)，選擇需要的城市數(shù)字場景，進(jìn)行渲染烘焙，場景內(nèi)各數(shù)據(jù)通過接口與 BOS 內(nèi)部數(shù)據(jù)接口進(jìn)行交互。

圖 1 智慧建筑操作系統(tǒng) BOS 業(yè)務(wù)架構(gòu)圖

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

智慧建筑操作系統(tǒng)是新一代信息技術(shù)與建筑深度融合而建立起來的建筑生態(tài)系統(tǒng)，其研究與發(fā)展是一項系統(tǒng)性和持久性的工作。如何將 BOS 緊密結(jié)合實際，提升智慧化程度，突破信息獲取、更新、管理、挖掘、整合、應(yīng)用、服務(wù)等方面的瓶頸，需要以下關(guān)鍵技術(shù)的融合應(yīng)用。① 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合技術(shù)。② 立體感知技術(shù)。③ SSL 加密技術(shù)。④多元數(shù)據(jù)治理技術(shù)。⑤ AI 分析研判技術(shù)。⑥ 動態(tài)事件呈現(xiàn)技術(shù)。⑦ 柔性仿真技術(shù)。⑧ 數(shù)字化身份標(biāo)識。⑨ 虛實互動技術(shù)。

除了以上先進(jìn)成熟的技術(shù)應(yīng)用外，Web Service 技術(shù)、HTML 5 技術(shù)、Redis 分布式緩存技術(shù)、ElasticSearch 彈性搜索引擎等技術(shù)的應(yīng)用同樣為 BOS 服務(wù)提供了基礎(chǔ)保障。

4 建筑操作系統(tǒng)的應(yīng)用前景

4.1 向上支撐智慧建筑的應(yīng)用

基于 BOS 實現(xiàn)信息共享，對接智慧建筑不同層次需求的業(yè)務(wù)應(yīng)用場景。運用大數(shù)據(jù)挖掘分析，建立數(shù)據(jù)分析模型和可預(yù)見性管理，提高運行效率和綜合處置能力。通過大屏展示和移動應(yīng)用，讓決策者、管理層和普通用戶切實體會“智慧”感受，真正達(dá)到綠色、科技、安全、舒適、高效、低碳的目標(biāo)，實現(xiàn)智慧建筑管理從粗放到精細(xì)、從被動到主動、從靜態(tài)到動態(tài)、從單一到互動、從傳統(tǒng)到現(xiàn)代的五大革命性轉(zhuǎn)變，提升核心競爭力和可持續(xù)發(fā)展能力。

4.2 向下對接城市數(shù)字底座

在智慧建筑的各個階段，對數(shù)據(jù)平臺進(jìn)行動態(tài)更新。通過“1C5B”的動態(tài)數(shù)據(jù)采集模式，實現(xiàn)數(shù)字孿生城市的伴隨式生長，將 “歷史、現(xiàn)在、將來”的時空數(shù)據(jù)集中反映在城市數(shù)字底座上。

4.3 廣度鏈接為智慧城市

通過數(shù)字城市底座進(jìn)行信息的感知、傳遞、溝通和連接，集成智慧城市現(xiàn)狀數(shù)據(jù)及建設(shè)過程中數(shù)據(jù)，為未來智慧城市運營管理提供智能化保障，高效便捷與城市運營其他系統(tǒng)對接、具備可擴(kuò)展性。為政府、市民、企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)提供城市公用設(shè)施基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)及升級服務(wù)，具有良好的延展性?；诹Ⅲw感知的動態(tài)監(jiān)控、泛在網(wǎng)絡(luò)的及時響應(yīng)、數(shù)據(jù)模型的實時分析、城市智腦的科學(xué)決策，解決城市規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、管理、服務(wù)閉環(huán)過程中的復(fù)雜性和不確定性問題，全面提高城市物質(zhì)資源、智力資源、信息資源配置效率和運轉(zhuǎn)狀態(tài)，實現(xiàn)智慧城市的內(nèi)生發(fā)展動力，做到“伴隨式生長”。

4.4 深度發(fā)展為 AI 城市

隨著信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，AI 技術(shù)也在逐步優(yōu)化。在 AI 系統(tǒng)中，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、專家系統(tǒng)、模塊結(jié)構(gòu)化等都在智慧城市的深度應(yīng)用中得到不錯的發(fā)展和進(jìn)步。AI 技術(shù)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用讓城市各區(qū)域間進(jìn)行有效的信息交流，進(jìn)一步實現(xiàn)一體化的管理，對城市的統(tǒng)一建設(shè)和發(fā)展意義重大，不僅能夠不斷地滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生活和工作的需求，提高人們生活的品質(zhì)，還能進(jìn)一步促進(jìn)智慧城市的發(fā)展。未來，智慧城市 AI 應(yīng)用將面臨應(yīng)用程度加深、智慧領(lǐng)域進(jìn)一步細(xì)化趨勢?；?BOS 若干 AI 智慧微循環(huán)將被建立，最終鏈接成為 AI 集群，形成真正自適應(yīng)、自組織的 AI 智慧系統(tǒng)。云上 AI 將進(jìn)一步得到發(fā)展，AI 城市的大數(shù)據(jù)價值越發(fā)凸顯，同時對大數(shù)據(jù)處理分析能力提出更高的要求，最終深度發(fā)展成為 AI 城市。

5 結(jié) 語

黨的十九大報告在論述加快建設(shè)創(chuàng)新型國家時，提出了智慧社會這一讓人耳目一新的概念。智慧社會概念是對智慧城市概念的發(fā)展，也是對智慧城市概念的中國化和時代化。智慧社會地建立離不開建筑的智能化。通過梳理智慧建筑從統(tǒng)建筑、智能建筑到數(shù)字建筑逐步發(fā)展的歷程，基于智慧建筑操作系統(tǒng)（BOS）基本概念和關(guān)鍵技術(shù)的闡述，對智能建筑的未來進(jìn)行了展望。希冀可為日后智能建筑、智慧社會的發(fā)展提供一定助力。