人工智能在智慧建筑中的應用

楊詩冬，楊鄧文萍

（華研設(shè)計（深圳）有限公司）

1 引言

近年來，隨著第三次人工智能技術(shù)浪潮的到來，人工智能技術(shù)與不同行業(yè)的融合已成為主流。

2 人工智能發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 人工智能發(fā)展歷程

人工智能的概念應該從人工智能和智能的各個方面來理解。所謂的智能是指由人類文明產(chǎn)生的智能，是人類智能的產(chǎn)物，而人工智能是指計算機或其他具有人工智能的終端可以模擬人類的智能行為和思維。人工智能是計算機科學的一個分支。它在不久的將來的主要目標是利用機器來模仿和實現(xiàn)人類大腦的一些智能功能，并開發(fā)相關(guān)的理論和技術(shù)。人工智能的發(fā)展可以分為三個階段。第一階段是智力活動階段，也被稱為弱人工智能。第二階段是感官智能，也被稱為強大的人工智能。在這個階段，機器可以聽、說、看、識別。它屬于人類水平的人工智能項目。通過數(shù)學模型和大數(shù)據(jù)學習，它可以識別模擬人類認知能力。第三階段是認知智能，也被稱為超人工智能。在這個階段，機器可以理解和思考，其主要功能是識別高級智能的模擬，如人類的理解、推理和學習。

2.2 人工智能當前發(fā)展現(xiàn)狀

隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，人工智能，如水和電，在今天的社會中得到了廣泛的應用。人工智能的應用主要體現(xiàn)在三個方面:

1）智能界面技術(shù)

智能界面技術(shù)的目的是建立人機交互和諧的環(huán)境，在和諧的條件下識別智能，使人機交互自然方便。作為人與人之間的交流。它提高了人機交互的友好性，提高了每個人的信息系統(tǒng)的應用水平，促進了有意義的相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。目前，這種技術(shù)主要應用于不同的行業(yè)，如服務機器人、智能語音交互系統(tǒng)等。

2）數(shù)據(jù)挖掘

研究數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)主要是利用和分析各種復雜的海洋數(shù)據(jù)，尋找有用的數(shù)據(jù)。目前，數(shù)據(jù)庫、人工智能和數(shù)學統(tǒng)計已成為數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的三種技術(shù)支持，采用基本理論、算法、可視化技術(shù)、知識表示和半結(jié)構(gòu)化的方法作為研究內(nèi)容，為數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展提供理論和技術(shù)支持。例如，大型人工智能平臺，用于更大的數(shù)據(jù)集和更深層次的神經(jīng)網(wǎng)絡是這項技術(shù)的化身。

3）自治系統(tǒng)研究

自治系統(tǒng)可以識別出意圖和機器思想的創(chuàng)造，這是一種更人性化的自治實體系統(tǒng)。自治系統(tǒng)可以完成一些相對獨立的任務，甚至調(diào)整自己的狀態(tài)，以應對環(huán)境和特殊情況的變化，以確保完成自己的計劃任務。目前，該技術(shù)主要用于機器人輔助醫(yī)療、機器人檢測和機器人檢測。

3 人工智能智慧建筑發(fā)展背景及內(nèi)涵

3.1 人工智能智慧建筑發(fā)展背景

自18世紀中期以來，人類歷史上發(fā)生了四次工業(yè)革命:蒸汽技術(shù)革命、電子技術(shù)革命、計算機技術(shù)革命和綠色智能工業(yè)革命。工業(yè)4.0是德國政府“2020德國高科技戰(zhàn)略”提出的未來10個項目之一。它的目的是提高制造業(yè)的智能水平，建立具有適應性、資源效率和基因工程的智能工廠，整合客戶和業(yè)務伙伴的流程和流程價值，其技術(shù)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡。在新一輪工業(yè)革命的背景下，建筑業(yè)和城市也在發(fā)生變化，面臨著城市和工業(yè)創(chuàng)新的問題。在城市中應用工業(yè)4.0的概念和技術(shù)正在創(chuàng)造新的價值，重組城市的工業(yè)鏈，并創(chuàng)造新的城市經(jīng)濟形式。在過去的幾年里，中國的數(shù)字和智能社會建設(shè)在新的城市化和社會經(jīng)濟智慧轉(zhuǎn)型的過程中得到了強有力的推動，建筑業(yè)信息化發(fā)展迅速。

3.2 人工智能智慧建筑內(nèi)涵

智能經(jīng)濟的模式是:物聯(lián)網(wǎng)+人工智能+適應性服務?！爸悄芙ㄖ笔侵悄芙?jīng)濟的一部分，必須符合智能經(jīng)濟的模式。因此，人工智能已經(jīng)成為智能建筑模型的重要組成部分。智能建筑是不斷發(fā)展的新事物。研究和工業(yè)化都在探索中。其方法和理念繼續(xù)滲透到傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域，成為傳統(tǒng)建筑行業(yè)轉(zhuǎn)型和升級的唯一途徑。

4 人工智能+智慧建筑應用場景

4.1 智慧工地構(gòu)建目標

4.1.1 全面感知與數(shù)據(jù)實時互聯(lián)

在施工過程中，現(xiàn)場情況不是一成不變的，項目主體的施工進度和項目的客觀環(huán)境不斷變化，而人為干預現(xiàn)場管理的因素無疑會導致施工失誤和紙泄漏。要求管理者使用科學的管理手段來預測現(xiàn)場不同因素的變化，以達到事前控制，并確?，F(xiàn)場所有的生產(chǎn)活動都在項目中順利進行，以達到項目的所有管理目標。

4.1.2 智能化管理與數(shù)字化辦公

在當今的數(shù)碼時代，建設(shè)產(chǎn)業(yè)將會更多地關(guān)注高級科技的運用，因此在網(wǎng)站管理上應該加強對信息資源的管理。在這一階段，大部分建設(shè)企業(yè)在信息資源管理方面與其他產(chǎn)業(yè)存在很大差異。因此，現(xiàn)場管理要加強現(xiàn)代技術(shù)的應用，保證信息的準確性和真?zhèn)?，有效地組織和分析信息。建筑工地管理可以從云平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)建管理工具。利用核心數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)終端的網(wǎng)絡和統(tǒng)合，去全面取代建設(shè)現(xiàn)場的管理模式，使用人工智能技術(shù)進行所有種類的智能分析。建設(shè)現(xiàn)場的智能管理和數(shù)字辦公室為實現(xiàn)數(shù)據(jù)在線及視覺進行決策分析。

4.1.3 打造工地的資源整合平臺

在現(xiàn)場管理中，使用不同的軟件和硬件系統(tǒng)來進行商業(yè)活動。但大多數(shù)來自項目決策的信息來自報告。由于個人因素，在信息傳遞過程中不可避免地會出現(xiàn)偏差。要實現(xiàn)信息管理的系統(tǒng)化，消除地方因素的干擾，把建設(shè)現(xiàn)場各商業(yè)系統(tǒng)的軟件，硬件應用軟件整合起來，形成一個有機整體，從整體的觀點來識別和指導問題。用系統(tǒng)分析方法保證建設(shè)現(xiàn)場管理的核心因素，流程管理決定的綜合性和準確性。

4.2 智慧工地功能規(guī)劃

4.2.1 智慧工地功能分析

以網(wǎng)絡信息為基礎(chǔ)，對智能型建設(shè)現(xiàn)場的功能進行分析，定義智能型建設(shè)現(xiàn)場的建設(shè)目標，對智能型建設(shè)現(xiàn)場的功能作出追加決定。

建設(shè)現(xiàn)場管理是動態(tài)控制程序。建設(shè)現(xiàn)場管理，本質(zhì)上是整個生產(chǎn)工程的目標控制。通過信息收集，掌握建設(shè)現(xiàn)場的實際運行狀態(tài)，通過信息反饋，持續(xù)修改現(xiàn)有的計劃。如果出現(xiàn)偏差，為了實現(xiàn)建設(shè)現(xiàn)場管理的目標，可以采取相應的修改措施。

4.2.2 智慧工地功能結(jié)構(gòu)

信息、系統(tǒng)、控制和反饋是網(wǎng)絡的基本要素。信息是管理器和控制對象之間的連接。信息是系統(tǒng)控制的基礎(chǔ)。管理員的決策過程是收集信息的反饋過程?？刂剖歉鶕?jù)管理目的滿足控制變更的過程?，F(xiàn)場管理中的控制器是管理者的主體，現(xiàn)場生產(chǎn)要素和施工目標則是被控制的對象。

智能型建設(shè)現(xiàn)場將通過構(gòu)建智能型管理平臺，將建設(shè)現(xiàn)場各子系統(tǒng)的軟件和硬件應用軟件整合到建設(shè)現(xiàn)場管理系統(tǒng)。管理對象包括人力，機械，材料，環(huán)境和建設(shè)目標。

4.3 智慧工地的具體功能

4.3.1 信息采集與傳輸

智能建設(shè)現(xiàn)場的建設(shè)可以使用人工智能技術(shù)收集數(shù)據(jù)。信息通過網(wǎng)絡技術(shù)傳輸，管理人員可以隨時獲取人員數(shù)量，工作類型，工作狀態(tài)以及其他建設(shè)人員的信息。在建設(shè)現(xiàn)場掌握建設(shè)機械及設(shè)備的維護及運行情況。掌握有關(guān)接受，庫存及其他條件的現(xiàn)場資料。網(wǎng)站安全、施工進度、施工質(zhì)量、成本管理等。

4.3.2 信息存儲功能

智能型建設(shè)現(xiàn)場使用具有存儲功能的服務器存儲信息。與勞動力，機械裝備，資本和建設(shè)環(huán)境等類型資源相比，信息資源也是現(xiàn)場建設(shè)的重要資源。通過在建筑工地的生產(chǎn)活動生成的信息，對建設(shè)企業(yè)來說是非常寶貴的資源。管理者的決策應客觀地完全了解內(nèi)部及外部條件，因此信息是管理決策的基礎(chǔ)。在管理與控制上，我們要最大限度地利用信息資源，持續(xù)地反饋，修改原計劃，提高管理效率。

4.3.3 智能控制功能

智能型建設(shè)現(xiàn)場要有控制功能。以適應環(huán)境的變化為重點。這種管理是一種目的，一種無缺陷的，動態(tài)的控制目標的過程。在已有的站點管理模式下，此類控制活動將通過站點的前沿管理或站點的指揮。智能型建筑現(xiàn)場監(jiān)控功能可通過系統(tǒng)判斷自動生成控制命令。與傳統(tǒng)的管理模式相比，該系統(tǒng)的控制功能更加準確有效，也是建設(shè)現(xiàn)場管理的“智慧”象征。比如，對工地環(huán)境信息的收集和分析，系統(tǒng)會認識到工地灰塵超標。智能型建設(shè)現(xiàn)場系統(tǒng)自動向塵?？刂葡到y(tǒng)提供指南，吹響警報，啟動現(xiàn)場防塵裝備，有效控制建設(shè)環(huán)境。建設(shè)現(xiàn)場的其他因素和目標管理也可能適用，但控制對象可能不同。

4.3.4 信息反饋輔助決策

通過生產(chǎn)活動的結(jié)果，實現(xiàn)系統(tǒng)確定的目標。反饋功能是將智能型網(wǎng)站管理過程中收集到的控制效果信息與計劃目標進行比較，根據(jù)過去的情況調(diào)整以后的控制動作。在建設(shè)現(xiàn)場管理中，隨著建設(shè)的進行，管理因素不斷改變，這是項目動態(tài)控制的體現(xiàn)。管理員遇到管理對象的信息時不能更改。經(jīng)理常常作出正確的決定是不容易的。在智能型建設(shè)工地，通過人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)，對各類管理問題進行比較分析，可以得出結(jié)果，管理人員可以根據(jù)結(jié)果作出更好的決策。因此，智能型建設(shè)現(xiàn)場管理人員可以通過信息智能型分析來幫助決策。例如，當建設(shè)進程加速時，建筑材料的調(diào)撥方法，滿足特定勞動需要的方法，建設(shè)機械設(shè)備的正負荷能否滿足要求，施工進度的加快，建設(shè)安全質(zhì)量管理等。

5 人工智能在智慧建筑中方案設(shè)計

5.1 人工智能在智慧建筑中總體概述

1）人工智能＋能源管控在智慧建筑能耗監(jiān)控中的應用

Deep mind之前為谷歌開發(fā)了一套系統(tǒng)。它利用機器學習來管理數(shù)據(jù)中心、新材料+傳感器+動態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)，以及外部建筑自動化系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)等系統(tǒng)，可以稱為建筑的“呼吸系統(tǒng)”和“皮膚”?？商岣邤?shù)據(jù)中心的電能利用效率，降低功耗15%。例如，百度云、阿里巴巴云等開展了“造云”水試等相關(guān)業(yè)務。

百度的智能建筑項目科技園集成設(shè)備的功能通過百度云設(shè)備描述技術(shù)，實現(xiàn)建筑的整體模式控制設(shè)備，根據(jù)峰谷電價，區(qū)域人員分布，天氣溫度和其他環(huán)境數(shù)據(jù)，以便提前切換模式來降低建筑能耗。通過機器學習的方式，對水泵的健康狀態(tài)進行可預測的監(jiān)測，預測水泵的故障，避免設(shè)備停機。在故障處理方面，百度云為采暖通風系統(tǒng)的閉環(huán)水系統(tǒng)建立了一個數(shù)字孿生模型，提前實現(xiàn)故障預測和預防。在過去一個月的運作中，節(jié)省了約25萬kw的電力。未來，有望幫助園區(qū)內(nèi)的冷站每年減少100萬kw·h的電力消耗。效果是相當明顯的。未來，人工智能技術(shù)將在大型園區(qū)的能耗管理中發(fā)揮越來越重要的作用。

2)基于人工智能+ GIS + BIM +物聯(lián)網(wǎng)的智能樓宇運維技術(shù)

基于人工智能的GIS + BIM綜合管理平臺有著廣泛的應用。產(chǎn)品包括城市和景觀規(guī)劃、三維地圖、環(huán)境模擬、熱傳導模擬、災害管理、國土安全、車輛和行人導航、移動機器人、室內(nèi)導航等。利用BIM技術(shù)和GIS GIS實現(xiàn)工程建設(shè)全生命周期管理，分析BIM技術(shù)在建設(shè)項目全生命周期各施工階段的關(guān)鍵應用點。在建設(shè)過程中，提出實時采集信息，整合BIM + GIS +云平臺+信息邏輯等技術(shù)，形成智能運維平臺的新思路。例如，在當前建設(shè)高速鐵路車站，人工智能技術(shù)+ GIS + BIM +物聯(lián)網(wǎng)應用的管理和操作和維護站，可以管理高速鐵路的空間，各種設(shè)備的應用程序和各種預警信號的處理。特別是在處理特殊緊急事件，如火災、通過可視化和三維真實場景，可以更有效地管理和指揮現(xiàn)場應急處理。通過BIM + GIS +物聯(lián)網(wǎng)+人工智能等技術(shù)的集成，具有強大的數(shù)據(jù)分析功能和強大的可視化處理功能，可以實現(xiàn)云存儲和協(xié)同工作。

5.2 人工智能在智慧建筑中整體架構(gòu)體系設(shè)計

智能站點的構(gòu)成分為4個層次，分別為數(shù)據(jù)收集、商業(yè)系統(tǒng)應用、管理平臺和綜合應用程序的尾端。管理者可通過PC網(wǎng)頁、移動應用程序及現(xiàn)場LED顯示屏控制數(shù)據(jù)，隨時隨地掌握網(wǎng)站的動態(tài)。智能建設(shè)現(xiàn)場的建設(shè)，將實現(xiàn)建設(shè)現(xiàn)場信息化，智力和視覺管理。而智能網(wǎng)站的設(shè)計如圖1。

5.3 人工智能在智慧建筑中實施技術(shù)路徑

智能建設(shè)現(xiàn)場的建設(shè)主要依靠人工智能技術(shù)，云計算技術(shù)和其他相關(guān)硬件設(shè)施。人工智能技術(shù)，人力的實時狀態(tài)，在工地可以收集機械設(shè)備材料的使用及其他信息。通過視頻監(jiān)控技術(shù)，可以獲得現(xiàn)場影響數(shù)據(jù)。通過互聯(lián)網(wǎng)和局域網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)。云平臺技術(shù)可以用來建立管理平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和分析。通過人工智能的學習能力，能夠獲得事故現(xiàn)場和判斷力，建設(shè)現(xiàn)場智能控制技術(shù)的路徑見圖2。

圖1 智慧工地體系架構(gòu)

圖2 智慧建筑技術(shù)路徑

5.4 人工智能在智慧建筑中主要內(nèi)容

1)構(gòu)建智能網(wǎng)站管理平臺

在整合管理中，管理員的主要任務是：將現(xiàn)有資源按照項目設(shè)定的目標，整合到整個系統(tǒng)中，保持管理過程的資源之間的動態(tài)平衡，以適應網(wǎng)站的變更。達成條件及預期管理目標。所以需要建立一個智能站點信息管理平臺。智能站點管理架構(gòu)基于由故事與計算組合而成的Alibaba云端平臺。

2)現(xiàn)場智能型監(jiān)測系統(tǒng)

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫主要來自工地的各類硬件設(shè)備，用以監(jiān)測建筑工地的人力、機械設(shè)備、材料和環(huán)境。

3)現(xiàn)場人員管理系統(tǒng)

基于人工智能技術(shù)，該系統(tǒng)可整合面部識別、無線通信、設(shè)備識別、數(shù)據(jù)收集、人事活動探測及其他模塊，并通過網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送至智能型站點管理平臺。

6 結(jié)語

以人工智能為基礎(chǔ)的智能型建筑技術(shù)正在擴展到各個建筑領(lǐng)域。智能型終端可以實現(xiàn)人，車，裝備，物體特性，密度及行動信息的智能型收集，識別和分析，從而大幅提高監(jiān)測值和大數(shù)據(jù)搜索效率。通過大數(shù)據(jù)平臺的連接處理，高清晰度圖像將被直觀地顯示出來，從而提供建筑資產(chǎn)管理與建筑服務。分析和決策標準包括非常指揮，建設(shè)人員及車輛管理與控制;與助理醫(yī)師的決策模式相結(jié)合。隨著深度學習、大數(shù)據(jù)支持、計算性能改善及其他因素的開發(fā)，人工智能技術(shù)在智能大樓能源消耗監(jiān)測、智能大樓安全管理與控制、智能大樓智能建設(shè)中嶄露頭角。