AIoT技術(shù)在綠色智能建筑樓宇自控系統(tǒng)中的最新發(fā)展和應(yīng)用探究

王 宏，韓 晨，李丹丹，2，李紅濤

(1.鄭州輕工業(yè)大學(xué)建筑環(huán)境工程學(xué)院，鄭州 450002；2.河南省智慧建筑與人居環(huán)境工程技術(shù)研究中心，鄭州 450002；3.東方電子股份有限公司，山東 煙臺 264000)

隨著計(jì)算機(jī)、信息、通信、智能控制等先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，綠色智能建筑以及智慧建筑作為信息化社會的產(chǎn)物應(yīng)運(yùn)而生，特別是人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G(5th-Generation)等先進(jìn)技術(shù)在綠色智能建筑中的融合應(yīng)用，其中以人工智能AI(Artificial Intelligence)+物聯(lián)網(wǎng)IoT(Internet of Things)為技術(shù)基礎(chǔ)的“智能物聯(lián)網(wǎng)”(AIoT，即AI+IoT)最具代表性，綠色智能建筑的智能化水平以超出想象的速度發(fā)展，對建筑智能化行業(yè)的影響也越來越大、越來越深入，已逐步發(fā)展成為智能建筑行業(yè)的關(guān)鍵法寶[1].

當(dāng)前，在以工業(yè)4.0、中國制造2025為代表的全球第四次工業(yè)革命的推動下，國內(nèi)外都在積極推動建筑的綠色化、智能化以及智慧化的發(fā)展、實(shí)踐與應(yīng)用，但是有關(guān)綠色建筑智能化的大量新技術(shù)和應(yīng)用融合技術(shù)還有待探索與解決，還存在著這樣的問題[2]：1) 實(shí)際當(dāng)中沒有始終堅(jiān)持將“智能化、綠色化”作為樓宇自控行業(yè)的主要方向，即沒有將國家的綠色化政策、有關(guān)綠色建筑的各級各類標(biāo)準(zhǔn)以及各種智能化技術(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確把控、嚴(yán)格執(zhí)行和融合應(yīng)用；2) 在智能建筑逐步向智慧建筑轉(zhuǎn)變的實(shí)際應(yīng)用中，以人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等為代表的先進(jìn)技術(shù)在綠色智能建筑中的有效結(jié)合和融合應(yīng)用還存在理論基礎(chǔ)薄弱、實(shí)際應(yīng)用不夠等問題，如何利用AI與IoT結(jié)合而成的AIoT技術(shù)，解決和彌補(bǔ)此前IoT只有數(shù)據(jù)而沒有數(shù)據(jù)處理、反饋能力欠缺等問題；3) 不能及時有效借鑒當(dāng)前國外先進(jìn)技術(shù)，無論是從控制方法、算法以及策略等方面，還是從深入研究出更具理論性和可行性的樓宇自控節(jié)能方案，不能積極應(yīng)用于我國的樓宇自動化產(chǎn)業(yè)當(dāng)中去.因此，為了真正實(shí)現(xiàn)建筑的“智能化”、“綠色化”以及“可持續(xù)化”，積極構(gòu)建和開展“AIoT+智慧建筑”的理論和應(yīng)用研究就顯得十分重要，一方面要注重以樓宇系統(tǒng)為代表的節(jié)能控制和智能控制，包括系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)、智能控制改進(jìn)等等；另一方面又要注重系統(tǒng)的信息技術(shù)融合和系統(tǒng)集成，即通過互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能等新技術(shù)的應(yīng)用構(gòu)建功能強(qiáng)大、運(yùn)行可靠、操作方便的開放式智能化建筑集成平臺.

1 AIoT技術(shù)

“AIoT” 的中文名稱是智能物聯(lián)網(wǎng)，即“AI+IoT”，是以人工智能和物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)的有機(jī)結(jié)合、有效組合以及應(yīng)用融合.其實(shí)AIoT 這個概念早在2017年就被提出并被行業(yè)首次推向大眾化，近年來已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)以及建筑行業(yè)的熱門詞匯和行業(yè)熱點(diǎn)，隨著相關(guān)技術(shù)的成熟和應(yīng)用的深入，其內(nèi)涵也越來越豐富.AIoT其實(shí)不是一門新興的技術(shù)，但也不是簡單的AI+IoT，而是以人工智能和物聯(lián)網(wǎng)為技術(shù)基礎(chǔ)，以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等智能計(jì)算為基礎(chǔ)支撐，以半導(dǎo)體為智能算法載體，以網(wǎng)絡(luò)通信和信息安全等技術(shù)為實(shí)施保障，以寬帶、5G等聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為催化劑，從而實(shí)現(xiàn)以智慧建筑為代表的萬物智聯(lián)化和萬物數(shù)據(jù)化，即將AI賦能于IoT并最終實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)和建筑的智能化升級[3].當(dāng)前，人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)共同追求的是一個智能化甚至智慧化的綠色生態(tài)體系，除了要在技術(shù)上不斷創(chuàng)新，技術(shù)的實(shí)際融合應(yīng)用更是現(xiàn)階段人工智能與物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域急迫解決的核心問題.

近年來，圍繞著國家新型城鎮(zhèn)化進(jìn)程推進(jìn)、經(jīng)濟(jì)社會智慧化轉(zhuǎn)型，國家在“數(shù)字經(jīng)濟(jì)、智慧城市、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、智能制造”等方面相繼出臺了一系列重要政策，其中，2018年10月國務(wù)院印發(fā)了《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，進(jìn)一步明確了我國新一代人工智能的發(fā)展目標(biāo)，人工智能的發(fā)展迎來重大戰(zhàn)略發(fā)展機(jī)遇并上升為國家戰(zhàn)略，這些都有力地推進(jìn)了數(shù)字中國、智慧社會的建設(shè)，建筑業(yè)智能化和信息化隨之快速發(fā)展[4].全球化特別是我國數(shù)字化進(jìn)程三十年，即：模式時代(Personal Computer)→PC互聯(lián)時代→移動互聯(lián)時代→物聯(lián)網(wǎng)→智能物聯(lián)網(wǎng)時代的不斷演進(jìn)，特別是隨著AI技術(shù)以及IoT技術(shù)的迅速發(fā)展和“一體化”進(jìn)程，信息和數(shù)據(jù)在為AI提供活力的同時，AI也在為IoT創(chuàng)造一切可能，AIoT技術(shù)已成為未來十年AI領(lǐng)域最具可能性和可塑性的發(fā)展方向，也成為以建筑行業(yè)為代表的各大傳統(tǒng)行業(yè)智能化升級的有效途徑和最佳通道，是智能建筑和智慧城市等新興產(chǎn)業(yè)的重要基礎(chǔ)，現(xiàn)已成為所在行業(yè)的一致共識[5].隨著應(yīng)用場景的不斷落地，終端設(shè)備AIoT化的趨勢已經(jīng)逐漸明顯，現(xiàn)在越來越多的國內(nèi)外企業(yè)將AIoT列為企業(yè)當(dāng)前和今后主要的發(fā)展方向之一，盡管目前整個行業(yè)還不算成熟，但在諸如機(jī)器人、智能建筑(智能家居)、自動駕駛、智慧城市(智慧醫(yī)療)、智慧農(nóng)村等領(lǐng)域極具發(fā)展前景[6].

2 綠色智能建筑

智能建筑這個概念的提出還要追溯到上世紀(jì)80年代，最早是由美國的聯(lián)合建筑系統(tǒng)公司倡導(dǎo)并提出，1984年1月，世界上第一座真正意義上的智能建筑——“都市辦公大樓”(City Place Building)在美國康涅狄格州福德市改建而成，而我國的第一座智能建筑則是1989年建成的北京發(fā)展大廈，進(jìn)入90年代以后，智能建筑的發(fā)展迅速起來.

目前，智能建筑已經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，但目前還沒有一個被國內(nèi)外廣泛接受的確切定義.美國智能建筑學(xué)會AIBI (American Intelligent Building Institute)給出的定義則是：“智能建筑是將結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)、運(yùn)營及其相互聯(lián)系全面綜合，并達(dá)到最佳組合，所獲得的高效率、高功能與舒適性的大樓”.在國內(nèi)，特別是在 GB/T 50314—2015 《智能建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中，針對智能建筑則明確定義為：“以建筑物為平臺，基于對各類智能化信息的綜合應(yīng)用，集架構(gòu)、系統(tǒng)、應(yīng)用、管理及優(yōu)化組合為一體，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)的整合體，為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑”[7].從各個國家對智能建筑的定義比較來看，智能建筑是以建筑環(huán)境為平臺，運(yùn)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、通信技術(shù)、多媒體技術(shù)和現(xiàn)代建筑藝術(shù)相結(jié)合，運(yùn)用系統(tǒng)工程、系統(tǒng)集成等先進(jìn)的科學(xué)原理，通過對建筑物的4個基本要素，即結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)、服務(wù)和管理，以及它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，以最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，向用戶提供信息服務(wù)及安全、舒適、便利的環(huán)境服務(wù)，適合當(dāng)今信息技術(shù)高速發(fā)展的需求特點(diǎn)的現(xiàn)代化建筑[8].

近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等高新技術(shù)的飛速發(fā)展，在智能建筑自身不斷發(fā)展的同時，綠色智能建筑、超智能建筑以及智慧建筑等概念不斷涌現(xiàn)[9].其中，與智能建筑相比，綠色智能建筑則是指在建筑的全壽命周期內(nèi)，最大限度地節(jié)約資源，包括節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材等，保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、舒適和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑物；綠色智能建筑技術(shù)注重低耗、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、集成與優(yōu)化，是人與自然、現(xiàn)在與未來之間的利益共享，是可持續(xù)發(fā)展的建設(shè)手段[10].

隨著AI(人工智能)和IoT(物聯(lián)網(wǎng))等技術(shù)的快速發(fā)展與成熟應(yīng)用，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算以及人工智能等技術(shù)在建筑智能化行業(yè)的綜合融合應(yīng)用愈加深入，具有智能感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、計(jì)算存儲、控制管理、統(tǒng)計(jì)決策、診斷預(yù)測的一體化綜合能力，特別是在AIoT等技術(shù)的加持下，智能建筑將逐步向超智能建筑以及智慧建筑轉(zhuǎn)變，通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、互聯(lián)網(wǎng)使得傳統(tǒng)的控制方式難以完成的任務(wù)，現(xiàn)在則變得輕而易舉.智慧建筑的核心是基于類腦AI技術(shù)，萬物互聯(lián)的物聯(lián)網(wǎng)則是其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，所以，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)和智能建筑才是簡化、優(yōu)化和創(chuàng)新建筑功能的理想組合，即通過機(jī)器視覺、自組織、自規(guī)劃、仿生自學(xué)習(xí)、智能控制與自主決策等功能.目前，關(guān)于智慧建筑的確切定義尚不算多，如圖1所示是基于信息物理系統(tǒng)CPS (Cyber-Physical Systems)所構(gòu)成的智能建筑與智慧建筑的系統(tǒng)構(gòu)成及演進(jìn)過程.其中，圖(a)是由建筑和信息兩個基本要素所構(gòu)成的智能建筑二元系統(tǒng)，主要采用現(xiàn)場總線和智能控制等技術(shù)；圖(b) 則是由人、建筑和信息三元素所構(gòu)成的第一代智慧建筑，即智慧建筑1.0三元系統(tǒng)，主要采用物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及智能控制等技術(shù)；圖(c)則是在圖(b)基礎(chǔ)上進(jìn)一步融合應(yīng)用了AIoT技術(shù)所構(gòu)成的“AIoT+智慧建筑”，即第二代智慧建筑或超智能建筑，主要加持了AI技術(shù)作為驅(qū)動.

智慧建筑是“AI+智能建筑”的理想組合，其核心是“人工智能平臺”，即“AI云腦”，如圖2所示為智慧建筑“AI云腦”組成體系的總體架構(gòu)，即分別由感知層、傳輸層和控制層組成，其中感知層主要包括具有視覺、聽覺、觸覺、味覺等功能的智能傳感器，此類智能傳感器不僅具有自組織、自學(xué)習(xí)、自診斷和自補(bǔ)償、復(fù)合感知等能力，還具有精度高、成本低、功能全、自動化強(qiáng)等特點(diǎn)；傳輸層一般采用邊緣計(jì)算、云計(jì)算、霧計(jì)算、5G通信以及現(xiàn)場總線所構(gòu)成的綜合技術(shù)體系；控制決策層則由控制、決策、執(zhí)行、管理等集群組成[11].

圖1 智慧建筑的演進(jìn)Fig.1 The evolution of intelligent building

圖2 智慧建筑“AI云腦”Fig.2 The ‘AI cloud brain’ of intelligent building

3 AIoT技術(shù)在綠色智能建筑樓宇自控中的應(yīng)用

當(dāng)前，能源危機(jī)、環(huán)境保護(hù)以及可持續(xù)發(fā)展等問題被人們持續(xù)關(guān)注，建筑物是世界上最大的能源消耗者之一，其消耗的能源和釋放的溫室氣體量占世界能源總消耗量的1/4～1/3.在我國，每年新建建筑80%以上為高耗能建筑，既有建筑95%以上是高能耗建筑，目前我國單位建筑面積能耗是發(fā)達(dá)國家的2～3倍以上.綠色智能建筑以及智慧建筑既是當(dāng)前建筑技術(shù)與計(jì)算機(jī)信息技術(shù)以及智能控制技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，又是信息社會與經(jīng)濟(jì)國際化的需要[12].樓宇自動化系統(tǒng)常被人們稱為建筑設(shè)備自動化系統(tǒng)，即BAS 系統(tǒng)(Building Automation System)，一般包括建筑物設(shè)備運(yùn)行管理、火災(zāi)報(bào)警與消防聯(lián)動控制以及公共安全技術(shù)防范等內(nèi)容.高度智能化的綠色智能建筑一般始于樓宇自控系統(tǒng)，即最終都是由智能化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，所以其作為智能建筑的關(guān)鍵核心組成部分的作用就不言而喻了.

3.1 基于AIoT技術(shù)的樓宇自控系統(tǒng)層級架構(gòu)

伴隨著AIoT技術(shù)在智能建筑特別是其樓宇自控系統(tǒng)中的進(jìn)一步融合應(yīng)用，“人工智能”也逐漸向“應(yīng)用智能”發(fā)展，以綠色智能建筑、智能建筑能效管理以及人工智能和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為核心，采用最新信息技術(shù)構(gòu)成的智能建筑已經(jīng)成為了未來智能建筑的發(fā)展方向，所以積極構(gòu)建和開展“AIoT+智慧建筑”的理論和應(yīng)用研究就顯得十分重要.目前，智能建筑樓宇自控系統(tǒng)經(jīng)常采取基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三層架構(gòu)體系，即一般由感知層、傳輸層和應(yīng)用層組成.為了提高智能建筑樓宇自控在進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)時的可行性、擴(kuò)展性以及系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行時的安全性、可靠性等綜合性能，在原有智能建筑樓宇自控系統(tǒng)三層體系架構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合AIoT技術(shù)的實(shí)際融合應(yīng)用，最終構(gòu)成了如圖3所示的基于AIoT的智能建筑樓宇自控系統(tǒng)總體層級架構(gòu)，即從下至上共計(jì)5層，分別由終端設(shè)備層、智能感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、AI云腦控制層和應(yīng)用場景層構(gòu)成，該體系架構(gòu)可將智能建筑當(dāng)中最龐大和最復(fù)雜的樓宇自控系統(tǒng)構(gòu)建的結(jié)構(gòu)更為清晰，分工更為明確[13].其中，終端設(shè)備層位于架構(gòu)的最底層，是綠色智能建筑實(shí)現(xiàn)“綠色化”和“智能化”的最終承擔(dān)者，一般包括實(shí)現(xiàn)各種特定功能的樓宇系統(tǒng)智能終端；智能感知層即綠色智能建筑中具有通信能力的各類智能化設(shè)備以及智能傳感器和控制器等，可進(jìn)行信息的初步處理并為應(yīng)用場景層提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)通信層即綠色智能建筑中的各種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和綜合布線系統(tǒng)等，主要承載著來自感知層獲取的信息傳遞和數(shù)據(jù)通信的任務(wù)；AI云腦控制層相當(dāng)于人工智能控制決策平臺，即通過AI智能單元、智能算法以及信息技術(shù)來完成各個子系統(tǒng)的實(shí)時數(shù)據(jù)和信息的挖掘、計(jì)算、分析、統(tǒng)計(jì)、分類以及整合，最終實(shí)現(xiàn)自主控制、自主學(xué)習(xí)、智能決策、自組織協(xié)同、自尋優(yōu)進(jìn)化、個性化定制等功能；應(yīng)用場景層即根據(jù)不同用戶的不同要求建立面向具體用戶的各個模塊系統(tǒng)的系統(tǒng)集成平臺.

圖3 基于AIoT的智能建筑樓宇自控系統(tǒng)總體層級架構(gòu)Fig.3 The overall hierarchical structure of intelligent building automation system based on AIoT

3.2 AIoT技術(shù)在綠色智能建筑樓宇自控照明系統(tǒng)中的應(yīng)用

目前，建筑節(jié)能是全球化節(jié)能減排的主要潮流與趨勢之一，同時是我國提倡節(jié)能減排、堅(jiān)持節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境、不斷發(fā)展和推廣綠色建筑以及大力推進(jìn)綠色發(fā)展和新型城鎮(zhèn)化建設(shè)的基本國策.實(shí)際當(dāng)中，發(fā)展智能建筑特別是綠色智能建筑就是為了建筑在實(shí)現(xiàn)高度現(xiàn)代化、智能化、滿足健康和舒適性的同時，實(shí)現(xiàn)能源消耗的最低化，從而達(dá)到節(jié)省投入和成本的最終目的[14].例如，目前在智能建筑能耗中占到40%的中央空調(diào)系統(tǒng)以及20%的照明系統(tǒng)，特別是一些諸如學(xué)校教室以及圖書館閱覽室等建筑中，照明所產(chǎn)生的能耗甚至達(dá)到30%～40%，而常規(guī)使用的普通照明系統(tǒng)的控制方式較為單一，即一般是區(qū)域全開或者全關(guān)，特別對于室內(nèi)房間人員較少的時候，如果整個房間照明全開，則勢必會造成很大一部分的能源浪費(fèi)；另外，如果隨意通過屋內(nèi)的開關(guān)來開啟或關(guān)閉照明，這無形中也增加了能源浪費(fèi)[15].

3.2.1 基于AIoT的綠色智能建筑樓宇自控照明節(jié)能系統(tǒng)控制方案 與傳統(tǒng)的照明系統(tǒng)和照明方式相比，采用AIoT技術(shù)的智能化照明系統(tǒng)既可以滿足不同用戶不同照明需求，又可實(shí)現(xiàn)用電量消耗的盡可能降低.實(shí)際當(dāng)中，一方面在硬件方面采用AI單元模塊且高效節(jié)能的LED智能照明燈具，可以實(shí)現(xiàn)照明燈具的單燈調(diào)光控、組控、群控、場景控、智能控制，從而滿足不同場景的照明需求；另一方面還可以根據(jù)場景實(shí)際采取切實(shí)可行的照明系統(tǒng)人工智能控制方案，即可以結(jié)合人員偵測感應(yīng)和日光傳感器，實(shí)現(xiàn)人體感應(yīng)控制、光線感應(yīng)控制、定時控制以及場景預(yù)設(shè)控制等，對不同時間、不同環(huán)境的光照度進(jìn)行精確設(shè)置和合理管理[16].如圖4所示即為一種基于AIoT技術(shù)的樓宇自動照明節(jié)能系統(tǒng)原理方框圖.

圖4 基于AIoT的樓宇自動照明節(jié)能系統(tǒng)原理框圖Fig.4 The schematic block diagram of building automatic lighting energy saving system based on AIoT

該智能照明系統(tǒng)包括上位機(jī)和室內(nèi)照明子系統(tǒng)，各室內(nèi)照明子系統(tǒng)和上位機(jī)位于同一局域網(wǎng)內(nèi)，且各室內(nèi)照明子系統(tǒng)的子控制器通過局域網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通訊連接，室內(nèi)照明子系統(tǒng)，包括圖像采集單元、子控制器、子存儲器、智能開關(guān)和若干子照明單元；圖像采集單元與子控制器通訊連接并將采集的室內(nèi)圖像信息傳輸給子控制器，子控制器處理后將處理結(jié)果存儲在子存儲器內(nèi)；各子照明單元并聯(lián)設(shè)置并分別與子控制器通訊連接，子控制器接收并處理后將相應(yīng)的信息存儲在子存儲器內(nèi)；智能開關(guān)與子控制器連接，給子控制器發(fā)送控制指令.該智能照明系統(tǒng)可分區(qū)域自主性控制，即將室內(nèi)劃分為若干個子照明單元，根據(jù)各子照明區(qū)域內(nèi)的人數(shù)和亮度信息，并結(jié)合其他子照明區(qū)域的情況，控制子照明單元的照明與否，能根據(jù)實(shí)際情況控制照明，避免無人區(qū)域也照明，造成多余電能的損耗，能最大程度貼合實(shí)際使用，達(dá)到最大程度的節(jié)能效果.

圖5為該智能照明系統(tǒng)的控制流程圖，其實(shí)際控制過程大致為：1)子照明系統(tǒng)首先全面采集室內(nèi)圖像信息，并通過圖像采集卡傳輸?shù)椒挚刂破鲀?nèi)，分控制器對獲得的圖像進(jìn)行處理，獲得室內(nèi)各子照明單元對應(yīng)區(qū)域的人數(shù)和空位.2)分控制器根據(jù)各子照明單元對應(yīng)區(qū)域按人數(shù)多到人數(shù)少順序排列，從而設(shè)定各子照明單元的處理順序，其中人數(shù)多的子照明單元優(yōu)先處理.3)首個子照明單元的子光強(qiáng)度傳感器檢測區(qū)域亮度信息并傳輸給子控制器，子控制器將實(shí)時亮度與亮度設(shè)定值比較，若實(shí)時亮度大于亮度設(shè)定值，則子控制器通過子繼電器控制子照明燈熄滅；反之，子控制器通過子繼電器通電，啟動子照明燈，并且每個子照明燈的故障檢測元件將檢測信息傳輸?shù)阶涌刂破?，子控制器進(jìn)行處理并存儲在分存儲器內(nèi).4)將下一個子照明單元的實(shí)時人數(shù)與該子照明單元的人數(shù)下限值比較，若實(shí)時人數(shù)大于人數(shù)下限值，則子控制器控制下一子照明單元亮燈；反之，進(jìn)行步驟3).5)重復(fù)步驟3)和4)，直至保證每個子照明單元都處理一遍.6)每次循環(huán)結(jié)束子控制器將分存儲器內(nèi)存儲的故障通過局域網(wǎng)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中，所述故障包括故障位置和故障數(shù)量，當(dāng)故障數(shù)量達(dá)到設(shè)定數(shù)量時，上位機(jī)給上位機(jī)或報(bào)警器一個信號，進(jìn)行提醒管理人員，并且將故障生成列表，打印出來后可以使采購人員清楚知曉需要采購多少，維修人員知曉維修位置.

圖5 智能照明系統(tǒng)節(jié)能控制流程圖Fig.5 Energy saving control flow chart of intelligent lighting system

3.2.2 基于AIoT的綠色智能建筑樓宇照明系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測 目前，伴隨著人工智能和信息化技術(shù)的發(fā)展成熟，為了加強(qiáng)AIoT技術(shù)在綠色智能建筑智能化運(yùn)維中的實(shí)際融合應(yīng)用，積極開展智能建筑故障診斷、預(yù)測分析與健康管理的B-PHM (Building Prognostic and Health Management)技術(shù)研究是目前AIoT在智慧建筑特別是其樓宇自控系統(tǒng)中的典型應(yīng)用場景之一.實(shí)際當(dāng)中，樓宇照明系統(tǒng)同樣需要經(jīng)常進(jìn)行故障實(shí)時監(jiān)測、異常數(shù)據(jù)分析以及利用預(yù)測模型進(jìn)行故障的提前預(yù)測，方便運(yùn)維管理，從而確保安全，所以如何融合應(yīng)用以AIoT技術(shù)為代表的先進(jìn)技術(shù)，在實(shí)際當(dāng)中采取有效的節(jié)能控制、能源管理、故障診斷與預(yù)測，真正做到按需使用，在提高和滿足樓宇所在人員健康和舒適性的同時，不僅可以有效的降低建筑設(shè)備的能耗，還可以通過AI工具進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理，并基于構(gòu)建的AI算法模型(機(jī)器學(xué)習(xí)、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等)來針對樓宇照明系統(tǒng)開展全生命周期的故障診斷、預(yù)測以及健康評估與運(yùn)維管理，從而使建筑能耗的智能化運(yùn)維更具可持續(xù)性[17].

如圖6所示是基于 “神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+專家系統(tǒng)”的樓宇照明系統(tǒng)AI故障診斷模型，即以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，建立樓宇照明領(lǐng)域內(nèi)的專家系統(tǒng)，采用該領(lǐng)域?qū)＜蚁到y(tǒng)的相關(guān)知識和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)最終完成整個系統(tǒng)的實(shí)時故障診斷以及預(yù)測等工作，系統(tǒng)研發(fā)和模型建立的主要步驟如下[18]：

1) 異常數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測、統(tǒng)計(jì)分析.一般可依據(jù)實(shí)際組成和構(gòu)成樓宇照明系統(tǒng)的故障集合，例如，專用智能傳感器會及時將某時刻燈具的電壓、電流、溫度、濕度、功率和亮度等參數(shù)及時推入到數(shù)據(jù)庫中，從而構(gòu)成專家系統(tǒng)的事實(shí)庫.

2) 樓宇照明系統(tǒng)故障診斷與預(yù)測建模.針對樓宇照明系統(tǒng)，建立基于“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)+專家系統(tǒng)”的故障診斷預(yù)測模型，即首先輸入故障診斷的原始數(shù)據(jù)、訓(xùn)練使用的樣本數(shù)據(jù)以及領(lǐng)域?qū)＜宜峁┑膶W(xué)習(xí)實(shí)例，然后進(jìn)行專門的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，最終形成較為實(shí)用的實(shí)時在線故障診斷網(wǎng)絡(luò)模型和預(yù)測工具.

3) 實(shí)際當(dāng)中，可實(shí)現(xiàn)故障診斷模型的在線化，即提供給對應(yīng)的實(shí)際樓宇照明系統(tǒng)工程，最終實(shí)現(xiàn)實(shí)際數(shù)據(jù)、參數(shù)信息、診斷模型與預(yù)測管理的實(shí)時交互以及雙向修正，將最合理的結(jié)果提供給用戶.

4) 統(tǒng)計(jì)和決策，及時開展自動化數(shù)據(jù)收集和分析.例如，可通過統(tǒng)計(jì)某天的點(diǎn)燈率、某一時間內(nèi)的開關(guān)時刻表以及能耗故障等數(shù)據(jù)的報(bào)表，分析故障種類和能耗數(shù)據(jù)，從而為建筑為管理人員提供解決實(shí)際問題以及預(yù)測和優(yōu)化建筑運(yùn)維提供決策參考.

圖6 基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)專家系統(tǒng)的樓宇照明系統(tǒng)故障診斷模型Fig.6 The fault diagnosis model of building lighting system based on neural network expert system

4 結(jié)束語

當(dāng)前，全球環(huán)境日益惡化、資源能源逐漸短缺，如何實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展已成為全世界人們共同面臨的嚴(yán)峻問題.與此同時，在新一輪工業(yè)革命的大背景下，國內(nèi)外都在積極推動城市建筑的智能化和綠色化發(fā)展，其中“綠色智能建筑以及智慧城市”的建設(shè)和發(fā)展已上升為我國的國家戰(zhàn)略，建筑行業(yè)也迎來了千載難逢的歷史發(fā)展機(jī)遇.本文一方面積極響應(yīng)國家以及地方的有關(guān)方針政策，準(zhǔn)確把握各級各類規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，在針對有關(guān)綠色智能建筑、智慧建筑、人工智能以及物聯(lián)網(wǎng)等最新研究和分析的基礎(chǔ)上，緊密跟蹤和借鑒當(dāng)前國內(nèi)外以人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等為代表的先進(jìn)技術(shù)在綠色智能建筑中的最新理論和技術(shù)應(yīng)用；另一方面，積極開展了人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等先進(jìn)理論、先進(jìn)技術(shù)以及設(shè)計(jì)理念在綠色智能建筑中的融合應(yīng)用研究，從而掌握應(yīng)用人工智能和物聯(lián)網(wǎng)理論、技術(shù)解決綠色智慧建筑樓宇自控系統(tǒng)當(dāng)中有關(guān)節(jié)能控制以及系統(tǒng)集成等實(shí)際關(guān)鍵問題的方法，使綠色智能建筑成為生態(tài)技術(shù)與智能化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，使其具有環(huán)?；⒐?jié)能化、信息化、自動化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化等諸多特點(diǎn)，以智能化和綠色化來不斷推進(jìn)綠色建筑、節(jié)約能源、降低資源消耗和浪費(fèi)、減少污染，實(shí)現(xiàn)從節(jié)能建筑到綠色建筑以及智能建筑將逐步向智慧建筑的轉(zhuǎn)變，從單體建筑到區(qū)域建筑的轉(zhuǎn)變，從“淺綠”到“深綠”的轉(zhuǎn)變，真正實(shí)現(xiàn)綠色建筑的“可持續(xù)化”[19].