數(shù)據(jù)融合背景下智慧樓宇技術(shù)架構(gòu)與應(yīng)用的思考

劉增祥 郭文高 劉 暢

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0 引言

自1984年美國(guó)康涅狄格州的哈特福特市建立起世界第一幢智能大廈以后，智能建筑在世界范圍得到了廣泛的認(rèn)同和快速的發(fā)展，并帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。在這一發(fā)展歷程中，智能建筑自動(dòng)化也隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們需求的變化不斷得以發(fā)展和完善，已經(jīng)形成了操作簡(jiǎn)單、使用方便且相對(duì)獨(dú)立、多樣的樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)，給人們的日常辦公、生活帶來(lái)了極大的便利。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著新的理念和要求的提出，以及新興技術(shù)的興起和應(yīng)用，通過(guò)對(duì)當(dāng)前的樓宇自動(dòng)化進(jìn)行再審視，發(fā)現(xiàn)了新的問(wèn)題和不足之處：如當(dāng)前樓宇建設(shè)系統(tǒng)多，系統(tǒng)集成度較低，各業(yè)務(wù)相對(duì)獨(dú)立；對(duì)于較大型的樓宇，各系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)眾多，但數(shù)據(jù)利用不充分，無(wú)法為樓宇綜合管理提供應(yīng)用策略支撐；各系統(tǒng)對(duì)人工的依賴程度依然較高，運(yùn)營(yíng)維護(hù)時(shí)效和成本亟待改善；樓宇能源消耗監(jiān)管較差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保自動(dòng)節(jié)能管控。

當(dāng)前智慧樓宇的建設(shè)更多的是結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、通信技術(shù)的發(fā)展，側(cè)重于樓宇系統(tǒng)裝置、設(shè)備的使用方面，而在對(duì)采集數(shù)據(jù)的融合使用方面則相對(duì)匱乏，如樓宇應(yīng)急中心通過(guò)將攝像頭、微卡口、設(shè)備的狀態(tài)信息進(jìn)行采集，日常運(yùn)營(yíng)期間，可以對(duì)客流情況進(jìn)行監(jiān)視，實(shí)現(xiàn)了物、人、資源數(shù)據(jù)的總覽。當(dāng)有應(yīng)急突發(fā)事件發(fā)生時(shí)，無(wú)法將物的數(shù)據(jù)、人的數(shù)據(jù)、資源的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一整合、分析挖掘，形成樓宇特定場(chǎng)景的智慧型應(yīng)用方案。

因此，利用技術(shù)手段，在目前樓宇智能化的基礎(chǔ)上，打破相互間的“數(shù)字壁壘”，通過(guò)系統(tǒng)之間的深度互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合和在此基礎(chǔ)上的多層次業(yè)務(wù)應(yīng)用，從而建設(shè)基于數(shù)據(jù)融合背景下的智慧型樓宇顯得尤有必要。

1 智慧樓宇的技術(shù)架構(gòu)

智慧樓宇技術(shù)架構(gòu)以當(dāng)前智能化技術(shù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，著重體現(xiàn)各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)融合、共享、分析和挖掘，并在此基礎(chǔ)上，形成在安防、能耗、辦公、運(yùn)營(yíng)、維護(hù)等各方面的多層次業(yè)務(wù)應(yīng)用。

圖1為基于數(shù)據(jù)融合背景下智慧樓宇的技術(shù)架構(gòu)示意圖。從樓宇基礎(chǔ)信息的物理采集到業(yè)務(wù)應(yīng)用，可分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)平臺(tái)層和應(yīng)用層等四個(gè)層級(jí)，囊括視頻監(jiān)控、入侵與邊界、門(mén)禁、對(duì)講等安防類(lèi)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、公共廣播、多媒體會(huì)議、信息發(fā)布、無(wú)線覆蓋等辦公和信息系統(tǒng)，環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、空調(diào)、電力與照明、給水排水、消防等能耗管理系統(tǒng)。

圖1 智慧樓宇技術(shù)架構(gòu)示意圖

其中，感知層是智慧樓宇技術(shù)架構(gòu)的基礎(chǔ)層，也是整個(gè)智慧樓宇技術(shù)體系的首要環(huán)節(jié)，它包括各系統(tǒng)的基礎(chǔ)信息的采集終端，以及對(duì)用戶指令的執(zhí)行末梢。涵蓋視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)、溫濕度檢測(cè)傳感器、門(mén)禁卡讀卡器、廣播音箱、揚(yáng)聲器、LED屏、無(wú)線天線等各種設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)層是智慧樓宇設(shè)備間、系統(tǒng)間互聯(lián)進(jìn)行信息交互的紐帶，既包括樓宇干線系統(tǒng)，也包括支線系統(tǒng)；既有光纖、網(wǎng)線、視音頻線等有線方式，也包括無(wú)線AP、天線等無(wú)線方式；既包含上述物理線纜材料，也包含交換機(jī)、路由器、ONU等網(wǎng)絡(luò)接入和交換設(shè)備。

數(shù)據(jù)平臺(tái)層是智慧樓宇數(shù)據(jù)采集和應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心，是智慧樓宇與以往樓宇系統(tǒng)在技術(shù)體系架構(gòu)方面的主要差異體現(xiàn)。根據(jù)功能分工不同，數(shù)據(jù)平臺(tái)層可劃分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、數(shù)據(jù)分析與挖掘模塊、過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、應(yīng)用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，以及數(shù)據(jù)共享與交換模塊，各模塊采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議和應(yīng)用接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和交互?；A(chǔ)數(shù)據(jù)包括系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)和各系統(tǒng)采集的現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、圖片數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)需要采用大容量、高性能的存儲(chǔ)設(shè)備將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類(lèi)存儲(chǔ)，并能夠根據(jù)實(shí)際需要快速的進(jìn)行寫(xiě)入和讀取。數(shù)據(jù)分析和挖掘通過(guò)對(duì)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行加工和分析，采用自主學(xué)習(xí)和專(zhuān)家判斷等方式生成應(yīng)用規(guī)則和策略，為智慧樓宇的業(yè)務(wù)應(yīng)用和系統(tǒng)管理提供應(yīng)用指導(dǎo)和策略支持。數(shù)據(jù)分析和挖掘包括但不限于人員車(chē)輛分析與識(shí)別、數(shù)據(jù)關(guān)系分析、流量分析、機(jī)器學(xué)習(xí)、研判分析等。

過(guò)程數(shù)據(jù)是系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的中間變量數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析計(jì)算過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)等。應(yīng)用數(shù)據(jù)是面向用戶和系統(tǒng)應(yīng)用的數(shù)據(jù)，包括用戶配置數(shù)據(jù)、自定義數(shù)據(jù)、應(yīng)用配置數(shù)據(jù)、應(yīng)用業(yè)務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)共享與交換實(shí)現(xiàn)各存儲(chǔ)數(shù)據(jù)模塊間的數(shù)據(jù)交互與傳遞，數(shù)據(jù)之間的交互宜采用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的軟件接口和協(xié)議，如采用OPC、Socket、WEB Service、SIP等接口和協(xié)議技術(shù)等。

應(yīng)用層是智慧樓宇面向用戶多維度使用和管理的可視化應(yīng)用平臺(tái)，通過(guò)該平臺(tái)可一覽樓宇的海量信息，實(shí)時(shí)了解智慧樓宇狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇的綜合智慧管理。應(yīng)用層業(yè)務(wù)包括智慧安防管理、能耗管理、信息發(fā)布管理、車(chē)輛管理、資產(chǎn)管理、運(yùn)營(yíng)管理、客戶服務(wù)等，應(yīng)用層業(yè)務(wù)的展示和使用可采用監(jiān)控大屏、PC終端、移動(dòng)APP、戶外LED、全息投影等多種方式。

2 智慧樓宇數(shù)據(jù)融合應(yīng)用淺析

將各系統(tǒng)采集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集，通過(guò)各系統(tǒng)之間的共享和交互通道，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行基于高級(jí)應(yīng)用的數(shù)據(jù)分析與挖掘，可以建立服務(wù)用戶的高層次及新的業(yè)務(wù)應(yīng)用。智慧樓宇的業(yè)務(wù)應(yīng)用可以從如下幾個(gè)方面予以考慮：

2.1 以人為本的樓宇智慧應(yīng)用體系和策略

以樓宇中人的舒適、方便和健康為宗旨是構(gòu)建智慧樓宇的首要目標(biāo)，智慧樓宇的應(yīng)用體系和策略應(yīng)將人作為構(gòu)建智慧樓宇的組成環(huán)節(jié)，體現(xiàn)“人在回路（human in the loop）”的理念。以此為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)數(shù)據(jù)融合，可以將各種系統(tǒng)建立基于人員信息的一體化應(yīng)用方案。例如，人員通過(guò)無(wú)感人臉識(shí)別順利進(jìn)入樓宇，數(shù)據(jù)中心后臺(tái)通過(guò)計(jì)算或規(guī)劃，根據(jù)常住人員的歷史軌跡對(duì)其拜訪客戶自動(dòng)生成路線，并與電梯控制系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)自動(dòng)派梯。樓宇入駐人員進(jìn)入樓層超市購(gòu)物可以實(shí)現(xiàn)人臉自動(dòng)掃描扣費(fèi)，進(jìn)入房間時(shí)，門(mén)禁系統(tǒng)自動(dòng)開(kāi)門(mén)，根據(jù)預(yù)約及室內(nèi)外溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)的電動(dòng)窗簾、空調(diào)、照明，當(dāng)離開(kāi)時(shí)，門(mén)禁聯(lián)動(dòng)相關(guān)的系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)樓宇內(nèi)人員進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)時(shí)，根據(jù)GIS地圖可自動(dòng)反向?qū)ぼ?chē)，車(chē)輛駛出時(shí)停車(chē)管理系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)時(shí)扣費(fèi)等。

另外，在樓宇內(nèi)辦公的人員可以通過(guò)手機(jī)APP查看會(huì)議室的空閑狀態(tài)并進(jìn)行線上預(yù)約，當(dāng)會(huì)議即將開(kāi)始時(shí)，會(huì)議室燈光照明、電動(dòng)窗簾、空調(diào)根據(jù)外部環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)到適宜的內(nèi)部環(huán)境，并根據(jù)預(yù)先的線上設(shè)置，自動(dòng)啟動(dòng)多媒體會(huì)議系統(tǒng)并建立遠(yuǎn)程連接。通過(guò)和物流機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)聯(lián)通，樓宇內(nèi)辦公人員的快遞文件等可以通過(guò)物流機(jī)器人自動(dòng)派送上樓，送達(dá)需要接收的收件人。

2.2 以綠色環(huán)保為理念的能耗智慧管理

前已述及，通過(guò)分布在樓宇內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)建筑內(nèi)部的溫度、濕度、光照度、空氣質(zhì)量等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并根據(jù)采集數(shù)據(jù)對(duì)樓宇的內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，能耗管理系統(tǒng)通過(guò)樓宇安防系統(tǒng)采集的人員信息，結(jié)合后臺(tái)大數(shù)據(jù)了解人員匯聚情況，根據(jù)當(dāng)前樓宇內(nèi)空調(diào)、照明、電梯等運(yùn)行情況，制定能耗控制策略和方案，實(shí)現(xiàn)資源的合理化應(yīng)用，達(dá)到節(jié)能減排和能耗的智慧管理。

根據(jù)樓宇日常運(yùn)行早高峰、晚高峰、節(jié)假日等的客流情況，以及樓宇環(huán)境監(jiān)測(cè)、設(shè)備控制、空調(diào)、電力與照明、給水排水、消防等日常運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過(guò)智慧樓宇平臺(tái)的數(shù)據(jù)融合和能耗分析，形成不同時(shí)段、不同場(chǎng)景、不同應(yīng)用下的能耗管理策略，實(shí)現(xiàn)能耗自動(dòng)調(diào)節(jié)和自主管理。

2.3 基于日常業(yè)務(wù)的智慧化應(yīng)用

基于系統(tǒng)互聯(lián)和數(shù)據(jù)融合，開(kāi)發(fā)多種業(yè)務(wù)的智慧化應(yīng)用。通過(guò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、入侵與邊界系統(tǒng)、門(mén)禁系統(tǒng)、電子巡更系統(tǒng)、廣播系統(tǒng)等的數(shù)據(jù)融合，可以建立樓宇智慧安防系統(tǒng)。當(dāng)有人員非法入侵時(shí)，入侵與邊界系統(tǒng)可以及時(shí)檢測(cè)并與視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，將入侵區(qū)域的視頻切換安保人員監(jiān)控終端，可以通過(guò)遠(yuǎn)程語(yǔ)音進(jìn)行廣播驅(qū)離震懾。樓宇內(nèi)部人員當(dāng)進(jìn)入超越權(quán)限的區(qū)域，門(mén)禁系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)報(bào)警并與視頻監(jiān)控聯(lián)動(dòng)，切換相關(guān)視頻至安保監(jiān)控終端。監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)樓宇內(nèi)部重要區(qū)域的物體滯留、物體移動(dòng)、人員聚集、人員徘徊等自動(dòng)檢測(cè)，經(jīng)后臺(tái)數(shù)據(jù)分析后形成處置策略，通知安保人員。

進(jìn)入樓宇的車(chē)輛通過(guò)車(chē)牌自動(dòng)掃描進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)，智慧停車(chē)管理系統(tǒng)根據(jù)車(chē)場(chǎng)內(nèi)車(chē)位使用情況自動(dòng)引導(dǎo)駕駛?cè)藛T到空閑車(chē)位，通過(guò)視頻采集到駕駛?cè)藛T信息和GIS定位，當(dāng)駕駛?cè)藛T離開(kāi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成反向?qū)ぼ?chē)軌跡。

通過(guò)RFID可以對(duì)樓宇資產(chǎn)進(jìn)行錄入建立物資管理檔案，樓宇智慧安防系統(tǒng)對(duì)物資按照使用權(quán)限和重要程度進(jìn)行分區(qū)、分時(shí)、分狀態(tài)等進(jìn)行布防，當(dāng)有異常情況時(shí)進(jìn)行視頻聯(lián)動(dòng)、PC終端頁(yè)面、手機(jī)短信進(jìn)行報(bào)警提示等，并要求物資管理人員根據(jù)使用管理規(guī)則進(jìn)行處置。

2.4 基于BIM+IBMS的智慧運(yùn)維管理

IBMS（智慧樓宇管理系統(tǒng)）通過(guò)系統(tǒng)軟硬件接口標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化的方式將樓宇各個(gè)組成系統(tǒng)集成為一個(gè)“有機(jī)”統(tǒng)一的整體進(jìn)行管理。通過(guò)IBMS，可以對(duì)樓宇所有組成系統(tǒng)進(jìn)行集中監(jiān)視和管理，同時(shí)，通過(guò)數(shù)據(jù)共享和交換平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的信息共享和工作協(xié)同，并為智慧安防、能耗管理、運(yùn)營(yíng)維護(hù)提供便利。BIM（建筑信息模型）利用數(shù)字化技術(shù)建立完整、與實(shí)際情況一致的樓宇建筑體和建筑物構(gòu)件三維模型，通過(guò)信息化手段，為項(xiàng)目關(guān)聯(lián)方建立信息交換和共享平臺(tái)。

通過(guò)IBMS與BIM系統(tǒng)的結(jié)合和數(shù)據(jù)映射，可以將樓宇傳感層數(shù)據(jù)匯集到基于三維可視化的樓宇運(yùn)維管理平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)樓宇設(shè)備、設(shè)施的統(tǒng)一可視化監(jiān)控與管理。BIM模型產(chǎn)出標(biāo)準(zhǔn)參照LOD等級(jí)規(guī)范，智慧樓宇各專(zhuān)業(yè)系統(tǒng)感知層的設(shè)施、設(shè)備規(guī)格，安裝位置，電氣回路等信息分樓層與BIM模型嚴(yán)格對(duì)應(yīng)。

在運(yùn)維管理過(guò)程中，物業(yè)服務(wù)是智慧樓宇運(yùn)行和管理最基礎(chǔ)的功能。BIM模型可以查看樓宇內(nèi)部空間布局、設(shè)施設(shè)備和重要資產(chǎn)的分布，空間管理監(jiān)控可以查看樓宇內(nèi)工位、展廳、餐廳、會(huì)議室的利用情況，設(shè)備監(jiān)控設(shè)施可以對(duì)樓內(nèi)攝像頭、電梯、空調(diào)、水泵等設(shè)施的運(yùn)行、保養(yǎng)和維修等情況進(jìn)行監(jiān)控，資產(chǎn)監(jiān)視可以實(shí)時(shí)了解樓宇內(nèi)服務(wù)器、精密儀器等大型、重要的設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)建立BIM和IBMS間的數(shù)據(jù)模型，結(jié)合動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以對(duì)各類(lèi)空間的占有規(guī)律、設(shè)備故障定位、故障預(yù)警、故障率分析、設(shè)施采購(gòu)方案等進(jìn)行及時(shí)處置和優(yōu)化。

BIM與IBMS的結(jié)合，可以三維可視化的方式提高樓宇日常維護(hù)過(guò)程中的便利性和精準(zhǔn)度，提高運(yùn)維管理效率，降低因維護(hù)不及時(shí)、定位不準(zhǔn)確、故障確診難等原因造成的成本增加和經(jīng)濟(jì)損失。

3 結(jié)束語(yǔ)

作為新時(shí)代智慧家族中的一員，智慧樓宇是樓宇智能化發(fā)展到現(xiàn)階段一種新的理念，是在傳統(tǒng)樓宇智能化的基礎(chǔ)上，借助互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)進(jìn)行的模式創(chuàng)新，技術(shù)開(kāi)發(fā)和業(yè)務(wù)應(yīng)用目前尚處于研究和初步實(shí)踐階段，沒(méi)有統(tǒng)一的評(píng)判和建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)。

本研究通過(guò)對(duì)智慧樓宇技術(shù)架構(gòu)和基于此架構(gòu)數(shù)據(jù)融合相關(guān)應(yīng)用的初步探討，意在為智慧樓宇的項(xiàng)目設(shè)計(jì)、工程實(shí)施、應(yīng)用開(kāi)發(fā)、業(yè)務(wù)拓展等提供參考，起到拋磚引玉之作用。