開源建筑智能化系統(tǒng)
——Honeycomb

文/王燦

今天，中國(guó)的一切都發(fā)生了翻天覆地的變化。而越來(lái)越智能的建筑，則成為了時(shí)代進(jìn)步與發(fā)展的“名片”。被廣泛應(yīng)用于工礦企業(yè)、商業(yè)中心、辦公樓、會(huì)展中心、體育館、醫(yī)院、學(xué)校、住宅小區(qū)等各類建筑物的樓宇自動(dòng)化技術(shù)，也因此備受關(guān)注。然而，現(xiàn)有樓宇自動(dòng)化技術(shù)普遍存在部署困難，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，能耗高等問題。為了填補(bǔ)這一研究空白，趙千川團(tuán)隊(duì)受群體智能的啟發(fā)提出了一個(gè)將分布式技術(shù)與智能建筑相結(jié)合的開源的系統(tǒng)，名為“Honeycomb”。

作為清華大學(xué)智能與網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)研究中心（CFINS）教授，趙千川長(zhǎng)期奮斗在網(wǎng)絡(luò)化動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、分析、控制與優(yōu)化的理論及應(yīng)用領(lǐng)域。由于其出色的科研探索，更是獲得多項(xiàng)榮譽(yù)，2005 年，榮獲美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心年度杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)；2010 年，榮獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)；2019 年，榮獲國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)；2019 年，榮獲甘肅省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。而當(dāng)他將目光鎖定在開源建筑智能化系統(tǒng)之時(shí)，“Honeycomb”誕生了。

眾所周知，在自然界中，蜂巢由若干形狀和功能一致的蜂室組成，蜂群中的蜜蜂受基因的控制完成個(gè)體任務(wù)，并通過(guò)信息素與其他蜜蜂進(jìn)行通訊，進(jìn)而完成蜂群的總體任務(wù)。受這一機(jī)制的啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)將建筑內(nèi)的各區(qū)域類比為“蜂室”，部署在區(qū)域塊中的智能節(jié)點(diǎn)類比為“蜜蜂”，各種分布式應(yīng)用程序作為智能節(jié)點(diǎn)的“基因”，連接智能節(jié)點(diǎn)的本地通訊網(wǎng)絡(luò)作為“信息素”，系統(tǒng)整體通過(guò)群體智能模式來(lái)完成建筑的運(yùn)行需求。

團(tuán)隊(duì)的Honeycomb 方案主要涉及三個(gè)研究領(lǐng)域，即，建筑自動(dòng)化系統(tǒng)（BAS），物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和分布式技術(shù)。其中，BAS 包含了與建筑物中的物理環(huán)境相互作用的各類機(jī)電、傳感和控制系統(tǒng)。物聯(lián)網(wǎng)為自動(dòng)化設(shè)備和用戶提供通信、云服務(wù)和應(yīng)用程序等。而分布式技術(shù)包括分布式算法，例如多智能體、群體智能、機(jī)器學(xué)習(xí)，交叉方向乘子方法 (ADMM)，（次）梯度算法，以及用于實(shí)現(xiàn)它們的分布式平臺(tái)架構(gòu)。這三種技術(shù)互相交叉又產(chǎn)生了智能建筑、邊緣計(jì)算以及分布式室內(nèi)環(huán)境和設(shè)備系統(tǒng)優(yōu)化等技術(shù)。

圖1 Honeycomb靈感來(lái)源及生物學(xué)類比

系統(tǒng)架構(gòu)

知己知彼，百戰(zhàn)不殆。因此，在創(chuàng)新之前，對(duì)現(xiàn)有的方案進(jìn)行深度分析，十分必要。傳統(tǒng)的智能建筑方案主要采用分層的集中式架構(gòu)。底層的各類傳感和執(zhí)行器件將各自信息發(fā)送到對(duì)應(yīng)邊緣設(shè)備，經(jīng)過(guò)初步處理后通過(guò)交換機(jī)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)發(fā)送到云端數(shù)據(jù)庫(kù)。建筑系統(tǒng)內(nèi)的所有信息經(jīng)過(guò)云端的服務(wù)匹配和驗(yàn)證后，依靠廠商或平臺(tái)定制化開發(fā)的各類應(yīng)用程序（apps）進(jìn)行集中處理和調(diào)度。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)對(duì)比（子圖（A）為分層集中式智能建筑系統(tǒng)架構(gòu)；子圖（B）為Honeycomb系統(tǒng)和架構(gòu)）

這樣的系統(tǒng)架構(gòu)為建筑系統(tǒng)的運(yùn)行帶來(lái)了諸多不便：首先，中心（服務(wù)器或云）是整個(gè)系統(tǒng)的唯一“大腦”，并只能通過(guò)綁定的靜態(tài)IP 訪問對(duì)象，這導(dǎo)致系統(tǒng)的靈活性低，無(wú)法適應(yīng)多變的建筑運(yùn)行環(huán)境，只能按照已經(jīng)完成的配置工作；其次，建筑內(nèi)的不同子系統(tǒng)間被完全隔離，使得現(xiàn)有的智能建筑系統(tǒng)功能單一，跨系統(tǒng)協(xié)同能力弱；此外，由于系統(tǒng)是高度定制化的，部署和配置門檻高，效率低，升級(jí)改造和維護(hù)困難，從而極大的提高了系統(tǒng)的整體成本。

發(fā)現(xiàn)問題，就要解決問題，所以Honeycomb誕生了，它將智能建筑的運(yùn)行管理任務(wù)從云端下放到了本地的邊緣設(shè)備網(wǎng)絡(luò)中，并采用基于群體智能的分布式架構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的管控。首先，Honeycomb 面向的對(duì)象不再只是具體的某個(gè)傳感設(shè)備，而是部署于同一建筑區(qū)域內(nèi)，協(xié)同完成區(qū)域控制的設(shè)備集合（稱為“區(qū)域塊”），這種控制單元的選擇更加契合實(shí)際的建筑需求和控制特點(diǎn)。每個(gè)區(qū)域塊由一個(gè)邊緣硬件設(shè)備進(jìn)行綜合管理，相比于傳統(tǒng)的邊緣計(jì)算，Honeycomb 的方案中的邊緣設(shè)備不再只是收集和上傳數(shù)據(jù)，也通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行組網(wǎng)形成分布式智能建筑網(wǎng)絡(luò)（DSBN），并通過(guò)分布式運(yùn)行環(huán)境（DAOE）中的各類分布式應(yīng)用完成全部的建筑運(yùn)行任務(wù)。系統(tǒng)不再需要一個(gè)遠(yuǎn)程的“中心”，通過(guò)本地局域網(wǎng)通訊即可自組織地運(yùn)行。此外，用戶可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)界面（UI）或分布式平臺(tái)（DASP）方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和手動(dòng)干預(yù)。圖2對(duì)比了兩種架構(gòu)的不同。

綜合以上特點(diǎn)，Honeycomb 作為一種新型智能建筑系統(tǒng)，對(duì)比傳統(tǒng)的樓宇自動(dòng)化方案，具有以下三個(gè)突出優(yōu)勢(shì)：

1.更強(qiáng)的靈活性和魯棒性：Honeycomb 采用完全分布式架構(gòu)，沒有全局領(lǐng)導(dǎo)者，不依賴固定拓?fù)洹Ｏ到y(tǒng)的智能節(jié)點(diǎn)只與它們的鄰居通信，系統(tǒng)組網(wǎng)后，所有本地和全局協(xié)作任務(wù)均在智能節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中完成，無(wú)需遠(yuǎn)程中心。因此，系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中支持即插即用功能，即新節(jié)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)加入Honeycomb 網(wǎng)絡(luò)，各類分布式應(yīng)用下載即運(yùn)行。此外，得益于拓?fù)渚S護(hù)機(jī)制，即使原來(lái)的通信拓?fù)湟蚬?jié)點(diǎn)故障而發(fā)生變化，系統(tǒng)也能自動(dòng)生成新的拓?fù)涠恢劣诒罎?。這些特點(diǎn)顯著地提高了系統(tǒng)的靈活性和魯棒性。

2.更多樣化的系統(tǒng)功能：Honeycomb 中區(qū)域的所有建筑子系統(tǒng)集成在同一本地智能節(jié)點(diǎn)中，智能節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)不僅完成了傳感信息采集和控制指令下發(fā)，也執(zhí)行著分布式存儲(chǔ)、計(jì)算、決策等各類運(yùn)行任務(wù)。同時(shí)，不同建筑子系統(tǒng)之間的跨系統(tǒng)協(xié)作可以更加直接地進(jìn)行，降低了集中通信造成的延遲，更減少了在緊急情況下（火災(zāi)，服務(wù)器故障，等）的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。極端情況下，只要部分智能節(jié)點(diǎn)能夠聯(lián)網(wǎng)，這些區(qū)域的功能仍然可以正常工作。

3.更便捷的方案移植和部署：Honeycomb 的硬件系統(tǒng)可以良好地兼容現(xiàn)有的樓宇自動(dòng)化硬件，智能節(jié)點(diǎn)和操作系統(tǒng)均可采用開源的通用軟硬件設(shè)備，節(jié)點(diǎn)內(nèi)運(yùn)行的各類分布式應(yīng)用程序可以從已有的庫(kù)中直接下載運(yùn)行。因此，Honeycomb 方案的移植和部署過(guò)程沒有過(guò)高的技術(shù)門檻，對(duì)已有的樓控系統(tǒng)只需進(jìn)行輕量化改造，無(wú)需過(guò)高的改造成本。

系統(tǒng)建設(shè)

有了方案，就要實(shí)施。畢竟，實(shí)踐才是檢驗(yàn)科研成果的唯一標(biāo)志。因此，趙千川團(tuán)隊(duì)將Honeycomb 方案部署在了一棟辦公樓建筑中，該建筑有5 個(gè)辦公區(qū)域，并將南側(cè)大辦公區(qū)按照空調(diào)設(shè)備（FCU）進(jìn)行了虛擬分割，共形成了7 個(gè)室內(nèi)區(qū)域塊，制冷站區(qū)域塊包含循環(huán)水泵和空氣源熱泵。

在原有的BAS系統(tǒng)基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)方案將樹莓派開發(fā)板作為智能節(jié)點(diǎn)硬件，部署到各室內(nèi)區(qū)域塊，水泵節(jié)點(diǎn)和熱泵節(jié)點(diǎn)中，并搭建了本地局域無(wú)線網(wǎng)，用于實(shí)現(xiàn)智能節(jié)點(diǎn)的通訊。各智能節(jié)點(diǎn)與區(qū)域塊內(nèi)所有的傳感器（溫濕度、壓差、流量等）和執(zhí)行器（FCU控制面板、水泵變頻器等）連接，相鄰智能節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊。

用戶反饋

Honeycomb 是為建筑的使用者設(shè)計(jì)的，用戶的反饋才是趙千川團(tuán)隊(duì)關(guān)注的重中之重。2021 年夏季（7 月~8月），Honeycomb 系統(tǒng)開始運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)束后，團(tuán)隊(duì)向用戶（16 名男性，4 名女性）發(fā)放了調(diào)查問卷以獲取用戶對(duì)系統(tǒng)的反饋。依據(jù)平均熱感覺指標(biāo)（PMV）用戶的熱感受被分為了7 個(gè)等級(jí)。其中，“適中”是最舒適的狀態(tài)，而微涼和微暖狀態(tài)也是可以接受的，這三個(gè)等級(jí)為舒適區(qū)。同理，我們對(duì)用戶的濕感受也進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。結(jié)果顯示，90%的用戶熱感覺投票在舒適區(qū)，寒冷和涼各1 票。所有用戶都對(duì)濕度感到舒適，其中分別有 25% 和 10% 的用戶感到輕微潮濕和干燥。

此外，團(tuán)隊(duì)從用戶操作的便捷性，系統(tǒng)運(yùn)行的合理性，以及用戶感受的舒適性三個(gè)方面調(diào)研了用戶對(duì)于Honeycomb改造前后的使用體驗(yàn)。對(duì)比結(jié)果顯示，“運(yùn)行合理”選項(xiàng)獲得最多票數(shù)，其次是“更舒適”和“使用方便”，“運(yùn)行混亂”選項(xiàng)獲得了3票，值得關(guān)注的是“使用不便”或“不舒適”得票數(shù)為零，此外，“無(wú)變化”有4票。這一表明，大多數(shù)用戶對(duì)Honeycomb持積極態(tài)度，特別是在舒適性和便捷性方面沒有收到負(fù)面的投票。通過(guò)回訪和數(shù)據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，由于基于視頻的人員檢測(cè)算法存在一定誤差，控制算法偶爾會(huì)因?yàn)槿藬?shù)檢測(cè)錯(cuò)誤而給出錯(cuò)誤的運(yùn)行指令，這是“運(yùn)行混亂”獲得3個(gè)投票的主要原因。

最后，團(tuán)隊(duì)邀請(qǐng)受訪者對(duì)Honeycomb 的整體性能進(jìn)行評(píng)分。評(píng)分范圍為0-10 分。分?jǐn)?shù)越高，用戶對(duì)系統(tǒng)的升級(jí)越滿意，其中，30%的用戶給出了滿分，60%的用戶評(píng)分高于8，最低評(píng)分為 5，占全部用戶的10%，總體平均分為 7.85，中位數(shù)為 8。這表明 Honeycomb 原型具有較高的用戶接受度。

由此可見，Honeycomb 系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)智能系統(tǒng)的諸多運(yùn)行不變，讓使用者有了更好的使用體驗(yàn)，從科技的角度，提升了建筑的智能化水平，其發(fā)展前景，不可限量。

該技術(shù)的詳細(xì)情況請(qǐng)參考趙千川教授團(tuán)隊(duì)近期發(fā)表在國(guó)際期刊Patterns 上的論文“Honeycomb: An opensource distributed system for smart buildings”。