TOS智能建筑平台带来新变革

文｜本刊记者 陈桂龙

智能建筑是以人为服务对象，能够向人提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境的建筑。

智能建筑的概念最早产生于20世纪80年代，从90年代开始，由于建筑内日益增长的控制管理内容和高效管理、节能控制优化等需求的存在，智能建筑开始进入蓬勃发展期，国内乃至世界上曾经涌现出大量所谓的3A/5A/7A建筑。

智能建筑为何不智能

有研究机构对我国北京、上海、深圳、香港等地的大型公共建筑的自动控制系统进行的调研发现，大部分建筑都没有真正实现“自动化控制”管理的水平，很多运行在手动状态，有些只有局部自动控制，几乎没有实现全局优化控制的建筑，反过来国内的全自动化运行的高档建筑的能耗远高于同类建筑，经过在美国的调研同样发现，虽然美国的公共建筑中的自控系统大多能够实现自动运行，但是在同样的满意度下其能耗却远高出我国不自动运行的同类建筑。

为什么会这样？

中国工程院院士江亿介绍，在过去的三十年中，相关领域的学者做出很多努力。例如，推广BACnet和LonWork试图打破不同控制系统提供商之间的通信壁垒；各种总线技术试图改进建筑控制系统的通信技术，使之敷设成本更低、速度更快、通信设备更开放；各种集成技术和软件接口技术试图解决在中央站实现跨专业子系统集成的问题等等。基于这些研究，建筑控制系统的性能得到了极大的改善，我们所采用的专项通信或软件技术并不落后于主流IT技术，然而问题却依然存在。所以问题可能不在于楼控使用的IT技术够不够先进，而是我们对智能建筑的理念，或者说是控制系统的架构本身导致的问题。

条条分割，集中控制。现有的智能建筑中的智能系统在面向机电设备系统时，采用按专业分割的思路，例如将智能系统分为空调子系统、防火子系统、安防子系统等等，虽然各个子系统在末端的信息源、汇位于同一个房间或者机电设备，但这些信息不能实现就地共享，只能经过长途跋涉向上集中到最上层的中央站，并由中央站在统领全局的基础上做出决策。这种方式是低效的、落后的控制方式。

自成一体，互不兼容。智能建筑中的设备种类繁多，每种设备都可能由不同的设备厂商提供，而每个厂商提供的设备都可能采用其自己的协议标准，不同的设备之间无法兼容匹配，以冷机为例，虽然某些品牌的冷水机组预留了对外提供的通信接口，但往往需要昂贵的协议转换模块才能够令其与其他设备相互理解，共同工作。

现场工作量大、专业要求高、时间紧张易出错。自控系统的现场施工、调试是一个非常复杂、极其耗费时间和人力成本，原因有两点：（1）现场配置测控点数量极大。（2）系统组态困难、专业要求高。在机电系统施工全部结束之后，留给自控系统的安装和调配的时间所剩无几，大多数项目的自控系统往往只是完成了测控点接线和通信调试，以及主要测控点的物理配置，只要能在中央机房界面上能看到这些关键信息，就将系统草草交付使用，因此往往存在着实际运行几年以后才发现当初接线错位错误的现象。

无法更新、扩展和改变。运行管理者在建筑的使用过程中会不断对控制系统提出新要求，如建筑空间改造和装修，使得照明、空调、报警器等终端设备改换位置或更换设备类型、或者是改变控制策略、新增控制功能等。这些需求在自控系统设计之初往往是未知的，需要随着需求的改变不断调整。然而现有的控制系统难以实现更新、扩展和改变。在这种情况下，运行管理人员通常也只能对出现的问题置之不理；或是将旧系统弃之不用，完全新建一套系统。

不支持智能分析，智能控制。由于现有的智能建筑的智能系统存在上述的诸多问题，因而导致了其实际上并不是一个灵活的、兼容的、开放的系统，无法在其上添加新的功能软件，全球范围内研究得到的大量的建筑优化控制研究成果无法在实际工程中落实。

人机界面交互性差。现有的智能控制系统的人机交互界面往往呆板、丑陋、可操作性差，导致无法与使用者沟通，使用者看不懂、找不到、不会用，最终将控制系统束之高阁、弃之不用。

对建筑控制管理的新认识

建筑由空间组成

江亿院士认为，空间是建筑空间的“特征”：人以空间为单位活动；照明、空调、插座、围护结构等分布在空间中，影响着所在空间的声、光、电、热，因而控制约束和目标彼此耦合；这些设备服务于同一个空间中的同一群人，不是为了达到某些参数的设定值，而是以满足人的舒适需求为主要目标。大部分区域都是被这样的空间所覆盖，相对于能源站、设备机房等，前者才是建筑的主体。因此，从建筑的特点出发重新认识建筑控制，建筑可以看成是由不同功能的空间拼接而成。

除了建筑空间以外，建筑中还存在若干为所有建筑空间末端设备提供“源”的设备系统。如冷热源站，为各个建筑空间提供冷热源；变配电站为末端提供电源；新风机组为各个末端提供清洁空气；生活热水水泵为所有空间提供热水等等。它们安装在设备机房等特殊的空间，其运行目标是为了满足所有末端的需求。

“我们尝试改变以工业控制系统为参照认识建筑控制的传统视角，认为建筑控制目标的主要部分由大量建筑空间按照几何位置关系连接组成，少数服务于这些建筑空间的‘源’设备按照系统网络连接关系接入空间网络。”

建筑被控物理过程大都符合‘扩散方程’

江亿告诉记者，传统工业控制视角下，我们习惯性的以“源”设备为出发点，用控制中心解决“源”设备优化控制的问题。以建筑空间主要目标，促使我们研究被控物理参数在这些空间内的变化规律。

然而仔细分析这些物理过程的特点，我们发现它们都符合“近距离影响大，远距离影响小”的特点，即某个空间模块对整个系统的影响通常只局限在其附近的一些空间模块。

以建筑传热为例，当局部某个房间快速升温时，只有其周边几个房间的温度随之增长明显，较远的房间几乎没有影响；火灾发生时只有在火源位置房间和其周边房间的烟气浓度和温度快速升高，较远的房间没有变化；水路系统也是如此，当某支路流量变化时，受影响较大的都是其附近的支路。

建筑被控系统模型示意图

在对这样的物理过程进行实时控制时，真的一定要在中央站进行全局优化吗？如果每个空间模块都是“智能”的，通过模块与相邻模块间的相互协商和数据沟通，类似于智能生物群落的自组织协作，很可能也可以解决全局优化控制问题（蜜蜂、蚂蚁构建巢穴，鸟群编队都是在没有总控的情况下，依靠个体间的自组织找到问题的最优解决方案）；同时由于只在局部交互数据，避免了全局数据收集、传递的过程，很可能实时性比集中控制方式更好；最重要的，如果每个空间只需要和邻近节点交互协商就可以解决全局问题，那就避免了传统的组网问题。系统不需要再设立中央站以及在中央站上重新建立建筑内各个物理过程的模型，而只需要让每个空间模块能够辨识出其邻近的空间模块就可以了。基于IT领域自组网技术的研究，不难找到空间模块自动识别的方法。即使靠手工配置空间邻居关系，这种配置所需的成本远低于传统系统。

灵活性、可扩展性需求

在一些节能诊断改造和运维管理系统升级项目中，我们逐渐发现这样的问题：1)建筑开发商不是未来的使用者，甚至在此阶段还不可能知道未来的使用者是谁；即使他们认真设计功能也未必符合未来使用者的运维管理的需求。2)随着商业建筑经营策略变化、租户改变导致的建筑空间分割的变化等，“功能”一定会发生变化，而且这种变化总会不定期的发生，并且很难准确预料。总之，建筑控制管理功能的变化几乎是不可避免的，并总是在不断变化着。

这要求智能系统需要局部很高的灵活性，特别是让物业管理人员和机电专业人员能够根据建筑管理需求灵活、快捷的实现各种控制管理策略。与传统模式相比，建筑管理人员需要是一种类似从传统手机到智能手机的变化。传统手机任何功能都是手机制造商预制好的，用户的任何需求都只能期望下一代手机产品的升级；而智能手机功能是由用户根据自己的需要个性化定制的，手机功能的升级和改变不需要任何IT专业人士的帮助，在保持手机硬件不变的情况，随时通过添加、删除不同应用软件来实现功能的升级。

TOS智能建筑平台的架构及特点

江亿介绍，基于对建筑和其控制管理的认识，我们提出了一种新架构，上图显示了TOS智能建筑平台的系统架构：具体来讲就是将建筑按照所见即所得的方式划分为若干空间，每个空间或机电设备置入一个带有操作系统（TOS）的智能计算节点（CPN），再将CPN互连形成一个计算网络，CPN之间是平等的协作关系。

CPN连接而成的三维网络结构就是建筑空间拓扑结构体的模型，复杂的组网、绑点等专业工程被简化成即插即用的连线，CPN与房间或机电设备基于标准数据格式通讯，能够将房间与机电设备的物理模型映射到计算网络中，从而免去了复杂的物理建模过程，这样就能够实现标准化、模块化。

部署了CPN的建筑自身构成了能够并行计算的多核计算机，管理者可以将多个能够完成控制管理任务的APP下载到该计算机，非常灵活地满足了复杂多变的需求，极大降低了定制化开化的成本。

TOS还提供了机电和暖通领域的专业人员容易掌握的编程工具及供人调用的三级函数算法库，让不懂IT技术的人员也能够轻松地开发出多种多样的楼控软件。

TOS带来的机遇与变革

“TOS智能建筑平台将带来全新的使用者体验。”江亿说。

未来的物业管理不再需要中央监控，管理人员采用随身PAD可以在任何区域接入系统，观看系统运行情况并收集报表；不需要中央数据库，而是历史数据记录在分布的几台服务器内；不依赖于唯一的、定制的管理软件，管理者可以根据需要从建筑应用中心随时下载管理所需的应用软件，甚至可以同时运行多个同功能的软件。

江亿认为，TOS智能建筑平台还将带来全新的开发模式。

首先开发群体变得多元化，社会各界均有可能成为开发人员，研究机构的学者、设计院、有经验的物业管理人员、机电设备厂商、节能服务企业、研究生、大学生等，凡是对建筑运行管理有想法的人均可以将其想法轻松地转化为应用程序。

这是因为TOS智能建筑平台提供面向建筑设备专业的图形化“编程”工具。如下图所示。开发者通过图标的拖拽、连线等简单操作就能够实现程序的编制，因而不需要专业的编程知识。

此外，TOS智能建筑平台还提供强大的基础算法库的支持，提供基础计算库、数学算法/优化算法库、常见应用函数库，开发者不需要考虑算法的具体实现过程，只需调用函数并组成新的序列即可以完成程序的编制并解决问题，因而不要求开发者具备太高的数学或物理基础。

“我们可以推断，在TOS智能建筑平台的支撑和推动作用下，智能建筑行业将形成一种新的格局。”

设计院与建筑业主在建造房屋时即可在建筑内装入CPN，并形成智能建筑；各类机电厂商可以将其产品改为TOS兼容产品或者在产品中植入CPN从而将其转变为智能设备，学校和研究单位可以研发各类APP，供用户下载；使用部门和研发单位可以根据需求开发各种用户界面，供人使用，这个行业上下游的参与者将围绕TOS智能建筑平台形成一个生态圈，彼此互利共生，共谋发展。

广阔的应用前景

TOS智能建筑平台技术起源于建筑领域，但应用的范围绝不仅仅限于建筑，除了空调控制、节能诊断、建筑管理、火灾疏散等基本功能以外，TOS技术还可能应用于多个其他领域，如街区网格化管理（每个街区作为一个节点，放置一个CPN，实现网格内的各种数据分析工作，CPN间通过协作计算，实现全局数据分析处理，如上右图所示）；公共安全管理（监测、预测群体事件、恐怖袭击，消除误报，进行群众疏散，邻近警力派遣等）；环境监测管理（如雾霾检测分析， 水质监测等）；城市水网热网管理（供水、排水系统控制管理，跑冒滴漏监测报警，供热系统调度，供燃气系统调度等）；智能电网；智能交通、停车场管理等等。

“TOS平台是基于无中心计算理念的基础性平台，希望各个领域内的行业人才都能够充分利用该平台，针对具体的问题开发出适宜的解决方案。”江亿表示。