智慧建筑的概念及其系统框架

项颢，沈洁，贾琨

(中国电子工程设计院有限公司)

1 面向未来的建筑特点

未来建筑具有三个特点：绿色、健康、智慧。

它呈现出集美观、舒适、实用、环保而又个性化的高科技现代化景象。智慧建筑是未来建筑的主要特征，它融合发展了智能建筑的概念和技术，并且强调以人为本、科技无处不在的理念。因此建筑的环境交互、人文感受、科技应用，三者相辅相成，构成了智慧建筑的三角生态体系（见图1）。环境特性体现了建筑物环保的绿色要求；人文特性体现了以人为本的健康生活理念；科技特性则体现了智慧化实现的方式和途径。

绿色是指在建筑的全寿命周期内，最大限度地节能环保，为人们提供健康、舒适和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑物。绿色建筑技术注重低耗、高效、经济、环保、集成与优化，是人与自然、现在与未来之间的利益共享，是可持续发展的建设手段。

健康是指一种体验建筑室内高品质生活的方式。健康建筑不仅要满足人对、声、光、热、湿环境的要求，还要考虑满足卫生和主观性心理因素，以及建筑使用者的生活舒适度、健身设施、人际关系等其他因素。研究与实践表明，健康建筑与城市发展，社会和谐以及人们的生理健康和心理健康息息相关。

智慧建筑是指建筑是深度感知、泛在互联、数据共享、全面服务的智慧体，具备认知、学习、推理、预测、自主调控、人机交互等智慧能力，体现科技为人类服务的本质。

未来的智慧建筑集合了上述绿色、健康、智能特点，并以这些特点为基础延伸和扩展，由建筑、环境、人文、科技诸多要素互动构成。

2 以人为本的智慧建筑

2.1 什么是智慧建筑

其相关系统贯穿了建筑全生命周期中的设计、建造、运维、改造等各阶段之中。

智慧建筑是以建筑物为平台，基于以人工智能为核心的各类智能化信息的综合应用，集结构、系统、服务、管理及优化组合为一体，具有感知、传输、存储、学习、推理、预测和决策的综合智慧能力，形成以人、建筑、环境互为协调，并根据用户的需求进行最优化组合的整合体，为人们提供绿色、健康、高效、舒适、便利及可持续发展的人性化建筑环境。

智慧建筑是全信息建筑，在智能建筑基础上从时间维度拓展到建筑全生命周期，从空间维度拓展到空天地一体化的物联网，应用边界涵盖使用者和管理者，计算方式结合了认知计算和智能计算。

智慧建筑以人为中心，通过感知入驻用户的生活体验和感受，为其提供应用及服务，体现科技为人服务、无处不在的理念。它通过全面感知，认知、自主学习、自我进化、人机交互等人工智能技术，以科技方法为桥梁，构建人、环境、建筑之间相互协调的生态体系。

2.2 从智能建筑到智慧建筑

智慧建筑是全信息建筑，是智能建筑和全生命周期管理系统、一体化网络、使用管理者、认知及智能计算的综合体。

智慧建筑是智能建筑在空间、时间维度的扩展，贯穿全生命周期。在空间维度上，建立三维仿真建筑信息模型，进行全方位的综合信息融合。在时间维度上，通过建筑信息模型与实时数据的交互，实现设备、管理、人之间的交互和全面感知，贯穿建筑的全生命周期。目前我们大力推行的建筑信息模型就是智能建筑在空间、时间维度扩展之后的成果。

在技术领域，通过大数据、云计算、互联网使得传统的控制方式难以完成的任务，现在变得轻而易举。智慧建筑信息系统的核心是基于类脑云计算技术，具备仿生视觉、自组织、自学习、自主控制与决策等功能。

2.3 智慧建筑的特征

智慧建筑具备以下四个方面的特征：

图1 智慧建筑的三角生态体系

1）泛在的全面感知的有机体

泛在的全面感知建筑物获取外部认识信息的来源，信息获取方式是多种多样的，其目的是提升用户的满意度和舒适度，更好地为人服务。泛在感知以通信网络、传感器物联网构成信息通信的基础设施；以建筑基础设施的各子系统、大数据统计、多媒体资料等作为信息来源。除了采集设备、资源、环境参数外，它还通过人机交互，将用户的感知、感受、偏好等意图通过机器学习和数据分析形成数据库及模型，并生成个性化的闭环控制服务策略。

2）以人工智能为基础，具有数据融合分析能力

当前智能建筑主要用于解决楼宇设备监控、公共安全、基础设施控制等运营可见的问题。采用主要以机器学习、神经网络等为基础的人工智能技术后，能够对采集的数据进行分析，与建筑信息模型结合可以发现楼宇控制、设施管理中的隐藏问题，并提供最优解决策略。但是随着科技的发展，面临满足居住者对安全、起居出行、医疗教育等不断增长的社会化需求。这就需要提升人工智能（即由当前的弱人工智能向强人工智能演进）对人的感受、认知、推理、行为模式、人文艺术、社会交往等柔性化知识系统的探知、分析和交互能力，从而增强人们期望值和建筑科技之间的关联性，促进两者的协调发展。

图2 新型智慧城市基础架构

智慧建筑还面临着技术与产品，渠道及市场，金融服务和商业模式的挑战，可见其数据不是“孤岛”式的存在。这就需打通不同领域数据间的壁垒，加大不同领域数据间相互融合；并且要整合不同行业，不同领域的数据，让具有不同特性、处理方式，安全等级性和敏感度的数据之间能相互识别，并能共享、分析和应用这些数据，这将是未来面临的挑战。

3）具有延续建筑物全生命周期的优化学习能力

智慧建筑在设计阶段考虑建筑的多种功效、用户的感受及自动设计能力；建造过程阶段强调建造师设计思想与建筑信息管理技术相结合，注重建筑与环境、施工与工艺的协调；在建筑使用、运维阶段，通过建立信息数据库，开发相应的应用服务，自我完善建筑环境，延续建筑物的生命周期。

4）人、建筑、环境互为协调，具备为人服务的社会属性

以人工智能技术为桥梁，人、建筑、环境相互协调，不断提升居住者的舒适性、安全性、便捷性和满意度。

因此，智慧建筑强调人的因素，在人机互联、互动的基础上，系统持续学习人的知识和经验，并能进行推理和建模，给出建筑每个阶段的应对策略。例如对于智慧建筑及其设施、设备的运行维护，采用了机器学习中的非线性支持向量机算法，进行能耗的建模分析和预测。

3 架构与构成要素

3.1 智慧建筑的架构

从行业视角看，智慧建筑架构可分为感知层、平台层、应用层。系统以感知层为基础，通过不同传输方式接入到平台层，感知层进行各种数据采集和接收。平台层进行信息的分析处理。大数据、云计算、机器学习等核心技术及其引擎在平台层实现。应用层实现业务功能及服务，并且为其他应用系统提供交互的接口。整体架构如图3所示。

上节所述的智慧建筑的四个特征，分别在不同的层次进行体现和展示。泛在的全面感知主要体现在感知层对建筑物、附属设备，以及人的操作习惯等数据全面的采集。在平台层中，人工智能及其引擎是核心模块之一，是具备自主机器学习的智慧体；大数据模块打通了不同具体应用数据的分割，具备融会贯通的数据分析能力。应用层提供了面向政府（G端）、面向商业企业（B端）、面向一般用户（C端）的不同服务，具有根据服务数据不断调整和持续学习优化的能力。

该框架图的左边为网管模块，负责对整个系统的信息通信、计算存储、数据网络、管理系统等网元进行管理。框架图右边为安全管理模块，负责管理信息系统的安全和保障基础设施的安全，以及安全相关的技术规范、体系、保障措施等的建设。整个框架构成的软硬件体系通过人机交互工程，将人、建筑、环境在应用服务上协调为一个整体。

3.2 构成要素

对于上述架构，智慧建筑的主要构成要素：

1）全面感知的能力

如果把智慧建筑比喻为一个人，其中人工智能系统是大脑，各类传感器则是神经末梢。传感器可以采集建筑物内各种运行参数，包括：暖通空调、给排水、管线、安防、消防、供配电、楼宇自动化、多媒体展示、人员、资产信息等指标。感知参数的获取，也将从传统传感器发展到大范围物联网传感器自动提取。这些参数数据经过物联网传递到平台层，供人工智能算法进行分析；它们也作为机器学习参数的来源，用以对模型进行修正。

图3 智慧建筑整体框架图

全面感知是智慧建筑对感知层的要求，能积极与环境相互作用，通过物联网、传感器、视频设备等智能化手段感知建筑物内、外环境的变化，形成智能的、可调节的策略。对内，智慧化的感知系统为建筑提供动态的数据感知模式，为使用者提供符合个性要求、习惯的多种模式选择。对外，智慧建筑可以感知外部环境的变化，依据人的需求智慧化地设定调节模式，通过可控措施满足人的服务需求。

2）共享的数据平台

共享数据平台相当于神经系统，把建筑类不同系统的“感知神经元”有机结合起来。传统的建筑数据来自不同应用系统，形成孤立的“烟囱”数据。随着物联网、人工智能技术的发展，这些数据通过清洗、去噪技术，存储于数据共享平台，构成不同的知识系统、专家系统，打通不同数据之间的壁垒，实现不同应用系统数据的互联互通。

数据挖掘算法分析所采集的数据之间关联性，划分聚类、由神经网络算法做出预测性的判断，再经过可视化展示，以便做出的业务决策更合理。例如通过设备性能状态数据的采集，预测设备的使用寿命、是否需要维护或更换等。

将经过分析的项目信息都集中反映在统一管理云平台上共享，使得模型数据可视化、部门协同化、工程进度形象化、项目成本具体化。一方面实施部门能得到直观清晰地了解项目要求，减少协作成本、降低出错率，提升工作效率和工程质量，另一方面管理部门对项目有宏观决策的同时，能与各参与方得到有效互动、细化管理颗粒度。智慧建筑的数据的整合涉及：部门协调的整合、流程系统的整合、以及软硬件资源的整合。

3）应用开发产生新的服务和营销模式

智慧建筑的应用贯穿整个建筑行业产业链，并覆盖建筑设计、规划、施工、服务、营销全生命周期过程的智慧化。它提供更丰富的社会化服务，使其能参与智慧社会的分工、协作。智慧服务所用到的技术包括：智慧建造、装配建筑管理、BIM项目管理、智慧管廊、智慧停车、数字孪生、建筑故障诊断、预测、健康管理、环境自适应调节的智能控制、多种功能的机器人（如安防、服务等）、视频识别等，可以应用于建筑的施工、维护、巡检等过程。

在上述数据共享的基础上，实现建筑群体智能，为用户提供社会化的服务。服务的社会化是指不需要为单个建筑配备全部服务资源，例如可以通过孪生数字技术对典型建筑物的模拟，形成人工智能、专家系统，结合数据分析给出服务策略。

将政府管理部门、金融机构、地产商、建筑商和用户等的产生的数据共享，通过应用开发，进行个性化定制和精准营销，产生新的服务和营销模式。

4 结语

由未来建筑绿色、健康、智慧的三个特点，引出了智慧建筑的概念和定义。智慧建筑是智能建筑在时间、空间、边界、计算方式等维度的扩展，它是人工智能技术在建筑领域的应用。我们总结了智慧建筑的四个特征，及其对应的研究方向。在此基础上给出了智慧建筑信息通信系统的三层架构，它分为感知层、平台层、应用层；以及实现该架构所需要素。根据智能建筑信息通信系统的架构及方法，可以搭建智慧建筑的信息平台。