智慧建筑的发展趋势及与智慧城市的关系

项颢，沈洁，贾琨

XIANG Hao, SHEN Jie, JIA Kun

(中国电子工程设计院有限公司)

1 智慧建筑的概念

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（人），计算方式结合了认知计算和智能计算[1]。

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。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（人）、认知及智能计算的结综合体。

2 智慧建筑面临的挑战

2.1 面临的主要问题

①智慧建筑的发展应与智慧城市的顶层规划相匹配，并能落实分解智慧城市相关板块的标准与指标；

②不同技术标准产生了大量的异构数据，急需融合，需实现统一共享；

③建立智慧建筑的评测平台，实现检测流程指标的标准化。

2.2 需要突破三个技术方向

①如何将人工智能技术与其他信息通信技术结合起来，并应用于建筑行业；

②如何打通不同应用、技术间的数据壁垒，实现多源数据和融合；

③如何将信息通信技术融入建筑的全生命周期管理，延长建筑的使用寿命。

3 智慧建筑的发展趋势

在发展智慧建筑的进程中，我们需要克服工业化、信息化、标准化水平以及管理手段的瓶颈和问题，科学规划发展路线。

通过信息技术演进、社会化服务和新技术方向几个方面阐述智慧建筑发展趋势（见图1）。

图1 智慧建筑发展趋势图

智慧建筑的发展是由信息技术的研究、其他新技术的发展推动其社会化服务的进步。其中信息技术演进趋势包括：近期发展以建筑信息模型（BIM）技术、物联网技术、通信技术等的应用为主；中期以云计算技术、大数据和数据中心技术的发展为目标；远期目标以人工智能技术的研究为主。由于人工智能技术是建筑实现智慧化的关键技术，基于机器学习的弱人工智能将在中期得到应用，远期则针对强人工智能的深层应用研究。

发展智慧建筑的目标是体现以人为中心的社会化服务，信息技术和新技术的发展为其提供基础。绿色、健康是近期目标。智慧化的服务和营销新模式是中期目标。形成建筑、环境、使用者管理者（人）之间利用智能化设备、科学方法进行协作的闭环完整生态系统，是智能建筑发展的长期目标。

4 智慧建筑急需突破的技术难点

在需求的推动下，业内企业通过搭建智慧中台，促进数字化转型，形成新的业务流程和管理模式。

针对上节提出的需要突破的技术问题，给出初步的解决设想：

4.1 基于人工智能的云平台

人工智能技术依托于云计算平台，它是智慧建筑产业链的核心。不同的传感器采集的数据，由本地化的边缘计算首先处理。由云计算服务器集群构成智慧建筑的云平台核心算法部分，采用机器学习算法做出判断和决策，并通过执行器、控制器对进行控制。平台的结构如图2 所示。

图2 智慧建筑云平台核心算法

4.2 多源融合数据分析中心

在智慧建筑工程中，我们建议形成区域及行业建筑群的数据中心，对普遍意义的数据进行融合、统计及分析。数据的融会贯通是将建筑的数据和其他建筑的数据相关联，并且与人类的意图相关联，通过数据分析能进行智慧行为的改变，这意味着将建筑数据与人类的期望相关联。在管理数据方面贯通BIM、项目管理（PM）和企业管理平台，通过数据智能，提供全产业链和全生命周期的自适应服务。其结构如图3 所示。

4.3 社会化需求促进发展

当前人工智能的发展还处于弱人工智能阶段，在未来智慧建筑产业中将向强人工智能转换。强人工智能系统建立在弱人工智能算法的基础上。首先能自动获取知识，并具备一定人类感知和认知的能力。感知认知分析后的数据进入智能专家系统，它含有规则库、知识库、算法库，智能信息检索系统能在专家系统中经分析判断提取适合的方法，在自动规划单元形成处理策略，经智能控制单元实施。完成一次处理流程后，系统能对处理结果进行分析、推理、形成新的知识、规则和算法。这一过程是循环往复的持续优化的学习过程，中间有人机交互，但不需要人为的干预。从而形成一个智慧体。其结构如图4 所示。

通过上述持续优化过程，可以提升管理水平的智慧化，使所使用的平台具备：在线、开放、可进化的自学习、具有内生智慧的数据模型这四个特点。

5 智慧建筑与智慧城市

5.1 从智慧建筑到智慧城市

智慧建筑发展到一定阶段，其规模化、网络化也促进智慧城市的发展。智慧城市是我国城市转型升级、提高增效的必由之路，是融合新型城镇化、工业化、信息化、农业现代化和绿色化的有效载体。建设智慧城市是贯彻党中央、国务院关于创新驱动发展。推动新型城镇化，全面建成小康社会的重要举措。早期城市智慧化建设所留下来的：“信息孤岛”，“安全隐患”，“重技术轻服务”等问题也逐渐暴露，通过人工智能、大数据、云计算、 物联网、移动互联网、区块链等新一代信息技术的迅猛发展能够加以解决。

2014 年国家发改委联合七部委发布《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》为中国智慧城市建设确定了基本原则。此后各部委又陆续发布了智慧城市相关国家政策文件，促进了中国智慧城市的发展，并带动了智慧建筑的迅速普及。2017 年我国启动智慧城市建设和在建智慧城市的数量已累计超过500 个。

目前大量智慧建筑组成的智慧城市，智慧社区如雨后春笋般涌现。智慧建筑也随着智慧城市的发展不断积累经验、完善技术应用和实际体验，已经全面融入了智慧城市整体设计实施之中，做到从顶层设计开始的一体化设计实施及全面应用。

5.2 智慧建筑与智慧城市的关系

智慧建筑是智慧城市的基本单元和载体，智慧城市的顶层设计对智慧建筑具有指导作用，智慧城市与智慧建筑相互支撑。

1）智慧建筑对智慧城市的支撑体现在下面两点：

①智慧建筑为智慧城市提供基础数据。智慧建筑各个阶段，广泛采用了：BIM、数据库、计算机通信、计算机图形、人机交互、传感器、物联网、人工智能、虚拟现实（VR）等技术，对建筑进行全生命周期的管理，构成数据采集的重要来源。

②智慧城市建设依靠智慧建筑提供的数据进行分析与应用，为决策提供数据支撑。根据《中国智能建筑行业发展报告（2013-2018）》显示，我国每年约新建智能建筑4000 亿m2。随着智能建筑的不断普及，它作为智慧城市的固定数据收集节点，发挥着稳定的、细致的作用，可以充分反映城市居民的工作和生活情况。

图3 多源数据中心组成结构

图4 基于强人工智能的持续学习优化功能

2）智慧城市的顶层设计对智慧建筑具有指导作用

智慧城市是由智能建筑的智慧体形成的互联网，在城市整体规划中，还需要考虑智慧交通、公共服务等环节。智慧建筑是整个城市网络体系的有机组成部分。

不同城市、不同类型建筑具有不同的特点，其构成智慧建筑的数据采集来源和管理关注点都是不同的。针对智慧城市顶层设计规划中的不同指标，在智慧建筑建设过程中，需要分类规划，针对不同类型的建筑数据，差异化地实施管理。

6 结语

本文通过智慧建筑的概念，分析了其面临的问题和挑战。针对当前的问题，从信息化、新技术、社会化服务给出了智慧建筑未来10 年～15 年的发展趋势。我们分析了智慧建筑急需突破的三个技术难点，给出了智慧建筑云平台核心算法、多源数据中心组成结构、基于强人工智能的持续学习优化功能的解决方案。最后论述了智慧建筑与智慧城市的关系，对于提升智慧建筑的技术、拓展其应用具有重要意义。