基于城市数字底座的智慧建筑操作系统探析

刘 翀[华建数创（上海）科技有限公司， 上海 200070]

1 智慧建筑的发展历程

党的十九大报告明确提出了数字中国、智慧社会概念，作为数字中国战略落地实施的重要载体，智慧建筑行业正步入迅速发展的新时代。智慧建筑市场未来前景巨大，国内外针对智能建筑、智慧建筑的定义和做法不尽相同。本文针对智慧建筑行业的发展历程进行了简单梳理。

1.1 传统建筑

20 世纪 80 年代引入智能建筑概之前，国内建筑市场普遍存在的是以旧基建时代特点为代表的传统建筑。传统建筑自动化程度低，管理基本依靠人工。如照明，灯光只能手动操作开关。传统建筑中，信息不能互通，如电费、水费、燃气费等计算还需人工抄表。传统建筑的光纤入户、三网融合等功能亦需要大量改造升级工作。当前，全国范围内对智能建筑的认识还不够全面深入。一些所谓的智能建筑，其功能融合度上存在欠缺，丧失了智能建筑的根本要义，本质上仍未摆脱传统建筑的束缚。

1.2 智能建筑

智能建筑是为适应现代信息社会对建筑物功能、环境和高效管理要求，由传统建筑的基础上发展而来。有关智能建筑的构成及特征说法众多，普遍认为智能建筑应具有环境感知、信息传递及处理、系统集成信息分析判断及系统操控响应等能力。此类能力建立在 CA（通信自动化系统）、OA（办公自动化系统）、BA（建筑设备自动化运行系统）、SA（安全自动化系统）、FA（火警自动系统）、GCS（综合布线系统）有机结合、系统集成的基础上。智能化程度的高低取决于系统综合集成的程度。

1.3 数字建筑

随着产业数字化变革大潮到来，数字科技承载中国建筑智慧化与产业化转型的进程。相关行业普遍认为，数字建筑是指利用 BIM 和云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能（AI）等信息技术引领产业转型升级的行业战略。结合先进的精益建造理论方法，集成人员、流程、数据、技术和业务系统，实现建筑的全过程、全要素、全参与方的数字化、在线化、智能化，从而构建项目、企业和产业的平台生态新体系。数字建筑是建筑产业转型升级的核心引擎，通过新设计、新建造、新运维的“三新“驱动产业变革与创新发展，可让建筑产业提升至工业级精细化水平，规模化地满足个性化需求，交付达到工业级品质的健康建筑产品。在数字化变革的大趋势下，作为数字科技与建筑产业有效融合的数字建筑，普遍具有数字化、在线化、智能化三大特征。

1.4 智慧建筑

在数字化背景下，不同产业和区域的生态之间联系愈发紧密，不再局限于行业、地域等因素的限制。跨界应用产生丰富的创新空间，从而形成统一智慧生态共同体。在此背景下，建筑产业密切结合新基建、互联网+ 为智慧建筑赋能，并从演进视角将智慧建筑定义为智能建筑在时间、空间、要素边界、计算方式和新经济模式 5 个维度上拓展形成的新概念。智慧建筑应具有 8 个基本特征，即实施感知、高效传输、自主控制、自主学习、个性化定制、自寻优进化、自组织协同和智能决策。

2 智慧建筑的现状分析

随着智慧建筑发展到一定阶段，其规模化、网络化同时促进了智慧城市的发展。早期城市智慧化建设所留下来的“烟囱系统”“信息孤岛”“安全隐患”“重技术轻服务”等问题也逐渐暴露出来，亟须通过新一代信息技术的迅猛发展逐步加以解决。但从现阶段我国智慧建筑的发展现状来看，仍存在以下问题。① 顶层设计层面缺乏科学的整体规划及切实可行的分类实施框架。② 技术应用层面存在技术瓶颈，核心技术创新能力亟待加强。③ 系统集成层面：烟囱系统、信息孤岛等现象亟待解决。④ 数据标准层面：数据开放共享进展缓慢，亟待统一数据标准。⑤ 管理制度层面：亟待管理体制创新。⑥ 产业发展层面：亟待健全产业支撑体系、扩展智慧建筑应用范畴。⑦ 保障体系层面：亟待完善相应的保障措施。⑧ 评价体系层面：尚未完善针对智慧建筑考核的整体评价体系。

3 解决方案总体思路

3.1 建筑操作系统（BOS）理念

智慧建筑大脑是一款泛建筑类的智能化操作系统（BOS，Building Operation System）。该系统利用云计算、物联网、大数据、人工智能、数字孪生等技术，使建筑具有感知、传输、记忆、推理、判断和决策的综合智慧能力，形成以人、建筑、环境互为协调的智慧生命体，可为人们提供安全、高效、便利及可持续发展功能环境的智慧建筑。其以“数字孪生、虚实映射、双智驱动”为建设理念，以空间可视化为载体，以智慧建筑大脑为核心，整合建筑时空数据，打通信息孤岛，实现场景联动，赋予智慧建筑行业数据驱动能力。智慧建筑操作系统 BOS 业务架构如图 1 所示。

BOS 可灵活部署在公有云、私有云、混合云环境下。核心功能基于 Docker 容器化部署运行，外部接口为其他开发者或集成服务商提供的交互接口服务，向下对接各类应用子系统的数据，向上为数创自身的应用及合作伙伴提供数据集成、模型展示等服务。BOS 主要组件包括建筑数据连接器、建筑感知适配器和建筑孪生数字底板。通过数模分离技术进行处理，并按构件分类标准及映射规则进行匹配、关联相关动态数据，选择需要的城市数字场景，进行渲染烘焙，场景内各数据通过接口与 BOS 内部数据接口进行交互。

图 1 智慧建筑操作系统 BOS 业务架构图

3.2 关键技术

智慧建筑操作系统是新一代信息技术与建筑深度融合而建立起来的建筑生态系统，其研究与发展是一项系统性和持久性的工作。如何将 BOS 紧密结合实际，提升智慧化程度，突破信息获取、更新、管理、挖掘、整合、应用、服务等方面的瓶颈，需要以下关键技术的融合应用。① 多源异构数据融合技术。② 立体感知技术。③ SSL 加密技术。④多元数据治理技术。⑤ AI 分析研判技术。⑥ 动态事件呈现技术。⑦ 柔性仿真技术。⑧ 数字化身份标识。⑨ 虚实互动技术。

除了以上先进成熟的技术应用外，Web Service 技术、HTML 5 技术、Redis 分布式缓存技术、ElasticSearch 弹性搜索引擎等技术的应用同样为 BOS 服务提供了基础保障。

4 建筑操作系统的应用前景

4.1 向上支撑智慧建筑的应用

基于 BOS 实现信息共享，对接智慧建筑不同层次需求的业务应用场景。运用大数据挖掘分析，建立数据分析模型和可预见性管理，提高运行效率和综合处置能力。通过大屏展示和移动应用，让决策者、管理层和普通用户切实体会“智慧”感受，真正达到绿色、科技、安全、舒适、高效、低碳的目标，实现智慧建筑管理从粗放到精细、从被动到主动、从静态到动态、从单一到互动、从传统到现代的五大革命性转变，提升核心竞争力和可持续发展能力。

4.2 向下对接城市数字底座

在智慧建筑的各个阶段，对数据平台进行动态更新。通过“1C5B”的动态数据采集模式，实现数字孪生城市的伴随式生长，将 “历史、现在、将来”的时空数据集中反映在城市数字底座上。

4.3 广度链接为智慧城市

通过数字城市底座进行信息的感知、传递、沟通和连接，集成智慧城市现状数据及建设过程中数据，为未来智慧城市运营管理提供智能化保障，高效便捷与城市运营其他系统对接、具备可扩展性。为政府、市民、企业和研究机构提供城市公用设施基础数据服务及升级服务，具有良好的延展性。基于立体感知的动态监控、泛在网络的及时响应、数据模型的实时分析、城市智脑的科学决策，解决城市规划、设计、建设、管理、服务闭环过程中的复杂性和不确定性问题，全面提高城市物质资源、智力资源、信息资源配置效率和运转状态，实现智慧城市的内生发展动力，做到“伴随式生长”。

4.4 深度发展为 AI 城市

随着信息技术和科学技术的不断发展，AI 技术也在逐步优化。在 AI 系统中，人工神经网络系统、专家系统、模块结构化等都在智慧城市的深度应用中得到不错的发展和进步。AI 技术在建筑领域的应用让城市各区域间进行有效的信息交流，进一步实现一体化的管理，对城市的统一建设和发展意义重大，不仅能够不断地满足人们日益增长的生活和工作的需求，提高人们生活的品质，还能进一步促进智慧城市的发展。未来，智慧城市 AI 应用将面临应用程度加深、智慧领域进一步细化趋势。基于 BOS 若干 AI 智慧微循环将被建立，最终链接成为 AI 集群，形成真正自适应、自组织的 AI 智慧系统。云上 AI 将进一步得到发展，AI 城市的大数据价值越发凸显，同时对大数据处理分析能力提出更高的要求，最终深度发展成为 AI 城市。

5 结 语

党的十九大报告在论述加快建设创新型国家时，提出了智慧社会这一让人耳目一新的概念。智慧社会概念是对智慧城市概念的发展，也是对智慧城市概念的中国化和时代化。智慧社会地建立离不开建筑的智能化。通过梳理智慧建筑从统建筑、智能建筑到数字建筑逐步发展的历程，基于智慧建筑操作系统（BOS）基本概念和关键技术的阐述，对智能建筑的未来进行了展望。希冀可为日后智能建筑、智慧社会的发展提供一定助力。