新型群智能建筑控制管理系统平台的探索∗

李维时， 陈 琪， 潘云刚

（中国建筑设计研究院有限公司，北京100044）

0 引言

从上世纪80年代，我国在建筑中引入建筑设备管理系统（简称“BMS”）以来，以数字技术为控制平台的直接数字控制系统（简称“DDC”）在我国得到了广泛的应用。但是，由于DDC系统在系统结构、软件编程等方面的特点和技术要求，以及实际工程从招投标、施工安装、运行调试和运行管理等操作过程中普遍存在的一些问题，导致我国的BMS系统实际运行管理的现状，远远没有达到其所预期的功能。建筑物智能化系统维护运行水平不高，甚至一些已投用的DDC系统在2～5年后就恢复到手动运行管理状态。实际调研的情况如图1所示。

分析现有建筑物维护运行智能化程度不高的原因，可以大致归纳为以下因素。

（1）各智能化系统条块分割，互不兼容（编码方式不同，代码不公开等因素造成）。

（2）采用中央站建模，组网建模工作量大，建设成本高。

图1 全国智能化建筑楼宇控制现状

（3）各系统不能适应建筑物的个性化设计，不可复制，定制化成本高。各建筑物的建筑设备管理系统由于设备厂家不同，使用需求不同，各个工程之间的系统模式不能复制。这种近似定制开发的系统控制模式，系统构建成本高，运营维护困难。

（4）系统配置不灵活，修改维护成本高。当物业管理需要系统做适当调整时，需要DDC设备厂家专业技术人员进行修改。系统修改成本较高，可实施性差。

（5）信息技术门槛高，专业知识难以落地。机电专业的工程师和设计师的控制思路只能通过计算机（或自动化）专业人员才能完成编程。

针对目前建筑智能化实际运行中出现的上述问题和原因分析，国家科技部于2016年立项了国家重点研发计划项目专项“新型建筑智能化系统平台技术”项目课题，这是十三五期间智能建筑领域的大型研究项目课题之一。本文提到的“新型群智能建筑控制管理平台系统”，是本专项课题研究的核心内容，其目标是构建适应城镇化发展、中国独立自主的智能化技术体系和标准；在此基础上，形成覆盖各种应用的智能产品（冷机、水泵、空气处理机组、换热机组、电梯、变配电、照明等），创造一种新的产业模式，在提升我国建筑智能化设计、建造和运行管理水平的同时，带动传统产业完成中国智造的升级。

1 群智能建筑控制管理平台在控制理念上发生本质改变

群智能建筑控制管理平台系统是一个去中心化、扁平型的控制管理平台（以下称“新控制管理平台”）。

原有的建筑设备监控系统（BA），代码算法不开放，使用者不能方便地按照现场实际情况，调整控制策略，大部分实际运行的系统只能进行简单的参数再设定，管理者或设计师无法进行软件的优化和再编程。在建筑设备监控系统运行几年之后，由于各种原因，相当一部分变为了手动控制，各种优化策略均不能实现。虽然总线技术、互联网技术、集成软件、OPC、云计算等都在不断发展，可智能化实际控制水平却没有发生本质性的提升，系统平台的架构没有实质性变化——中央控制中心的这种控制逻辑没有发生改变；各个系统相互独立，条块分割的情况也没有改变。各个系统缺乏横向连接——建筑设备监控、照明、安防、消防等每一项都是一个独立的系统（甚至每个系统内又含N个子系统）。

但是，在一个空间内的电气设备，往往是发生关联的。比如会议室照明、空调、投影、电动窗帘等电气设备，是一个协作使用的情况。如果采用中心控制框架，当中心处理能力足够强大时，上传的大量数据可以很快准确处理。但末端数据的采集和校核是一个极其庞大、复杂的工程。在目前建筑规模越来越大的趋势下，建筑群海量的终端数据采集，由于安装、调试、接线等问题，要求上传全部准确无误的数据信息是难以实现的。当新的设备需要接入原有控制系统时，不但控制系统原有构架需要调整，控制软件也需要相应修改。这种修改只能由楼控设备厂家专业工程师完成，这也是目前的BMS系统维护运行水平较低的因素之一。

如果把一幢建筑内的各种空间和使用设备分别视为建筑的一个“节点单元”，那么，通过对典型建筑和功能的总结，既可以找出这些“节点单元”自身的运行管理需求，也会找出它们相互之间存在的逻辑联系。生物界的群落行为给了一些启发：成千上万的鱼群迁移嬉戏、蜜蜂筑巢、蚂蚁搬家，众多低等生物能共同完成异常复杂的“工程”，靠的即是独立个体自组织、自识别及相互协作。如今这种控制理念在无人机编队的编程中已展开使用。新控制管理平台就是把这个理念应用到系统平台中。

原楼宇智能化控制平台流程如图2所示，群智能建筑控制系统平台流程如图3所示。新控制管理平台优于原楼宇智能化控制平台的方面有以下几点。

（1）新控制管理平台是一个无中心、扁平化结构。

（2）新控制管理平台是一个自组织、自识别的天然集成平台。

（3）新控制管理平台采用分布式计算，CPN节点共同协作完成全局优化控制。

（4）新控制管理平台功能扩展更灵活。

（5）新控制管理平台采用标准化产品，设计更简单。

新控制管理平台是一个分布式的平台，系统的拓扑过程源于它的自识别。优点是能够针对条块分割（即“节点单元”），解决有针对性的问题，同时实现控制系统对“节点单元”（建筑空间或者机电设备）的自组织、自识别和自协调，解决系统和“团队”问题。对空间单元进行横向集成，便于实现系统信息的互联互通，实现设备之间的分布式协作。通过这种自组织、协作场识别和物理场的识别，可以更方便用户获得实用信息。

图2 原楼宇智能化控制平台

图3 群智能建筑控制系统平台

新控制管理平台采用标准化模块、标准化节点以及标准操作系统，实现安装简洁、灵活，降低设备安装、系统维护、机电改造以及升级换代的成本。

这一原创性的新智能化架构必然改变智能建筑业态，激发智能化技术的发展。

2 群智能建筑控制管理平台的控制节点

新控制管理平台是由一个个独立平等的节点连接起来的。相邻节点之间相互互动，所有节点整体进行平等计算。这个系统可以实现自组织识别及节点间协作。这个节点叫 CPN（Computing Processing Node）计算处理单元。控制系统的所有控制算法及都嵌入在每个平行节点内。

新控制管理平台为实现系统的标准化、设备的即插即用，引用了标准空间单元和标准设备单元的设计理念。首先平台覆盖全部建筑空间。按功能、防火分区、控制节点的辐射半径等因素，整个建筑空间可分为若干标准空间单元。像搭积木一样，依据不重不漏的原则，若干标准空间单元按照建筑原有的空间相对关系，把相邻标准空间单元拼接起来，实现与建筑空间一一对应的空间模型。对建筑物内的机电系统则引入标准设备单元理念。

每个标准空间单元设置一个CPN-A，如图4所示，每个标准设备单元配置一个CPN-B，如图5所示。CPN-A之间按照空间相邻关系连接起来，构成类建筑空间模型的控制平台。CPN-B按照各机电系统工艺流程关系连接在一起，然后接入到新控制管理平台。整个新控制管理平台的构架就搭建完成了。

图4 计算处理单元CPN-A

图5 计算处理单元CPN-B

CPN-A、CPN-B节点内置固化了32种标准数据集（1种标准空间单元数据集及31种标准设备单元数据集）。其中标准空间单元数据集包含了建筑空间内从属的智能机电设备末端，如灯、开关、插座、风机盘管等。31种标准设备单元数据集，包括水泵、冷水机组等机电源侧设备，可以搭建目前建筑物使用的各种机电系统，形成新型的智能机电系统模型，并接入到新控制管理平台当中。由于CPN节点都能自组织、自识别。当CPN节点与各机电设备采用有线或无线连接之后，自行将设备与相应的标准数据集进行匹配，从而达到自动组网的协作过程。

CPN-A通常以无线WiFi的形式与末端的各智能设备连接。智能设备的种类、数量、状态采集种类均固化在CPN-A的空间标准数据集中。当设备安装完毕后，运行固化在CPN-A设备内的安装软件，CPN-A可以通过WiFi自动拾取探测半径范围内的智能设备，并建立控制联系。

CPN-B通常以有线的形式与末端的各智能设备连接。按照机电系统的工艺流程的逻辑关系，将设备与对应的CPN-B连接起来，再接入到新控制管理平台中。

3 群智能建筑控制管理系统平台的设计探索

在新控制管理平台的设计方面，不断探讨设计原则、设计流程。目前把新控制管理平台搭建大致分为三个步骤。

3.1 标准空间单元的划分

（1）按独立房间划分为一个空间单元；当房间长度＞16m，可以按约8m半径划分多个空间单元；（2）楼梯间、前室单独划分功能单元；（3）强、弱电间宜单独划分功能单元；（4）设备管井不宜单独划分功能单元；（5）电梯井道不划分功能单元；（6）大堂灯具等，电动窗数量较多的区域，功能分区面积适当减少。

标准空间单元的划分基本原则为：（1）基本空间单元可以不重不漏地覆盖所有建筑空间。（2）一个空间单元对应一个CPN-A。图6为某工程基本空间单元的划分平面图。

图6 某工程基本空间单元的划分平面图

3.2 标准设备单元的划分

为便于系统标准化设计，把采集的运行数据及接收控制管理指令，以及交互协作模式存在一定共性的设备，归为一种设备单元的标准数据集。每个机电设备与其直接相关联的传感器、执行机构、配电柜等统称为标准设备单元。

一个CPN-B对应一个标准设备单元。每个CPN-B中固化了31种标准设备单元的标准数据集，分别对应31类典型的机电系统源侧设备。CPN-B可以自动识别，将与其连接的各类机电设备分别与相应标准数据集匹配。从而使机电设备智能化，为接入系统平台提供数据基础。

各种标准设备单元可以搭建出复杂多变的众多机电系统。各类机电设备之间，依据标准化的信息集，完成相互协作。

3.3 标准单元的连接原则

（1）一个空间标准单元对应一个平台节点CPN-A。

（2）每个CPN-A节点按照建筑空间的对应位置关系相互连接，不跨接。

（3）依据机电系统（冷冻机房、给水机房、换热站等）的工艺流程逻辑，连接各与源类设备一一对应的CPN-B节点，然后接入到空间标准单元平台节点的CPN网络平台中。图7为某工程冷冻站系统工艺流程框图，图8为冷冻站标准设备单元连接后接入CPN平台示意图。

图7 某工程冷冻站系统工艺流程框图

图8 冷冻站标准设备单元连接后接入CPN平台示意图

群智能建筑控制管理系统平台无论在设计理念，标准化设计、安装，即插即用灵活拓展等方面，均颠覆了原有智能化控制管理平台的固有模式。新控制管理平台的研究和应用，必将会为整个建筑智能化技术领域达到新高度，提供一个坚实的基础平台。