空调系统与BIM运维管理平台数据接口技术研究

朱文轩，王淑霞，李露凡（上海建科工程咨询有限公司， 上海 200032）

0 引 言

近年来，BIM技术已成为建筑行业智能化的一项重要技术。在项目的设计阶段和施工阶段，BIM技术的应用都已逐渐成熟，然而国内在项目运维阶段集成楼宇自动化系统、安防自动化系统、消防自动化系统的BIM运维管理平台较少，且成熟度较差。楼宇自动化系统（BAS）主要用于对建筑物空调、冷冻机组、给排水、变配电及电梯等系统进行集中监视、检测及管理。BAS作为现代建筑中的主要能耗监测控制系统，在运维管理阶段占有重要位置；而空调系统由于不同种类或厂家自动化系统使用数据传输协议有所差异，导致空调系统与上层系统数据传输存在较多问题，并且在大型建筑中，空调系统的设备监测点较多，如何对巨量的数据进行存储、管理和分析，都给BIM运维管理平台与空调系统的集成带来不小的挑战。因此，如何解决从各个空调设备到BIM运维管理平台的数据采集、应用过程中接口选择的问题，成为实现BIM运维平台与空调系统监测信息交互和集成、提高空调设备运维管理效率的关键所在。

目前国内外针对底层设备与BIM运维管理系统信息交互接口的研究，大多集中于设备与楼宇自动化系统通信方式的研究。赵津津[1]就楼宇自动化系统中冷热源系统、空调系统、给排水系统等监控常用的接口形式进行了介绍；李隽波等[2]总结了智能大厦管理系统中常用软件接口特性，并提出“一原则四步骤”的方法对软件接口进行选择；陈杰甫[3]对智能建筑四种常用总线协议进行介绍，通过对比总结出各种总线协议的适用场景；曹嘉[4]就LonWorks协议、BACnet协议及TCP/IP协议进行简单对比，通过某工程项目案例详细说明了LonWorks协议在楼宇自动化系统中的实际应用。此外，利用物联网与无线技术，结合BIM技术进行系统集成也成为新的研究热点。Riaz等[5]将无线传感器安装于施工现场进行环境监测，并将监测数据传输到BIM管理平台中，从而便于提前预警现场施工的不安全因素；Nguyen等[6]在对物联网及传感器技术进行大量调研分析后，形成了物联网与BIM技术集成的体系框架，同时将此技术应用到实际项目中；高媛等[7]通过分析综合管廊项目特点，总结出管廊项目后期运维目前存在的问题，提出基于物联网与BIM技术的综合管理设备运维管理系统，结合实际案例验证了该系统的可行性；Zhang等[8]通过无线传感器对温度、湿度和光照等数据进行实时采集，并集成至BIM运维管理系统进行数据监测和性能分析。尽管国内外结合BIM技术针对数据接口的相关研究范围不断扩大，但缺乏系统性总结空调设备与BIM运维管理平台数据接口的选择方法。本文通过构建信息交互过程中的系统架构，梳理各层之间通信方式，对比分析各接口的优缺点，为通信方式及接口形式的选择提供依据。

1 系统架构

由图1可以看出，系统架构由上而下主要由管理层（本文以BIM运维管理平台为例）、控制层（本文以楼宇自动化系统为例）、设备层（即空调末端设备数据采集层级）组成。

图1 系统组织架构图

设备层级是楼宇自动化系统中最底层的一级，主要由现场被控设备及检测数据仪器构成[9]。此层级要求设备能适应环境温度和湿度变化，适应电网电压波动变化，适应环境中电磁干扰影响及环境介质影响，具有实时性强的特点[10]。控制层为设备层与管理层的中间数据传输处理的枢纽，可定时获取上位机中空调设备数据，并按照规定协议解析，以约定格式上传至BIM运维管理平台。管理层以分布式网络环境为背景，构建起开放的一体化信息系统，方便用户查询现场空调设备运行情况，实现对设备运行过程实时远程管理的目标。

进行系统组织架构规划时，首先需要确定各个层级之间的通信方式。层级的不同，可选择的通信方式也将有所区别。在确定某种通信方式后，将对应若干接口形式，因此需要根据项目运维需求及实际情况，选择适合的数据接口。举例来说，目前BIM运维管理平台与BAS系统通信主要基于Internet实现远程管理，其中有webservice、TCP/IP、http等多种通信协议可供选择。如何根据项目实际情况选择适合的数据接口，将是本文研究的重点内容。

2 接口介绍

2.1 设备层与控制层

为明确数据接口选型原则及方法，下面介绍设备层与控制层通信可使用的各类型接口的优点、缺点及适用场景。

2.1.1 物理接口

物理接口指的是系统中不同设备与部件之间的硬件接口，主要分为串行接口及以太网接口。其中：串行接口主要包括RS-232、RS-485，以太网接口主要包括RJ-45等。

（1）RS-232接口是由美国电子工业联盟（EIA）制定的串行数据通信的接口标准，是PC机及通信工业中应用最为广泛的一种串行接口，采用单端通信。

RS-232接口主要具有以下优点：①信号线少方便现场布置，采用三条信号线即可实现简单的全双工通信；②波特率选择较为灵活，可以适应不同速率设备。然而，RS-232由于其自身传输形式所限，仍具有以下缺陷：①传输距离有限，最大距离标准值为15 m；②仅能点对点通信，不支持多点通信，且最大传输速率为20Kb/s；③抗噪声干扰性弱。

（2）RS-485接口由电信行业协会和电子工业联盟制定，属于平衡数字多点系统中的驱动器和接收器的电气特性标准[11]。RS-485接口在RS-232的基础上发展而来，可采用两线制和四线制的连接方式：两线制可实现真正多点通信；四线制仅能实现点对点的通信，且总线连接设备数量大大增加。RS-485接口主要具备以下优点：①传输距离长，最大距离为3 000 m；②总线上用于连接收发器为128个，具有多站连接的能力；③传输速度为10 Mbps，优于RS-232接口；④具有良好的环境抗干扰能力，可在电子噪声大的环境下有效传输信号。RS-485接口的主要缺陷：①不支持星型及树型接线；②需屏蔽双绞线，维护成本相对较高。一般此类接口多用于空调设备与上位机的连接，采集空调终端温度、湿度和风速等数据信息。

（3）RJ-45接口为目前最常见的网络设备接口，俗称“水晶头”，一般用于数据电缆的端接，从而实现设备、配线架模块间的连接及变更。此类插头仅可沿固定方向插入，且设置塑料弹片卡住卡槽从而防止脱落，适用于10 Base-T以太网、100 Base-TX以太网和1 000 Base-TX以太网，传输介质为双绞线形式。主要适用于双绞线构建网络中，设备与模块间的通信连接。

2.1.2 有线通信

目前空调系统常用现场总线技术进行现场空调设备与控制层的通信。现场总线代替了传统的集散控制系统(Distributed Control System, DCS)，在实现现场通信网络与控制系统集成目标的同时，逐渐发展成为一种开放型、分散型及互操作性强的新型控制系统。现已广泛适用于空调设备与控制层的现场总线通信方式有BACnet、Modbus、LonTalk。

（1）BACnet是由国际标准化组织（ISO）、美国国家标准协会（ANSI）及美国采暖、制冷与空调工程师学会定义的通信协议，在提供开放性的标准规范的同时，使建筑的空调设备和楼宇自动化系统能够实现信息交换。其主要优点是开放性强，应用条件与收益性较高。缺点主要是针对更高层次的控制方法的相关研究较为欠缺。

（2）Modbus为串行通信协议的一种，由施耐德电气公司为使用PLC（可编程逻辑控制器）通信而颁布，可基于串口或网口两种物理接口形式。目前有Modbus RTU（M-RTU）、Modbus TCP（M-TCP）和 Modbus ASCII（M-ASCII）三种主流传输方式，其中：M-RTU、M-ASCII为支持RS-485串口的通信协议，M-TCP为支持网口的通信协议。Modbus的主要优点：①公开发表无版权要求；②支持大量智能仪器仪表厂家数据通信，支持多种通信接口如RS232、RS485、TTL、光纤、无线等；③从供应商角度而言，易于修改或移动本地字节。Modbus的主要缺点：①属于主从协议，无法要求设备“报告异常”；②由于针对PLC通信开发，不支持大型二进制对象数据；③由于Modbus协议会提供未经授权的命令，其安全性相对较弱。

（3）Lon总线由美国Echelon公司于1990年正式推出。LonWorks采用LonTalk通信协议，支持ISO/OSI的全部7层模型，可通过不同通信介质进行传输，如双绞线、同轴电缆、光纤、射频、红外线和电力线等。

LonTalk物理层与链路层已被美国暖通空调和制冷工程师协会所采纳，成为楼宇自动化公认的技术标准[12]。主要包含以下优点：①同一网络中可以用多种通信媒介进行数据传输；②监控网络中节点数量最多可达到32 000个；③将网络通信设计简化为参数设置，从而提高了通信的可靠性。缺点主要是难以连接和操作异类数据库，无法对大数据进行处理。

2.1.3 无线通信

无线通信一般分为WLAN、LPWAN和WWAN等。适用于智能建筑领域的主要为WLAN和LPWAN，目前发展较为成熟且可应用于空调系统通信的有LoRa和ZigBee。此类技术可在现场空调设备不方便铺设有线通信线路时采用。相比于有线技术，无线通信方式灵活性强的特点有利于不断扩大其应用范围。

（1）LoRa为LPWAN通信技术的其中一种，是由美国Semtech公司推出的基于扩频技术的超远距离无线传输方法。LoRa主要由终端（可内置LoRa模块）、网关、Server和云四部分构成。其优点主要包含：①能耗低，传输距离长，城镇可达2-5km，郊区可达15km；②网关可连接大量LoRa节点。缺点是受周围物理环境影响大，若物理环境出现较大改变，LoRa物联网络存在运维期大面积掉线的可能性。

（2）ZigBee为近年新兴起的短距离无线通信技术，由IEEE.802.15.4无线标准开发而来，使用2.4GHz频段，成为了无线通信方式中低成本、低能耗和低速率的典型代表。利用此技术可将ZigBee节点铺设于各个空调设备中，实现对空调系统的实时控制。其主要优势：①相比蓝牙、wifi技术，其能耗更低；②由于大幅度简化协议，降低通信控制器要求，其成本更低；③响应速度快，时延短；④ZigBee具有自组网的协议能力；⑤满足了低速率通信要求。

2.2 控制层与管理层

本节主要介绍控制层与管理层的通信方式及软件接口特点。目前用于楼宇自动化系统与BIM运维管理平台的通信主要为http调用以及java远程调用webservices等形式。两种形式均由服务器提供服务，通过IP地址及端口号进行服务访问，客户端通过连接服务器的制定端口进行消息交互[13]。不同点仅为传输协议及报文格式。图2以http协议为例展示了控制层与管理层数据交互过程。

图2 控制层与管理层数据交互结构图

（1）http接口为一种基于http协议的api，是系统交互的一种约定，能较好地解决不同系统（如功能、开发语言、服务商不同等）之间的交互需求。http协议支持客户/服务器模式，相较其他形式更加简单快捷，且http允许传输任意类型的数据对象；此方式限制每次连接只处理一个请求，从而节省传输时间，提高传输速度。但是，http方式不能处理跨域数据，若调用其他应用服务则需使用webservice，且无法处理较为复杂的数据类型。

（2）web是不局限于平台以及编程语言的一种软件接口，通过基于XML语言的协议描述需要执行的操作或要与另一个web服务需要交换的数据，利用Internet进行网络数据交互。通过SOAP在web上提供的软件服务，使用WSDL文件进行说明，并通过UDDI进行注册。相较于HTTP Service，能处理较复杂的数据类型，且可处理跨域数据；同时能实现跨防火墙的通信，且能将不同平台、不同软件厂商，利用标准协议（HTTP、XML、SOAP 和 WSDL）集成数据，供其他应用程序使用。但由于需进行xml解析，此类接口运行速度会有所降低。

表1详细对比了两种接口特点及区别。

表1 HTTP Service与Web Service区别

3 数据接口选择方法

从2.2节可以看出，每一种接口形式均有其通信时具备的优势与劣势。本章将从成本因素、现场环境、功耗和兼容性等因素，综合考虑实际项目中选择接口形式的方法和原则。

3.1 成 本

进行接口形式选型时，在满足业主运维需求的前提下，需首先选择成本较低的通信方式。例如，某大学既有建筑需安装感应器进行空调设备管理，若采用综合布线形式，虽然此种方式通信信号稳定性高，但房屋整体需要大面积改造，施工成本较高；而有线通信方式适用于建筑建造时进行布设规划，因此最终采用无线方式进行空调设备与楼宇自动化系统数据通信。现场考察后发现，为提高建筑稳定性，建筑搭建有较多钢架。若采用LoRa技术，通信距离无法达到实验室内2 km～5 km的要求，导致LoRa需布设网关数量增加，预算投入急剧提高。最终经综合考量，该项目采用wifi通信技术，配合无线AP，在实现运维管理目标的同时，大大降低了成本。

3.2 现场环境

根据建筑CAD图纸及BIM模型，了解项目结构构造，对项目现场进行实地考察后，对最终需要节点数量进行预估计算。由于节点数量越多，相同环境下损坏概率更高，后期维护投入也相应增加，因此，应根据项目实际的现场环境选择适合的通信方式。例如，对于LoRa技术来说，现场承重墙、铁、钢材、建筑密度等因素，都会对信号传输产生损耗。在前述某大学既有建筑空调设备运维管理案例中，由于建筑结构影响导致LoRa布设节点大大增加，最终综合成本因素考虑并未选择此种无线通信方式。

3.3 功 耗

选择无线通信方式时，功耗因素直接影响设备运行时间。一方面，由于大多数项目对设备运行时间有控制要求；另一方面，由于现场环境等因素影响往往会导致设备所标“实验室时间”在实际运行期间无法达到，因此，前期应与硬件设备商确认在此类安装环境中各个设备的运行时间，从而满足业主对设备运行时间的要求。

3.4 兼容性

选择兼容性、开放性强的通信方式。随着建筑智能化不断发展和管理者对运维需求的不断提高，BIM运维管理子系统将会不断增加。除楼宇自动化系统外，消防自动化系统（FAS）、综合安保自动化系统（SAS）等其他系统也需接入BIM运维管理平台，进行远程统一监控管理。因此项目实施初期应尽量选择兼容性、开放性强的通信方式；否则，随着子系统的不断扩展，后期采用的接口类型过多，容易出现系统运行不稳定的问题，从而降低运维平台管理的效率。

4 结 语

本文通过详细分析空调设备与BIM运维管理平台数据通信过程中可选择的各类接口形式的优缺点，并横向对比同类型接口区别，从成本、现场环境、功耗和兼容性等角度，结合案例总结了数据接口选择方法，提供了空调系统与BIM运维管理平台信息交互基础，实现了对空调设备远程运维管理的目标，增强了弱电系统与BIM运维管理平台系统集成的紧密性。