数据融合背景下智慧楼宇技术架构与应用的思考

刘增祥 郭文高 刘 畅

中通服咨询设计研究院有限公司

自1984年美国康涅狄格州的哈特福特市建立起世界第一幢智能大厦以后，智能建筑在世界范围得到了广泛的认同和快速的发展，并带动了相关产业和经济的发展。在这一发展历程中，智能建筑自动化也随着科学技术的进步和人们需求的变化不断得以发展和完善，已经形成了操作简单、使用方便且相对独立、多样的楼宇自动化系统，给人们的日常办公、生活带来了极大的便利。

进入21世纪，随着新的理念和要求的提出，以及新兴技术的兴起和应用，通过对当前的楼宇自动化进行再审视，发现了新的问题和不足之处：如当前楼宇建设系统多，系统集成度较低，各业务相对独立；
对于较大型的楼宇，各系统采集数据众多，但数据利用不充分，无法为楼宇综合管理提供应用策略支撑；
各系统对人工的依赖程度依然较高，运营维护时效和成本亟待改善；
楼宇能源消耗监管较差，无法实现绿色环保自动节能管控。

当前智慧楼宇的建设更多的是结合物联网、人工智能、通信技术的发展，侧重于楼宇系统装置、设备的使用方面，而在对采集数据的融合使用方面则相对匮乏，如楼宇应急中心通过将摄像头、微卡口、设备的状态信息进行采集，日常运营期间，可以对客流情况进行监视，实现了物、人、资源数据的总览。当有应急突发事件发生时，无法将物的数据、人的数据、资源的数据进行统一整合、分析挖掘，形成楼宇特定场景的智慧型应用方案。

因此，利用技术手段，在目前楼宇智能化的基础上，打破相互间的“数字壁垒”，通过系统之间的深度互联，实现数据融合和在此基础上的多层次业务应用，从而建设基于数据融合背景下的智慧型楼宇显得尤有必要。

智慧楼宇技术架构以当前智能化技术架构为基础，着重体现各系统之间的数据融合、共享、分析和挖掘，并在此基础上，形成在安防、能耗、办公、运营、维护等各方面的多层次业务应用。

图1为基于数据融合背景下智慧楼宇的技术架构示意图。从楼宇基础信息的物理采集到业务应用，可分为感知层、网络层、数据平台层和应用层等四个层级，囊括视频监控、入侵与边界、门禁、对讲等安防类系统，计算机网络、公共广播、多媒体会议、信息发布、无线覆盖等办公和信息系统，环境监测、设备控制、空调、电力与照明、给水排水、消防等能耗管理系统。

图1 智慧楼宇技术架构示意图

其中，感知层是智慧楼宇技术架构的基础层，也是整个智慧楼宇技术体系的首要环节，它包括各系统的基础信息的采集终端，以及对用户指令的执行末梢。涵盖视频监控摄像机、温湿度检测传感器、门禁卡读卡器、广播音箱、扬声器、LED屏、无线天线等各种设备。网络层是智慧楼宇设备间、系统间互联进行信息交互的纽带，既包括楼宇干线系统，也包括支线系统；
既有光纤、网线、视音频线等有线方式，也包括无线AP、天线等无线方式；
既包含上述物理线缆材料，也包含交换机、路由器、ONU等网络接入和交换设备。

数据平台层是智慧楼宇数据采集和应用的数据中心，是智慧楼宇与以往楼宇系统在技术体系架构方面的主要差异体现。根据功能分工不同，数据平台层可划分为基础数据存储模块、数据分析与挖掘模块、过程数据存储模块、应用数据存储模块，以及数据共享与交换模块，各模块采用统一标准的协议和应用接口进行数据传递和交互。基础数据包括系统配置数据和各系统采集的现场视频数据、音频数据、图片数据、结构化数据和非结构化的数据。系统需要采用大容量、高性能的存储设备将基础数据进行分类存储，并能够根据实际需要快速的进行写入和读取。数据分析和挖掘通过对采集的基础数据信息进行加工和分析，采用自主学习和专家判断等方式生成应用规则和策略，为智慧楼宇的业务应用和系统管理提供应用指导和策略支持。数据分析和挖掘包括但不限于人员车辆分析与识别、数据关系分析、流量分析、机器学习、研判分析等。

过程数据是系统运行过程中的中间变量数据，数据分析计算过程中产生的数据等。应用数据是面向用户和系统应用的数据，包括用户配置数据、自定义数据、应用配置数据、应用业务平台数据等。数据共享与交换实现各存储数据模块间的数据交互与传递，数据之间的交互宜采用标准统一的软件接口和协议，如采用OPC、Socket、WEB Service、SIP等接口和协议技术等。

应用层是智慧楼宇面向用户多维度使用和管理的可视化应用平台，通过该平台可一览楼宇的海量信息，实时了解智慧楼宇状态，实现对楼宇的综合智慧管理。应用层业务包括智慧安防管理、能耗管理、信息发布管理、车辆管理、资产管理、运营管理、客户服务等，应用层业务的展示和使用可采用监控大屏、PC终端、移动APP、户外LED、全息投影等多种方式。

将各系统采集的基础数据进行汇集，通过各系统之间的共享和交互通道，在此基础上进行基于高级应用的数据分析与挖掘，可以建立服务用户的高层次及新的业务应用。智慧楼宇的业务应用可以从如下几个方面予以考虑：

2.1 以人为本的楼宇智慧应用体系和策略

以楼宇中人的舒适、方便和健康为宗旨是构建智慧楼宇的首要目标，智慧楼宇的应用体系和策略应将人作为构建智慧楼宇的组成环节，体现“人在回路（human in the loop）”的理念。以此为出发点，通过数据融合，可以将各种系统建立基于人员信息的一体化应用方案。例如，人员通过无感人脸识别顺利进入楼宇，数据中心后台通过计算或规划，根据常住人员的历史轨迹对其拜访客户自动生成路线，并与电梯控制系统联动自动派梯。楼宇入驻人员进入楼层超市购物可以实现人脸自动扫描扣费，进入房间时，门禁系统自动开门，根据预约及室内外温度，自动调节室内的电动窗帘、空调、照明，当离开时，门禁联动相关的系统自动关闭。当楼宇内人员进入停车场时，根据GIS地图可自动反向寻车，车辆驶出时停车管理系统自动计时扣费等。

另外，在楼宇内办公的人员可以通过手机APP查看会议室的空闲状态并进行线上预约，当会议即将开始时，会议室灯光照明、电动窗帘、空调根据外部环境自动调节到适宜的内部环境，并根据预先的线上设置，自动启动多媒体会议系统并建立远程连接。通过和物流机器人进行数据联通，楼宇内办公人员的快递文件等可以通过物流机器人自动派送上楼，送达需要接收的收件人。

2.2 以绿色环保为理念的能耗智慧管理

前已述及，通过分布在楼宇内的监测点，对建筑内部的温度、湿度、光照度、空气质量等进行监测，并根据采集数据对楼宇的内部环境进行调节。同时，能耗管理系统通过楼宇安防系统采集的人员信息，结合后台大数据了解人员汇聚情况，根据当前楼宇内空调、照明、电梯等运行情况，制定能耗控制策略和方案，实现资源的合理化应用，达到节能减排和能耗的智慧管理。

根据楼宇日常运行早高峰、晚高峰、节假日等的客流情况，以及楼宇环境监测、设备控制、空调、电力与照明、给水排水、消防等日常运行数据，通过智慧楼宇平台的数据融合和能耗分析，形成不同时段、不同场景、不同应用下的能耗管理策略，实现能耗自动调节和自主管理。

2.3 基于日常业务的智慧化应用

基于系统互联和数据融合，开发多种业务的智慧化应用。通过视频监控系统、入侵与边界系统、门禁系统、电子巡更系统、广播系统等的数据融合，可以建立楼宇智慧安防系统。当有人员非法入侵时，入侵与边界系统可以及时检测并与视频监控系统联动，将入侵区域的视频切换安保人员监控终端，可以通过远程语音进行广播驱离震慑。楼宇内部人员当进入超越权限的区域，门禁系统会自动报警并与视频监控联动，切换相关视频至安保监控终端。监控系统可以对楼宇内部重要区域的物体滞留、物体移动、人员聚集、人员徘徊等自动检测，经后台数据分析后形成处置策略，通知安保人员。

进入楼宇的车辆通过车牌自动扫描进入停车场，智慧停车管理系统根据车场内车位使用情况自动引导驾驶人员到空闲车位，通过视频采集到驾驶人员信息和GIS定位，当驾驶人员离开时，系统自动生成反向寻车轨迹。

通过RFID可以对楼宇资产进行录入建立物资管理档案，楼宇智慧安防系统对物资按照使用权限和重要程度进行分区、分时、分状态等进行布防，当有异常情况时进行视频联动、PC终端页面、手机短信进行报警提示等，并要求物资管理人员根据使用管理规则进行处置。

2.4 基于BIM+IBMS的智慧运维管理

IBMS（智慧楼宇管理系统）通过系统软硬件接口标准化、规范化的方式将楼宇各个组成系统集成为一个“有机”统一的整体进行管理。通过IBMS，可以对楼宇所有组成系统进行集中监视和管理，同时，通过数据共享和交换平台可以实现系统之间的信息共享和工作协同，并为智慧安防、能耗管理、运营维护提供便利。BIM（建筑信息模型）利用数字化技术建立完整、与实际情况一致的楼宇建筑体和建筑物构件三维模型，通过信息化手段，为项目关联方建立信息交换和共享平台。

通过IBMS与BIM系统的结合和数据映射，可以将楼宇传感层数据汇集到基于三维可视化的楼宇运维管理平台上，实现楼宇设备、设施的统一可视化监控与管理。BIM模型产出标准参照LOD等级规范，智慧楼宇各专业系统感知层的设施、设备规格，安装位置，电气回路等信息分楼层与BIM模型严格对应。

在运维管理过程中，物业服务是智慧楼宇运行和管理最基础的功能。BIM模型可以查看楼宇内部空间布局、设施设备和重要资产的分布，空间管理监控可以查看楼宇内工位、展厅、餐厅、会议室的利用情况，设备监控设施可以对楼内摄像头、电梯、空调、水泵等设施的运行、保养和维修等情况进行监控，资产监视可以实时了解楼宇内服务器、精密仪器等大型、重要的设施的运行状态，通过建立BIM和IBMS间的数据模型，结合动态监测数据，可以对各类空间的占有规律、设备故障定位、故障预警、故障率分析、设施采购方案等进行及时处置和优化。

BIM与IBMS的结合，可以三维可视化的方式提高楼宇日常维护过程中的便利性和精准度，提高运维管理效率，降低因维护不及时、定位不准确、故障确诊难等原因造成的成本增加和经济损失。

作为新时代智慧家族中的一员，智慧楼宇是楼宇智能化发展到现阶段一种新的理念，是在传统楼宇智能化的基础上，借助互联网、物联网、大数据、人工智能等新兴技术进行的模式创新，技术开发和业务应用目前尚处于研究和初步实践阶段，没有统一的评判和建设标准。

本研究通过对智慧楼宇技术架构和基于此架构数据融合相关应用的初步探讨，意在为智慧楼宇的项目设计、工程实施、应用开发、业务拓展等提供参考，起到抛砖引玉之作用。