建筑大脑让智能建筑走向智慧建筑

张桂青陈浩

(1.山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南250101；2.山东省智能建筑技术重点实验室，山东 济南250101)

0 引言

2017年阿里巴巴集团发布了国内首个智慧建筑白皮书[1]，将智慧建筑发展历程分为3个阶段，即1980年前为传统建筑，1980—2015年为智能建筑和2015年后为智慧建筑。

世界公认的第一幢智能建筑是1984年在美国康涅狄格州哈特福特市出现的，其实际上是一幢38层的租赁式办公建筑，引入了信息通信系统，较好地实现了语音通信、电子邮件、信息检索等功能，后来又接入空调系统、给排水系统、供配电系统实现了部分建筑设备的远程控制，初步实现了建筑设备自动化系统(Building Automation System，BAS)。美国第一幢智能建筑的成功案例在全球引起了巨大的冲击，行业内相关企业纷纷效仿，20世纪80年代中后期，日本东京的本田青山大厦、中国香港的汇丰银行总部大楼、中国北京发展大厦等更有针对性地设置了建筑设备自动化系统、通信系统、办公系统等，这也就是后来智能建筑“5A系统”(Building Automation System，BA；Communication automation system，CA；Office Automation System，OA；Fire Alarm System，FA和Security Protection and Alarm System，SA)的雏形[2]，此后几年时间，国内又陆续建成了北京西客站、深圳帝王大厦等智能大厦。随着GB 50314—2015《智能建筑设计标准》[3]的颁布实施，明确了智能建筑由信息设施系统、建筑设备管理系统、信息化应用系统、公共安全系统、智能化集成系统和机房工程6个部分组成，为智能建筑赋予了新的内涵。

在这一过程中，霍尼维尔、江森、西门子等外企迅速发展，占据了90%以上的市场份额，并在技术上保持暂时领先。近年来，国内的楼控企业如浙大中控、和欣运达、同方股份、大华科技、达实智能、赛为智能等通过技术引进和依靠自主研发创新，也逐步发展起来，其态势迅猛。

进入21世纪以来，物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术的发展，为传统的智能建筑赋予了新的内涵。人们对智慧建筑的关注点开始由技术转向用户体验和绿色环保方面，“用户生活质量”“用户需求响应”“环境友好”“绿色节能”“卫生”等名词受到从业人员越来越多的重视[4]。近期学者们还在关注整个社会和生态的“可持续发展”，通过建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)、人工智能等技术提高建筑的整体智慧和自适应能力。2017年以来，霍尼韦尔、江森、西门子国际三大品牌先后发布了其智慧建筑白皮书[5-7]，中国勘察设计协会工程智能分会、中国建筑节能协会等国内多机构也都发布了智慧建筑白皮书[8]，国内腾讯、达实公司均称建成了海滨大厦、达实大厦等智慧大厦，这标志着智慧建筑时代正式到来。

在这一背景下，文章试图就智慧建筑内涵、构架、平台、大数据应用等核心技术及其应用推广存在的问题等进行综述，并对其发展方向做出展望。

1 智慧建筑内涵

1.1 智慧建筑与建筑大脑

智慧建筑目前没有统一的定义。业内存在多种版本，较有代表性的4种定义[1，9-10]见表1。

表1 智慧建筑常见定义表

表1中各种版本的智慧建筑定义描述角度和侧重点有所不同，阿里巴巴定义的智慧建筑更加关注大数据、人工智能以及自进化、自学习；美国智能建筑协会的定义更多地站在使用者的视角，考虑他们的资金投入和实际获得；欧洲智能建筑集团更加注重效率和资源，绿色节能理念极强。角度虽有所不同，但可以从这些定义和描述中提炼出极大的相似处:合理应用新一代信息技术，注重以人为本实际成效，达到绿色节能、安全高效、便捷舒适等的最终目标。

综合各方内容，国内首个智慧建筑相关的标准《智慧建筑评价标准》给出了智慧建筑的最新定义[11]:以建筑为载体，以智慧应用为目标，构建综合服务平台，实现建筑数据的全面感知、推理、判断和自我决策，通过对设施及环境空间的自进化和自适应管控，构建人、设施、环境互为协调的整合体，从而提供具有安全、高效、节能、舒适人性化功能环境的建筑。

这一标准同时给出了“智慧建筑综合服务平台”的定义:以物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术为基础构建的具有建筑数据获取、数据处理、数据服务，实现资源共享、协同运行和优化管控等综合应用的建筑智慧运营管理平台。

由此可以看出，虽然目前没有“建筑大脑”的明确定义，但定义的智慧建筑综合服务平台就是实际的建筑大脑。其为智慧建筑赋予了生命，从知识的获取到通过数据分析，不断学习和进化以及自我决策，实现建筑全局的优化运行。最终达到以人为本，为人们提供更好的服务，提升用户的体验。

1.2 智慧建筑与智能建筑的区别

“智能建筑”与“智慧建筑”，虽然一字之差，却代表了两代产品，本质的区别是有没有“建筑大脑”，二者的具体区别见表2。

表2 智能建筑与智慧建筑区别表

上述区别体现了智慧建筑的3个特征[1]:全面感知和永远在线的“生命体”、拥有“大脑”的自进化智慧平台及人机物深度融合的开放生态系统。

2 智慧建筑体系架构及其关键技术

不同于传统的智能建筑，智慧建筑采用物联网体系架构，包括了感知层、传输层、数据平台层、智慧应用层。该结构的不同表示方式如图1和2所示。未来的智慧建筑应该具有自己的“大脑”，能控制和自动调节建筑内的各类设施，让建筑具有判断能力，并驱动执行器进行有序工作。当智慧建筑所有的静态数据和动态数据都集中到一个平台上，通过基于大数据分析技术的智慧建筑大脑将所有系统变成一个整体，各系统间能智慧有机地协同联动[12]。

图1 智慧建筑体系构架图

2.1 物联网体系构架

智慧建筑物联网构架是万物互联的基础，现场层末端设备包括接口、感知类设备和执行类设备，实现所有空间数据全面感知、设备可测可控。全局优化的算法需要不同的现场设备控制来实现，这是智慧建筑全局优化控制的基本要求。与传统智能建筑分布式控制系统(Distributed Control System，DCS)构架相比，物联网架构具有扁平化、可扩展、可重构等特点。实现这一功能需解决现场测控层物联网设备自描述、自组网等难题，智能硬件设备支持可重构、自组网、即插即用等核心技术[13]。

除了常规的能耗、温度湿度等传感器信号监测外，增加高频采样的配电回路及重要设备运行电气参数监测也是很关键的。其可以实现设备在线识别与分解、电源谐波监测、设备故障诊断、电气火灾监测、能源精细化管理以及用户用能行为分析等功能[14]。基于开放的结构，根据需要可以随时增设任意需要的传感器，通过视频监控、门禁等子系统获得用户行为等，从而获取建筑中的各类数据。

2.2 现代通信与网络技术

网络是智慧建筑的神经系统，由图2可以看出，智慧建筑传输层的骨干网络必然是以太网，其传输线缆目前多以光纤＋双绞线为主，但业界最新推出的无源全光网(Passive Optical LAN，POL)具有安装简单、机房要求低、节能、长寿命、带宽无限等优点，是未来智慧建筑网络发展的最新趋势。

图2 智慧建筑构架示意图

现场测控的传感网络目前产品种类繁多，既有RS485、楼宇自动化控制网络(Building Automation and Control networks，BACnet)等现场总线的有线网络，也有紫蜂(ZigBee)、无线保真(Wireless Fidelity，Wi-Fi)、远距离无线电(Long Range Radio，LoRa)等无线网络产品。集成的难点在于设备种类多、协议混杂。设备和系统快速接入平台对其相应的智能网关和路由器产品提出了新要求[15]。进入21世纪20年代，第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)和Wi-Fi6的超低时延、超高速率、超大接入量技术优势必将进一步整合优化传输网络。

2.3 数据平台与人工智能技术

智慧建筑区别智能建筑的根本特征是具有数据平台，虽然传统智能建筑集成了智能建筑管理系统(Intelligent Building Management System，IBMS)，但各子系统数据没有真正打通，更没有沉淀。智慧建筑数据平台依托物联网技术汇聚各类运行数据，构建综合服务的一站式平台，需要突破的核心技术有:

(1)多源异构数据的存储与处理 智慧建筑运行数据是典型的多源异构数据，包括了传感器采集的结构化数据和视频、声音、图像、文本等非结构化数据。数据分析利用的前提是对其进行同构化处理，通过构建关联模型剔除冗余数据、清洗数据，实现多源数据相互融合。

(2)实现数据与应用的解耦设计 虽然智慧建筑数据平台不像大型商业平台数据量那么巨大，但从技术上按照新型微服务构架、分层构架和解耦设计对未来系统的灵活性和运行稳定性非常重要。

智慧建筑具有自学习自进化功能，这些功能依赖逐渐成熟的人工智能理论和技术。在数据平台基础上，运算对比历史数据，根据用户的日常人为设置情况和用户的使用习惯，自学习适应建筑使用者的个性化需求[16]。拥有自我决策和学习进化能力的建筑大脑像人一样能学习、会思考，集人工智能和群体智能于一身，以数字科技创新驱动的发展模式赋能传统建筑行业。智慧建筑需要从外界环境和用户行为中获取信息、挖掘相关数据，并进行自身调整。建筑系统不再停留在人为设置的阶段，而是会像人一样自动感知建筑内部的一切，从中自发地提取可用信息。近年来，人工智能算法研究的成熟和云计算、大数据基础设施的完善，使得“自学习能力”的广泛应用成为可能。在智慧建筑建设中，深度强化学习基于前期的深度挖掘成果，能对环境、经济、用户体验等各方面出现的各类复杂问题进行快速建模，完成建筑智能从基础的数据采集与展示[17]，向敏锐感知、深度洞察与实时综合决策的智慧化阶段。这就是人工智能带给智慧建筑的改变。

2.4 智慧场景抽象与应用开发

智慧建筑是以人为本的建筑，追求新一代信息技术更好地为用户服务，是通过建筑全运维期的智慧运维来体现的，是绿色建筑的重要组成部分。发展绿色建筑是我国建筑业政策性导向，2006年以来，相应的评价标准先后3次更新，现行GB/T 50378—2019《绿色建筑评价标准》，与2014版的最大变化在于由原来的考核“四节一环保”到“安全耐久、健康舒适、生活便利、资源节约、环境宜居”等以人为本的考核指标[18]。这与智慧建筑以人为本的定位完全一致，智慧建筑是在运维全过程通过智能化手段营造智慧应用场景，为用户提供一站式服务，从而实现绿色建筑相关指标。

智慧建筑服务平台在全面感知获取建筑大数据的基础上，通过数据分析和处理，根据需要与边缘计算设备协同，从全局的角度深入挖掘建筑安全隐患、节能潜力、健康环境优化运行潜力等内容，能否实现智慧建筑在安全、高效、节能、舒适等方面应用场景的抽象与开发成为关键。

(1)安全防范 合理应用视频监控、出入口控制、门禁、周边防范、入侵报警、停车管理、火灾自动报警等系统，构建综合安防平台，实现高空抛物、电动车进电梯等异常事件报警，建筑全过程人员和设备安全监控。

(2)高效便捷 智慧服务平台为人们提供了一站式服务，管理人员、运维人员、物业人员、个人用户均可通过平台获取高效便捷的服务。智慧物业、智慧办公、智慧家居、智慧门禁以及信息查询发布、获取政务服务、远程监控用电设备和空间环境等功能，为人们提供了高效便捷的工作和生活环境。

(3)绿色节能 建筑大脑可以深层次挖掘建筑能耗数据背后的“秘密”，利用历史数据挖掘用能规律和异常用能行为，提供建筑全局优化的节能策略[19-21]，通过智能管控，提高制冷机组等大型设备能效比，可以分析人员行为，有效管控末端设备实现舒适与节能的多目标优化控制[22]。还可以在建筑用能预测基础上对利用综合能源的建筑实现多能互补的优化调度和管控[23]。实践证明，有效利用智能化管控可实现建筑节能10%～30%[24]。

(4)健康舒适 空气质量、水质、热湿环境、空调通风等都是影响建筑环境的重要因素。通过智能化管控空调、通风等设备保证室内人工冷热源热湿环境满足规范和舒适性要求；而通过物联网感知可实时监测可吸入颗粒物、细颗粒物、二氧化碳、一氧化碳、苯、甲醛等常见影响空气质量因素及浊度、余氯、酸碱度(pH值)、电导率等水质指标，根据需要还可以增加声环境、光环境等相关监测。

3 推进智慧建筑面临的机遇和挑战

3.1 智慧建筑发展机遇

3.1.1 “新基建”和“碳达峰、碳中和”政策机遇

“新基建”是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的全新基础设施体系[25]。其正在全方位助力智慧建筑的快速发展，如在信息通信方面，5G具有超大规模的连接能力和传输速度，使万物互联到万物智联成为可能。在数据处理方面，“新基建”引导的大数据、人工智能、物联网、云技术等形成聚合效应，数以万计的新设备“入网”，建筑大数据以指数爆炸式地增长，海量的数据为人工智能的智慧化处理提供了前提条件。

在建筑节能方面，进一步挖掘建筑节能潜力是实现“碳达峰、碳中和”目标的重大需求，智能建筑可实现建筑运行的主动节能，但多年来实际效果不佳。在“双碳”政策驱动下，特别是在国家电网推进“万栋楼宇节能改造”的背景下，智慧建筑节能应用迎来了新的契机，建筑节能不再单纯依靠围护结构，推进智慧建筑智慧化运维，有效解决智能建筑节能技术、管理等系列问题的时代已经到来。

3.1.2 新一代信息技术带来的机遇

在智慧建筑发展中，新一代信息化技术是重要的驱动力。大数据时代，随着大数据云计算基础设施的不断完善，物联网、人工智能、虚拟现实等技术的发展，智慧建筑的绿色发展、智慧化运营、个性化定制和服务化创新升级成为了可能。未来万物互联的智慧时代，人机物深度融合成为必然，“连接＋大数据智能＋自适应服务”会成为智慧建筑的基本范式，虚拟现实和增强现实将成为人类和建筑交互的主要方式，人工智能将会成为提升最终用户体验和智慧化感知的重要手段[26]。人工神经网络、决策支持系统、专家系统、多智能体技术、强化学习等都属于可以应用到智慧建筑中的人工智能技术[27]。

3.2 智慧建筑面临的挑战

虽然智能建筑经历了近30年的发展，但基于新一代信息技术的智慧建筑还是新生事物，还面临着许多问题，主要表现在缺乏标准、平台不完善、人工智能应用还在初级阶段、数据安全有待加强等方面。

3.2.1 权威标准缺失

要全面推广智慧建筑的工程应用，标准的重要性不言而喻，智慧建筑作为新生事物还没有权威的国际和国家标准，国内相关机构也都在加快制定智慧建筑相关标准，以适应行业的发展，但目前颁布的都是团体标准，国家强制性标准还没有形成。截至目前，国内发布的智慧建筑相关标准共有3项。中国建筑节能协会和中国房地产业协会均发布了《智慧建筑评价标准》[11，28]，中国建筑学会建筑电气分会编制了《智慧建筑设计标准》[29]。“评价标准”是提出智慧建筑的建设目标，达到以评促建的目的。“设计标准”应指导设计师进行系统设计和设备选型等。但目前的标准随着时间的推移和智慧建筑技术的不断发展均有进一步提升完善的空间。

值得注意的是，智慧建筑标准建设需要紧扣行业、企业实际，促进标准落地。智慧建筑团体标准虽然不是强制性国家标准，但通过行业协会推广起到了标准落地的任务，必将为我国智慧建筑的发展发挥积极的推动作用。但不同团体标准难免会有差异，甚至互相有矛盾，随着智慧建筑技术的不断实践，智慧建筑团体标准也会不断完善，行业标准、地方标准也会相继出现，人们期待智慧建筑的内涵得到广泛共识，尽早有更加权威的国家强制标准出现。通过国家标准规范和指导团体、地方标准的实施，最终依靠企业推动智慧建筑的健康发展。

3.2.2 平台不完善与数据安全有待加强

智慧建筑区别智能建筑的最大特征是有统一的综合服务平台，平台的好坏是直接关系能否建立建筑大数据以及能否有效利用数据达到真正的智慧建筑的关键。前面关于平台的描述可以发现，这不是简单的数据存储和展示，而是一个复杂的应用系统。其不再是传统DCS系统组态软件以及IBMS的构架，而是需要采用物联网数据中台、微服务等理念的新框架，满足智慧建筑数据资源共享、协同运行的需要。

目前，智慧建筑服务平台普遍存在大数据分析功能薄弱、人工智能应用不足等问题，需在数据分析算法不断应用的基础上持续创新和迭代。项目建设中过于侧重硬件投入，看不见的资产(如软件系统等)投资比例过低，导致智慧建筑“骨骼”健全，却“大脑”不灵，无法发挥应有的作用，“短命”的智慧建筑就会层出不穷，理想的智慧建筑难以落地。人们必须改变传统智能建筑“重硬件轻软件”的理念，加大软件平台的开发和升级维护的投入，切实保证建筑大脑的聪明决策和执行机构的及时响应。

数据安全是智慧建筑综合服务平台必须解决的另一个难题，传统智能建筑管理平台均在本地部署，几乎不涉及数据安全问题。但智慧建筑综合服务平台需要满足云端部署，智慧建筑海量的建筑数据中隐含着用户的各类信息，数据安全与隐私问题不容忽视，应采取有效的各类信息安全防范措施对系统的硬件、软件及其系统中的数据传输、访问、存储进行保护，不受恶意破坏、更改、泄露，保证信息网络系统安全、稳定和可靠。特别值得注意的是，安全无止境，物联网数据安全是长期任务，需要跟踪最新信息安全技术，不断升级安全措施。

3.2.3 智慧运维任重道远

传统智能建筑没有发挥有效作用的重要原因之一是智能化系统运维没有做好[30]，普遍存在“重建设轻运维”的现象。从建筑的寿命来看，70%以上的时间是运维方在使用[24]，而在实际过程中，由于运维与设计施工的脱节，导致智慧化工程难以发挥最佳效果，一旦出现问题难以修复。建筑后期运维责任不明确，资金不到位，斥巨资打造的建设项目却没能发挥应有的作用。

全生命期的智慧运维是相比于传统运维而言的。传统的被动式运维所覆盖的设备和管线，都是出现了故障、影响到正常使用时才会处理，或是等到使用寿命达到极大值时才会有所反应。传统的运维背后蕴含着巨大的风险，任何故障都可能导致巨大的经济损失，甚至引发安全事故；其次突发事件的快速应变和处理难以实现，应急人员疏散、安保人员调配、出入口引导控制、消防设备联动启停等都是依靠运维人员，不仅低效而且覆盖面窄，效果不全面，同时给运维人员造成了巨大的管控压力。

智慧运维依托综合服务平台，在不需要人为干预的情况下，通过自我决策实现建筑的可视、可管、可控，提供数字化运行的高水平自动化运维。利用大数据分析，实现设备预测性维护、用能异常诊断、人员行为分析、提供个性化服务等。智慧大脑在综合研判建筑设备历史运行数据和标准数据后，应用人工智能算法，可以识别当前设备的寿命状态，在设备出现故障之前进行预测性维护，提早更换或维修相关设备，避免对建筑的整体正常运行产生不必要的影响，规避突发紧急事故可能造成的经济损失或人员伤害。利用数据挖掘到的用能规律和专家系统等实现建筑物自动节能优化运行。遇到突发事件能自动进入应急响应状态，自动调度和管控相关设备，提高运维人员效率。

但实际现状是截至目前，以上功能多数还停留在设计研发阶段，真正实现理想智慧运维的案例还不多。主要原因是智慧运维平台还不够完善，数据处理运维场景的开发缺乏实际应用的验证。目前智能建筑运维人员技术素质不高是运维效果不好的另一个原因，理论上讲，智慧化程度越高对运维人员要求越低，就像“傻瓜相机”对拍照人的技术水平要求不高一样。但目前智慧运维系统的“傻瓜”程度远没达到完全代替人的水平。从这个角度来看，智慧运维前景美好，智慧运维系统的升级迭代开发任重道远。

4 结语

具有建筑大脑的智慧建筑是多学科交叉、多技术融合发展的综合性产业，学科交叉和技术融合带来的最大优势就是丰富的创新空间，原来单学科、单技术不能解决的问题可以用新领域的技术或方法得以实现。近几年，在多方推动下智慧建筑发展迅速，腾讯、华为等IT企业纷纷打造自身的智慧建筑样板，业界人员也展开充分想象，一时间，BIM、城市信息模型(City Information Modeling，CIM)、数字孪生、区块链、群智能、建筑大脑、建筑操作系统等概念和技术都在智慧建筑中提了出来。但应当看到，经过近10年的发展，智慧建筑的基本体系已经形成，但大数据、人工智能应用在现实中还处在初级阶段，许多提法还停留在概念和论文阶段，需要科研人员积极探索和深入研究并随着具体实践和应用不断完善。

未来建筑必然是智慧、绿色和健康的，在技术驱动、市场驱动下，智慧建筑在国内将达到万亿的市场规模，同时智慧园区、智慧住区、智慧城市的发展进一步推动智慧建筑的发展。智慧建筑作为智慧城市“大平台”下的“小平台”支撑着“大平台”的良性运行，智慧建筑的内涵必将得到进一步丰富和发展。