现代智能建筑综述

　　第一章 绪论

　　1.1 智能建筑的发展概况。

　　人们普遍认可的世界上最早的智能建筑，是于 1984 年 1 月在美国康涅狄格州哈特福德市的都市大厦，它是将一栋旧的金融大楼重新改建翻新而成。改造后的大厦，不仅对给排水系统、安保和消防系统、暖通空调、供配电系统等进行了优化的自动控制管理，更由于装备了当时非常先进的计算机程控交换机、高速的计算机网络等现代办公化设备和通信系统，能非常便利地收发邮件和传真，以及查询各种其它信息，给用户带来极大的便利。当时，美国联合科技集团公司在宣传广告中，首次使用了智能建筑这一说法[1].

　　由此以后，引起了世界上很多国家的重视，到了 20 世纪 90 年代后，美国开始实施信息高速公路计划，其中一个很重要的组成部分就是智能建筑的发展和应用，由于此战略计划，使得美国在此领域，一直保持着国际领先的技术优势。据粗略统计，美国所有新建和改建建筑中，约有 70%是智能建筑。日本也大约在此时开始了大规模的智能建筑的建设，为推广智能建筑，新加坡投入了大量的资金进行相关研究，目标是将新加坡建成智能城市花园。英国、法国和德国等国家也大约在相同的时期发展各自具有特色的智能建筑。智能小区和智能住宅在世界的很多发达国家的发展非常迅速[2].

　　智能建筑的发展，虽然发展到现在大约 30 年了，但由于我国智能建筑的起步较晚，各个地区的发展也不均衡，与国外的智能化水平相比还存在较大差距。我国建设部发布的《智能建筑设计标准》（GB/T50314-2006）中，对智能建筑有专门的说明，"以建筑物为平台，兼备信息设施系统、信息化应用系统、建筑设备管理系统、公共安全系统等，集结构、系统、服务、管理及其优化组合为一体，向人们提供安全、高效、便捷、节能、环保、健康的建筑环境"[3].随着国家关于智能建筑设计标准的规范性文件的出台，以及对智能建筑发展的重视，促进了我国智能建筑更加迅速健康的发展。

　　我国也大约在上世纪 90 年代开始了对智能建筑的研究。1990 年在北京建成的北京发展大厦，可以说是我国最早的智能建筑，后来建成了上海金茂大厦、深圳地王大厦、南京金鹰国际商城等一批技术先进的智能建筑。现在我们国家的智能建筑与国外的先进技术还是存在一定的差距。但我国智能建筑的发展非常迅速，市场发展前景非常广阔。现在我国也开始重视智能建筑的发展，并采取了相应的发展战略和规划。

　　智能建筑是集通信技术、计算机技术、控制技术和建筑技术相结合的新型建筑，是为了给人们提供舒适安全、高效便捷的工作和生活环境。随着科学技术的进步，计算机网络技术，以及信息与通信等技术的发展，也很大程度的促进了智能建筑的发展。

　　现在智能建筑主要有以下几个方面的发展趋势：

　　（1） 提高控制网络的标准化和开放性。由于工业以太网因协议开放，在很多领域得到大量的应用，将来现场总线技术的发展将会更加靠近以太网技术。

　　（2） 在将来的智能建筑中，无线通信技术的大量应用将是一个趋势。由于无线局域网技术的快速发展，无线通信技术在智能建筑中的应用将会越来越广泛。

　　（3） 在智能建筑的宽带网上，视频传输技术将会越来越普及。

　　（4） 目前智能建筑中存在各种不同的网络。为了优化网络结构，避免功能重复，减少投资、集中资源和信息共享，系统集成和信息融合技术的应用将会成为一个研究的热点。

　　从总的发展趋势来看，智能建筑将向智能深度化、集成系统广度化、规模化、绿色环保、及可持续性方向发展[4].

　　1.2 无线通信技术的发展概况。

　　无线网络是指通过空间传播信号来替代有线介质传输信号所组成的网络，并且能够实现无线设备可移动的数据传输。现在由于计算机和网络技术的快速发展和大规模的应用，无线传感器网络也已经引起了人们的重视，投入了大量的研究，并已应用到很多的领域。由于无线传感器网络技术的快速发展，并逐步应用到工业中，发展起来的工业无线网络，由于具有成本很低、功耗较小、易于扩展性等一些优势，逐步成为一个新的热点研究方向。由于工业环境相对比较复杂，现场的干扰源也较多，工业中无线通信网络面临着很多复杂的问题，如何提高网络的可靠性和实时性、以及安全性和抗干扰能力，需要人们投入更多的资源进行研究[5].

　　现在的信息和计算机技术发展非常快，由于现在的有线通信网络已经发展非常成熟，并已应用到各行各业，由于人们的一些特殊需求和环境的各种限制，促进了无线网络技术的快速发展。一般的有线网络传输信息的介质主要是铜缆或光缆，由于有线网络在一些比较特殊的环境中，安装线缆和桥架比较困难，在有些地方甚至不允许安装线缆等工作，并且线缆也易于损坏，如果将两个地方的距离较远，敷设线缆的工作量将会较大，成本也较高，如果采用无线网络，就可以非常好的克服这些问题[6].

　　目前无线网络在智能建筑中得到大量的实际应用，采用无线网络，可以减少布线施工难度，易于扩展，提高系统的灵活性。由于建筑物内部的环境非常复杂，一些机电设备造成的干扰源也非常多，在建筑物中采用无线技术也将面临非常多的问题[7].

　　无线局域网可以说是优势与缺陷并存，有着各自的优缺点。但是无线网络技术的应用也是处在快速的发展阶段，现在已在很多的地方得到应用，伴随着无线技术的大量研究和快速发展，无线通信技术将会应用到其它更多的领域。

　　1.3 本论文的背景和研究目标。

　　智能建筑的组成非常复杂，由于不同的功能需求和侧重点，智能建筑的设计也会有较大的差别。随着无线通信技术的日益成熟和广泛应用，以及无线通信技术在一些方面的明显优势，怎样能将这些优势应用到现代智能建筑中，以降低建筑的建设成本、提高效率、降低能耗等要求。本论文研究的内容重点是一新建工厂内的楼宇自动化系统、消防报警系统、门禁与监控系统，并将分散在几幢建筑内的楼宇控制中心、消防控制中心、安防控制中心几个子系统连接起来。关于其它的一些功能和系统存在共性，在此未作研究。

　　这些子系统根据现场实际情况，采用无线和有线的混合组网模式。本论文的研究目标是利用无线通信技术，将这些子系统集成到一个中央控制管理平台中，进行集中监控和管理的应用和研究。另外，考虑到将来一些扩建和节能项目，需要新增一些设备和系统，例如新增换热机组，电机和水泵，空调机组等设备，也需要将这些新增的设备集成到原来的各个系统中去，由于改造项目设计到现场安装桥架和布线困难，增补的管线也不美观，也考虑采用无线通信技术的优势，通过无线与有线的混合网络，进行系统集成，为将来新增设备和系统预留好接口和条件。

　　第二章 现代智能建筑综述。

　　2.1 智能建筑的概念。

　　智能建筑是传统产业与新技术相结合的产物，是将最新的计算机与通信技术、控制技术等应用到建筑中，使建筑为人们提供更加舒适、便捷、节能、高效的工作和居住环境。智能建筑也促进了新的技术和产业发展，在拉动建筑业发展的同时，也为信息技术在建筑产业中的应用创造了条件。智能建筑可以帮助建筑的业主和管理人员实现低成本、舒适和便利等方面的目标，并考虑系统的灵活性和易于扩展等需求。

　　中国学术界将智能建筑的定义为：利用系统集成，将计算机、信息与通信技术，和建筑结合起来，对设备自动监控，优化管理信息资源，获得合理的投资回报，具有节能环保，舒适和高效的建筑物[8].

　　智能建筑以综合布线为基础，全面实现对通信网络系统、办公自动化系统、建筑及建筑群内各种设备等的综合管理。智能建筑主要包含楼宇自动化系统、通信自动化系统、办公自动化系统、结构化布线系统和系统集成中心。一般特点为：工程规模面积较大；应用系统配套齐全；资金技术密集；机构复杂，配合协调多。

　　2.2 智能建筑的组成部分。

　　智能建筑按照不同的理解和需求，组成部分也有不同的分法。按照结构可将智能建筑分为上层的智能建筑综合管理系统（IBMS: Intelligent Building ManagementSystem）和下层的三个智能化子系统构成：建筑设备管理系统（BMS:BuildingManagement System）、通信网络系统（CNS: Communication Network System）、以及办公自动化系统（OAS:Office Automation System）。BMS、CNS 和 OAS 三个子系统通过综合布线系统（Generic Cabling System）连接成一个完整的智能化系统，由IBMS 统一监管。BMS 包括建筑设备自动化系统 BAS（Building Automation System）、消防自动化系统 FAS（Fire Automation System）、安防自动化系统 SAS（SafetyAutomation System）。整个建筑智能化系统是建立在建筑这个基础之上的。

　　由于各个子系统相互独立，它们之间一般没有关联，为了便于集中管理和系统优化，需要将各个子系统集成到一个统一的操作管理平台中，实现系统的集中的监控和管理。对信息资源进行有效管理，为建筑使用者提供安全、高效、节能、便利的办公和居住环境。

　　按照系统可以分为五个部分：系统集成中心 SIC（System Integrated Center）、建筑自动化系统 BAS（Building Automation System）、办公自动化系统 OAS（OfficeAutomation System）、结构化布线系统 GCS（Generic Cabling System）、以及通信自动化系统 CAS（Communication Automation System）。

　　（1） 系统集成中心 SIC 是汇集各种建筑子系统，将建筑物内外各类信息和接口界面标准化，以实现各个系统之间的通信与信息交换，处理建筑物内的各种信息。

　　（2） 建筑自动化系统BAS提供建筑物内的各种系统与设备的自动和智能化运行，可以监控建筑内的各种设施，包括空调与送排风系统、供配电与照明、消防系统等的控制管理。

　　（3） 通信自动化系统 CAS 是保证建筑物内语音、数据、图像传输的基础，同时与外部通信网相连，能有效地和世界各地互通信息。

　　（4） 办公自动化系统 OAS 是利用先进的设备与技术，提高办公效率，提供人们舒适的办公环境，实现管理和决策的科学化。

　　（5） 综合布线系统 GCS 是一个用于传输各种信息的标准化布线系统。是建筑物内的传输网络系统，它可以连接其它各种通信的信息和数据。

　　2.3 智能建筑的核心技术。

　　智能建筑是一个非常复杂和系统的工程，是在现代建筑技术基础上，结合多种现代科学技术的产物。核心内容主要包含现代计算机技术、通信技术、图形显示技术、以及控制技术等，它是实现智能建筑的手段[9].

　　现代先进的计算机技术一般采用并行处理的系统，通过分布式处理系统可以使不同系统分别处理不同事件，提高计算机系统的效率。现代控制技术普遍应用的控制系统是集散控制系统，是一种通过某种通信网络，将分布在控制对象现场的控制器、传感器、执行器和监控中心的中央管理机等连接起来，共同完成分散控制和集中管理的综合控制系统。系统具有安全可靠、通用灵活、最优控制和综合管理强等优点。另外还有模糊控制技术、神经网络控制技术等。通信技术和图形显示技术也有非常大的发展，随着卫星通信和光纤通信的大量应用，通信质量也有很大的进步，现在的图形显示已经大规模的采用数字化系统，更大的提高了系统的稳定性和抗干扰能力。