本文定義了智能樓宇這一術(shù)語，討論了當今影響智能樓宇發(fā)展的驅(qū)動因素，并解釋如何利用新的以太網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)有建筑改造為智能樓宇。

什么是智能樓宇？

80年代初，“智能樓宇”一詞最早出現(xiàn)在美國。華盛頓的智能樓宇機構(gòu)(Intelligent Building Institution)給出的定義如下：

智能樓宇是集成了各種系統(tǒng)的建筑，采用協(xié)調(diào)的方式有效管理資源，盡可能提高技術(shù)性能、提升投資收益、降低運營成本和增強靈活性。

您可能聽說過“聰明反被聰明誤”這句話，但是否聽說過“智慧反被智慧誤”？這是因為聰明與智慧之間有明顯的區(qū)別。我最喜歡的一句話是：“聰明人會說話，智者善于傾聽。”同樣，“聰明”樓宇和智能樓宇之間的區(qū)別是，在“聰明”樓宇中，用戶將對系統(tǒng)進行設(shè)置，使其以最符合用戶意愿的方式運行。然而，智能樓宇具有適當?shù)膫鞲泻吞幚砟芰Γ梢宰孕懈兄h(huán)境，然后自我設(shè)置，根據(jù)自己的判斷正確行事。為了實現(xiàn)這一目標，建筑必須具備相關(guān)傳感能力，以便在必要時獲取盡可能多的外部環(huán)境信息，并通過適當?shù)?a href="http://www.solar-ruike.com.cn/v/tag/1301/" target="_blank">通信途徑將這些數(shù)據(jù)傳送回建筑的“大腦”（可能位于本地或云端），并在“大腦”中利用機器學習算法處理這些信息，最終決定采取相應(yīng)行動。然后，此行動必須通過相同的通信途徑傳達給各相關(guān)系統(tǒng)，以便執(zhí)行。

智能樓宇的發(fā)展現(xiàn)狀

如果您不幸迷失在荒野中或被困于孤島，那么所謂的數(shù)字“3”法則將決定您能否幸存下來。根據(jù)這條法則，要想活下去，您必須做到3個小時找到棲身之處，3天找到飲用水，3周找到食物，否則將會面對死神降臨。在那種情況下，棲身之處是生存的首要條件；雖然我們目前可能不至于在荒野中迷失，但了解如何通過轉(zhuǎn)向智能樓宇來滿足我們的居住需求，這對于地球和人類的未來而言至關(guān)重要。通過數(shù)字化進程，我們可以把新建筑或現(xiàn)有建筑智能化。這個過程將影響建筑運行和維護的因素轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，以便實時測量并傳回建筑的“大腦”進行分析，并加以管理。如何實現(xiàn)新建筑或現(xiàn)有建筑的數(shù)字化，從而提高能源效率和可持續(xù)性，這是確保人類減少未來碳足跡的關(guān)鍵。我們在討論智能樓宇的未來時，需要考慮四大關(guān)鍵領(lǐng)域：

健康和安全：空間設(shè)計是否旨在提高居住者福祉？如果居住者感到安全，并且環(huán)境設(shè)計有助于改善其情緒和生活質(zhì)量，工作效率將會隨之提高。1 在新冠后疫情時代，隨著各行各業(yè)返工復(fù)產(chǎn)，這一點顯得尤為重要。

可持續(xù)性：空間利用率是否達到了減少碳足跡的要求？這一主題不僅通過節(jié)省能源開銷和減少維護成本來改善樓宇業(yè)主的生活，而且還會為更多的人帶來環(huán)境、經(jīng)濟和社會效益。

高彈性：空間設(shè)計是否考慮到未來需求，并經(jīng)得起時間的考驗？今天的建筑是為了持續(xù)150年或更長時間而建造。我們不知道未來會出現(xiàn)什么創(chuàng)新或技術(shù)，但我們可以做好規(guī)劃，讓建筑的信息技術(shù)(IT)和運營技術(shù)(OT)基礎(chǔ)設(shè)施能夠應(yīng)對未來的預(yù)期數(shù)據(jù)流量，隨著更多的系統(tǒng)開始上線并使用IP地址時，流量必然大幅上漲。

經(jīng)濟效益：如果沒有適當?shù)呢斦睿瑢嵤┳兏飳⒗щy重重。金錢就是價值，通過使建筑物智能化，我們就能獲取價值。然而，在收獲成果之前，我們首先要投入資本。需要創(chuàng)新的融資模式幫助樓宇業(yè)主將其建筑升級為智能樓宇。

以上四個方面可以通過樓宇自動化來實現(xiàn)。如今，樓宇自動化在很大程度上基于封閉和孤立的系統(tǒng)，在不影響或驅(qū)動其他系統(tǒng)的情況下獨立工作，執(zhí)行自身功能。建筑中的這些系統(tǒng)包括HVAC系統(tǒng)、照明、門禁、消防安全、電梯和占用檢測系統(tǒng)等。孤立的系統(tǒng)大多效率低下，并導(dǎo)致更大的碳足跡。

在接下來的章節(jié)中，我們將討論推動建筑向智能樓宇轉(zhuǎn)變的主要宏觀趨勢，以及投資智能樓宇技術(shù)帶來的關(guān)鍵優(yōu)勢。

為什么我們需要智能樓宇？

它大致勾勒出驅(qū)動智能樓宇需求的現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)。首先，我們從全球宏觀趨勢開始，也就是城市化和氣候變化。

城市化指的是全球人口從農(nóng)村地區(qū)遷移到城鎮(zhèn)地區(qū)，如城市。人們?yōu)榱俗非蟾篮玫纳疃w移到城市。城市提供就業(yè)前景，以及更好地獲得商品、服務(wù)、醫(yī)療保健和教育的機會。人口增長也促進了城市化；據(jù)估計，到2050年，超過65%的全球人口將生活在城鎮(zhèn)環(huán)境中。據(jù)預(yù)測，到2060年，全球建筑樓層面積將翻一倍；這相當于在40年的每個月世界都增加一個紐約。

氣候變化指的是全球或區(qū)域氣候模式改變，特別是自20世紀中后期開始的顯著變化，主要原因是化石燃料的使用導(dǎo)致大氣中的二氧化碳水平上升。國際能源署估計，全球40%的二氧化碳排放來自建筑，僅建筑的運行和維護一項就造成了28%的排放。3令人不安的是，據(jù)估計，目前50%的建筑能耗都被浪費了。4 近年來，建筑能耗以及相應(yīng)的二氧化碳排放幾乎沒有放緩；這表明，隨著越來越多的建筑即將投入使用，除非能源效率提高，否則建筑對環(huán)境的影響只會日益惡化。

許多有影響力的智庫（如聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和世界銀行）目前都在關(guān)注旨在提高建筑能源效率的政策，為投資可持續(xù)和智能樓宇提供激勵措施，加強對舊建筑進行改造，以滿足當前歐盟的可持續(xù)發(fā)展標準。

為了履行應(yīng)對氣候變化的義務(wù)，各國政府已經(jīng)開始實施這些智庫建議的政策。作為“綠色協(xié)議”政策的一部分，歐盟目前正在為一個大型改造項目提供資金。歐盟大約有2.2億棟建筑，其中85%建于2001年之前，90%的現(xiàn)有建筑在2050年仍將存在，改造基數(shù)巨大。歐盟的目標是到2030年改造3000萬棟建筑。同樣，美國的《基礎(chǔ)設(shè)施法案》(Infrastructure Bill)和《智能樓宇加速法案》(Smart Buildings Acceleration Act)以及中國的五年規(guī)劃也有望在這些市場推動類似的舉措。

政府政策和建筑法規(guī)推動了能源效率的改善，其中歐盟的《建筑能效指令》(Energy Performance of Buildings Directive)即將更新。同樣，美國利用ASHRAE標準推動監(jiān)管合規(guī)性，其他國家/地區(qū)的具體法規(guī)也在陸續(xù)出臺。

擁有綠色和智能樓宇認證的建筑也變得越來越普遍。在某些情況下，這是特定金融投資的要求，但大多數(shù)情況下，人們的共識是這些證書為建筑的盈利潛力帶來了巨大的附加價值。LEED、BREEAM和EDGE都是眾所周知的綠色證書，而中國的本土認證正在加快推進步伐。智能樓宇認證仍是新鮮事物，但隨著TIA和UL共同組成SPIRE這一機構(gòu)，認證也將變得更加流行。

從經(jīng)濟角度看，這些對建筑的潛在改進為更健康、更環(huán)保和更智能的建筑創(chuàng)造了附加價值。研究表明，倫敦經(jīng)過認證的建筑相對于同一地區(qū)未經(jīng)認證的建筑，租金和售價高出4%。

從全球事件到全球經(jīng)濟，建筑的形態(tài)正在發(fā)生變化，主要的樓宇自動化公司注意到了這一點。我們注意到，公司在報告季度收入的同時，也報告了公司為客戶減少的二氧化碳排放量達百萬噸級，同時強調(diào)要建造更環(huán)保、更健康的建筑。樓宇自動化公司通過大規(guī)模的建筑數(shù)字化和系統(tǒng)數(shù)字化實現(xiàn)減排，將智能技術(shù)擴展到邊緣節(jié)點，收集更多智能數(shù)據(jù)，并在多個建筑系統(tǒng)中提供更多可行洞察，允許微調(diào)和優(yōu)化每座建筑物性能，以確保盡可能提高能源效率和可持續(xù)性。

如何實現(xiàn)智能樓宇

如今，大多數(shù)建筑都配置了建筑管理系統(tǒng)（或BMS）。如前文所述，這些系統(tǒng)包括與所執(zhí)行的功能有關(guān)的互不相連的特定子系統(tǒng)，即照明、HVAC、門禁等。要使這些建筑智能化，并不是簡單地推倒重來，然后安裝全新的基礎(chǔ)設(shè)施。因為這樣做，成本會非常驚人。建筑改造市場有賴于半導(dǎo)體行業(yè)提供技術(shù)，以促成現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化，并連接各個分離的建筑系統(tǒng)。圖2是一個很好的例子，充分說明如何利用多種技術(shù)和通信協(xié)議將傳統(tǒng)的BMS系統(tǒng)改造為智能樓宇。

以太網(wǎng)是一種常見協(xié)議，它通過高數(shù)據(jù)率助力我們的日常生活和業(yè)務(wù)，但在支持的距離和拓撲結(jié)構(gòu)方面能力有限。如果我們能在簡單的電纜上運行以太網(wǎng)和IP，比如使用支持1公里距離的單條雙絞線，結(jié)果會怎樣？這將提供從云端到邊緣節(jié)點的全程無縫連接，從而融合IT和OT世界，打破現(xiàn)有系統(tǒng)形成的孤島，而在這些孤島中，可能會收集數(shù)據(jù)，但無法采取行動，也不能產(chǎn)生有價值的洞察。

10BASE-T1L是實現(xiàn)邊緣連接的一項關(guān)鍵技術(shù)；該協(xié)議支持從云端一直到邊緣節(jié)點的無縫連接，支持可尋址的IP邊緣節(jié)點，從而允許從任何地方進行實時可操作控制。當網(wǎng)絡(luò)簡化了，安裝和維護也隨之簡化，我們將能夠輕松匯總和解讀數(shù)據(jù)，通過如此強大的無縫控制降低擁有成本。在那些過去可能只具備簡單模擬傳感功能的地方，我們現(xiàn)在可以增添智能。通過數(shù)字化邊緣以及生成更多的智能數(shù)據(jù)，我們可以使整個建筑實現(xiàn)數(shù)字化。

2019年，10BASE-T1L經(jīng)IEEE批準成為802.3cg標準。ADI是該委員會的成員，在推動這一新標準方面發(fā)揮了重要影響力。該標準的關(guān)鍵要素是通過單條電纜提供電力和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率為10Mbps。在這種情況下，電纜采用單條雙絞線，支持的傳輸距離為1公里。值得注意的是，在建筑物內(nèi)部進行改造時，可以使用現(xiàn)有的雙絞線電纜。

與某些現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施（如RS-485）相比，我們可以看到一些切實有效的改進。首先，數(shù)據(jù)速率在1公里范圍內(nèi)保持恒定，不像RS-485那樣取決于距離。此外，10BASE-T1L支持無限的數(shù)據(jù)節(jié)點，而RS-485限于256個。10BASE-T1L的一個核心優(yōu)勢是通過相同的單條雙絞線提供高達52 W電源，與POE（以太網(wǎng)供電）類似，而RS-485僅限于所謂的工程電源。

然而，我們都知道，RS-485在樓宇自動化中對于特定用例仍然占有一席之地。我們也明白，樓宇不會在一夜之間全面完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，所以在可預(yù)見的未來，10BASE-T1L需要與現(xiàn)有系統(tǒng)一起共存協(xié)作。在這里，我們可以看到10BASE-T1L提供可延伸到邊緣的無縫IP連接，并與RS-485以及通過軟件配置的IO協(xié)作，為傳統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)。

雖然該標準提供了確保達到1公里距離的指導(dǎo)原則，但對使用其他類型的電纜沒有做出任何限制，而這些電纜可能無法達到全距離要求。該標準允許采用屏蔽和非屏蔽電纜，這意味著在大多數(shù)情況下，我們可以改造現(xiàn)有的布線系統(tǒng)。如果能在1公里布線系統(tǒng)中明確指出問題所在，將具有明顯優(yōu)勢。任何BMS系統(tǒng)運營商都很清楚，安裝、調(diào)試和維護一個包括數(shù)公里電纜的系統(tǒng)需要付出諸多努力。幸運的是，10BASE-T1L讓這一切成為可能，它能夠?qū)弦?guī)性、鏈路質(zhì)量以及布線安裝和維護過程進行測試。

結(jié)論

在我們居住的這個星球上，全球變暖已經(jīng)導(dǎo)致多個物種滅絕，因此，推行智能化建筑對于減少過量碳排放意義重大。如果我們不小心應(yīng)對，那么下一個面臨生存危機的物種可能就是我們自己。7 智能BMS提供所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，幫助我們就以下方面做出決策：可持續(xù)性和效率、通信、樓宇控制和自動化、勞動力健康和安全以及安保。這反過來提高了建筑市場的健康和安全水平、可持續(xù)性、彈性和經(jīng)濟效益。

審核編輯：郭婷