群智能技術是一種仿照鳥群、魚群等智能群落工作機制的新一代人工智能技術。
群智能建筑系統(tǒng)將建筑物理模型與分布式計算深度融合，以集成、智能化的建筑空間和源設備為智能化的基本單元，采用去中心化、自組織計算架構，實現建筑機電設備系統(tǒng)自動化運行、節(jié)能優(yōu)化控制、能耗管理和診斷、故障自診斷、智慧物業(yè)管理等功能。
01—建筑自控技術的應用現狀
其實建筑自控并不是一項新的技術。早在20世紀90年代，我國就已在大型公共建筑中普遍設計安裝了這一系統(tǒng)。
伴隨著信息技術的發(fā)展，建筑自控技術也在不斷迭代更新。如今，物聯網、云計算、人工智能、大數據等熱門技術也已經被應用在一些建筑節(jié)能優(yōu)化控制項目上，如煦聯得實施的綜合能源服務項目就大量的應用了群智能建筑控制技術。
煦聯得自主研發(fā)的智慧能源管理系統(tǒng)
現代大型公共建筑中的被控設備相關信息動輒以萬計，信息背后的設備系統(tǒng)結構復雜并分布在數萬平方米的工程中。
對于這樣的大規(guī)模復雜系統(tǒng)，傳統(tǒng)系統(tǒng)架構的弊端導致需要跨專業(yè)的工程師為每個項目進行定制化開發(fā)，自控功能的實際工程落地通常需要極大的工作量，導致系統(tǒng)建筑成本高、周期長。
典型的傳統(tǒng)建筑自控系統(tǒng)架構
于是，在很多實際工程中，出于工程成本和周期的考慮，往往犧牲品質，放棄自控優(yōu)化功能，僅實現“只監(jiān)不控”的初步功能。
在人力成本和能源成本不斷增加，國家提出“雙碳”戰(zhàn)略的今天，建筑自控領域迫切需要一種能夠真正解決工程落地問題，實現自動、節(jié)能運行的新系統(tǒng)。
02—換個角度看建筑自控
傳統(tǒng)建筑自控系統(tǒng)工程應用問題的根源是分級中央控制架構，解決這一問題的思路是嘗試顛覆傳統(tǒng)架構，采用仿照鳥群、魚群等智能群落工作機制，通過簡單的智能個體實現大規(guī)模系統(tǒng)的復雜功能。
如何用“群智能”的思路實現建筑自控？需要回答以下兩個問題：
第一，什么是建筑自控的基本單元？
從建筑及其機電設備系統(tǒng)的組成單元出發(fā)，可以認為建筑自控功能是由若干“空間”和“源設備”拼接而成的。
對應空間的智能控制系統(tǒng)可以看作是建筑自控系統(tǒng)的基本單元，即智能空間單元。
空間單元彼此按所在位置就近連接，組成網格狀的控制網絡，覆蓋大部分建筑區(qū)域，也涵蓋了大部分建筑機電設備的控制管理需求。
建筑控制系統(tǒng)由基本單元按照位置關系拼接而成的示意圖
這樣的智能空間單元是可以標準化的。不同建筑中，具體到同一類空間單元（如辦公室、會議室、酒店客房、商場公區(qū)等），其空間內部的信息內容及控制管理功能相差不大，其差別主要是不同建筑中各類標準化單元的種類和數量不同造成的。
因此，可以根據各類典型空間的功能、尺寸和各機電設備的數量，將空間單元中描述設備運維信息的種類和數量標準化，定義各類空間單元的標準信息集。
結合機電一體化的發(fā)展趨勢，可以認為智能化機電設備，或者控制箱+傳統(tǒng)機電設備標準組合，也是建筑自控系統(tǒng)的基本單元，即源設備單元。
同類型的源設備，雖然廠家和內部工藝機制可能不同，但是從建筑控制和運維的角度所關注的外特性參數是相同的。通過提煉外參數的共性，也可以將各類源設備的信息模型標準化。
以下的標準單元相互組合已經初步驗證可以完全覆蓋大多數項目的建筑自控系統(tǒng)，否則，也可以補充增加相應的標準單元定義。
建筑基本單元列表
第二，基本單元之間如何協(xié)作？
智能的建筑基本單元分別都能完成各自內部的自動控制和優(yōu)化調節(jié)。但是，公共建筑通常有統(tǒng)一的物業(yè)管理；有同一套能源系統(tǒng)、空調系統(tǒng)、給水排水系統(tǒng)、消防系統(tǒng)；共享相同的逃生通道等。因此，通常需要實現整體的聯動控制。
設計群智能架構下的基本單元的協(xié)作方式，依然從建筑和機電設備系統(tǒng)的特點入手分析。比如對冷機、風機、水泵這些機電設備的調節(jié)，本質上是對建筑中的冷熱量傳遞、氣流傳遞、供水網絡、人群移動、光和聲音傳遞等這些物理場進行調節(jié)。
從物理場的特點出發(fā)，仿照物理場的特點設計建造基本單元的協(xié)作方式：基本單元之間只需要按照空間位置與鄰近的單元連接并協(xié)作計算，所有節(jié)點連接成覆蓋建造空間的計算網絡。
在某種觸發(fā)事件下，整個系統(tǒng)可以有觸發(fā)點發(fā)起計算，計算出建筑物理場的整體變化，進而可以尋找到整個系統(tǒng)在何種控制方案下，可以滿足用戶需求的同時實現能效最優(yōu)。
類似于有限元算法，可以將上述關于物理場計算的機制或“算子”標準化的植入到每一個基本單元中；基本單元構成的計算網絡隨建筑物理場規(guī)模變化而變化，物理規(guī)則不變，則上述分布式計算網絡中的算法就可能自組織的適配各種建筑及其機電設備系統(tǒng)結構，從而實現建筑自控系統(tǒng)自組織、免配置、即插即用、靈活適配的預定目標。
群智能建筑系統(tǒng)架構示意圖
03—關鍵硬件設備
計算節(jié)點（Computing Processing Node，CPN）是群智能建筑自控系統(tǒng)的關鍵設備。CPN嵌入在各建筑空間或源設備中，使它們能夠成為“智能”基本單元。
所謂的“智能”包含以下功能：1）實現基本單元內部的數據采集、安全保護、控制調節(jié)、故障診斷和報警、能耗計量等功能；2）具備自動辨識和組網能力；3）具備與鄰近節(jié)點協(xié)作計算的能力。
目前，制冷機、水泵、空氣處理設備等源設備產品已經或正逐步向智能機電設備轉變，許多設備已經完成設備內部的自動化控制調節(jié)，同時，智能傳感器、智能執(zhí)行器也不斷完善。
CPN結構示意圖
04—計算網絡
代表每一個建筑空間單元或源設備單元的CPN，彼此按照空間位置關系就近連接，就構成了群智能建筑系統(tǒng)的計算網絡。
典型群智能建筑系統(tǒng)示意圖及基本單元與建筑平面和機電設備系統(tǒng)的對應關系
制冷機，水泵、冷卻塔、配電柜等源設備的相應CPN，按照設備網絡拓撲，與相鄰設備的CPN連接，并最終與相關專業(yè)終端設備所在空間對應的CPN連接，就形成了與相關設備專業(yè)網絡一致或相似的計算網絡。
雖然沒有任何單元掌握全局網絡結構，但每個單元都清楚掌握局部模型，具有與鄰近單元協(xié)助的工作機制，這樣通過各單元的相互聯系，也就間接的反映了整個系統(tǒng)的狀況。
05—自組網識別機制
組網配置是常規(guī)系統(tǒng)架構在工程實施過程中的瓶頸。群智能系統(tǒng)通過在CPN中植入對應建筑基本單元的標準信息集，以及CPN對鄰近節(jié)點的自動辨識能力，完成組網配置工作，實現對建筑自控系統(tǒng)的自動識別。
辦公室空間信息表摘要
辦公室空間單元標準信息集（節(jié)選）
源設備單元的標準信息集與空間單元類似，只是整體控制和運維一般不涉及機電設備內部各個部件的運行情況，因此源設備單元的標準信息集一般將源設備作為一個整體，只描述其外特性參數。
標準信息集被嵌入到CPN中，由于標準信息集對應建筑及其機電設備系統(tǒng)的構成單元，它們所組合成的建筑自控系統(tǒng)的數據結構天然與被控系統(tǒng)一致。
隨著CPN拼接成建筑自控系統(tǒng)，結構化的數據系統(tǒng)隨之同步生成。留給現場工程的，只剩下真實存在的物理參數與相應標準信息集中的變量相對接。
在群智能系統(tǒng)架構下，整體系統(tǒng)結構的辨識問題被轉化為各個CPN只分別對局部系統(tǒng)結構進行識別的問題。隨著網絡的搭建，系統(tǒng)模型在各個CPN上伴隨生成，且在鄰近的CPN上相互備份。用這種方式群智能系統(tǒng)可以自動的識別出整個系統(tǒng)，作為進一步實現控制管理的基礎。
06—分布式操作系統(tǒng)
群智能系統(tǒng)通過分布式操作系統(tǒng)來完成建筑中各種物理場的控制管理任務，主要有以下功能：
1）使CPN具備自我辨識和局部系統(tǒng)辨識能力；
2）將標準信息集和分布式計算函數庫平等的植入每個CPN；
3）響應應用程序要求，執(zhí)行分布式計算任務序列，依照時序觸發(fā)具體的計算任務，完成應用程序；
4）調度CPN響應不同的應用程序時序，盡可能充分利用CPN計算能力，縮短應用程序完成時間，提高計算效率；
5）實現系統(tǒng)安全保護、用戶和項目權限管理、在線升級等功能。
07—應用軟件
在群智能建筑自控系統(tǒng)中，用戶可以像手機用戶那樣從云端應用商店下載應用軟件，根據需求隨時自定義建筑的“智能”。
這些應用軟件是基于分布式操作系統(tǒng)提供API編輯的分布式計算任務序列。API接口是開放的，可以在操作系統(tǒng)上靈活編輯應用算法和策略。
編程工作的內容，從基于專業(yè)計算機語言“壘碼”的工作轉變?yōu)橛嬎闳蝿展ば虻脑O計，為暖通等專業(yè)工程師降低了門檻，有助于他們將專業(yè)領域知識應用在建筑自動控制領域。
傳統(tǒng)的中央站需要同時實現全局優(yōu)化控制和人機交互兩個功能，對系統(tǒng)延時、中央站處理能力等都提出了極高的要求。而群智能建筑自控系統(tǒng)將這兩個功能解耦：用CPN計算網絡完成實時要求高的優(yōu)化控制和數據診斷工作，人機交互功能用PC和移動終端領域的成熟方案解決。
整個CPN網絡就像一臺并行計算機，且每個CPN都可以提供WiFi等外部接口，可以用PC或移動終端接入群智能系統(tǒng)，觸發(fā)系統(tǒng)中數據查詢和統(tǒng)計的應用程序，獲得建筑運行的數據和統(tǒng)計報表，完成人機交互功能，既可以充分利用相關領域的成果，又可以提升用戶體驗。
08—總結
群智能控制建筑技術是一種仿照昆蟲群落工作機制，可以自組網、自辨識、自協(xié)作的新型建筑自動化系統(tǒng)，是從建筑和機電控制需求出發(fā)重新設計的新型系統(tǒng)。
群智能建筑系統(tǒng)與傳統(tǒng)建筑智能化系統(tǒng)的對比
群智能是建筑自控領域的一次技術革新嘗試。群智能建筑系統(tǒng)將建筑專業(yè)領域知識，與信息和分布式計算技術深度融合，不止要實現建筑運行的智能化，更要實現建筑自控系統(tǒng)建設和調試的智能化，從而降低IT專業(yè)為建筑和機電專業(yè)設立的技術門檻，使更了解建筑運行和控制的專業(yè)人員在更開放的技術架構下，充分發(fā)揮專業(yè)特長，提升建筑節(jié)能運行的自動化水平，促進我國建筑節(jié)能事業(yè)的深度發(fā)展。
（文章整理自《中國建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報告2022》，僅供學習交流使用，完整內容請購買正版圖書。）
