摘要

隨著建筑與技術的關系不斷發(fā)展，建筑也在不斷發(fā)展。智能建筑系統(tǒng)是建筑結構和技術維度的結合。智能建筑中的網絡架構依賴于物聯(lián)網 (IoT) 設備、人工智能 (AI) 和自動化來優(yōu)化建筑的運營性能、可持續(xù)性和居住體驗。

本文討論了智能建筑系統(tǒng)的出現(xiàn)和進步、其特點和技術架構，以及它們對能源效率和可持續(xù)性的貢獻。它還解決了智能建筑中的互操作性、網絡安全和用戶界面設計挑戰(zhàn)，有助于了解智能建筑的趨勢和發(fā)展及其對城市中心未來的影響。

1. 簡介

技術改變了日常活動和環(huán)境，但它也極大地改變了用戶與商業(yè)和住宅建筑的互動方式。僅僅在建筑中安裝傳感器和控制設備并不意味著技術系統(tǒng)是“智能”的。它還可以通過選擇詞語來表示多種含義：智能、自動化、自適應、響應、良性，甚至意識。無論術語多么復雜，“智能建筑系統(tǒng)”的框架對于建立基礎理解至關重要。

在城市環(huán)境中，建筑約占電力消耗的 75%，建筑的重點最近已從設計美學和適應人類活動的特征轉向提高建筑的運行效率。為此，控制供暖、制冷、通風、空氣質量和照明的機械系統(tǒng)配備了控制裝置，允許技術自動化其運行，而不是依靠用戶手動調整設置。然而，單靠自動化并不能確保效率，這是因為所有機械系統(tǒng)都根據預設的時間表或靜態(tài)規(guī)則控制功能，而與占用情況無關。

2. 智能建筑系統(tǒng)的定義和范圍

當滿足以下標準時，建筑物可被視為“智能”：（i）基本建筑系統(tǒng)具有相當程度的自動化或人工智能，（ii）建筑系統(tǒng)聯(lián)網并具有相當程度的連接性，以及（iii）智能系統(tǒng)的設計盡可能以用戶為中心。

建筑與技術的融合是智能建筑系統(tǒng)的一個重要方面。建筑系統(tǒng)可以定義為具有預定功能的設計和建造實體。建筑是一種物理建筑，可增強物理建筑系統(tǒng)的性能。智能建筑系統(tǒng)是一種人工智能建筑系統(tǒng)，它集成了物理建筑智能系統(tǒng)及其非物理技術智能系統(tǒng)，以創(chuàng)建一個連貫的整體，利用人工智能來調整和優(yōu)化其在給定環(huán)境中的性能。

智能建筑中常見的系統(tǒng)（暖通空調、照明、安防、視聽、消防安全和其他系統(tǒng)）在滿足以下一個或兩個條件時可被視為智能建筑系統(tǒng)：（i）系統(tǒng)聯(lián)網或具有相當程度的連接性，或（ii）系統(tǒng)具有相當程度的自動化或人工智能。由于這種融合，智能建筑系統(tǒng)的范圍被刻意定義為廣泛，以包括建筑中通常遇到的所有系統(tǒng)類型 。由于其復雜性和技術普遍處于新興狀態(tài)，智能建筑系統(tǒng)理想情況下應由多學科團隊設計和實施，其中包括（至少）建筑師、工程師、計算機科學家和 IT 人員。目標是在智能系統(tǒng)的設計和實施方面進行合作，從最初的建筑和技術設計到技術和產品的選擇，再到最終的集成和測試。

出于現(xiàn)實原因，智能建筑系統(tǒng)的設計和實施更常見的是分為不同的學科——通常，一家或兩家公司負責建筑和技術設計，另一家公司負責施工。盡管智能系統(tǒng)通常由不同的建筑和技術設計團隊設計，但必須了解智能建筑系統(tǒng)的核心是連貫的建筑和技術智能系統(tǒng)綜合體。了解這種復雜性有助于避免對智能建筑系統(tǒng)的多功能性產生誤解，這可能會在討論最新技術和辯論替代解決方案時產生問題。

2.1 樓宇自動化系統(tǒng)的演變

機械控制最初出現(xiàn)在建筑物中，始于蒸汽和水暖系統(tǒng)，控制對于保持舒適度至關重要。到 20 世紀 40 年代，許多此類系統(tǒng)都已安裝，很明顯，建筑物中需要一定程度的控制以節(jié)約能源并提高人體舒適度。大多數控制系統(tǒng)都是從手動控制開始的，由操作員監(jiān)控建筑系統(tǒng)并根據需要進行調整。各種儀表和指示器都集中在一個中央位置，通常稱為控制室，操作員站在一個大型控制設備面板前。隨著被控制的建筑系統(tǒng)變得越來越復雜，很明顯這種手動系統(tǒng)無法滿足需求。

例如，20 世紀 30 年代，紐約市最復雜的控制系統(tǒng)是由紐約市立廣播系統(tǒng)設計的，主要由一名工程師指導，他從一個建筑連到另一個建筑。第一個自動控制被實施，旨在保持歌劇院的舒適度。該市的控制大樓實施了幾種控制系統(tǒng)，最終建造了一個中央站來容納使用杠桿、齒輪和滑輪安裝的眾多控制裝置。自動化技術大多模仿手動控制，早期自動化系統(tǒng)的其他例子包括氣動控制。

在建筑物中，這些技術最初用于控制通風風門，然后用于溫度控制。這些系統(tǒng)的主要優(yōu)點是它們不需要電力。到 20 世紀 60 年代初，電子系統(tǒng)、更新的氣動控制系統(tǒng)和局部控制回路的發(fā)明被用于維持所需條件。建筑物中各種系統(tǒng)的集成趨勢和方法已經得到開發(fā)和實施，并取得了不同程度的成功。

在被動集成中，不同公司生產的控制器可以接受一些通用信號。協(xié)調建筑控制需要在系統(tǒng)中添加特殊控制器，集成系統(tǒng)可以通過中央計算機進行通信。到了 20 世紀 80 年代，人們發(fā)現(xiàn)對建筑系統(tǒng)的需求正在發(fā)生變化，需要采用更復雜的方法來確保新建系統(tǒng)的效率。20 世紀 80 年代的能源危機和隨后的能源價格上漲促使建筑業(yè)主要求更高效的建筑。在這十年中，對建筑使用者便利性的需求也在增加。隨著辦公室配備越來越多的便利設施，建筑變得越來越復雜，滿足需求變得越來越繁重。

3. 建筑考慮因素

隨著技術逐漸融入建筑領域，建筑設計過程中出現(xiàn)了一些必須解決的問題。人們認為，建筑師負責設計中技術的應用，并負責監(jiān)督這些設計的連貫性：他們有義務確保技術的集成不會掩蓋或損害設計的建筑品質，而是會增強它們。然而，隨著越來越多的建筑系統(tǒng)和組件變得“智能”，建筑師有必要與技術專家密切合作，以正確執(zhí)行設計。因此，必須考慮如何設計建筑環(huán)境以適應和增強智能技術。

隨著智能技術在建筑物中的廣泛應用，需要一種新的建筑方法；這種方法要考慮技術將如何在整個設計過程中從整體上影響建筑。通過解決最近的建筑技術應用問題，可以闡明一些考慮因素，這些考慮因素將作為未來涉及智能系統(tǒng)的建筑設計的基礎。

通過對最近完成的采用智能技術的建筑設計的考察和探索，本文強調了建筑與技術的結合，同時也討論了這些設計如何具有未來設計中必須考慮的獨特品質。在簡要介紹了建筑智能技術的現(xiàn)狀并概述了必要的建筑考慮因素后，本文強調了三種具體的建筑品質。

第一個品質強調智能技術在設計成隱形時最有效，可以在不被看到的情況下增強建筑。第二個品質討論了一種設計方法，即應在整個建筑范圍內考慮和設計智能技術，重點關注技術如何確定設計的幾何形狀和空間分布。第三個品質表明，采用智能技術的結構應具有高度的自主性，使系統(tǒng)能夠在沒有外界干預的情況下自我控制。這些品質最終是對上述建筑方法和挑戰(zhàn)的仔細考慮的結果。

3.1 技術在建筑設計中的融合

無論是新建還是改造建筑，技術是指可以嵌入或與結構交互以增強其響應性、功能性、生態(tài)性能和用戶舒適度的信息和通信技術。例如，可以增強承重結構的功能性或對環(huán)境因素的響應性以及氣候控制以增強用戶舒適度的技術。這些包括局部或大面積微氣候控制概念、建筑一體化光伏、氣候控制中的人工智能、與自然互動的技術集成空間、與用戶互動的技術集成空間、與用戶與外部互動的技術集成空間以及技術集成的結構健康監(jiān)測。

在確定技術在設計中的位置時，必須考慮一些關鍵方面。首先，不同的技術可能意味著不同的空間組織。一些技術可能會將空間聚集在一起或將它們串成一串，而一些技術可能會產生對大空間或小空間、封閉空間或開放空間以及公共空間或私人空間的需求。

其次，技術在設計中的位置會影響美學含義。技術敏感性和風格對結構重要性、細節(jié)和設計方法的影響方式也會影響設計的美學詮釋。如果技術對環(huán)境因素敏感，它通常會影響建筑圍護結構中組件的細節(jié)、重要性和設計方法，從而確保技術的適當性能。如果技術對結構健康敏感，技術實施可能還需要額外的組件，這些組件可能會影響結構的實質性和細節(jié)。與圍護結構一樣，額外的組件可能意味著新的設計動機，從而影響建筑的美感。

在新的設計中，智能技術通常是在設計完成后才考慮的。對于新設計中的活動技術，這種方法可以被認為是災難性的錯誤，因為很難找到將建筑和技術和諧地結合起來的合適設計解決方案。在使用智能技術改造現(xiàn)有建筑時，這種方法也帶來了挑戰(zhàn)。因此，設計解決方案通常會創(chuàng)建未集成的附加組件，留下由于智能技術的設計原則而需要干預的現(xiàn)有區(qū)域，而不是呈現(xiàn)創(chuàng)造性地整合建筑/設計和智能技術的新狀態(tài)。盡管如此，一些創(chuàng)新的設計方法將建筑/設計和智能技術和諧地融合在一起。

生物氣候和數字設計策略被認為是在智能技術和新智能建筑的設計解決方案之間建立創(chuàng)造性協(xié)同作用的基礎。為了實現(xiàn)智能建筑的新目標，需要一種涉及建筑師/設計師和計算機工程師的跨學科設計方法。應該從設計過程的一開始就考慮和解決智能技術的集成問題。否則，設計解決方案可能會分別解決建筑方面或技術方面的問題；因此，無法實現(xiàn)創(chuàng)造性的協(xié)同作用。

通過這項研究，提出了解決和確定技術如何從早期階段整合建筑設計的方法。一個目標是為旨在提高智能技術在建筑/設計中集成的建設性性能的方法提供基礎。第二個目標是提出對顯著影響設計方法和預期結果的方面進行考慮的方法，并強調從設計過程一開始進行考慮的重要性。

此外，還概述了建筑健康監(jiān)測技術的設計和狀態(tài)考慮。在這方面，解釋了由于技術考慮而導致的施工或設計隨時間的設計靈活性和適應性。一般來說，設計在預期的靈活性和適應性方面可以是基本固定的，也可以是不確定的；對這方面的考慮會改變設計的實驗參數。結論是，如果在個體發(fā)育階段沒有考慮監(jiān)測技術，那么影響固定設計狀態(tài)的技術會對思維過程和設計施加更嚴格的規(guī)則，并限制設計中的潛在靈活性。最終，需要考慮。

4. 技術基礎

智能建筑系統(tǒng)是一個綜合系統(tǒng)，由各種技術的互聯(lián)網絡提供支持，有助于實現(xiàn)建筑管理和監(jiān)控。一般而言，智能建筑系統(tǒng)依賴于一組互聯(lián)技術，以確保建筑的連接性、自動化和數據管理。當前的建筑或系統(tǒng)不斷隨著建筑設計和建造技術的不斷發(fā)展和改進而改變。要徹底理解建筑系統(tǒng)，必須對底層技術有基本的了解。

物聯(lián)網 (IoT) 由互聯(lián)對象網絡組成，是智能環(huán)境最基本、最關鍵的技術。物聯(lián)網可以實時收集和管理建筑內每個系統(tǒng)的數據，包括機械、電氣和管道 (MEP) 系統(tǒng)、生命安全系統(tǒng)、信息技術 (IT) 系統(tǒng)和建筑系統(tǒng)。

嵌入在建筑系統(tǒng)中的支持互聯(lián)網的傳感器可以收集有關系統(tǒng)性能和居住者互動的數據，以識別系統(tǒng)效率低下或故障。然后可以將這些數據傳輸到其他系統(tǒng)進行分析和匯總。物聯(lián)網設備和技術可以增強建筑的功能，超越單獨設計的系統(tǒng)的能力，并且可以被動地觀察和學習環(huán)境中的數據。

云計算架構對于智能建筑系統(tǒng)也是必不可少的。需要足夠的數據存儲空間來收集所有建筑生成的數據。這些建筑數據還可以通過后處理和機器學習應用程序幫助提高系統(tǒng)、組件或建筑的效率。目前，建筑數據通常存儲在大型公司擁有的云服務器中，這些公司除了提供云服務外，還提供后處理服務。

人工智能 (AI) 是智能建筑系統(tǒng)的另一項基礎技術。人工智能算法可以提高系統(tǒng)、組件或控件的效率，并根據收集和存儲在建筑系統(tǒng)中的數據生成可操作的見解。建筑行業(yè)在全球能源消耗和溫室氣體 (GHG) 排放中發(fā)揮著重要作用。用于建造和運營建筑的技術的進步和改進會影響建筑的性能。可以戰(zhàn)略性地利用不斷發(fā)展的技術來積極影響未來建筑的設計和運營。

一般來說，技術發(fā)展意味著改進，但新的進步使未來的建筑設計變得復雜，因為好的和壞的技術（或副作用）都會匯聚在建筑解決方案中。了解技術的融合及其對未來建筑的影響對于最大限度地減少不利影響并最大限度地提高整體效益至關重要。

4.1 物聯(lián)網 (IoT)

智能建筑是指使用先進的監(jiān)控和控制系統(tǒng)來提高其運營效率的結構。它可以涉及新系統(tǒng)的安裝或現(xiàn)有系統(tǒng)的集成，每個系統(tǒng)都有獨特的架構，通常基于硬件、軟件和數據管理功能的組合。本質上，當建筑物配備了能夠根據環(huán)境數據做出決策以控制供暖、通風、空調 (HVAC)、照明、能源使用、安全措施等元素的系統(tǒng)時，它們就變得“智能”。這些系統(tǒng)可以將建筑物內的各種設備連接到互聯(lián)網，并提供實時監(jiān)控和控制功能。通過集成物聯(lián)網技術，建筑系統(tǒng)可以共享數據并將建筑物變成“智能”環(huán)境，從而改變建筑物的使用和管理方式。

物聯(lián)網技術可以應用于建筑物內的各種系統(tǒng)，包括暖通空調、照明、能耗、占用檢測和門禁控制等。每個應用都涉及部署不同類型的傳感器、執(zhí)行器和設備，用于控制或監(jiān)控建筑環(huán)境的特定方面。例如，沒有任何智能功能的傳統(tǒng)暖通空調系統(tǒng)通常依靠固定的時間表來根據時間增加或減少加熱/冷卻。通過實施占用傳感器和智能控制技術，暖通空調系統(tǒng)可以實時監(jiān)控空間占用情況，并根據空間的實際使用情況調整其運行。由于大多數建筑系統(tǒng)已經收集了某種形式的運營數據，因此將它們與物聯(lián)網技術連接的主要好處是增強數據分析能力，從而對建筑運營產生新的見解，以提高運營效率。

在建筑系統(tǒng)中實施物聯(lián)網技術通常涉及多個硬件和軟件組件。部署在建筑物各處的傳感器收集數據并將其發(fā)送到云平臺進行處理。云平臺運行數據分析算法，生成對建筑運營的見解。然后，這些見解被發(fā)送到管理界面，工程師可以通過該界面監(jiān)控系統(tǒng)并進行必要的調整。一些應用還包括數據反饋回路，可以根據分析結果自動控制建筑系統(tǒng)。

目前，存在各種物聯(lián)網應用來監(jiān)控和控制建筑物中的不同系統(tǒng)。大多數早期實施都側重于能源管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)收集與能源消耗、占用模式和環(huán)境測量相關的數據，以檢測能源使用效率低下的情況。人們越來越有興趣開發(fā)新算法，利用這些數據來增強對建筑物能源使用的分析。在智能建筑中實施物聯(lián)網光監(jiān)控系統(tǒng)的研究也在進行中。對從物聯(lián)網光傳感器收集的數據進行定量分析，以評估已安裝照明系統(tǒng)的性能，從而提高用戶舒適度并節(jié)省能源。如果得到廣泛采用，物聯(lián)網技術可以顯著改善建筑物的能源管理，使其更高效，對環(huán)境的危害更小。

除了能源和資源管理外，建筑系統(tǒng)通常需要監(jiān)控，以便為用戶提供安全舒適的環(huán)境。物聯(lián)網系統(tǒng)還可以用于監(jiān)控溫度、空氣質量和光強度等環(huán)境因素。可以分析來自不同環(huán)境傳感器的數據，為建筑物居住者提供聲學舒適度、安全性和用戶舒適度。

雖然物聯(lián)網技術在構建系統(tǒng)中提供了各種潛在的應用和好處，但每個應用都涉及多個挑戰(zhàn)，需要解決這些挑戰(zhàn)才能成功實施物聯(lián)網技術。將來自不同制造商的大量物聯(lián)網設備集成到一個系統(tǒng)中尤其具有挑戰(zhàn)性，因為不同設備使用的無線通信協(xié)議和數據格式種類繁多。它需要專門的系統(tǒng)作為網絡網關，以彌合使用不同協(xié)議的設備之間的差距。

此外，隨著越來越多的設備和系統(tǒng)相互連接，人們對系統(tǒng)安全和隱私的擔憂也日益增加。大多數支持物聯(lián)網的應用都涉及收集潛在的敏感數據，這些數據需要得到充分保護，以免未經授權的訪問和操縱。智能建筑通常涉及將物聯(lián)網技術集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中，這可能使它們更容易受到攻擊。

5. 智能建筑系統(tǒng)的關鍵組件

識別智能建筑系統(tǒng)的關鍵組件至關重要。了解是什么讓建筑變得智能是思考如何讓建筑變得智能的必要第一步。

智能建筑不僅僅是一個單一的智能系統(tǒng)；相反，許多系統(tǒng)共同協(xié)作以創(chuàng)造一個智能環(huán)境。這些系統(tǒng)通常由在建筑運行或能源使用中發(fā)揮重要作用的組件組成。組件可以簡單到控制暖氣通風口的單個恒溫器，也可以復雜到集成的多區(qū)域暖通空調、照明和建筑部分控制系統(tǒng)。

有五個關鍵的能源相關系統(tǒng)或“建筑元素”構成了建筑的智能。這些系統(tǒng)是暖通空調、照明、電器、建筑圍護結構和可再生能源系統(tǒng)。暖通空調系統(tǒng)監(jiān)測和控制建筑環(huán)境的溫度、濕度和空氣質量，以保證居住者的舒適度。照明系統(tǒng)控制空間內人工照明的強度、光譜質量和分布，協(xié)調其運行與占用和日光感應的輸入。安全系統(tǒng)使用閉路攝像機、運動傳感器和門鎖等機制來監(jiān)控建筑空間的占用和訪問。這些系統(tǒng)中的每一個都可以包含各種設備，從簡單的開/關傳感器到復雜的多輸入控制單元。

此外，許多系統(tǒng)還包括用戶控制的組件，例如恒溫器、調光器和風扇，居住者可以通過這些組件影響和控制系統(tǒng)的運行方式。這里定義的基本建筑系統(tǒng)由創(chuàng)建智能環(huán)境所需的傳感和控制組件組成。然而，正是這些組件的集成使其變得“智能”。例如，一個簡單的照明控制系統(tǒng)在檢測到占用時打開和關閉房間內的燈，這是一個智能系統(tǒng)。然而，與 HVAC 系統(tǒng)集成的照明控制系統(tǒng)在有足夠日光時關閉照明，這是一個更智能的系統(tǒng)。無論智能或智能水平如何，建筑系統(tǒng)的運行都必須存在關鍵組件。這些組件中的每一個都執(zhí)行建筑系統(tǒng)的基本功能；控制算法解釋來自傳感器的數據并確定執(zhí)行器的適當狀態(tài)。

在最簡單的形式中，系統(tǒng)可能由單個傳感器和執(zhí)行器對組成，但通常單個傳感器輸入可以控制多個執(zhí)行器，或者多個傳感器將確定單個執(zhí)行器的狀態(tài)。組件分為三類，每種類型包含幾個代表性示例。第一種類型是系統(tǒng)，每個系統(tǒng)在建筑物中都有特定的控制目標，例如 HVAC、照明和安全系統(tǒng)。這些通常是更復雜的控制系統(tǒng)，包含多個傳感器和執(zhí)行器。第二種類型是用戶界面，提供與智能建筑系統(tǒng)交互的手段。用戶界面允許調整控制參數、設置操作時間表以及顯示有關系統(tǒng)性能的信息。第三種類型是數據收集和分析系統(tǒng)。數據收集可以包括建筑系統(tǒng)數據和外部數據，例如天氣、公用事業(yè)定價或占用模式。

與用戶界面組件類似，數據分析可用于調整控制策略和調度系統(tǒng)的操作。最后兩種組件類型涉及建筑系統(tǒng)性能的監(jiān)控以及根據系統(tǒng)監(jiān)控改變組件行為的能力。所有組件的設計都必須確保它們可以按比例變化并與多個組件實現(xiàn)一起運行。建筑系統(tǒng)可以這樣設計，即可以在不改變現(xiàn)有控制算法的情況下添加組件的新實現(xiàn)。例如，如果傳感器的運行方式與系統(tǒng)中現(xiàn)有的傳感器相同，則可以開發(fā)一種不需要對控制算法進行任何更改的新型傳感器。控制組件設計應適應每個組件按比例變化的能力。例如，單一設計可用于控制 HVAC 設備的溫度傳感器；然而，這種設計可以在整個建筑物的許多不同位置實施。如前所述的簡單控制策略只能有效地應用于具有單一實現(xiàn)的組件。

5.1 傳感器和執(zhí)行器

智能建筑系統(tǒng)由一組設備、環(huán)境傳感器和執(zhí)行器組成，旨在實現(xiàn)建筑物或園區(qū)內流程的自動化。智能建筑利用互聯(lián)技術來智能地監(jiān)控和管理建筑的運營。設計了一組定義明確的模塊，每個模塊負責控制特定的智能建筑功能。每個模塊都包含一組設備、環(huán)境傳感器和執(zhí)行器、簡單的本地服務器和必要的嵌入式軟件。

執(zhí)行器以控制信號的形式接收命令并執(zhí)行物理動作。執(zhí)行器可以看作是傳感器的反面：傳感器將物理量轉換為傳輸以供觀察和分析的信號，而執(zhí)行器將信號轉換為物理量。智能建筑系統(tǒng)使用五種不同類型的執(zhí)行器：可變風量 (VAV) 執(zhí)行器、阻尼器、閥門、燈和風扇速度控制器。

傳感器被定義為一種檢測事件或數量變化并提供相應輸出（通常是電信號或光信號）的設備。傳感器的輸出通常需要處理才能提取有關檢測到的變化或事件的有用信息。傳感器是智能建筑系統(tǒng)中數據采集的起點。傳感器測量物理量，例如溫度、濕度、占用率或光強度，以確定環(huán)境條件。傳感器將此測量值轉換為信號，然后傳輸以供觀察和分析。通常，傳感器的輸出信號會轉換為數字形式，因為可以使用計算機處理數字數據。

智能建筑系統(tǒng)使用 14 種不同類型的傳感器，包括溫度、濕度、運動、二氧化碳、光、壓力和空氣質量。智能建筑系統(tǒng)的數據可以由計算機系統(tǒng)分析和解釋。系統(tǒng)的“智能”能力是指其觀察、分析和根據傳感器收集的數據采取行動以優(yōu)化決策和控制的能力。當傳感器收集的數據用于自動運行系統(tǒng)而無需人工干預時，該系統(tǒng)被稱為自動化。

例如，一種常見的智能建筑應用是使用溫度傳感器來控制和自動化供暖、通風和空調 (HVAC) 設備。 HVAC 設備可以根據傳感器測量的溫度打開、關閉或以不同級別運行。技術系統(tǒng)（如水、空氣質量、接口、傳感器/執(zhí)行器、照明、安全/隱私和聲音）將由專家進一步開發(fā)，可從內部或外部訪問，并位于技術團隊指定的特定位置，如圖 1 所示。

圖1-技術系統(tǒng)方案

其他智能建筑應用包括自動管理和控制照明、門、窗簾和供水系統(tǒng)。智能建筑系統(tǒng)傳感器的準確性和可靠性對于系統(tǒng)的最佳性能至關重要。具體而言，傳感器系統(tǒng)的準確性取決于組成它的各個傳感器的類型和質量。

傳感器類型繁多，在靈敏度、帶寬、線性度、分辨率和噪聲等因素方面具有不同的工作原理和規(guī)格。傳感器技術的最新趨勢包括小型化，允許在單個微芯片上集成多個傳感器，以及無線傳感器網絡，無需在傳感器和控制單元之間進行有線連接。無線傳感器的聯(lián)網功能使得采用靈活的傳感器放置策略成為可能，而傳感器的小型化則有利于將傳感功能嵌入其他設備中。例如，微機電系統(tǒng)技術 (MEMS) 消除了對光學鏡等精密機械的需求，該技術允許在單個芯片上集成微型鏡子和傳感器。

作為智能建筑技術如何用于提高能源效率的一個典型例子，照明控制技術創(chuàng)新采用了新穎的執(zhí)行器設計，可以傾斜燈具，從而實現(xiàn)更集中的光線分布，提高居住者的視覺舒適度，并減少能源浪費。另一個例子是空氣質量控制技術創(chuàng)新，其中空調系統(tǒng)的區(qū)域控制與檢測房間內居住者位置的占用傳感器相結合。在天花板上安裝空調管道是傳統(tǒng)做法，迫使調節(jié)后的空氣向下流向居住者。因此，安裝在天花板上的擴散器的設計旨在實現(xiàn)廣泛的空氣分布。這項技術創(chuàng)新用無管道燈具代替天花板管道，這些燈具也會吹風，主動將氣流導向坐著的居住者。

6. 能源效率和可持續(xù)性

據統(tǒng)計，建筑物消耗了全球 41% 的能源，因此，新建建筑和改造現(xiàn)有建筑以減少能源浪費時，必須重點關注能源效率和可持續(xù)性。智能建筑系統(tǒng)嵌入了監(jiān)測和控制建筑的技術，已成為實現(xiàn)能源效率和可持續(xù)性的解決方案。使用智能系統(tǒng)，建筑可以主動降低能源消耗和相關的運營成本。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，基于檢測到的占用水平和實時調整的照明、遮陽和暖通空調系統(tǒng)的自動控制可以顯著降低能源浪費。

計算機和傳感器與建筑管理系統(tǒng) (BMS) 相結合，可以監(jiān)測和自動調整建筑性能，從而影響商業(yè)地產的節(jié)能。雖然許多建筑都采用了一些節(jié)能技術，但最大的挑戰(zhàn)仍然是如何減少過度的能源使用。雖然節(jié)能技術的初始投資成本較高，但減少能源費用帶來的財務節(jié)省可以在幾年內收回投資。

此外，許多節(jié)能技術在安裝后需要進行調整和調試，這凸顯了技術人員和政策在節(jié)能方面的重要性。采用新技術需要改變工作方式，在技術創(chuàng)造者和用戶之間建立一種合作的文化。智能系統(tǒng)在減少能源浪費方面具有巨大的潛力，這凸顯了將建筑作為集成技術和建筑以實現(xiàn)環(huán)境可持續(xù)性的系統(tǒng)的重要性。

7. 可持續(xù)材料和施工實踐

智能建筑系統(tǒng)是精心設計的建筑系統(tǒng)，它集成了網絡技術來跟蹤和調節(jié)各種建筑性能指標，如能源消耗和環(huán)境條件。這些系統(tǒng)在增強綠色建筑的可持續(xù)性方面發(fā)揮著重要作用。建筑物中能源、水和其他資源的有效管理是綠色建筑事業(yè)成功的關鍵。因此，實施智能建筑系統(tǒng)已成為增強綠色建筑功能的常見做法。

一般來說，智能建筑系統(tǒng)增強了建筑物的技術和建筑進步，從而有效管理能源和其他資源。信息和通信技術 (ICT)、無線網絡和嵌入式傳感技術的快速發(fā)展促進了智能建筑系統(tǒng)的發(fā)展。這些建筑系統(tǒng)使用最先進的節(jié)能技術和自動控制功能，以確保建筑系統(tǒng)在舒適度和資源效率的最佳設置下運行。建筑中的智能技術不僅限于能源效率；多種智能技術可以使建筑在不同性能方面變得更加智能。

例如，在集成智能技術后，暖通空調和通風等建筑系統(tǒng)可以有效保持所需的室內空氣質量。綠色建筑標準鼓勵智能技術作為可能對提高建筑性能產生重大積極影響的功能。可再生能源在建筑物中的整合也得到了強調；然而，可再生能源系統(tǒng)的有效管理至關重要，這可以通過部署智能建筑系統(tǒng)來實現(xiàn)。從本質上講，智能建筑系統(tǒng)可以有效地幫助綠色建筑減少其對環(huán)境和碳足跡的影響。一些實際案例表明，將智能解決方案集成到建筑物中可以從各個角度有效地協(xié)助可持續(xù)發(fā)展。

8. 安全和隱私

隨著智能建筑系統(tǒng)的普及，一系列新的安全和隱私挑戰(zhàn)也隨之而來。這些系統(tǒng)收集、分析和存儲有關建筑物居住者及其習慣的數據，這些數據可能是敏感信息。因此，隨著網絡安全威脅變得越來越普遍，在智能建筑內維護安全和網絡安全協(xié)議至關重要。盡管人們一直在努力制定標準和法規(guī)，但許多智能建筑仍然缺乏足夠的安全措施。此類系統(tǒng)特別容易受到攻擊，因為它們通常由第三方供應商和服務提供商創(chuàng)建和管理，使其面臨風險。在系統(tǒng)集成和共享信息時，過度依賴聯(lián)網和數字系統(tǒng)可能會帶來不必要的漏洞。因此，有必要制定全面的安全框架。

智能建筑隱私方面的法律和道德考慮也基本上沒有得到審查。當前智能建筑系統(tǒng)中普遍存在的隱私問題源于在公共場所激活該技術。雖然這些設備可以大大提高建筑運營的效率，但隱私保護系統(tǒng)的設計和監(jiān)控很容易被忽視。隨之而來的是許多問題：個人可以選擇不參與數據收集嗎？誰有權訪問數據，他們可以用這些數據做什么？如果一個人離開某個空間，收集到的數據會怎樣？有哪些協(xié)議可以保護數據？許多智能建筑系統(tǒng)缺乏足夠的措施來解決這些問題。

當前的技術要求敏感數據和不斷收集數據的能力，即使在公共場所也是如此。將某些數據定為專有數據可以構成智能建筑系統(tǒng)，但這只能部分解決問題。加密、訪問控制以及對設備和系統(tǒng)的持續(xù)監(jiān)控可以大大增強安全性。許多案例研究都證明了不同類型的建筑（從單一結構到整個園區(qū)環(huán)境）中安全措施的成功實施。各種建筑系統(tǒng)的協(xié)調對于實現(xiàn)高效運營至關重要。然而，必須更加重視確保協(xié)作系統(tǒng)內的安全性。最終，平衡運營效率和安全性對于智能建筑的設計至關重要。

8.1 智能建筑中的網絡安全

網絡安全是指用于保護計算機網絡和系統(tǒng)的機密性、完整性和可用性（包括它們處理的數據）的技術和流程。智能建筑是一組互連的傳感器、設備和系統(tǒng)，用于執(zhí)行暖通空調和安全等建筑功能。建筑系統(tǒng)最初是封閉的網絡，未連接到互聯(lián)網，直到節(jié)能和遠程訪問的需求將其轉變?yōu)殚_放的 IP 網絡。

智能互連系統(tǒng)帶來了獨特的風險。如果發(fā)現(xiàn)漏洞，它可能會被用來攻擊整棟建筑，因篡改警報、門或防火裝置而危及生命。有了對網絡安全的基本了解，智能建筑利益相關者將能夠更好地討論和挑戰(zhàn)系統(tǒng)集成商、技術人員和第三方供應商，以確保對智能系統(tǒng)進行有效保護。網絡安全是組織、管理層以及在建筑物內或與建筑物一起工作的每個人的共同責任。

然而，管理層對網絡安全決策和預算的影響最大。智能建筑需要強大的網絡安全方法，一些策略包括員工培訓、保持系統(tǒng)和軟件的更新、繪制建筑系統(tǒng)和網絡圖以及保存設備和軟件的清單。最重要的措施是制定事件響應計劃，以評估損害并恢復功能。最終，由各個組織決定如何保護其系統(tǒng)。安全始于意識；如果所有利益相關者都具有安全意識，則可以主動保護系統(tǒng)。智能建筑是未來，但如果沒有適當的預防措施，未來就會有陰暗的一面。

9. 用戶體驗和居住者舒適度

在智能環(huán)境時代，用戶體驗必須成為首要關注點。智能建筑系統(tǒng)的設計需要滿足用戶的需求和偏好，并且必須考慮到他們對技術使用的期望和擔憂。即使對于易于使用的系統(tǒng)，也可以實施多種個性化策略。例如，可以為居住者提供可定制的設置，以根據他們的偏好調整照明或溫度控制。或者，系統(tǒng)可以通過觀察用戶并根據他們的習慣建議操作來學習自動調整這些參數，從而使個性化工作對系統(tǒng)的最終用戶透明。

收集的用戶數據可以幫助設計師了解他們的行為以及這與滿意度的關系，從而使他們能夠隨著時間的推移構建更好的系統(tǒng)。此外，數據分析可以提供有關智能技術如何影響生產力和整體居住者福祉的信息。以人為本的設計原則應指導針對建筑環(huán)境的系統(tǒng)開發(fā)，避免僅關注能源效率的解決方案。

個性化和自適應環(huán)境是增強智能建筑內居住者體驗的關鍵概念。個性化的定義是根據個人喜好定制環(huán)境，對于最大限度地提高滿意度至關重要。雖然絕對的舒適是無法實現(xiàn)的，但建筑系統(tǒng)可以通過主動調整來提高滿意度。相比之下，適應性側重于響應波動條件的環(huán)境變化，采用檢測和適應用戶變化的技術。個性化工作可以針對靜態(tài)元素，例如建筑特征或嵌入式技術，以及設備和可穿戴設備等移動組件。

自適應技術可以檢測不斷變化的條件并自動調整環(huán)境或促進用戶改變。許多智能系統(tǒng)會根據用戶行為調整環(huán)境設置，包括照明、溫度和空氣質量。此類系統(tǒng)可以是全自動的，不需要用戶輸入，也可以是半自動的，依靠用戶反饋來增強調整。反饋對于系統(tǒng)開發(fā)自適應能力至關重要，包括顯式和隱式輸入渠道，教育用戶如何控制，以及觀察行為以推斷偏好。必須記住，用戶也可能忽略或無視反饋渠道。作為一種有前途的發(fā)展途徑，數據分析可以處理來自建筑系統(tǒng)的緩存數據，以改進個性化策略。

然而，收集個人數據帶來了與用戶隱私和數據安全相關的挑戰(zhàn)。智能系統(tǒng)可能默認采用公共數據所有權模型，其中個人信息被集中和重新表述，從而加劇了隱私問題。盡量減少數據收集并為居住者實施阻礙性審計跟蹤可以緩解擔憂。盡管如此，創(chuàng)建自適應環(huán)境對于增強個人空間中的居住者至關重要。

10. 挑戰(zhàn)和未來方向

隨著智能建筑系統(tǒng)變得更加可行，現(xiàn)有建筑技術得到改造，仍有許多障礙需要解決。首先，存在實施可行性方面的擔憂。大多數建筑已經采用了現(xiàn)有的建筑技術，因此必須確定如何將新興技術集成到現(xiàn)有系統(tǒng)中。此外，必須遵守最新的建筑規(guī)范和標準，這意味著任何新的自動化系統(tǒng)都必須履行額外的義務。即使有自動化系統(tǒng)，實施的初始成本也可能非常高，都要考慮投資回報率 (ROI)。

其次，隨著新技術的快速發(fā)展和采用，既定的設計和操作實踐變得過時。目前，建筑物的設計假設系統(tǒng)是獨立的，隨著系統(tǒng)越來越依賴新興技術或自動化設計決策，這種假設無法維持。此外，隨著系統(tǒng)變得更加自動化，操作員將需要學習有關監(jiān)督系統(tǒng)的新技能，而不是單獨調整組件。

盡管智能建筑系統(tǒng)的前景已得到廣泛認可，但智能建筑系統(tǒng)的大規(guī)模普及仍面臨許多障礙。在保證系統(tǒng)如何有效通信之前，準確定義智能建筑系統(tǒng)的功能將非常困難。智能系統(tǒng)的發(fā)展取決于眾多不同利益相關者的協(xié)調努力，每個利益相關者都有不同的影響和目標。盡管公眾對更智能建筑的壓力將繼續(xù)增加，但如果沒有各方的協(xié)調努力，當前植入的系統(tǒng)可能會繼續(xù)停留在單純的反應性技術階段。

標準化和互操作性是保證智能建筑系統(tǒng)能夠有效相互通信的必要條件。因此，研究和開發(fā)必須首先考慮當前可用系統(tǒng)之間互操作性的障礙以及如何定義有效的智能建筑系統(tǒng)。然而，隨著建筑系統(tǒng)越來越依賴人工智能和機器學習，預計這些障礙將變得更容易克服，新的道路將會出現(xiàn)。最終，一個有效的智能系統(tǒng)將采用影響建筑設計和性能各個方面的眾多智能技術。

10.1 互操作性和標準化

互操作性是智能建筑系統(tǒng)中的一個關鍵概念，它涉及不同系統(tǒng)協(xié)同工作的能力。這涉及定義信息應如何在各個系統(tǒng)之間表示和交換。相比之下，標準化是指建立共同標準，無論是通過市場共識在法律上，還是由行業(yè)領導者事實上強加。對于智能建筑系統(tǒng)，行業(yè)共識是互操作性應基于開放和公共標準，避免可能阻礙競爭和限制用戶選擇的專有方法。

隨著供應商采用智能建筑技術，系統(tǒng)和設備的激增提出了一個關鍵問題，即不同系統(tǒng)如何協(xié)同工作，即確保互操作性。不幸的是，互操作性并不是默認保證的。廣泛采用的行業(yè)標準為互聯(lián)網提供了無縫的環(huán)境。然而，智能建筑行業(yè)目前受到各種技術和協(xié)議的困擾，其中許多是專有的，從而阻礙了多供應商系統(tǒng)的兼容性和無縫交互。

在智能建筑系統(tǒng)領域，有充分的理由要求在法律上實行全行業(yè)標準化，以實現(xiàn)互操作性；也就是說，如果沒有共同的標準，不同的系統(tǒng)幾乎不可能協(xié)同工作。在智能建筑中，系統(tǒng)需要內部通信以及與建筑管理系統(tǒng) (BMS) 通信，并且需要開放協(xié)議來確保跨系統(tǒng)兼容性。行業(yè)合作是朝著改善當前互操作性狀況的正確方向邁出的一步。近十年來，智能建筑中異構子系統(tǒng)的互操作性被認為是一個難以解決的問題。提出了一種基于 Web 服務和事件條件-動作規(guī)則機制的中間件技術來解決建筑物中的這一問題，重點是 RTS 和 TB 子系統(tǒng)的互操作性作為概念驗證。

11. 總結

智能建筑系統(tǒng)在解決建筑行業(yè)和城市發(fā)展面臨的眾多當代挑戰(zhàn)中發(fā)揮著至關重要的作用。通過尖端技術和創(chuàng)新方法，智能系統(tǒng)可以顯著提高能源效率、可持續(xù)性和用戶體驗。通過利用先進的物聯(lián)網設備和智能 3D 建模，建筑師可以將技術無縫集成到創(chuàng)新的建筑設計中，同時解決前面提到的突出問題。盡管智能建筑系統(tǒng)的有效部署可能受到多種因素的阻礙，但不斷發(fā)展它們以充分釋放其潛力仍然至關重要。因此，需要跨學科合作和全面研究，以進一步探索智能建筑系統(tǒng)的機會及其對未來挑戰(zhàn)的影響。

本文作者：Omar G. Ahmed

原文：Smart Building Systems: A Confluence of Architecture and Technology