中国建筑节能研究之群智能建筑控制技术

群智能技术是一种仿照鸟群、鱼群等智能群落工作机制的新一代人工智能技术。

群智能建筑系统将建筑物理模型与分布式计算深度融合，以集成、智能化的建筑空间和源设备为智能化的基本单元，采用去中心化、自组织计算架构，实现建筑机电设备系统自动化运行、节能优化控制、能耗管理和诊断、故障自诊断、智慧物业管理等功能。

01—建筑自控技术的应用现状

其实建筑自控并不是一项新的技术。早在20世纪90年代，我国就已在大型公共建筑中普遍设计安装了这一系统。

伴随着信息技术的发展，建筑自控技术也在不断迭代更新。如今，物联网、云计算、人工智能、大数据等热门技术也已经被应用在一些建筑节能优化控制项目上，如煦联得实施的综合能源服务项目就大量的应用了群智能建筑控制技术。

煦联得自主研发的智慧能源管理系统

现代大型公共建筑中的被控设备相关信息动辄以万计，信息背后的设备系统结构复杂并分布在数万平方米的工程中。

对于这样的大规模复杂系统，传统系统架构的弊端导致需要跨专业的工程师为每个项目进行定制化开发，自控功能的实际工程落地通常需要极大的工作量，导致系统建筑成本高、周期长。

典型的传统建筑自控系统架构

于是，在很多实际工程中，出于工程成本和周期的考虑，往往牺牲品质，放弃自控优化功能，仅实现“只监不控”的初步功能。

在人力成本和能源成本不断增加，国家提出“双碳”战略的今天，建筑自控领域迫切需要一种能够真正解决工程落地问题，实现自动、节能运行的新系统。

02—换个角度看建筑自控

传统建筑自控系统工程应用问题的根源是分级中央控制架构，解决这一问题的思路是尝试颠覆传统架构，采用仿照鸟群、鱼群等智能群落工作机制，通过简单的智能个体实现大规模系统的复杂功能。

如何用“群智能”的思路实现建筑自控？需要回答以下两个问题：

第一，什么是建筑自控的基本单元？

从建筑及其机电设备系统的组成单元出发，可以认为建筑自控功能是由若干“空间”和“源设备”拼接而成的。

对应空间的智能控制系统可以看作是建筑自控系统的基本单元，即智能空间单元。

空间单元彼此按所在位置就近连接，组成网格状的控制网络，覆盖大部分建筑区域，也涵盖了大部分建筑机电设备的控制管理需求。

建筑控制系统由基本单元按照位置关系拼接而成的示意图

这样的智能空间单元是可以标准化的。不同建筑中，具体到同一类空间单元（如办公室、会议室、酒店客房、商场公区等），其空间内部的信息内容及控制管理功能相差不大，其差别主要是不同建筑中各类标准化单元的种类和数量不同造成的。

因此，可以根据各类典型空间的功能、尺寸和各机电设备的数量，将空间单元中描述设备运维信息的种类和数量标准化，定义各类空间单元的标准信息集。

结合机电一体化的发展趋势，可以认为智能化机电设备，或者控制箱+传统机电设备标准组合，也是建筑自控系统的基本单元，即源设备单元。

同类型的源设备，虽然厂家和内部工艺机制可能不同，但是从建筑控制和运维的角度所关注的外特性参数是相同的。通过提炼外参数的共性，也可以将各类源设备的信息模型标准化。

以下的标准单元相互组合已经初步验证可以完全覆盖大多数项目的建筑自控系统，否则，也可以补充增加相应的标准单元定义。

建筑基本单元列表

第二，基本单元之间如何协作？

智能的建筑基本单元分别都能完成各自内部的自动控制和优化调节。但是，公共建筑通常有统一的物业管理；有同一套能源系统、空调系统、给水排水系统、消防系统；共享相同的逃生通道等。因此，通常需要实现整体的联动控制。

设计群智能架构下的基本单元的协作方式，依然从建筑和机电设备系统的特点入手分析。比如对冷机、风机、水泵这些机电设备的调节，本质上是对建筑中的冷热量传递、气流传递、供水网络、人群移动、光和声音传递等这些物理场进行调节。

从物理场的特点出发，仿照物理场的特点设计建造基本单元的协作方式：基本单元之间只需要按照空间位置与邻近的单元连接并协作计算，所有节点连接成覆盖建造空间的计算网络。

在某种触发事件下，整个系统可以有触发点发起计算，计算出建筑物理场的整体变化，进而可以寻找到整个系统在何种控制方案下，可以满足用户需求的同时实现能效最优。

类似于有限元算法，可以将上述关于物理场计算的机制或“算子”标准化的植入到每一个基本单元中；基本单元构成的计算网络随建筑物理场规模变化而变化，物理规则不变，则上述分布式计算网络中的算法就可能自组织的适配各种建筑及其机电设备系统结构，从而实现建筑自控系统自组织、免配置、即插即用、灵活适配的预定目标。

群智能建筑系统架构示意图

03—关键硬件设备

计算节点（Computing Processing Node，CPN）是群智能建筑自控系统的关键设备。CPN嵌入在各建筑空间或源设备中，使它们能够成为“智能”基本单元。

所谓的“智能”包含以下功能：1）实现基本单元内部的数据采集、安全保护、控制调节、故障诊断和报警、能耗计量等功能；2）具备自动辨识和组网能力；3）具备与邻近节点协作计算的能力。

目前，制冷机、水泵、空气处理设备等源设备产品已经或正逐步向智能机电设备转变，许多设备已经完成设备内部的自动化控制调节，同时，智能传感器、智能执行器也不断完善。

CPN结构示意图

04—计算网络

代表每一个建筑空间单元或源设备单元的CPN，彼此按照空间位置关系就近连接，就构成了群智能建筑系统的计算网络。

典型群智能建筑系统示意图及基本单元与建筑平面和机电设备系统的对应关系

制冷机，水泵、冷却塔、配电柜等源设备的相应CPN，按照设备网络拓扑，与相邻设备的CPN连接，并最终与相关专业终端设备所在空间对应的CPN连接，就形成了与相关设备专业网络一致或相似的计算网络。

虽然没有任何单元掌握全局网络结构，但每个单元都清楚掌握局部模型，具有与邻近单元协助的工作机制，这样通过各单元的相互联系，也就间接的反映了整个系统的状况。

05—自组网识别机制

组网配置是常规系统架构在工程实施过程中的瓶颈。群智能系统通过在CPN中植入对应建筑基本单元的标准信息集，以及CPN对邻近节点的自动辨识能力，完成组网配置工作，实现对建筑自控系统的自动识别。

办公室空间信息表摘要

办公室空间单元标准信息集（节选）

源设备单元的标准信息集与空间单元类似，只是整体控制和运维一般不涉及机电设备内部各个部件的运行情况，因此源设备单元的标准信息集一般将源设备作为一个整体，只描述其外特性参数。

标准信息集被嵌入到CPN中，由于标准信息集对应建筑及其机电设备系统的构成单元，它们所组合成的建筑自控系统的数据结构天然与被控系统一致。

随着CPN拼接成建筑自控系统，结构化的数据系统随之同步生成。留给现场工程的，只剩下真实存在的物理参数与相应标准信息集中的变量相对接。

在群智能系统架构下，整体系统结构的辨识问题被转化为各个CPN只分别对局部系统结构进行识别的问题。随着网络的搭建，系统模型在各个CPN上伴随生成，且在邻近的CPN上相互备份。用这种方式群智能系统可以自动的识别出整个系统，作为进一步实现控制管理的基础。

06—分布式操作系统

群智能系统通过分布式操作系统来完成建筑中各种物理场的控制管理任务，主要有以下功能：

1）使CPN具备自我辨识和局部系统辨识能力；

2）将标准信息集和分布式计算函数库平等的植入每个CPN；

3）响应应用程序要求，执行分布式计算任务序列，依照时序触发具体的计算任务，完成应用程序；

4）调度CPN响应不同的应用程序时序，尽可能充分利用CPN计算能力，缩短应用程序完成时间，提高计算效率；

5）实现系统安全保护、用户和项目权限管理、在线升级等功能。

07—应用软件

在群智能建筑自控系统中，用户可以像手机用户那样从云端应用商店下载应用软件，根据需求随时自定义建筑的“智能”。

这些应用软件是基于分布式操作系统提供API编辑的分布式计算任务序列。API接口是开放的，可以在操作系统上灵活编辑应用算法和策略。

编程工作的内容，从基于专业计算机语言“垒码”的工作转变为计算任务工序的设计，为暖通等专业工程师降低了门槛，有助于他们将专业领域知识应用在建筑自动控制领域。

传统的中央站需要同时实现全局优化控制和人机交互两个功能，对系统延时、中央站处理能力等都提出了极高的要求。而群智能建筑自控系统将这两个功能解耦：用CPN计算网络完成实时要求高的优化控制和数据诊断工作，人机交互功能用PC和移动终端领域的成熟方案解决。

整个CPN网络就像一台并行计算机，且每个CPN都可以提供WiFi等外部接口，可以用PC或移动终端接入群智能系统，触发系统中数据查询和统计的应用程序，获得建筑运行的数据和统计报表，完成人机交互功能，既可以充分利用相关领域的成果，又可以提升用户体验。

08—总结

群智能控制建筑技术是一种仿照昆虫群落工作机制，可以自组网、自辨识、自协作的新型建筑自动化系统，是从建筑和机电控制需求出发重新设计的新型系统。

群智能建筑系统与传统建筑智能化系统的对比

群智能是建筑自控领域的一次技术革新尝试。群智能建筑系统将建筑专业领域知识，与信息和分布式计算技术深度融合，不止要实现建筑运行的智能化，更要实现建筑自控系统建设和调试的智能化，从而降低IT专业为建筑和机电专业设立的技术门槛，使更了解建筑运行和控制的专业人员在更开放的技术架构下，充分发挥专业特长，提升建筑节能运行的自动化水平，促进我国建筑节能事业的深度发展。

（文章整理自《中国建筑节能年度发展研究报告2022》，仅供学习交流使用，完整内容请购买正版图书。）