近年來信息技術(shù)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。群智能系統(tǒng)以扁平化、無中心的系統(tǒng)架構(gòu)，區(qū)別于傳統(tǒng)分層中央控制的智能化系統(tǒng)，為建筑、城市控制管理提供靈活開放的平臺，滿足使用者、運營者和建設(shè)者的不同使用需求。那么群智能到底是什么？群智能技術(shù)又是如何運用到樓控系統(tǒng)里的呢？

在中國建筑業(yè)協(xié)會智能建筑分會2018年會員代表大會上，主辦方邀請到群智能專委會副主任委員、清華大學(xué)自動化系 趙千川教授發(fā)表了題為“群智能和智能建筑前沿技術(shù)”的主題報告，探討了當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)在應(yīng)用于建筑領(lǐng)域時，為系統(tǒng)性能優(yōu)化和安全控制帶來的研究機遇與挑戰(zhàn)。

 

群智能專委會副主任委員、清華大學(xué)自動化系 趙千川教授

 

趙千川，清華大學(xué)自動化系教授，博士生導(dǎo)師，智能與網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)研究中心主任。擔(dān)任中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會委員、中國系統(tǒng)工程學(xué)會理事、IEEE RAS智能建筑專業(yè)委員會主任，IEEE 匯刊“IEEE Transactions on Control of Network Systems”和 “IEEE Transactions on Automation Science and Engineering”編委，《控制理論與應(yīng)用》副主編等國內(nèi)學(xué)術(shù)刊物職位。主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)化動態(tài)系統(tǒng)性能優(yōu)化與安全控制及其在建筑、電力、制造、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。曾獲國家自然科獎二等獎（排名第二）、教育部自然科學(xué)二等獎（排名第一）。2014年獲國家杰出青年科學(xué)基金資助。

報告中，趙教授以他負(fù)責(zé)的十三五重點研發(fā)項目為依托，重點介紹了其團隊建立的基于群智能的扁平化新型建筑智能化系統(tǒng)I2B架構(gòu)和相應(yīng)的系統(tǒng)平臺技術(shù)，以并聯(lián)水泵群控和傳感器故障檢測等典型應(yīng)用為例，展示該架構(gòu)如何克服傳統(tǒng)的集中式分層架構(gòu)存在的不足，實現(xiàn)樓控機電設(shè)備即插即用，樓控系統(tǒng)的自組織分布式協(xié)作計算和節(jié)能控制。

 

 

調(diào)研現(xiàn)狀：

 

智能化系統(tǒng)利用率不高:以暖通空調(diào)系統(tǒng)為例，多數(shù)系統(tǒng)僅實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程開關(guān)機；智能化系統(tǒng)對設(shè)備的自動加減機控制，對設(shè)備狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)功能未發(fā)揮出來；

系統(tǒng)調(diào)試和運維門檻和成本高：目前的建筑智能化系統(tǒng)整體構(gòu)架繁復(fù)，控制設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備連線過多，帶來建設(shè)周期長，調(diào)試周期長，維護門檻高，調(diào)試過程需要專業(yè)技術(shù)人員來完成該項工作；系統(tǒng)或者設(shè)備出現(xiàn)問題或故障后，建設(shè)方需要重新布線、調(diào)試。時間成本和人員成本投入較高；由于系統(tǒng)整體構(gòu)架原因，現(xiàn)階段智能化系統(tǒng)對人員自身技術(shù)水平的依賴過多；

不同設(shè)備或系統(tǒng)集成復(fù)雜：不同子系統(tǒng)或設(shè)備采用不同通訊協(xié)議，導(dǎo)致整個系統(tǒng)集成難度大，且集成完成后系統(tǒng)穩(wěn)定性差；集成的系統(tǒng)基本獨立工作，各系統(tǒng)聯(lián)動運行較少；

智能化系統(tǒng)設(shè)計主體為設(shè)備廠商：目前的建筑智能化深化主要由設(shè)備廠家配合完成，專業(yè)電氣設(shè)計師參與度不高；

運維人員參與度?。?/span>暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制和調(diào)試基本由專業(yè)廠家完成，調(diào)試完成由運維主體接管后，由于系統(tǒng)構(gòu)架復(fù)雜，操作過程不直觀，運維管理人員機電專業(yè)知識水平的限制，運維管理人員在整個系統(tǒng)運維過程中的參與度??；

節(jié)能和便捷化不高：調(diào)研顯示，應(yīng)用智能化控制系統(tǒng)的建筑并未體現(xiàn)出顯著的建筑節(jié)能性，且建筑用戶對建筑室內(nèi)環(huán)境的不滿意程度時有發(fā)生，尤其是供暖季和供冷季；

無移動端管理系統(tǒng)

建筑用戶參與度?。?/span>現(xiàn)建筑智能化系統(tǒng)僅供專業(yè)人員使用，無普通用戶交互接口，作為建筑的實際使用者，普通用戶無法參與到整個運維過程中來；

智能化最新技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)不足：基于BIM，人工智能的運維管理體現(xiàn)不足

 

 

用戶期待

 

極大程度降低智能化系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試成本；

傳感器和控制設(shè)備的配置及鏈接更加簡單、穩(wěn)定；

系統(tǒng)和設(shè)備之間能夠通過自識別、免配置，實現(xiàn)快速集成，即插即用，投入使用；

更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、便捷的系統(tǒng)構(gòu)架或集成方式，系統(tǒng)故障后，應(yīng)具備快速故障自診斷功能；

提高智能化性能，降低使用門檻，簡化使用流程，建筑運維人員及使用者能夠簡單融入到對建筑的運維和優(yōu)化管理；

能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的個性化配置，如同智能手機隨意實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能；

手機端參與建筑運維管理；

智能化發(fā)現(xiàn)最近技術(shù)能夠簡單融入到建筑智能化系統(tǒng)中；將建筑全生命周期的管理理念融入建筑智能化發(fā)展中。

 

 

群智能架構(gòu)解決現(xiàn)有建筑智能化系統(tǒng)問題

 

群智能

群智能到底是什么？群智能這個概念來自對自然界中昆蟲群體的觀察，群居性生物通過協(xié)作表現(xiàn)出的宏觀智能行為特征被稱為群智能，群智能技術(shù)屬于新一代人工智能當(dāng)中八大研究方向中非常核心的一點。通俗的來說，比如蜜蜂這種社會性的動物，每一只小蜜蜂的功能非常簡單，但是這些蜜蜂通過協(xié)作可以完成非常復(fù)雜的工作。群智能技術(shù)就是運用了這種仿生智能，也叫自然計算原理，那么這個原理怎么樣能夠借鑒到我們的樓控系統(tǒng)里呢？

 

群智能建筑概念

 

我們在整個新架構(gòu)當(dāng)中引入一些邊緣計算的節(jié)點，這些邊緣計算節(jié)點就是圖中用密封這個圖標(biāo)標(biāo)的這些小的黑框，它實際上是一堆的小盒子，這些小盒子類似，你可以把它想象成我們的手機，但是他們之間是互相通氣的，類似于蜜蜂之間的協(xié)作，實現(xiàn)相鄰物體之間互相通信，然后保持對整個樓層的幾大系統(tǒng)進行協(xié)作控制。這其中的一大亮點在于：致力于讓建筑真正實現(xiàn)以人為中心。我們可以把這個系統(tǒng)想象為你的房間，房間里所有的感知、執(zhí)行設(shè)備集成在這個小蜜蜂的控制之下，這就是智能節(jié)點，學(xué)術(shù)名詞叫CPN（計算節(jié)點），每一個小蜜蜂管控著一個區(qū)域，不同區(qū)域間完成交互、協(xié)作，解決了一個縱向集成和分層控制中產(chǎn)生的復(fù)雜通信問題，這樣就解決了調(diào)研當(dāng)中的核心問題。而群智能架構(gòu)能夠解決現(xiàn)有建筑智能化系統(tǒng)問題。

 

群智能架構(gòu)是一種由相互協(xié)作的智能節(jié)點實現(xiàn)的扁平化、無中心建筑智能化架構(gòu)。研發(fā)全新的適應(yīng)大型公共建筑節(jié)能需求的扁平化、無中心建筑智能化系統(tǒng)平臺技術(shù)，建立創(chuàng)新的建筑智能化技術(shù)體系，能夠推動標(biāo)準(zhǔn)化工作，確定統(tǒng)一的建筑運行信息標(biāo)準(zhǔn)化描述方法；開發(fā)智能化系統(tǒng)軟硬件設(shè)備，支持即插即用新型架構(gòu)平臺在實際項目中應(yīng)用；研發(fā)各種智能機電設(shè)備和不同功能的控制管理軟件，解決基于新架構(gòu)的典型建筑節(jié)能控制管理功能，帶動傳統(tǒng)建筑機電設(shè)備產(chǎn)業(yè)升級；通過示范工程，檢驗和示范新技術(shù)。

 

群智能架構(gòu)實驗平臺

 

目前，基于群智能的建筑智能化系統(tǒng)研究工作總體情況是：建立了支撐群智能建筑的算法架構(gòu)；確定了統(tǒng)一的建筑運行信息標(biāo)準(zhǔn)化描述方法；完成了群智能建筑系統(tǒng)平臺的操作系統(tǒng)TOS和節(jié)點CPN的軟硬件開發(fā)，并通過了實驗驗證；研發(fā)了部分智能機電設(shè)備和節(jié)能控制管理軟件，實現(xiàn)了群智能建筑的部分能量管理和節(jié)能控制功能，并已經(jīng)開展了若干工程示范。

展望建筑智能化系統(tǒng)未來發(fā)展，趙教授指出，建筑應(yīng)以人為本，服務(wù)人民對美好健康生活的要求，利用好新技術(shù)，尤其是信息技術(shù)，充分發(fā)揮廣大機電工程師和設(shè)備廠家在智能化方面的作用，在工程實踐中推動新技術(shù)探索和應(yīng)用發(fā)展。

         近年來信息技術(shù)得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。群智能系統(tǒng)以扁平化、無中心的系統(tǒng)架構(gòu)，區(qū)別于傳統(tǒng)分層中央控制的智能化系統(tǒng)，為建筑、城市控制管理提供靈活開放的平臺，滿足使用者、運營者和建設(shè)者的不同使用需求。那么群智能到底是什么？群智能技術(shù)又是如何運用到樓控系統(tǒng)里的呢？

在中國建筑業(yè)協(xié)會智能建筑分會2018年會員代表大會上，主辦方邀請到群智能專委會副主任委員、清華大學(xué)自動化系 趙千川教授發(fā)表了題為“群智能和智能建筑前沿技術(shù)”的主題報告，探討了當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)在應(yīng)用于建筑領(lǐng)域時，為系統(tǒng)性能優(yōu)化和安全控制帶來的研究機遇與挑戰(zhàn)。

 

群智能專委會副主任委員、清華大學(xué)自動化系 趙千川教授

 

趙千川，清華大學(xué)自動化系教授，博士生導(dǎo)師，智能與網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)研究中心主任。擔(dān)任中國自動化學(xué)會控制理論專業(yè)委員會委員、中國系統(tǒng)工程學(xué)會理事、IEEE RAS智能建筑專業(yè)委員會主任，IEEE 匯刊“IEEE Transactions on Control of Network Systems”和 “IEEE Transactions on Automation Science and Engineering”編委，《控制理論與應(yīng)用》副主編等國內(nèi)學(xué)術(shù)刊物職位。主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)化動態(tài)系統(tǒng)性能優(yōu)化與安全控制及其在建筑、電力、制造、通信等領(lǐng)域的應(yīng)用。曾獲國家自然科獎二等獎（排名第二）、教育部自然科學(xué)二等獎（排名第一）。2014年獲國家杰出青年科學(xué)基金資助。

報告中，趙教授以他負(fù)責(zé)的十三五重點研發(fā)項目為依托，重點介紹了其團隊建立的基于群智能的扁平化新型建筑智能化系統(tǒng)I2B架構(gòu)和相應(yīng)的系統(tǒng)平臺技術(shù)，以并聯(lián)水泵群控和傳感器故障檢測等典型應(yīng)用為例，展示該架構(gòu)如何克服傳統(tǒng)的集中式分層架構(gòu)存在的不足，實現(xiàn)樓控機電設(shè)備即插即用，樓控系統(tǒng)的自組織分布式協(xié)作計算和節(jié)能控制。

 

 

調(diào)研現(xiàn)狀：

 

智能化系統(tǒng)利用率不高:以暖通空調(diào)系統(tǒng)為例，多數(shù)系統(tǒng)僅實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程開關(guān)機；智能化系統(tǒng)對設(shè)備的自動加減機控制，對設(shè)備狀態(tài)的自動調(diào)節(jié)功能未發(fā)揮出來；

系統(tǒng)調(diào)試和運維門檻和成本高：目前的建筑智能化系統(tǒng)整體構(gòu)架繁復(fù)，控制設(shè)備和現(xiàn)場設(shè)備連線過多，帶來建設(shè)周期長，調(diào)試周期長，維護門檻高，調(diào)試過程需要專業(yè)技術(shù)人員來完成該項工作；系統(tǒng)或者設(shè)備出現(xiàn)問題或故障后，建設(shè)方需要重新布線、調(diào)試。時間成本和人員成本投入較高；由于系統(tǒng)整體構(gòu)架原因，現(xiàn)階段智能化系統(tǒng)對人員自身技術(shù)水平的依賴過多；

不同設(shè)備或系統(tǒng)集成復(fù)雜：不同子系統(tǒng)或設(shè)備采用不同通訊協(xié)議，導(dǎo)致整個系統(tǒng)集成難度大，且集成完成后系統(tǒng)穩(wěn)定性差；集成的系統(tǒng)基本獨立工作，各系統(tǒng)聯(lián)動運行較少；

智能化系統(tǒng)設(shè)計主體為設(shè)備廠商：目前的建筑智能化深化主要由設(shè)備廠家配合完成，專業(yè)電氣設(shè)計師參與度不高；

運維人員參與度?。?/span>暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制和調(diào)試基本由專業(yè)廠家完成，調(diào)試完成由運維主體接管后，由于系統(tǒng)構(gòu)架復(fù)雜，操作過程不直觀，運維管理人員機電專業(yè)知識水平的限制，運維管理人員在整個系統(tǒng)運維過程中的參與度??；

節(jié)能和便捷化不高：調(diào)研顯示，應(yīng)用智能化控制系統(tǒng)的建筑并未體現(xiàn)出顯著的建筑節(jié)能性，且建筑用戶對建筑室內(nèi)環(huán)境的不滿意程度時有發(fā)生，尤其是供暖季和供冷季；

無移動端管理系統(tǒng)

建筑用戶參與度?。?/span>現(xiàn)建筑智能化系統(tǒng)僅供專業(yè)人員使用，無普通用戶交互接口，作為建筑的實際使用者，普通用戶無法參與到整個運維過程中來；

智能化最新技術(shù)發(fā)展體現(xiàn)不足：基于BIM，人工智能的運維管理體現(xiàn)不足

 

 

用戶期待

 

極大程度降低智能化系統(tǒng)設(shè)計、建設(shè)、調(diào)試成本；

傳感器和控制設(shè)備的配置及鏈接更加簡單、穩(wěn)定；

系統(tǒng)和設(shè)備之間能夠通過自識別、免配置，實現(xiàn)快速集成，即插即用，投入使用；

更加規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、便捷的系統(tǒng)構(gòu)架或集成方式，系統(tǒng)故障后，應(yīng)具備快速故障自診斷功能；

提高智能化性能，降低使用門檻，簡化使用流程，建筑運維人員及使用者能夠簡單融入到對建筑的運維和優(yōu)化管理；

能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的個性化配置，如同智能手機隨意實現(xiàn)系統(tǒng)的各項功能；

手機端參與建筑運維管理；

智能化發(fā)現(xiàn)最近技術(shù)能夠簡單融入到建筑智能化系統(tǒng)中；將建筑全生命周期的管理理念融入建筑智能化發(fā)展中。

 

 

群智能架構(gòu)解決現(xiàn)有建筑智能化系統(tǒng)問題

 

群智能

群智能到底是什么？群智能這個概念來自對自然界中昆蟲群體的觀察，群居性生物通過協(xié)作表現(xiàn)出的宏觀智能行為特征被稱為群智能，群智能技術(shù)屬于新一代人工智能當(dāng)中八大研究方向中非常核心的一點。通俗的來說，比如蜜蜂這種社會性的動物，每一只小蜜蜂的功能非常簡單，但是這些蜜蜂通過協(xié)作可以完成非常復(fù)雜的工作。群智能技術(shù)就是運用了這種仿生智能，也叫自然計算原理，那么這個原理怎么樣能夠借鑒到我們的樓控系統(tǒng)里呢？

 

群智能建筑概念

 

我們在整個新架構(gòu)當(dāng)中引入一些邊緣計算的節(jié)點，這些邊緣計算節(jié)點就是圖中用密封這個圖標(biāo)標(biāo)的這些小的黑框，它實際上是一堆的小盒子，這些小盒子類似，你可以把它想象成我們的手機，但是他們之間是互相通氣的，類似于蜜蜂之間的協(xié)作，實現(xiàn)相鄰物體之間互相通信，然后保持對整個樓層的幾大系統(tǒng)進行協(xié)作控制。這其中的一大亮點在于：致力于讓建筑真正實現(xiàn)以人為中心。我們可以把這個系統(tǒng)想象為你的房間，房間里所有的感知、執(zhí)行設(shè)備集成在這個小蜜蜂的控制之下，這就是智能節(jié)點，學(xué)術(shù)名詞叫CPN（計算節(jié)點），每一個小蜜蜂管控著一個區(qū)域，不同區(qū)域間完成交互、協(xié)作，解決了一個縱向集成和分層控制中產(chǎn)生的復(fù)雜通信問題，這樣就解決了調(diào)研當(dāng)中的核心問題。而群智能架構(gòu)能夠解決現(xiàn)有建筑智能化系統(tǒng)問題。

 

群智能架構(gòu)是一種由相互協(xié)作的智能節(jié)點實現(xiàn)的扁平化、無中心建筑智能化架構(gòu)。研發(fā)全新的適應(yīng)大型公共建筑節(jié)能需求的扁平化、無中心建筑智能化系統(tǒng)平臺技術(shù)，建立創(chuàng)新的建筑智能化技術(shù)體系，能夠推動標(biāo)準(zhǔn)化工作，確定統(tǒng)一的建筑運行信息標(biāo)準(zhǔn)化描述方法；開發(fā)智能化系統(tǒng)軟硬件設(shè)備，支持即插即用新型架構(gòu)平臺在實際項目中應(yīng)用；研發(fā)各種智能機電設(shè)備和不同功能的控制管理軟件，解決基于新架構(gòu)的典型建筑節(jié)能控制管理功能，帶動傳統(tǒng)建筑機電設(shè)備產(chǎn)業(yè)升級；通過示范工程，檢驗和示范新技術(shù)。

 

群智能架構(gòu)實驗平臺

 

目前，基于群智能的建筑智能化系統(tǒng)研究工作總體情況是：建立了支撐群智能建筑的算法架構(gòu)；確定了統(tǒng)一的建筑運行信息標(biāo)準(zhǔn)化描述方法；完成了群智能建筑系統(tǒng)平臺的操作系統(tǒng)TOS和節(jié)點CPN的軟硬件開發(fā)，并通過了實驗驗證；研發(fā)了部分智能機電設(shè)備和節(jié)能控制管理軟件，實現(xiàn)了群智能建筑的部分能量管理和節(jié)能控制功能，并已經(jīng)開展了若干工程示范。

展望建筑智能化系統(tǒng)未來發(fā)展，趙教授指出，建筑應(yīng)以人為本，服務(wù)人民對美好健康生活的要求，利用好新技術(shù)，尤其是信息技術(shù)，充分發(fā)揮廣大機電工程師和設(shè)備廠家在智能化方面的作用，在工程實踐中推動新技術(shù)探索和應(yīng)用發(fā)展。