智能建筑系统集成与工程设计

◎ 包头铁道职业技术学院 车焕文

随着我国国民经济的迅猛发展，作为信息时代要求的新兴建筑——智能建筑，在建筑业中的比重越来越大。由于智能建筑在我国兴起和发展的历史不长，设计法规和标准尚不完善，加之学术上的某些绝对“优化”思潮的影响，就智能建筑工程而言，无论从建设方的开发思想方面，还是设计、施工方面，均存在不少误区，笔者就其中一些主要的问题，提出一些意见，与同行讨论。

1 智能建筑系统集成

系统集成是智能建筑的核心，这一点已经成为大家的共识。所谓系统集成简单地说就是将各相关的子系统有机地结合成一个综合的大系统。“有机”的含义则包括“优化”与“协调”。从理论上讲，智能建筑主要包括楼宇自动化系统（BAS）、通讯网络系统（CNS）、办公自动化系统（OAS）。严格意义上讲，智能建筑还应包括与之相应的建筑环境和周边公共设施。智能建筑系统集成的最终目标是将这三大系统有机地结合成一个综合的建筑集成管理系统IBMS（Integrated Building Management System），在这一综合系统中，BA系统则成为中央监控的，具有分布式计算机控制模式的设备管理系统FMS（Facility Management System），而CN系统则成为担负数字、语音、图象和监控信号传输的，具有开放式特点的综含业务数字网(ISDN)，OA系统则成为事务型、管理型、决策型于三个层次集成的一体化办公自动化系统。随着智能控制技术的引入，近年来学术界又引入了智能集成管理系统概念IIBMS。不过，不少学者认为这种提法除了使其概念复杂化而外，并无过多的实际价值，事实上，现阶段不少BA系统已经引入了部分智能控制技术。

图1所示为一完整的综合建筑集成管理系统（IBMS）结构框图。图中，中央监控管理系统（集成信息管理中心）是大楼的中央管理层，它对智能建筑中的“三大系统”实行最高级别的监控和管理。通过公共通信网络将各子系统集成到同一计算机支撑的平台上，建立起整个建筑的中央监控和管理界面，并在统一的界面上，方便、快捷、有效地实现对大楼内被集成的各子系统的监视、控制和管理。

值得指出的是，在确定智能建筑系统集成目标时，绝不能单纯追求其技术指标，盲目追求“最优”，更要充分考虑投资与回报，以及实际管理的需要。因此，国家标准《智能建筑设计标准》（GB/T50314-2000)对甲级、乙级、丙级智能建筑系统集成的设计标准有不同程度的规定。就现阶段我国的实际情况而言，绝大多数智能建筑的楼宇自动化系统（BAS）并未真正实现与其它系统的集成，事实上，它除了维持自身的中央监控特点外，其监控信号尚未借助现有的结构化布线系统传输。像这种集成程度，就是通常所指的停留在CNS和OAS的所谓弱电工程系统集成的范畴。

1.1 BAS系统集成及其网络互联

楼宇自动化控制系统是涉及内容最为广泛的系统，其系统结构主要有两种形式，一是集散控制模式，另一种是分布式计算机控制模式。由于真正的分布式控制模式要求所有变送单元、执行单元均必须是全数字化的智能化仪器仪表，目前实施起来略有困难，所以现阶段楼宇自动化系统均采用的是两层或三层的集散控制模式，见图2。一般中小型智能建筑多采用两层结构，即把管理层和监控层合二而一。大型建筑和建筑小区则常采用三层结构。

就现场控制层而言，各直接数字控制器（DDC）到网络控制器（NCU）之间的信息传送又有两种方式，一是采用R S-4 85主从式接口，另一种是采用Lonworks或CANBus，分别见图3（a）、（b）。

后者由于实际上采用了总线式双向通信技术，无论其可靠性、容错能力、传输速率都优于主从式RS-485接口，所以在智能建筑建设中应优先考虑此种方式。

由于集散控制系统（DCS）是由两层或三层网络构成，低层（又称下位机）网络，即现场控制网络，属于实时网络，其特点是分散、通讯量小、速率低。第二层和第三层网络均属于信息管理网络，其特点是相对集中，通讯量大，要求有足够的带宽，应当尽量利用弱电工程集成系统的结构化布线系统。显然由于两个网络之间的这种特性差异，网络互联时采用网络控制器就必不可少了。

1.2 网络通信协议

BAS中信息管理网络和现场控制网络往往具有不同的通信协议。信息管理网络（以太网）越来越多地采用网络层的TCP/IP（传输控制协议/网际协议）标准协议，而现场控制层由于采用的总线形式不同，而采用Lontalk或Profibus或BACnet通信协议。其中BACnet协议是第一个被美国供热通风与空调工程师协会（ASHRAE）确认的标准数据通讯协议，除了它能与标准网络通信协议兼容外，更由于它针对采暖通风与空调专业的特点，规定了一系列相关指令，更能满足智能建筑的特殊需要，因此是我国楼宇自动化控制系统推荐采用的标准通信协议。

图1 建筑集成管理系统总体结构

图2 三层结构的集散控制系统

图3 集散控制系统现场控制级方案

2 智能建筑工程设计

2.1 综合布线系统设计

严格意义上讲，综合布线系统GCS（Generic Cabling System）是智能建筑三大系统（BAS、CNS和OAS）系统总集成的硬件传输媒件，它担负四类信号，即数字、图象、语音和监控信号的传输任务。然而正如前文所说，目前的集成目标使它还仅停留在数字、语音、图象三类信号传输的弱电工程集成状态，故还不能准确地称它为综合布线系统，而应称为结构化布线系统SCS（Struetured Cabling System）。

综合布线系统设计是当前民用建筑设计院（所）担负的智能建筑工程设计的主要内容之一。图4所示为典型方案。事实上它是由两个网络，即以数字程控交换机为中枢的语音网络和以计算机主机（服务器）为中枢的数字网络构成。语音网络由于要求的传输速率相对较低（10MbPs），即其（垂直）干线子系统通常采用三类大对数非屏蔽双绞线（UTP），必要时可用五类或超五类大对数UTP来提高其传输速率（一般可达100Mbps）。而数字网，则因其信号量大，要求传输速率高（作为局域网，100Mbps的传输速率几乎能满足要求），其干线子系统，宜采用多模光纤，光纤的对数不得少于48个信息位/对光纤，且应以末端配线架容量为准，而不是以实际信号位的数量为准。这是因为结构化布线系统配线架产品是以100对或300对模块组装而成，这样自然而然地为工作区信息位留有冗余。

UPS电源是结构化布线系统设计时应当特别引起注意的问题。由于各楼层交接间虽然位置较对应，但毕竟处于不同楼层，且交接间面积有限，为便于管理，交接间的电源插座可以采用首端切换的方式，即集中在计算机房或交接机房设置市电与UPS切换装置。

2.2 公共安全系统工程设计

智能建筑中公共安全系统一般由四个子系统组成，即闭路电视监视系统（CCTV），防盗报警系统，出入管理系统（门禁系统），以及保安巡逻系统(巡更系统)。

公共安全系统设计时应注意的问题主要有以下几个方面：

图4 结构化布线系统（SCS）方案

a.摄像机的数量和位置布置。应严格控制摄像机的数量和质量，尤其是云台摄像机的数量。目前的摄像机均属电荷藕合式（CCD），其水平清晰度一般均能满足要求，但市场价格相差却很大。黑白摄像机和彩色摄像机的价格差异则更大，而且一般言之，黑白摄像机的灵敏度比彩色摄像机高，所以不必要分辨颜色时，应尽量选用黑白摄像机。摄像机的数量与布置应根据有效监视范围仔细考虑。能不用云台摄像机则应尽量不用，否则其工程造价将大幅度提高。

b.视频矩阵切换器的选取。设计时应明确建设方需要同时监视几路，同时录制几路摄象机信号的基本要求。监视器的数量绝非与摄象机数量一一对应。这是确定视频矩阵切换器，以及画面分割器的主要依据。对于中小型闭路电视监视系统应优先选用计算机内置卡式视频切换模块。

c.防盗报警系统的布防与撤防。在选取防盗报警系统时应特别留意系统控制器是否具有便于设定的布防与撤防功能，以及布防后的延迟时间。

d.系统集成。公共安全系统所辖四个系统必须互联，必要时需与CNS和OAS集成，构成真正的弱电工程集成系统，这就要求对各子系统的操作平台进行认真考虑。一般目前多采用Windows NT，它具有编程简单，界面友好的特点。此外上述四个子系统应尽量选用同一商家的产品，以减少验收时出现的故障推诱现象。

2.3 其它系统设计

a.楼宇自动化系统设计。从系统集成现状考虑，楼宇自动化系统的现场控制对象主要包括空调、电梯、给排水、照明和变配电等子系统。而现阶段的整个楼宇自控系统产品结构几乎均是采用集散控制结构模式，表1是目前国内主要采用的系统产品及其特点。一般楼宇自动化系统设计均直接由系统产品开发商实施，但作为建设方和设计人员必须首先明确两个问题:一是现场控制级的范围和所控对象的控制目标的精度;二是现场控制级网络传输的模式，应优先考虑基于BACnet协议下的总线模式。此外，在确定系统产品时还应充分了解系统的人机交互方式，及其控制通信协议(软件)，此通信协议不同于用于网络传输的通信协议，而是人机交互的媒介或交互规则，它包括人机界面和人机间的控制信息传输。例如，一些控制组态软件就属于典型的控制通信协议，它在操作管理人员的知识域与设备控制对象的状态空间之间建立映射关系，且多数具有友好的图形界面。

b.车库管理与收费系统设计。车库管理与收费系统是否隶属于公共安全系统，目前在学术界有两种分类方式。就设计而言却往往将其作为BAS系统中一个单独的子系统予以考虑。同楼宇自动化系统中的其它一些子系统一样；由于设计院(所)并不负责成套的系统产品的安装、调试工作，细部设计仍往往由承包商进行，设计部门只需作粗略的总体系统设计。设计的主要内容是能准确地反映和体现业主的需求，并使之参与到建筑物的整体系统集成之中。