与智慧城市相接轨的建筑运营管理平台

孙鸢飞

(中国建筑设计院有限公司(原中国建筑设计研究院)智能工程中心，北京 100044)

0 前言

智能化集成系统(IIS intelligented integration system)的定义：

在《智能建筑设计标准》(GB/T 50314-2000)中定义为：“将智能建筑内不同功能的智能化子系统在物理上、逻辑上和功能上连接在一起，以实现信息综合、资源共享”。

在《智能建筑设计标准》(GB/T 50314-2006)中定义为：“将不同功能的建筑智能化系统，通过统一的信息平台实现集成，以形成具有信息汇集、资源共享及优化管理等综合功能的系统”。

1997年颁布的建设部[1997]第60号部令《建设工程勘察设计资质管理规定》和建设部[1997]290号文《建筑智能化系统工程设计管理暂行规定》通知，如果以此作为智能建筑行业产生的标志，至今已经走过了十七个年头。然而，《智能建筑设计标准》作为本行业最高标准，始终没有定义智能化集成系统到底是“为谁扛枪，为谁打仗”这个首先必须要解决的问题。

也就是说，这么多年的智能建筑系统集成工作始终没有“目标”，没有明确智能化集成系统的作用和功能，以及这个系统到底是给谁使用。也不难理解大多数建设单位不明白为什么一定要推荐他们增设“智能化集成系统”，并且不愿意花钱增加这个系统。以往的“智能化集成系统”普遍是形同虚设。

近两年，住建部正在大力组织专家团队，修编各个行业的国家标准，其中也包括《智能建筑设计标准》，此次修编特别注意到了对于智能化集成系统(IIS intelligented integration system)的定义，是“为实现建筑的运营及管理目标，以多种类智能化信息基于统一信息平台的集成方式，从而形成具有信息汇聚、资源共享、协同运行、优化管理等综合应用功能的系统”。即为建筑物业运营管理服务，提高机电设备功效，减少能源消耗和污染排放。总之，设置智能化集成系统是为了提高运营管理水平。

基于新版国标“智能化集成系统”的理论依据，必然要研制新标准基础上的智能化集成系统运营管理平台。

表1 各智能化子系统的集成内容

中国建筑设计研究院与日本松下电器研究开发(中国)有限公司，早在2006年1月就向建设部申报了《建筑机电设备开放式通信协议研究》课题，2008年6月通过了建设部科学技术司的验收，并获得了2009年度华夏建设科学技术奖二等奖。

2012～2013年，中国建筑设计研究院应用开放式通信协议(即iopeNet)技术，研制了建筑运营管理平台，并成功地应用于中国石油钻井研发中心大楼项目，取得了良好的效果。

1 建筑运营管理平台的用途

智能化集成系统是以实现建筑的运营及管理为目标，这是新国标的定义，所以建筑运营管理平台由物业运营管理者来操作使用，使得物业运营管理者全面掌控建筑或建筑群的运营状态，完全是一个信息化、可视化、智能化的集成管理系统。

这里所说的“建筑运营”指的是运行、维护与经营三重含义。

物业运营管理人员要想全面掌控自己的建筑或建筑群的运营状态，就必须从这三方面着手。

运行——可视化实时了解各个智能化子系统的当前运行参数；

维护——表格化分类掌握各个智能化子系统的设备维护信息；

经营——图表化管理能耗分类与分区的分析数据、流程化管理操作人员和应急组织指挥等。

为什么第一套比较完整的应用开放式通信协议(即iopeNet)技术的建筑运营管理平台能够在中国石油钻井研发中心项目得以实现？第一，中国石油的建筑建设单位在以往的建筑中安装使用过多种建筑智能化集成系统产品，在了解建筑运营管理平台的功能用途后，认为这是他们多年来所真正需要的产品；第二，中国石油的建筑智能化系统往往是由世界各国品牌的智能化子系统组成，各自的通信协议互相不能交换信息，相互间无法协同工作，需要有人协助他们将相关数据整合在一起；第三，中国石油虽然是能源工业企业，但十分重视节能减排，必须要有各类、各区域的能源监控管理。该项目中建筑运营管理平台各子系统及功能如表1和图1所示。

图1 中石油项目对建筑运营管理的需求

图3 数据采集、传输、显示、记录功能

2 建筑运营管理平台的功能

建筑运营管理平台必须方便物业运营管理者的操作使用。具体的使用功能包括以下5项：数据采集和显示记录；友好的人-机对话界面；突发事件的应急预案；能源统计的分析报表；机电设备的运维数据。建筑运营管理平台的5大功能如图2所示。

图2 建筑运营管理平台的5大功能

1)数据采集和显示记录

建筑运营管理平台通过子系统层的末端设备进行数据采集，并通过现场总线或控制网络上传到通信层的多功能模块，多功能模块对采集的数据进行处理后，在其Web画面进行显示，并存储在内存中。同时通过统一通信协议，上传到建筑运营管理平台中心服务器，通过建筑运营管理平台的画面进行显示。系统内的全部运行数据集中存储在建筑运营管理平台中心服务器的数据库中。各功能如图3所示。

操作管理模块包括：集中监控；实时报警管理；设备管理；能耗管理；日志管理；联动任务管理；时间表任务管理；工作台管理；历史数据存储；信息统计查询；消息服务管理；用户权限管理。

2)友好的人-机对话界面

(1)视觉与交互基本方案

①人-机界面与应用程序分离

应用程序和人-机界面分离的思想类似于数据库管理中数据和应用程序分离，在人-机交互系统中，同样可以把人-机界面功能交给用户界面管理系统平台完成，应用程序不再管理人-机交互功能，也不和人-机界面编码混杂在一起。

②人-机界面一致性

人-机界面的一致性主要体现在输入、输出方面的一致性，具体指在应用程序的不同部分，不同应用程序之间，具有相似的界面外观、布局、相似的人-机交互方式以及详细的信息显示格式。还表现在于用户的心理模型相匹配，符合用户以往的知识、经验、期待；以及与现实世界相匹配，内容的表现形式与现实系统硬件相对应，在位置、外观、状态方面体现与现实世界的一致性。

③系统反馈用户

人机交互系统的反馈是指用户从计算机一方得到信息，表示计算机对用户的动作所做的反应，用户以此来判断操作是否为计算机所接受，是否正确，以及操作的效果是什么，操作人员进行的每一项操作都应有系统反馈。另外，要设计产生闭合的对话动作序列。应形成有开始、中间和结尾的组合，信息反馈在完成一组动作后给操作员一种满意可靠的感觉。

④使用图形和隐喻

图形具有直观、形象、信息量大等优点，使用户的操作及其响应直接可视和逼真。让使用者避免过多的学习，隐喻可帮助用户在使用系统过程中与自身心理模型相匹配，并可以通过图形隐喻的方式与现实世界相匹配。界面图形和隐喻应具有功能可见性，即通过图形直接体现功能以及使用方式。

⑤及时的出错处理和帮助功能

系统设计应能够对可能出现的错误进行检测和处理，出错信息应清楚、易理解，应包含出错位置、出错原因及修改出错建议等方面的内容。系统应具有保护功能，防止因用户的误操作而破坏系统的运行和设备安全。另外，系统应提供帮助功能，帮助用户学习使用系统。

(2)交互功能方案

软件欢迎页面登录进入，第一级导航为楼层地理位置导航，可以用三维楼层的模型，各层分割做成链接菜单，点击楼层选择菜单进入某一楼层界面。该界面可缩放可拖动查看。放大和缩小的范围根据具体楼层大小和管理点数量以及密集程度确定。地图为平面或假三维地图，反映具体设备位置。在该页面显示该层常用的重要管理点的工作状态，该界面用于单楼层全局监视故障报警和紧急状态使用。第二级菜单为子系统选择菜单。点击弹出此系统该层的设备分布。界面上可以实现设备的监视、控制、报警等功能。所有控制功能需要加用户密码权限限制。有异常和报警的页面自动弹出，也有日志记录。有设备使用累计时间、检修记录和设定标准超过报警。可视化人-机对话界面如图4所示。

3)突发事件的应急预案

当发生突发事件时，建筑运营管理平台可以按照事先预定的连动程序进行有关设备的控制，并播放报警提示音。

4)能源统计的分析报表

建筑运营管理平台提供了丰富的能耗显示和对比分析功能。建筑运营管理平台软件和计量管理服务器里，可以用图表的形式表示日报、月报及年报。并且在这些图表中还可以分别和其他的日、月、年的数据进行比较，从而帮助管理者对不同能源以及同一回路或群组在不同时期的能量消耗进行分析。能源分析图表如图5所示。

图4 可视化人-机对话界面的组成

图5 能源分析图表

能源计量部分包括用电量计量、用水量计量和热冷量计量。电表采集回路的电量，水表采集管路的水量，能量表采集管路的热冷量。建筑运营管理平台的计量管理服务器通过基于控制总线方式，将电表、水表、能量表的数据采集上来。建筑运营管理平台读取计量管理服务器的数据，进行能耗分析并生成报表。

系统实现了远程抄表功能，把所有电表、水表、能量表的读数采集上来，实现自动化节省人力。计量管理服务器提供了用电量、水量、热冷量的日报、月报、年报数据。在建筑运营管理平台上将这些数据以柱状图、曲线图、饼状图的形式展现。日报以小时为单位，呈现一天当中各回路的用能情况。月报和年报则分别以天和月为单位。用电日报主要反映各回路用户日常用电的习惯，是研究分析用电情况的重要资料。用电、用水、用能的月报和年报用来统计用户的整体耗能情况和耗能季节性变化的规律，通过总量比较来分析结果。可将不同用户的能耗量进行横向比较，分析不同用户的耗能特点。也可以单个用户的日报、月报、年报统计耗能情况，可根据用能的历史记录进行节能分析。

建筑运营管理平台还具有如下的功能：

(1)可以搜索确定某能源回路，按时间分类查看能耗的任意日报、月报、年报，此功能可以实现用户用能数据查询的基本功能，可以辅助计费校对等功能。

(2)可以在确定一个能源回路前提下调出多条时间的曲线在同一画面显示，以查看此回路的能耗历史变化并做对比分析。

(3)可以先确定日、月、年的时间信息，调出不同能源回路。以查看同一时间不同用户的用能情况对比。

(4)可以跟据楼宇实际的使用情况，将各能源回路组合为用户群组，作为查询的对象。需要在计量单元内设定。

(5)可以做出能耗报表，包括了实际用量、累计值、最大值、最小值和平均值等信息供节能参考。

(6)可以报表导出，将各类能源数据以MS-Office CSV报表格式导出。

(7)群组设定导入/导出，可将分类后的群组设定导出/导入，以方便用户查看。

(8)系统日志，记录报警、异常信息的日志，供用户查看系统运行状况。

5)机电设备的运维数据

建筑运营管理平台提供设备的使用寿命及故障的分析功能。同时提供相应的节能分析以及运营成本分析手段。主要包括以下4个方面的功能：

(1)能源分析：可以通过收集计量管理服务器测量到的能耗量信息来分析设备的运行状态。在建筑运营管理平台界面和计量管理服务器Web界面里可以通过图表的形式来选择显示日报数据(每小时的能耗量)、月报数据(每天的能耗量)、年报数据(每月的能耗量)。

(2)设备寿命分析：提供显示机电设备开/关累计次数以及累计运行时间的功能，以便分析设备的使用寿命。

(3)故障管理：可以显示出系统各个组成部分的异常发生/恢复的状态/变化履历。并且，状态变化履历可保存包括本月在内的连续3个月的历史数据。iopeNet管理平台还提供电子邮件警报通知功能。当系统的各个组成部分发生异常时，可以向预先登录好的电子邮箱中发送异常通知。同时也可向设定好的邮件群组发送异常通知邮件。

(4)运营成本分析：本系统可以进行简单的费用计算的设定。在建筑运营管理平台画面里，可以显示出简单的费用计算值。建筑运营管理平台可以显示并打印有关用能量信息的报告书。能耗量数据可以以MS-Office CSV报表文件的形式下载，通过EXCEL等工具软件进行分析。同时本系统还提供了绿色环保相关的功能。在建筑运营管理平台画面里可以进行简单的CO2使用量的换算，并显示出CO2的换算值。

运营状态分析功能通过以下方式来体现准确性及提案性：

(1)准确性：本系统通过分层数据采集的方式，可以准确地将被测数据反映到iopenView软件画面中。当设备或通信发生异常时，本系统还可以通过数据再取得的功能，将历史数据正确读入。

(2)提案性：本系统通过多种图表形式及丰富的对比功能，将设备的运营状态直观地展示给用户，方便用户对数据进行分析并给出相应提案。

6)建筑运营管理平台的管理及配置

(1)建筑运营管理平台的权限管理

权限管理是建筑运营管理平台的辅助模块，用来完善管理平台的附加功能，提高管理平台的整体可用性。

权限管理包括以下功能：管理员信息账户式管理；配置信息加密；使用记录日志；管理账户信息备份。

(2)建筑运营管理平台的配置管理

建筑运营管理平台配置管理实现系统的所有配置信息，实现方便的配置管理功能。由于建筑运营管理平台软件是组态形式，因此，可方便快速实现配置信息的本地操作功能。

管理点配置管理的主要功能有：监控树的配置管理(即管理点逻辑结构管理)；配置信息的读取、保存。功能模块如图6所示。

图6 功能模块图

图7 中石油钻井研发中心建筑运营管理平台的系统架构(一)

(3)建筑运营管理平台的系统设定

系统管理为系统管理者提供系统运行的参数设定、系统配置及运行方式修改的功能。提供以下4个子功能：

①设备运行指标设定：在建筑运营管理平台画面中，可以设定月及年的能耗利用目标值。在月报画面或年报画面中，当测量值超过了目标值后，会发出警报信息。同时还可以登录区域管理系统的各个组成部分，设定他们的名称、编制控制用场景以及设定序列控制的程序等。

②数据采集周期设定：可以设定建筑运营管理平台的数据更新周期，画面更新的缺省值为15s。

③全级别设定：建筑运营管理平台可以预先设定操作者的登录账号，对于每一个登录账号，可以赋予监视、设定、控制或管理的权限。管理权限的用户可以使用系统所有的功能；级别越低的用户，所能使用的功能就越少；级别最低的监视用户只能实现设备的状态监视功能。

④日志级别设定：可以在中心服务器中为每一个登录账号赋予设定日志、控制日志、管理日志的阅览权限。

3 建筑运营管理平台系统构成

建筑运营管理平台是由子系统层、通信服务层、中心服务器层等三个层次构成。中石油钻井研发中心项目中管理平台的系统架构如图7和图8所示。

图8 中石油钻井研发中心建筑运营管理平台的系统架构(二)

各层功能如下：

1)子系统层

由各厂家可单独运行的子系统构成。包括子系统核心控制器、外部接口模块、现场执行器、现场仪表、传感器等设备。实现对子系统的精细控制和全部运行状态参数的监视，进行现场数据的采集、测量、传输和统计分析。

2)通信服务层

由建筑运营管理平台、多功能服务器、I/O控制器组成。

多功能服务器负责子系统层设备的接入和管理，对子系统层的通信协议进行解析，并统一封装为iopeNet统一通信协议，实现统一的数据传输和子系统间的连动和互操作。同时，多功能服务器自身提供了Web画面，具有监视、控制、设定与管理功能，用户可通过多功能服务器对子系统进行管理。

I/O控制器为多功能服务器提供更多种类和数量的扩展接口，包括模拟输入接口、模拟输出接口、数字输入接口、数字输出接口、RS232接口、RS485接口和网络接口。同时，I/O控制器可进行快速的程序开发，对应协议数据定义简单的子系统。减轻开发和测试的工作量，适合工程方案变更时系统的灵活修改。

建筑运营管理平台提供给建筑运营管理者的用户操作软件，提供了丰富的系统管理功能和友好的人-机交互画面。具有如下技术特点：

①友好的人机界面，软件层次清晰，使用简单；

②画面风格简洁，高还原度的设备运行模型，使用户一目了然设备运行状态；

③工程现场建筑结构的还原，可以准确进行设备定位和精确操作；

④可根据工程需要灵活定制。

3)中心服务器层

系统可通过代理服务器接入互联网，进行更大区域内的管理，真正实现设备上网。通过功能和性能更强大的中心服务器进行整体管理，提供后端设备接入和数据接收；通过数据库进行数据存储、处理和分析，提供节能应用、物业管理服务；并通过前端提供的Web画面进行管理。

4 建筑运营管理平台与智慧城市

2013年7月22日，国家发改委、工信部、科技部、公安部、财政部、国土资源部、住建部、交通部八部委研究起草并报请国务院《关于促进智慧城市健康发展的指导意见》，故以信息化为基础的“智慧城市”建设已提升为国家发展战略。

中国建筑设计院有限公司(原中国建筑设计研究院)的建筑运营管理平台，旨在解决“底层集成”的协议转换和数据整合问题。应用统一通信协议(即iopeNet)技术，尤其是其中采用了大数据所使用的IPv6技术，实现了建筑或建筑群的智能化运行、维护与经营管理，进而可以为智慧城市提供基础信息。因为，城市是由建筑与设施等组成，只有这些基础(建筑、设施)的数据通过智能化转换，进入大数据时代的云计算中心，使得物联网可以使用这些数据，才有可能构成城市智慧化，达到智慧城市顶层设计的基础要求。物业运营平台在智慧城市中的位置如图9所示。

图9 物业运营平台在智慧城市中的作用

虽说目前的建筑运营管理平台还是建立在二维视觉基础上的可视化运行环境，但完全可以实现三维动态的可视化管理，使建筑或建筑群具有生命力。因为，中国建筑设计院有限公司(原中国建筑设计研究院)成立已久的BIM(建筑信息模型)设计研究中心，可以提供建筑的空间运行环境，今后的物业运营管理人员，只需使用各种移动的或固定的个人通信设备，就可以在三度空间里监控和管理自己的建筑或建筑群。

采集并汇总建筑体自身及相关联的运行、维护和经营等数据信息，以BIM的形式进行展现，构造新型的数字建筑体的运营和管理服务平台，集实时性、可视性、可管理性和可维护性于一体，使得传统的建筑体分阶段和渐进地具备智慧化的特点，同时中国建筑设计院有限公司(原中国建筑设计研究院)利用自身在城市建筑设计中的影响力，推动城市建筑体信息模型基于IPv6协议下建立中国自有的统一数据标准，为形成城市建筑的统一“大数据”和实施城市智慧化奠定基础。