基于智能建筑中的楼宇自动化系统的设计研究

刘宁娜++顾瑞

摘 要：智能建筑是智能建筑技术和新兴信息技术相结合的产物，起源于20世纪后二十年，随着信息技术的不断发展，智能建筑也在不断的发展，智能建筑通常由楼宇自动化系统、办公自动化系统、信息自动化系统、消防自动化系统和安保自动化系统五个系统组成，其中楼宇自动化系统则是智能建筑设计的核心和重点。文章首先介绍了智能建筑的定义和特点，然后重点分析了楼宇自动化系统的组成要素，并在此基础上，从设计思路、设计依据、设计概要和系统结构这五个方面对楼宇自动化的具体设计进行了研究和论述。

关键词：智能建筑；信息技术；楼宇自动化；设计

中图分类号：TU855 文献标识码：B

1.引言

20世纪的后20年和21世纪的前10年，是信息技术和智能技术迅猛发展和革新的时代，数字洪流已经席卷了人类社会的方方面面，人类社会逐步由工业化时代向数字时代迈进。在新的数字化时代背景下，在建筑行业，人们对建筑物的办公、居住环境以及设施管理提出了越来越新的要求，建筑不再是一个简单的遮风避雨供人居住的场所，而是演变成具备安全、高效、舒适、绿色、节能以及智能化的功能，成为能够参与人类办公、生产、生活活动的具有“生命”特性的实体。如果把建筑比作人体的话，那么传统的建筑只是具备了人体的外在骨骼和肌肉，而智能建筑则是在此基础上加上智慧的“头脑”和灵敏的“神经系统”的完整的“人”。

2.智能建筑的定义及特点

智能建筑[1]的概念最先是起源于20世纪80年代的美国，1984年，美国康涅狄格州哈特福德市的“城市广场”（City Place）是世界上公认的智能化大厦，其具备了先进的通信系统、办公自动化系统、及自动监控和建筑设备管理系统。随着信息技术的迅速发展，智能建筑的内涵得到不断的扩展和丰富。到目前为止，对于智能建筑，国内外有着不同的诠释，美国建筑协会将智能建筑定义为：通过将建筑物的结构、系统、服务和管理4项基本要求以及它们之间的内在关系进行最优化，从而提供一个投资合理的、具有高效、舒适、便利环境的建筑物。国内学术界将智能建筑定义为：利用系统集成方法，将智能型计算机技术，通信技术、信息技术与建筑技术有机结合，通过对设备的自动监控、对信息资源的管理和对使用者的信息服务及其与建筑的优化组合，所获得的投资合理，适合信息社会需要并且具有安全、高效、舒适、便利和灵活特点的建筑物。虽然国内外对智能建筑的定义描述不尽相同，但对其本质特点的认同却是一致的，即智能建筑可以为人民提供一个优越的工作与生活环境，这种环境有着安全、舒适、便利、高效、灵活的特点。

3.智能建筑的组成要素

智能建筑通常由5个自动化系统要素[2]组成，简称为5A（A是Automation的简写），分别是楼宇自动化系统BA（Building Automation System），办公自动化系统OA（Office Automation System），信息自动化系统CA（Communication Automation System），消防自动化系统FA（Fire Automation System）和安保自动化系统SA（Safety Automation System）这五个自动化系统。其中：

楼宇自动化系统是智能建筑中的核心系统也是最能体现智能建筑的舒适、便利、高效特点的系统，它运用计算机系统对建筑的各个方面实行自动化的监控及管理，如空调、照明、电梯、配电和给排水。

办公自动化系统是围绕计算机网络进行的信息的建立、存储和处理，包括文字处理、电子记事、数据库、日程安排、统计管理和决策管理等。

信息自动化系统是指通过电缆、光缆等有线或无线的传输方式，使用相关通信设备快速传递语音和图像，包括传输语音的电话网系统、传输图像的有线电视系统、传输数据的Internet、ISDN系统。

消防自动化系统是指建筑楼宇内的人工报警器、智能探测器、灭火喷淋系统、紧急广播及照明系统。

安防自动化系统是指以运用安全防范产品和其它相关产品所构成的入侵报警系统、视频安防监控系统、出入口控制系统、防爆安全检查等的系统；或是由这些系统为子系统组合或集成的电子系统或网络。

在国内智能建筑设计时除了5A智能建筑设计外，有时还会有3A智能建筑设计，3A设计时是将5A设计的消防自动化变为消防报警，安防自动化并为保安监控一并纳入到楼宇自动化的设计范围内。

智能建筑的这五个系统彼此之间的功能相对独立，各自在不同的领域发挥着应有的作用，但他们又不是完全独立的，楼宇的综合布线将他们彼此相连，同时用于智能管理的计算机系统又对这几个系统进行综合集成，统一管理，使得各个系统之间创造出高效、舒适的生活，工作环境时，构成了一个有机的建筑功能系统。

4.楼宇自动化系统的设计

4.1楼宇自动化系统的设计思路

楼宇自控系统是利用计算机控制技术组成高度自动化的综合管理系统，对分散于建筑物内的机电设备（冷热源系统、空调系统、送排风系统、电梯系统等）进行分散控制、统一管理，实现对各设备的监测与控制，保证所有设备的正常运行，并达到最佳状态。同时，在计算机软件的支持下进行信息处理、数据计算、数据分析、逻辑判断、图形识别等，从而提高楼宇管理和服务的现代化水平，降低运营成本，从而提供一个一个高度安全、舒适、高效的工作、生活环境。通常楼宇自动化系统是由楼宇内的若干个建筑设备的监控子系统组成，即送排风系统监控、暖通空调系统监控、变配电系统监控、照明系统监控和电梯系统监控。

在进行楼宇自控系统设计的时候，应当考虑以下六个方面的因素：

（1）实用性：楼宇自动化系统的设计应将实用作为首先考虑的内容。在符合楼宇建筑具体实际功能和需要的前提下，合理平衡各个子系统的经济性和先进性，避免片面追求先进性而脱离实际或片面追求经济性而损害智能化建设的初衷。

（2）可靠性：楼宇自动化系统控制着楼宇的各个重要的设备系统，系统设计应确保每天24小时连续工作，局部设备故障不会影响整个系统的正常运行，也不会影响其它智能化子系统的正常运行。关键的系统部件对故障容错和数据备份应提供相应的解决措施。

（3）安全性：楼宇自动化系统设计选用的所有设备、配件及其系统，在保证其安全、可靠运行的同时，应符合国际和国家的有关安全标准和规范要求，并在非理想环境下能有效工作。

（4）易维护性：楼宇自动化系统需要监视和监控的设备品种繁多，而且位置分散，要保证日常系统正常工作、可靠运行，系统必须具有高度可靠的可维护性和易维护性。尽量做到所需人员少，维护工作量小，维护强度弱，维护费用低。

（5）标准性和可扩展性：楼宇自动化系统的设计应采用国家和国际标准及规范，兼容不同厂家、不同协议的设备和系统。必须采用符合工业标准的操作系统、网络技术、相关数据和图形系统。各子系统可方便进出总系统，同时具有开放接口，以便用户进行二次开发。

（6）先进性：楼宇自动化系统是信息时代建筑与信息技术相结合的产物，因此系统方案的设计应力求与当前科学技术高速发展的潮流相吻合。系统总体结构定位于高起点、开放式、模块化，从而建设一个可扩展的平台，保护前期工程与后续技术的衔接。

4.2楼宇自动化系统的设计依据

楼宇自动化系统的设计应当首先根据甲方的需求以及提供的相应建筑图纸为基础，同时参照相应的设计规范如：《智能建筑设计标准》（GB/T50314—2006）、《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2005）、《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）、《民用建筑电气设计规范》（JGJ16-2008）、《电气装置安装工程施工及验收规范》（CBJ232—92）、《建筑设计防火规范》（CBJ16—87）95修订、《火灾自动报警系统设计规范》（GBJl16—92）、《商用建筑线缆标准》（EIA/TIA—568A）、《信息技术互连国际标准》（ISO/IECl1801—95）和《高层民用建筑设计防火规范》（GB50045-95）。

4.3楼宇自动化系统的设计概要

楼宇自动化系统[3]的设计是为大楼各机电设备提供一套完善的自动化管理解决方案，以提高各机电系统效率和可靠性，其建筑设备监控系统由冷热源、空调暖通、变风量末端、送排风、电梯等监控系统组成。

通常楼宇自动化系统主控工作站应设在各楼消防及保安控制中心内，负责各大楼的机电设备监控，为了增强系统的灵活性，系统应预留备用接口，同时设计时应根据甲方的要求在某些房间增设监控点，减少能源消粍，提高经济效益。

楼宇自动化系统的设计是通过网络控制器（NC）、直接数字控制器（DDC）对所有机电设备进行监控，系统还应通过数据通讯接口对空调冷热机组及电梯等设备进行监控。

在对楼宇自动化系统进行设计时应采用分布智能系统，利用分布在楼宇现场的可扩展数字控制器及I/O扩展模块，完成对建筑机电设备的实时监测，保护与控制任务。各控制器在设计时应确保既能独立运作，又可以在中央工作站指导下工作。在正常情况下使用人员只需要在中央工作站进行监控，不需要直接操作其它控制器，这样极大地方便了系统的管理，此外，系统的设计应建立标准、统一的数据库，并具有标准的开放接口，便于被集成信息的利用和更高层次的信息集成，为建筑内的综合管理与调度提供基础平台。控制器（DDC）应采用现场控制方式，控制器之间采用点对点通信。控制器必须具有独立的监测和控制能力，可根据需要随意增加/减少总线上的控制器，而通信线故障不会影响控制器的现场控制功能。

应将楼宇自动化系统设计为完整的分布式集散控制系统，该系统应采用标准化局域网技术和众多子系统集成技术实施对楼内所有实时监控系统的集成监控、联动和管理，系统应既可相对独立运转，又可联合成为一个有机整体，可以由系统管理服务器完成对不同工作站及现场控制器的控制权限的设定。

4.4楼宇自动化系统的网络结构

通常将楼宇自动化系统设计为两层网络结构，即管理层网络和控制层网络，具体如下：

（1）管理层网络：管理层网络是由带鼠标及彩色显示器的个人电脑和打印机组成操作站、数据管理服务器组成。操作站不需要BAS专用软件，而采用网络浏览器作为用户界面，授权用户可以通过Web浏览器提供的用户界面简捷地登陆到数据管理服务器。用户可以通过Web浏览器在网络任何一点获得数据管理服务器上的数据。管理人员和操作者，通过观察显示器所显示的各种信息以及打印机所记录的各种信息来了解当前或以前整个大楼各种机电设备的运行状况，也可通过键盘或鼠标的操作来改变各种机电设备的运行状况，从而达到管理者各种特定的控制要求。操作站级的设计应以高速通讯方式进行信息交换，其通讯速率应达10/100M波特。从而确保系统的实时性，避免通信阻塞。

（2）控制层网络：控制层网络通常设计成点对点（Peer to Peer）的通信方式，同一楼宇内的控制层网络上的网络控制器可以进行无主从的对话，并不依赖与管理层的操作站，网络上任一节点故障时不影响系统的正常运行和数据传输。控制层网络采用以太网络，通讯速率为10/100M，通过六类UTP 把各个楼层的网络控制器分别连接入管理型以太网交换机，各个楼层的以太网交换机与相对应的交换机进行级联。每个网络控制器都有独立的IP地址，使用IP协议互联，通讯速率在10M/100Mbps自动切换。控制层网络通常由网络控制器和直接控制器组成，网络控制器应配置高性能的微处理器，从而满足对现场设备监控管理的需要，而且应承担从管理级网络至控制层网络的总线匹配、通信管理的功能，是现场控制设备与操作站通信联系的纽带。

5.结语

在信息时代，随着信息技术与传统建筑设计相结合的产物智能建筑的出现，使得人们追求更加舒适、更加安全、更加高效的工作和生活环境的愿望成为可能，这就给建筑设计人员提出了新的挑战，在熟练掌握本专业的知识的基础上还要学习最先进的信息技术，并将其应用到建筑设计之中，从而设计出满足人们工作、生活需求的智能建筑。本文在描述了智能建筑的定义和组成要素的基础上，从设计思路、设计依据、设计概述和网络结构三个方面对智能建筑中的楼宇自动化系统的设计进行研究。

参考文献

[1] 尹秀伟.智能建筑设计及智能建筑发展前景[J].低压电器，2001.1.2.

[2] 张庆芳等.浅论智能建筑在我国的发展[J].山西建筑，2004.6.

[3] 赵向娟.对楼宇自动化系统分析[J].科技信息，2010（03）.