智慧建筑：建筑业转型升级之路

文｜杜明芳

图1 智慧建筑定义（智能建筑演进视角）

图2 智慧建筑定义（CPS 系统视角）

智慧建筑的发展背景

党的十九大报告明确提出了数字中国、智慧社会概念，作为数字中国、智慧社会战略落地实施的重要载体，智能建筑行业具有义不容辞的历史责任。当前，我国智能建筑行业创新、融合、转型发展的需求十分强烈，但相关理论、方法、方向依旧比较模糊。智慧建筑是未来的发展方向已成为业界共识，智慧建筑的概念和实践体系正处于初步形成阶段，来自不同方面的定义和做法也不尽相同，因此，智慧建筑急需从内涵、架构、理论体系方面加以明确化，才能为业界提供更好的方向指引，才能更好地促进行业健康可持续发展。

图3 智慧建筑八个基本特征

在经济全球化背景下，以信息技术革命以及由信息技术革命带动的、以高新科技产业为龙头的新经济正处于飞速发展中，新经济时代正在被开启。新经济以数字技术为标志和驱动力，以知识资源为依托，创新性知识在知识中占主导，创意产业成为龙头产业，是一种智慧经济形态，具有低失业、低通货膨胀、低财政赤字、高增长的特点。数字经济是新经济的具体展现形态，是传统工业经济改革转型的方向。它采用现代创新引擎“互联网+”“人工智能+”“创新2.0”改造传统工业经济，重构出智能型经济新业态，具有数字化、网络化、全球化、知识化、智能化、开源化的特征。在数字化背景下，不同产业和区域的生态之间，开始发生越来越多的关联，它们可能将不再羁于行业、地域等因素带来的条块分割，紧密地交错起来，让跨界地带产生丰富的创新空间，从而形成一个“数字生态共同体”。在此背景下，建筑业呈现出的新趋势为 ：工业化、数字化（BIM）、绿色化、互联网化、AI 化。智慧建筑应该密切结合新经济、数字经济、数字生态的背景进行定义。

智慧建筑的定义

从智能建筑演进的视角看，智慧建筑的定义如图1所示，是智能建筑在五个维度上拓展后形成的新概念。这五个维度包括：时间维度、空间维度、要素边界维度、计算方式维度、新经济模式维度。集中体现了近年来以“互联网+”为代表的新一代信息技术为传统行业的赋能作用。

从CPS 系统视角看，智慧建筑（smart building）的定义如图2所示。

智慧建筑应具有八个基本特征：实时感知、高效传输、自主控制、自主学习、个性化定制、自寻优进化、自组织协同、智能决策。如图3所示。

图4 智慧建筑系统架构

智慧建筑的系统架构

随着智慧建筑和新一代信息技术、工业技术的发展，智慧建筑集成系统的架构也有所改变。以往是分布式控制系统架构占主导，现在更多的向去中心化、网络扁平化、计算分布化、环境交互直接化方向演化。本文结合工业互联网、5G、人工智能及边缘计算理论，提出两种智慧建筑集成化系统架构模式描述方法，代表了未来智慧建筑系统架构的演进方向。随着5G商用化的到来，2020年～2022年将迎来5G 换机潮及相应的基于5G 移动通信的物联网的大爆发。在5G 物联网时代到来之际，过去几年云计算的充分发展和大数据的沉淀随之引发了边缘计算落地应用的各种可能，也引发了智慧建筑边缘计算需求的迅猛增长，智慧建筑边缘计算节点成为智慧建筑体系架构中的核心组成要素。各种新型智能基础设施综合驱动下的智慧建筑系统架构如图4所示。

图5 智慧建筑类脑计算

未来的智慧建筑架构将朝着云、边、端一体化协同的智能计算体系发展演进，人工智能算法将被嵌入到云端运营管理中心、边缘计算端节点及移动端节点，形成智慧建筑泛在智能物联网。相应的建筑边缘计算节点将进一步细分为三种类型：（1）边缘计算节点I 即建筑分脑边缘计算节点，与运营管理中心云直接互联，形成分布式协同计算体系，一般布设在社区、园区、商业集聚区；（2）边缘计算节点II 即控制网内用于就地控制、协议转换、路由等功能的边缘计算；（3）边缘计算节点III 即感知控制装置内嵌的计算，位于系统网络最底层。未来，移动边缘计算(MEC)也将成为5G 建筑物联网的主流计算模式。

图6 建筑工业互联网的三层体系

图7 智慧建筑Agent 强化学习算法框架

智慧建筑的理论体系

作为发展中的事物，智慧建筑迄今为止并无严谨的理论体系，智慧建筑理论体系的构建是支撑产业发展的奠基性工作。基于此，本文提出构成智慧建筑理论体系的四个核心点：（1）云脑及类脑计算和情感计算；（2）建筑工业互联网；（3）多智能体强化学习；（4）智慧建筑知识图谱。这四点分别从不同角度解释智慧建筑理论的内涵，互为补充，充分体现了人工智能与建筑的耦合。

智慧建筑云脑及类脑计算采用类脑计算技术路线，如图5所示。

情感计算的概念1997年由MIT 媒体实验室Picard 教授提出，她指出情感计算是与情感相关，来源于情感或能够对情感施加影响的计算。目前的人工智能还很难达到情感智能水平，智慧建筑在健康程度、节能程度、人机友好程度方面的情感计算需要探索。

建筑工业互联网的三层体系如图6所示。

Multi-Agent 理论目前已广泛应用于城市、经济、工业、建筑、物流、供应链等领域，世界上许多数学家、经济学家、人工智能学家等都正在对该系统进行深入研究。Multi-Agent 理论为多自主体传感器网络、自组织动态智能网络、无线传感网、城市物联网等的发展提供了理论支撑，能够很好的描述和解释现实世界中的智能化应用系统。智慧建筑和智慧城市系统非常适合应用该理论。由于智慧建筑与智慧城市系统无法在实际项目中承受强化学习算法所要求的多次试错，就需要借助仿真系统完成这种试错过程。因此，提出一种采用BIM 建模仿真实体建筑，在仿真空间中模拟和学习真实世界的方法。并将试错反馈信息关联到真实世界中的建筑与城市。智慧建筑Agent 强化学习算法框架如图7所示。

随着全球第四次科技革命的深入推进，智慧建筑的研究、开发、应用将会得到进一步蓬勃发展。从建筑领域自身来看，本领域对智能、节能、高效、舒适、便捷、人性化、健康等方面存在巨大需求，而当前阶段这些方面发展的尚不够理想，能够真正以人为本、环境友好的智慧建筑示范项目还比较少。在大数据、云计算、“互联网+”已经充分发展的基础上，人工智能时代到来，人工智能将成为助力以上需求实现的有力工具。同时，随着智慧城市建设的深入推进，智慧建筑理论体系将会加速形成和不断完善，成为智慧城市理论体系奠基性的组成部分。