BA系统国产化前景和技术研究

何孝磊，林海雄，尹志强，王峻

（上海市建设协会智慧机电专委会）

1 引言

BA系统（Building Automation System）具有建筑设备设施集中监视、操控和信息化管理作用，是一个应用于建筑设备设施运行综合管理的智能化系统。

建筑的运行管理目前尚无明确统一的定义或标准。我们认为，建筑运行已实现精准的节能管理、环境管理、安全应急管理和设施维护更新成本管理等，为用户提供一个安全、高效、舒适和环保的环境。为各类居住使用人的生活融入智慧社会和绿色社会创造条件，实现健康中国的目标[1]。

2 BA 系统事关建筑物的运行质量和安全

建筑物运营者需要通过BA 系统来获取建筑的设备与设施的工况、运行参数、运维情况、设备能源趋势等数据，采用人工或自动方式进行数据分析，评估是否具有节能优化提升的空间，设定或建立新的模型、管理策略，通过系统的调适调优控制，进行自动化管理；同时可以形成数字化运维工单管理，并通过对工单和故障的分析实现设施运维预判或辅助决策，提高巡检和运维效率，降低运维成本。在日常运营中，建筑物运营者十分关注建筑安全、设施安全、环境安全与空间安全，而设计规范、运行稳定的BA系统可全面掌控建筑设备系统运行状态，保障建筑物及其使用者的安全。

集团、园区、建筑群的用户还可以通过BA 系统的数据和云平台及其他业务平台之间的推送和交互，运用大数据挖掘更优更经济的管理模式。

所以，BA 系统是建筑物智慧运行管理的基础，其性能、功能、数据关系着建筑的运行质量和安全运行。

3 BA 系统国产化对于行业发展、自主创新和信息安全的意义

目前，作为建筑运行管理核心的BA 系统，大多为国外产品，尚存在传感器精度偏低、无存储、无数据处理功能等缺点；系统的架构难以扩展与升级；软件的组态配置、策略和模型不够智能，对使用者要求较高；软件管理功能缺失，缺乏智能数据分析、优化节能策略和主动控制能力；协议封闭，数据仅限系统内部应用，导致大量已投运的BA系统使用率低和功能弱，业内普遍反映“不好用”和“用不好”。因而系统功能难以满足国内用户的业务要求，亟须考虑国产化。BA系统的国产化工作包括技术创新、应用创新、支持国家战略等方面。

3.1 技术创新

BA系统应用的技术将从原先的控制技术、通信技术和计算机技术扩展到物联网、大数据、人工智能、人工神经网络和BIM等领域。同时，应结合自身系统管理软件、传输、控制等各环节的脆弱性，防范内部攻击、黑客、恶意软件和境外势力等非法获取信息与控制权限的可能性，对建筑信息安全予以管控。

3.2 应用创新

BA系统的功能与应用需要创新，实现建筑物内跨专业的大机电设备监控和智能运维，为用户提供更安全、更节能、更经济的全生命周期的综合机电设备设施智能运维服务。通过积累电力、暖通、给排水、消防和安保等领域产生的海量大数据，针对不同应用场景进行定性定量分析，实现物联网、大数据、人工智能等技术与电力、暖通、建筑智能化系统等多行业的深度融合，助力建筑物高效、安全运行。

3.3 支持国家战略

BA 系统国产化可为建筑运行管理的数字科技应用提供基础，实现技术安全和产业自主可控。同时，通过科技成果转化，将建筑数字化领域相关产业与技术深度融合，促进国家行动计划中的建设行业数字化转型产业快速自主发展。

因此，BA 系统国产化通过持续的自主创新，不仅能提升企业和行业的综合水平，还给国家数字化转型发展提供了支撑。

4 BA系统国产化的解决方案

中国是机电产品制造大国，在空调暖通设备、照明设备、水泵风机等传输设备等方面，国产装备的产能和技术水平已经居于世界前列。

BA系统国产化解决方案可分为两种形式：

①控制设备和受控对象（机电控制柜或设备）一体化部署，又称强弱电一体化；

②控制设备和机电设备分别部署配置（见图1）。

图1 BA系统国产化解决方案

强弱电一体化方式是将BA 设备与机电设备的一体化研发部署，采用BA 系统的理念与技术，给传统设备制造厂家赋能，提升其设备数字化能力，还可将设备智能控制与能源管理、消防安全结合起来，在线监测设备的能效，避免无效用能、及时发现故障隐患，有利于评估自控逻辑与算法升级所带来的能效提升，为建筑碳中和提供精确的需求侧数据。其特点是具有专用的控制算法和逻辑，与设备属性密切相关；工厂化适配组合、标准化测试、减少现场工作量。非强弱电一体化方式则为BA系统的构成形式。

4.1 系统架构

根据现代建筑物运营管理的需要和数字化应用技术的发展水平，国产化BA 系统通常采用：端—边—云架构（见图2）。

图2 BA系统架构

其中，设置的边缘网关具备很强的开放性，能与云端或第三方业务平台交换数据，并具有一定的算力。

4.2 系统特点

4.2.1 控制设备

①优化通信方式，在保障通信可靠及数据颗粒度的前提下，采用无线方式和无主扁平化架构。在复杂结构或环境下，能采用有线和无线结合方式。

②控制设备小型化和专业化，嵌入专用控制策略，冷热源等专用控制器具机器学习或自适应能力，主控制器可以对已经经过处理的信息进行存储，为服务器端数据信息系统进行优化与整合，为客户查找相应信息提供便利[2]，即插即用有利于快速部署。

③控制器具有能耗、剩余电流等监测功能，可实现能效安全一体化。

4.2.2 智能传感器

①应用国产芯片，将传统的模拟信号传输技术升级到数字化传输，并具有数据格式转换、传输校验、自动故障分析和自诊断等功能。

②具有数据自筛选和阈值重设，传输频次重设等功能，可以有效筛选数据价值，提升通信效率。

4.2.3 智能执行器

嵌入国产化芯片，提升执行系统的智能化水平，通过步长、转矩、限位等参数的数字化调节，有效提升执行机构的控制精度，内置电机电流检测和防抖动算法，减少执行机构的过调与震荡，降低设备故障，保证平稳安全运行。

4.2.4 边缘网关

①采用国产多核IC 芯片；支持有线、无线多种通讯方式。

②支持控制、仪表、IT、IOT 等领域的接口和通信协议。

③有一定的算力，可支持边缘计算，具有软件定义能力，实现跨网关交互和管理（关联的设备间身份自行识别、数据自行交互和协同测控）。

4.2.5 平台

①集成设备优化运行、管控、能源计量和分析、运维、辅助决策等管理功能，可部署于IAAS 或本地的管理软件。具有可视化管理驾驶舱，可完成数据清洗与挖掘，显示系统数据统计、分建筑分行业分设备统计、能源KPI、能源定额管理等。

②支 持MQTT、Websocket、API、Modbus-tcp、BACnet-ip、BACnet、Ethernet 等 协 议，支 持BIM对接。

③对自身数据库、通信权限设置加密算法保护。

④兼容各类已有的监控系统，支持多项目管理，具备系统的专家诊断功能。

总之，通过提升BA 系统各个环节设备的能力，采用精准控制，区域边缘协同，AI云分析等方式，整合和落地实施现代管理能力，形成一套适合中国建筑运行需求的BA系统国产化解决方案（见图3）。

图3 BA系统国产化的系统方案

5 BA系统国产化需要突破的关键技术

1）通信协议的标准化

现有的BA系统产品，采用多个行业的通信协议标准，如空调暖通控制系统的BACnet 协议、智慧照明系统的KNX/EIB 协议、仪表行业的Modbus 等协议、工业现场总线协议的CAN等，导致BA系统在集成过程中，需要进行大量的协议转换工作。由于BA系统总线采用了半双工方式，不同协议之间的转发需要协调发送应答机制。在转换过程中，各子系统如机房、冷热输配、末端控制等场合通常是海量的高频次，多重复，低速率的实时数据，对主机处理能力和云计算软件进程要求很高，加重了算力负荷，并造成通讯效率的下降，同时数据缓存和本地处理难度加大，影响传输质量。

国产化BA 系统应建立通过面向对象的标准化协议，实现接入的标准化，数字化，同时还可以满足大量的对接既有系统和优化改造升级的需求。

2）用物联网思维提升国产化BA系统功能

传统的BA 系统采用的组态软件+硬件的方式，安装部署复杂且缺乏灵活性，不利于远程管理和升级。在园区和集团应用中，难以实现远程管理和集团化规范管理。物联网技术是在互联网技术背景下发展起来的，物联网终端是由嵌入式系统和有关传感器组成的[3]，其感知和互联互通能力强大、部署和扩展更方便。应用物联网万物互联思维建设的BA系统，可以全面收集建筑物内外的状态与动态信息，构成建筑运营的核心系统。

①端边云的架构体系：在BA系统国产化的路径中结合IT 技术的进展，将传统的分散式DDC，提升到端/边/云全物联网系统架构，实现设备端智能控制、高效边缘服务与AI 云计算，建设具有中国核心技术，符合技术发展趋势的新一代楼宇自动控制系统。

②边缘服务技术：在边缘服务侧，开发基于国产芯片的可编程网络服务器和网络引擎，部署国产化轻量实时操作系统，实现数据缓存和边缘计算，提升边缘侧效率，减少对主机和网络的依赖。

③定义标准的API和MQTT等物联网数据协议格式，实现与云平台的无缝对接。

3）智慧端数据格式与设备属性定义

在智慧端侧的控制器和被控设备中规范定义对象格式和设备属性，实现可编辑、可管理、可追溯、可在云端或边缘端升级，为实现快速部署、设备互联、设备在线远程升级提供有利条件。

①对BA系统的数字变量，进行标准化数据格式定义，包括模拟值对象，如温度、湿度、流量、压力、压差、气体浓度、开度值等；二进制对象，如开关，状态，故障报警等；时间表对象，如时钟、定时器、累计时间等；组对象，如全局组号、组号。

②对BA系统内的设备，进行标准化设备属性定义，包括：设备对象属性，如设备类型、出厂信息、累计运行时间；可提供服务类型，如访问、读、写、侦听、改写、在线升级和空间属性；设备所在区域、位置；事件属性，如登录、登出、超限、报警；文件属性，如累加、极值、趋势记录等。

4）无线通信技术应用

在既有建筑改造、局部场景应用等情况下需要应用无线技术，涉及WiFi、NB、蓝牙、4G、5G 等多种技术。因此，需结合成本、通信速率、通信规约、功耗要求等方面研发相应的产品。

①在以开关控制为主的低频次应用场合，可采用NB技术的产品，实现低功耗无线控制。

②在室内温湿度、空气质量检测、人员占位传感等受控对象密集、数据量大的场景，可采用WIFI、蓝牙Mesh等无线技术。

③在涉及BA系统结合视频感知的场景时，可将移动通信技术与BA系统结合，在楼宇的4G/5G覆盖区域内，实现高速安全的无线BA系统。

④在运营管理的应用方面，还可以通过手机等移动终端随时查看、设定和控制，也可以通过路由设备转发至边缘服务层，构成三层架构体系，实现IOT场景。

5）数据加密技术

在BA 系统的云端、边缘服务层、智慧终端三个层级的设备中都有基于网络的数据交互。但是，绝大多数BA系统尚缺乏有效的安全防范手段，为潜在的网络攻击提供了多个切入点。这是BA 系统国产化亟须重视的问题。BA 系统中的数据安全应在控制设备及边缘服务端、数字网络、云平台等环节，通过应用国密算法或支持国密算法的MCU，在端边云实现数据加密和安全通讯，实现智慧建筑平台、边缘服务和控制终端的数据安全自主可控。

6 BA系统国产化需要的社会环境和支撑机制

BA 系统国产化用户需求明确、技术路径清晰，有待在人才、组织、标准体系、行业共识、政策扶持等方面进行改善、提升和保障，为BA国产化发展助力。

6.1 人才保障

要使BA 系统工程能够持续发挥作用，需要管理、使用，并不断加以迭代，并且涉及调试人员、操作人员、运维人员、使用单位管理组织和企业研发人员等。因此，在BA系统产业生态链中的企业需要加强人才投资、培养培训工作。目前，虽然很多高等院校有智能化专业，但课程和技能培训内容和工程实际需求差距甚远，尚需要有定向和专业的培训机构和教材、教师的支撑。

6.2 标准体系

目前，BA行业的产品研发和使用管理缺乏科学的标准化体系文件，无法指导行业应用，不利于充分发挥BA系统的使用效能，导致建设的预期目标难以实现。因此需要政府、协会等单位组织行业、企业编制相关标准化文件，规范市场，引导行业发展。BA系统的标准体系至少应包括：产品制造标准，如建筑设备监测传感器、各类控制器、网关等的制造标准与测试标准；BA 系统基础功能技术标准与测试标准；工程标准，如BA 系统工程设计规范、施工验收规范以及检测评价标准、BA 系统运行操作与维护规范等；BA 系统工程建设成本核算指导和BA 系统运行成本核算指导等。

6.3 行业共识与产业联合

BA 系统引入中国已有30 余年，中国的制造企业已从简单的模仿国外品牌系统产品进入自主创新阶段，BA系统设备性能已能不亚于国外品牌。在拓扑结构、平台功能、数据交互方面，部分国产系统已超越国外品牌。但是，旧有的产品品牌=建筑档次的思维严重影响了BA国产化系统应用的推进，尚需业主、设计者、工程实施方和使用者改变观念，从运行需求来认识和选择合适的国产BA系统。同时，制造者应通过持续创新，用实力和能力改变用户的认识。另外，BA系统国产化涉及空调暖通、机电、IT、通信、控制、传感器、物业等众多行业，因此也需要生态链的产、学、研、用企业加强供需协同，形成产业联盟，以实现精细化管理为目标，共同推动BA国产化。

6.4 政策扶持

BA系统国产化涉及行业繁多，企业创新研发需要高投入，需协调的事务多，政府如能在产业扶持、科技创新课题、产研用推动等方面提供政策，给予资助，将有利于更多的单位参与BA 系统国产化工作，加速国家双碳目标实现和数字化转型的发展。

7 结语

从国家战略出发倡导BA系统国产化，可以把建筑物智慧运营管理这个重要的应用市场牢牢掌握在中国自己手里，在市场中抢占技术制高点，引领国内企业在BA领域推进国产化替代，实现技术安全和产业的自主可控。

通过BA系统国产化的科技成果转化，将建筑数字领域的相关产业与技术深度融合，促进我国智慧建筑产业的快速自主发展。中国的BA 系统具有年均近百亿的市场，还有100 多亿平方米的既有公共建筑能效数字化转型的潜在需求，这一国内巨量市场可以用来哺育自主物联网、嵌入式芯片、应用软件乃至自主操作系统的研发，可以培养一大批国家急需人才。在新基建时代，BA系统不仅能支撑和保障建筑的数字化转型和碳达峰工作，更为内循环数字经济的国家战略，开创出一片崭新的市场和空间。