基于5G物联网智慧楼宇系统*

2023-01-31黄斌贺敏通讯作者张敏

科学与信息化 2023年2期

黄斌贺敏通讯作者张敏

1. 深圳市清华苑建筑与规划设计研究有限公司广东深圳 518054；

2. 贺州学院人工智能学院广西贺州 542899

引言

在“新基建”、“新型城镇化建设”、“碳达峰”、“碳中和”等多重因素影响和叠加的时代命题中，城市的规划、建设和发展都遇到了极大的冲击和挑战，“智慧城市”便是解决这些问题的最佳答案。在新时代大背景下，智慧楼宇的理念深入人心，智慧楼宇利用各类新型技术及数据信息采集手段，实现了建筑的数字化、信息化和自动化，使其具备高效、节能、舒适和便利的特点。

1 智慧楼宇前身楼宇自动化

楼宇自动化最早起源于1984年的日本，当时称之为“建筑智能化”，其目的为协助人们更好地完成建筑的日常管理[1]。经过30多年的发展，“楼宇自动化”行业已经发展成熟，其代表企业有江森自控（Johnson Controls）、霍尼韦尔（Honeywell）以及西门子楼控系统（Siemens）等[2]。楼宇自动化系统组成如图1所示，包含9个子系统，①中央监控系统：完成楼宇自动化其他子系统运行监控；②空调与通风系统：完成建筑走廊过道的通风以及房间内温度的调节；③给排水监控系统：完成建筑内主要供水管道和排污管道的运行状态监测；④电力供应监控系统；⑤电梯运行监控系统；⑥照明系统；⑦消防监控系统；⑧综合安保系统：进出小区门禁，小区内部安全巡逻；⑨其他系统。

图1 传统楼宇自动化系统组成

20世纪末，楼宇自动化系统中各子系统相互独立，中央监控室须为其划分各自监控区域，如空调与通风系统监控区域、给排水监控区域等等。而过多的监控区域使得楼宇自动化系统非常臃肿，且子系统之间数据不互通，用户操作烦琐，使用不便。近10年来，随着计算机控制技术、网络技术及通信技术飞速发展，促使楼宇自动化朝着更加智能化的方向发展，相互独立的子系统通过局域网（LAN）建立联系，为数据共享提供物理条件。此时中央监控室由传统的分区域监控升级为计算机终端内分区域监控，计算机通过软件对所有子系统进行监控，实现数据互通共享。有监控权的用户可通过PC访问系统的Web服务器进行远程操控。其网络拓扑结构如图2所示。

图2 传统楼宇自动化系统网络拓扑图

2 5G物联网智慧楼宇系统

虽然楼宇自动化具有一定的自动化程度，提高楼宇的监控管理效率，给予了便利，但其面对“新时代的新基建”、“新型城镇化建设”、“碳达峰”、“碳中和”等问题时，却表现出能力不足、发力无劲。例如：楼宇自动化的安防方式由门禁和保安巡逻的方式，这种方式表现的弊端有：若用户门禁钥匙丢失，则楼宇内可能混入无关人员，增加安全隐患概率；保安巡逻存在时间与空间上的盲点，无法及时排查安全隐患；公司楼宇访客进入楼宇流程不便。2020年以来，新冠疫情席卷全球，电梯是最容易发生接触传染的公共场所之一，而传统楼宇自动化对电梯内防疫管理工作，表现出束手无策。楼道的照明系统是根据楼道的光线强弱来控制，无法根据自然光照强度自动调节亮度和色温，从而无法维护用户群体的视力健康，同时也不低碳环保。无能耗监测，从而无法设计节能方案，不利于“碳达峰”、“碳中和”。针对以上的问题，5G物联网智慧楼宇系统提供的解决方案有：

2.1 智能能耗系统

实时监控智慧楼宇下能耗较大的子系统（空调系统、新风系统、电梯系统等）的日常能耗，能耗数据通过5G网络实时发送至远端的云服务器，云服务器运行基于大数据下智慧节能算法，实现能耗分析、配电监控、超限警告、能耗统计等功能，通过随时监测能耗，适时采取节能降耗措施。

图3 智能能耗系统网络拓扑结构

2.2 智能安防系统[3]

基于传统监控设备，加以人工智能、数字孪生、大数据分析等技术，为用户提供端到端的综合安全运营服务，功能一：安全隐患AI自动发现，用云端服务器来代替传统人工监控室值班，实现7×24h不间断的监控画面信息捕捉，通过高速传输的5G数据送往云端服务器，再由人工智能识别算法运行分析，精确定义画面内容是否存在安全隐患，实时发现，实时报警，弥补了传统人工发现安全隐患的不及时、不全面等问题。功能二：多种方式的报警提示，语音电话、短信、微信小程序等。功能三：人脸识别门禁，采用更为便捷的人脸识别方式来确认来访人员的身份，解决了传统电子钥匙容易丢失问题，使门禁更加智能和方便，同时也减少了不必要的接触，有利于提高疫情防控的效果。对于正常的访客，该系统提供访客模式，访客通过App提交访客申请，系统将访客申请发送给被访人，被访问同意后，访客允许在访问时间内自由出入门禁系统，同时系统重点关注访客人员的出现在大楼的位置，并形成记录表，以便于后续查阅。

图4 智能安防系统网络拓扑结构

2.3 智能防疫系统

2020年，新冠疫情席卷全球，而电梯作为公共场所，最容易发生二次接触，不以利疫情防控，以此智能电梯系统直击疫情防控问题，摆脱传统电梯无能为力的窘境。具体解决方案为：采用微信小程序输入目标楼层的方式，摆脱传统按键点击目标楼层所带来的二次接触问题，从而避免电梯内二次接触问题；加大电梯内的空气流通速率；定时喷洒消毒液。

图5 智能电梯系统网络拓扑结构

楼宇中除了电梯外，还有楼道亦可能发生二次接触，不利于疫情防控，传统为医务人员在公共场所喷洒消毒剂，这种方式需要医务人员频繁出现在不同的公共场合，有多个场所交叉感染的风险，无法百分百保证医护人员和人民群众的安全，同时疫情期间，医护人员紧缺，有限的医护人员应该调配去更加关键的岗位，同时人工消毒易出现消毒液喷洒不均匀、部分区域未消毒或消毒不到位、部分区域过度消毒浪费消毒液等情况、从而无法切实保证消毒质量。

因此，对于楼道消毒工作最佳方案还是采用机器人作业，机器人作为无机生物，无法成为病毒的宿主，大大降低了接触传播的概率，机器人喷洒消毒剂会比人工喷洒得更均匀，同时机器人还可以实施采集消毒剂的浓度，及时调整消毒剂的喷洒路径，同时也可谓楼宇疫情防控工作人员提供消毒剂喷洒效果提供可靠数据，帮助其调整疫情防控条例。

2.4 智能照明系统

据调查，照明能耗占楼宇总能耗的10%～40%，集成传感器、通信模块及控制技术的智能照明系统相比于传统照明控制系统可节能约17%～60%，除此以外，智能照明还可以用于提高照明质量，通过非视觉效应改善人体的生理节律，营造健康的采光照明环境[4]。

传统理解中提升照度值和显色指数即可改善室内光环境质量，但实际中当照度值升高到一定程度时反而不利于视觉舒适和照明节能，这与提升光环境质量的目标并不相符，因此在制定照明控制策略之前需考虑人的视觉特性，建立舒适、智能的照明系统。

区域人员分布是智能照明最基本也是最先需要考虑的信息，尤其是以服务业为主的商业建筑，以商场为例，基于环境心理学分析发现，舒适的光环境能够有效提高消费者的消费体验。高质量的光环境能提高商品的展示效果，但这也将提高照明的能耗。因此基于商业建筑内区域人员分布的不均匀性和节律性特点，根据其不同区域人员分布调整室内照明设置，可以实现节能的效果。