【導(dǎo)讀】“聰明反被聰明誤”這句俗語(yǔ)廣為熟知，但你一定沒(méi)聽(tīng)過(guò)“智慧反被智慧誤”。因?yàn)椋斆鳌僦腔郏瑑烧咧g存在著明顯區(qū)別。正所謂，“聰明人會(huì)說(shuō)話，智者善于傾聽(tīng)。”而這同樣適用在當(dāng)今的樓宇建筑上。
“聰明”樓宇和智能樓宇之間的區(qū)別是，在“聰明”樓宇中，用戶將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，使其以最符合用戶意愿的方式運(yùn)行。然而，智能樓宇具有適當(dāng)?shù)膫鞲泻吞幚砟芰Γ梢宰孕懈兄h(huán)境，并自我設(shè)置，根據(jù)自己的判斷正確行事。
什么是智能樓宇？
80年代初，“智能樓宇”一詞最早出現(xiàn)在美國(guó)。華盛頓的智能樓宇機(jī)構(gòu)(Intelligent Building Institution)給出的定義如下：智能樓宇是集成了各種系統(tǒng)的建筑，采用協(xié)調(diào)的方式有效管理資源，盡可能提高技術(shù)性能、提升投資收益、降低運(yùn)營(yíng)成本和增強(qiáng)靈活性。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，建筑必須具備相關(guān)傳感能力，以便在必要時(shí)獲取盡可能多的外部環(huán)境信息，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐ㄐ磐緩綄⑦@些數(shù)據(jù)傳送回建筑的“大腦”（可能位于本地或云端），并在“大腦”中利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法處理這些信息，最終決定采取相應(yīng)行動(dòng)。而這些行動(dòng)必須通過(guò)相同的通信途徑傳達(dá)給各相關(guān)系統(tǒng)，以便執(zhí)行。
智能樓宇的發(fā)展現(xiàn)狀
如果不幸迷失在荒野中或被困于孤島，那么所謂的數(shù)字“3”法則將決定能否幸存下來(lái)。根據(jù)這條法則，要想活下去，必須做到3個(gè)小時(shí)找到棲身之處，3天找到飲用水，3周找到食物，否則將會(huì)面對(duì)死神降臨。在那種情況下，棲身之處是生存的首要條件；雖然目前可能不至于在荒野中迷失，但了解如何通過(guò)轉(zhuǎn)向智能樓宇來(lái)滿足人們的居住需求，這對(duì)于地球和人類的未來(lái)而言，至關(guān)重要。
通過(guò)數(shù)字化進(jìn)程，人們可以實(shí)現(xiàn)新建筑或現(xiàn)有建筑的智能化。這個(gè)過(guò)程將影響建筑運(yùn)行和維護(hù)的因素轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以便實(shí)時(shí)測(cè)量并傳回建筑的“大腦”進(jìn)行分析，并加以管理。如何實(shí)現(xiàn)新建筑或現(xiàn)有建筑的數(shù)字化，從而提高能源效率和可持續(xù)性，是確保人類減少未來(lái)碳足跡的關(guān)鍵。因此，在討論智能樓宇的未來(lái)時(shí)，需要考慮四大關(guān)鍵領(lǐng)域：
● 健康和安全：空間設(shè)計(jì)是否旨在提高居住者福祉？如果居住者感到安全，并且環(huán)境設(shè)計(jì)有助于改善其情緒和生活質(zhì)量，工作效率將會(huì)隨之提高。在新冠后疫情時(shí)代，隨著各行各業(yè)返工復(fù)產(chǎn)，這一點(diǎn)顯得尤為重要。
● 可持續(xù)性：空間利用率是否達(dá)到了減少碳足跡的要求？這一主題不僅通過(guò)節(jié)省能源開(kāi)銷和減少維護(hù)成本來(lái)改善樓宇業(yè)主的生活，而且還會(huì)為更多的人帶來(lái)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
● 高彈性：空間設(shè)計(jì)是否考慮到未來(lái)需求，并經(jīng)得起時(shí)間的考驗(yàn)？今天的建筑是為了持續(xù)150年或更長(zhǎng)時(shí)間而建造。即便不知道未來(lái)會(huì)出現(xiàn)什么創(chuàng)新或技術(shù)，但可以做好規(guī)劃，讓建筑的信息技術(shù)(IT)和運(yùn)營(yíng)技術(shù)(OT)基礎(chǔ)設(shè)施能夠應(yīng)對(duì)未來(lái)的預(yù)期數(shù)據(jù)流量，隨著更多的系統(tǒng)開(kāi)始上線并使用IP地址時(shí)，流量必然大幅上漲。
● 經(jīng)濟(jì)效益：如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)呢?cái)政激勵(lì)，實(shí)施變革將困難重重。金錢就是價(jià)值，通過(guò)使建筑物智能化，讓價(jià)值提升成為可能。然而，在收獲成果之前，首先要投入資本。需要?jiǎng)?chuàng)新的融資模式幫助樓宇業(yè)主將其建筑升級(jí)為智能樓宇。
以上四個(gè)方面可以通過(guò)樓宇自動(dòng)化來(lái)實(shí)現(xiàn)。如今，樓宇自動(dòng)化在很大程度上基于封閉和孤立的系統(tǒng)，在不影響或驅(qū)動(dòng)其他系統(tǒng)的情況下獨(dú)立工作，執(zhí)行自身功能。建筑中的這些系統(tǒng)包括HVAC系統(tǒng)、照明、門禁、消防安全、電梯和占用檢測(cè)系統(tǒng)等。孤立的系統(tǒng)大多效率低下，并導(dǎo)致更大的碳足跡。
為什么需要智能樓宇？
圖1.智能樓宇影響因素漏斗圖
圖1以漏斗圖的方式，綜合展示了影響智能樓宇的各種因素。它大致勾勒出驅(qū)動(dòng)智能樓宇需求的現(xiàn)代生態(tài)系統(tǒng)。首先，從全球宏觀趨勢(shì)開(kāi)始，也就是城市化和氣候變化。
城市化指的是全球人口從農(nóng)村地區(qū)遷移到城鎮(zhèn)地區(qū)，如城市。人們?yōu)榱俗非蟾篮玫纳疃w移到城市。城市提供就業(yè)前景，以及更好地獲得商品、服務(wù)、醫(yī)療保健和教育的機(jī)會(huì)。人口增長(zhǎng)也促進(jìn)了城市化；據(jù)估計(jì)，到2050年，超過(guò)65%的全球人口將生活在城鎮(zhèn)環(huán)境中。據(jù)預(yù)測(cè)，到2060年，全球建筑樓層面積將翻一倍；這相當(dāng)于在40年的每個(gè)月世界都增加一個(gè)紐約。
氣候變化指的是全球或區(qū)域氣候模式改變，特別是自20世紀(jì)中后期開(kāi)始的顯著變化，主要原因是化石燃料的使用導(dǎo)致大氣中的二氧化碳水平上升。國(guó)際能源署估計(jì)，全球40%的二氧化碳排放來(lái)自建筑，僅建筑的運(yùn)行和維護(hù)一項(xiàng)就造成了28%的排放。3 令人不安的是，據(jù)估計(jì)，目前50%的建筑能耗都被浪費(fèi)了。近年來(lái)，建筑能耗以及相應(yīng)的二氧化碳排放幾乎沒(méi)有放緩；這表明，隨著越來(lái)越多的建筑即將投入使用，除非能源效率提高，否則建筑對(duì)環(huán)境的影響只會(huì)日益惡化。
許多有影響力的智庫(kù)（如聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署和世界銀行）目前都在關(guān)注旨在提高建筑能源效率的政策，為投資可持續(xù)和智能樓宇提供激勵(lì)措施，加強(qiáng)對(duì)舊建筑進(jìn)行改造，以滿足當(dāng)前歐盟的可持續(xù)發(fā)展標(biāo)準(zhǔn)。
為了履行應(yīng)對(duì)氣候變化的義務(wù)，各國(guó)政府已經(jīng)開(kāi)始實(shí)施這些智庫(kù)建議的政策。作為“綠色協(xié)議”政策的一部分，歐盟目前正在為一個(gè)大型改造項(xiàng)目提供資金。歐盟大約有2.2億棟建筑，其中85%建于2001年之前，90%的現(xiàn)有建筑在2050年仍將存在，改造基數(shù)巨大。歐盟的目標(biāo)是到2030年改造3000萬(wàn)棟建筑。同樣，美國(guó)的《基礎(chǔ)設(shè)施法案》(Infrastructure Bill)和《智能樓宇加速法案》(Smart Buildings Acceleration Act)以及中國(guó)的五年規(guī)劃也有望在這些市場(chǎng)推動(dòng)類似的舉措。5
政府政策和建筑法規(guī)推動(dòng)了能源效率的改善，其中歐盟的《建筑能效指令》(Energy Performance of Buildings Directive)即將更新。同樣，美國(guó)利用ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)監(jiān)管合規(guī)性，其他國(guó)家/地區(qū)的具體法規(guī)也在陸續(xù)出臺(tái)。
擁有綠色和智能樓宇認(rèn)證的建筑也變得越來(lái)越普遍。在某些情況下，這是特定金融投資的要求，但大多數(shù)情況下，人們的共識(shí)是這些證書(shū)為建筑的盈利潛力帶來(lái)了巨大的附加價(jià)值。LEED、BREEAM和EDGE都是眾所周知的綠色證書(shū)，而中國(guó)的本土認(rèn)證正在加快推進(jìn)步伐。智能樓宇認(rèn)證仍是新鮮事物，但隨著TIA和UL共同組成SPIRE這一機(jī)構(gòu)，認(rèn)證也將變得更加流行。
從經(jīng)濟(jì)角度看，這些對(duì)建筑的潛在改進(jìn)為更健康、更環(huán)保和更智能的建筑創(chuàng)造了附加價(jià)值。研究表明，倫敦經(jīng)過(guò)認(rèn)證的建筑相對(duì)于同一地區(qū)未經(jīng)認(rèn)證的建筑，租金和售價(jià)高出4%。
從全球事件到全球經(jīng)濟(jì)，建筑的形態(tài)正在發(fā)生變化，主要的樓宇自動(dòng)化公司注意到了這一點(diǎn)。ADI注意到，公司在報(bào)告季度收入的同時(shí)，也報(bào)告了公司為客戶減少的二氧化碳排放量達(dá)百萬(wàn)噸級(jí)，同時(shí)強(qiáng)調(diào)要建造更環(huán)保、更健康的建筑。樓宇自動(dòng)化公司通過(guò)大規(guī)模的建筑數(shù)字化和系統(tǒng)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)減排，將智能技術(shù)擴(kuò)展到邊緣節(jié)點(diǎn)，收集更多智能數(shù)據(jù)，并在多個(gè)建筑系統(tǒng)中提供更多可行洞察，允許微調(diào)和優(yōu)化每座建筑物性能，以確保盡可能提高能源效率和可持續(xù)性。
如何實(shí)現(xiàn)智能樓宇
圖2.智能樓宇基礎(chǔ)設(shè)施
如今，大多數(shù)建筑都配置了建筑管理系統(tǒng)（或BMS）。如前文所述，這些系統(tǒng)包括與所執(zhí)行的功能有關(guān)的互不相連的特定子系統(tǒng)，即照明、HVAC、門禁等。要使這些建筑智能化，并不是簡(jiǎn)單地推倒重來(lái)，然后安裝全新的基礎(chǔ)設(shè)施。因?yàn)檫@樣做，成本會(huì)非常驚人。建筑改造市場(chǎng)有賴于半導(dǎo)體行業(yè)提供技術(shù)，以促成現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化，并連接各個(gè)分離的建筑系統(tǒng)。圖2是一個(gè)很好的例子，充分說(shuō)明如何利用多種技術(shù)和通信協(xié)議將傳統(tǒng)的BMS系統(tǒng)改造為智能樓宇。
以太網(wǎng)是一種常見(jiàn)協(xié)議，它通過(guò)高數(shù)據(jù)率助力日常生活和業(yè)務(wù)，但在支持的距離和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面能力有限。如果能在簡(jiǎn)單的電纜上運(yùn)行以太網(wǎng)和IP，比如使用支持1公里距離的單條雙絞線，結(jié)果會(huì)怎樣？這將提供從云端到邊緣節(jié)點(diǎn)的全程無(wú)縫連接，從而融合IT和OT世界，打破現(xiàn)有系統(tǒng)形成的孤島，而在這些孤島中，可能會(huì)收集數(shù)據(jù)，但無(wú)法采取行動(dòng)，也不能產(chǎn)生有價(jià)值的洞察。
10BASE-T1L是實(shí)現(xiàn)邊緣連接的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)；該協(xié)議支持從云端一直到邊緣節(jié)點(diǎn)的無(wú)縫連接，支持可尋址的IP邊緣節(jié)點(diǎn)，從而允許從任何地方進(jìn)行實(shí)時(shí)可操作控制。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化了，安裝和維護(hù)也隨之簡(jiǎn)化，數(shù)據(jù)將能夠輕松被匯總和解讀，通過(guò)如此強(qiáng)大的無(wú)縫控制降低擁有成本，那些原來(lái)可能只具備簡(jiǎn)單模擬傳感功能的地方，現(xiàn)在可以被賦予智能。通過(guò)數(shù)字化邊緣以及生成更多的智能數(shù)據(jù)，讓整個(gè)建筑實(shí)現(xiàn)數(shù)字化成為可能。
2019年，10BASE-T1L經(jīng)IEEE批準(zhǔn)成為802.3cg標(biāo)準(zhǔn)。ADI是該委員會(huì)的成員，在推動(dòng)這一新標(biāo)準(zhǔn)方面發(fā)揮了重要影響力。該標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)鍵要素是通過(guò)單條電纜提供電力和數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)速率為10Mbps。在這種情況下，電纜采用單條雙絞線，支持的傳輸距離為1公里。值得注意的是，在建筑物內(nèi)部進(jìn)行改造時(shí)，可以使用現(xiàn)有的雙絞線電纜。
與某些現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施（如RS-485）相比，可以看到一些切實(shí)有效的改進(jìn)。首先，數(shù)據(jù)速率在1公里范圍內(nèi)保持恒定，不像RS-485那樣取決于距離。此外，10BASE-T1L支持無(wú)限的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，而RS-485限于256個(gè)。10BASE-T1L的一個(gè)核心優(yōu)勢(shì)是通過(guò)相同的單條雙絞線提供高達(dá)52 W電源，與POE（以太網(wǎng)供電）類似，而RS-485僅限于所謂的工程電源。
然而，眾所周知，RS-485在樓宇自動(dòng)化中對(duì)于特定用例仍然占有一席之地。樓宇不會(huì)在一夜之間全面完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型，所以在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，10BASE-T1L需要與現(xiàn)有系統(tǒng)一起共存協(xié)作。10BASE-T1L提供可延伸到邊緣的無(wú)縫IP連接，并與RS-485以及通過(guò)軟件配置的IO協(xié)作，為傳統(tǒng)架構(gòu)服務(wù)。
雖然該標(biāo)準(zhǔn)提供了確保達(dá)到1公里距離的指導(dǎo)原則，但對(duì)使用其他類型的電纜沒(méi)有做出任何限制，而這些電纜可能無(wú)法達(dá)到全距離要求。該標(biāo)準(zhǔn)允許采用屏蔽和非屏蔽電纜，這意味著在大多數(shù)情況下，可以改造現(xiàn)有的布線系統(tǒng)。如果能在1公里布線系統(tǒng)中明確指出問(wèn)題所在，將具有明顯優(yōu)勢(shì)。任何BMS系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商都很清楚，安裝、調(diào)試和維護(hù)一個(gè)包括數(shù)公里電纜的系統(tǒng)需要付出諸多努力。幸運(yùn)的是，10BASE-T1L讓這一切成為可能，它能夠?qū)弦?guī)性、鏈路質(zhì)量以及布線安裝和維護(hù)過(guò)程進(jìn)行測(cè)試。
結(jié)論
地球只有一個(gè)，而全球變暖已經(jīng)導(dǎo)致很多物種滅絕，因此，推行智能化建筑對(duì)于減少過(guò)量碳排放意義重大。如果不小心應(yīng)對(duì)，那么下一個(gè)面臨生存危機(jī)的物種可能就是人類自己。智能BMS提供所需的相關(guān)數(shù)據(jù)，幫助人們就以下方面做出決策：可持續(xù)性和效率、通信、樓宇控制和自動(dòng)化、勞動(dòng)力健康和安全以及安保。這反過(guò)來(lái)提高了建筑市場(chǎng)的健康和安全水平、可持續(xù)性、彈性和經(jīng)濟(jì)效益。
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關(guān)于ADI公司
ADI是全球領(lǐng)先的高性能模擬技術(shù)公司，致力于解決最艱巨的工程設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。憑借杰出的檢測(cè)、測(cè)量、電源、連接和解譯技術(shù)，搭建連接現(xiàn)實(shí)世界和數(shù)字世界的智能化橋梁，從而幫助客戶重新認(rèn)識(shí)周圍的世界。詳情請(qǐng)瀏覽ADI官網(wǎng)www.analog.com/cn。
作者簡(jiǎn)介
Barry Mulligan是ADI公司利默里克智能樓宇和基礎(chǔ)設(shè)施部門的營(yíng)銷經(jīng)理，致力于擴(kuò)大ADI在智能樓宇市場(chǎng)的影響力。他于2016年加入ADI公司。之前曾擔(dān)任5G基站的收發(fā)器應(yīng)用工程師和射頻產(chǎn)品系列的供應(yīng)鏈規(guī)劃人員。加入ADI之前，他還曾在設(shè)計(jì)咨詢公司Arup擔(dān)任機(jī)械、電氣和管道工程師，并在美國(guó)明尼蘇達(dá)州風(fēng)能咨詢公司W(wǎng)indlogics工作了一年。聯(lián)系方式：barry.mulligan@analog.com。
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