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摘要：隨著人工智能技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展，為了更好地滿足建筑功能提升的核心發(fā)展要義，需要建立起穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集和高效協(xié)同的智能化控制平臺(tái)，滿足系統(tǒng)控制的實(shí)時(shí)性要求。群智能建筑平臺(tái)采用分布式的控制系統(tǒng)架構(gòu)能夠充分滿足基礎(chǔ)功能的發(fā)展要求，為智能協(xié)同化管理提供了全新的解決思路。對(duì)此本文結(jié)合著智能化設(shè)備的核心發(fā)展要義，展開(kāi)了相關(guān)的分析和研究，首先對(duì)群智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)樓控系統(tǒng)對(duì)比，明確了群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)發(fā)展要義，挖掘了輸配系統(tǒng)“流量-壓力”關(guān)系，明晰了群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，并且根據(jù)信息流動(dòng)的參數(shù)布局形式提出了群智能建筑機(jī)電系統(tǒng)的核心要點(diǎn)，使得建筑機(jī)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的智能化控制。

關(guān)鍵詞：暖通空調(diào)；群智能；協(xié)調(diào)優(yōu)化；節(jié)能控制策略

基于標(biāo)準(zhǔn)化處理單元的新型分布式智能控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了群智能控制的效果，以CPN作為區(qū)域控制網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了分布式的集成管理。在控制空間中，各個(gè)組件擁有著相同的硬件，運(yùn)行著相同的程序，并且在進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合集成中具有著相同的數(shù)據(jù)架構(gòu)，每個(gè)CPN和相鄰的CPN進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使得整體的聯(lián)動(dòng)效率和控制效果得到了顯著的提升。在局部空間中，CPN能夠自動(dòng)識(shí)別并發(fā)現(xiàn)空間內(nèi)的空調(diào)設(shè)備和傳感器硬件，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備信息和數(shù)據(jù)的綜合集成，并且在網(wǎng)絡(luò)化的位置中儲(chǔ)存了相關(guān)的位置信息和連接關(guān)系，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的模式實(shí)現(xiàn)了全局智能的控制效果。因此整個(gè)控制系統(tǒng)不是中央集成控制，而是通過(guò)分布式智能控制的方式實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自組織和自操作。

1群智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)樓控系統(tǒng)對(duì)比

群智能系統(tǒng)結(jié)合著分布式的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算單元開(kāi)展控制活動(dòng)，節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行并行協(xié)作式的工作能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)不同層級(jí)的控制目標(biāo)，進(jìn)而最大限度的滿足室內(nèi)人居環(huán)境的熱舒適需求。相比較于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其核心的特點(diǎn)在于控制對(duì)象的不同，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)參照著的是工業(yè)控制的樹(shù)形控制結(jié)構(gòu)，僅僅實(shí)現(xiàn)了單一控制流。而群控制的對(duì)象主要是建筑空間和整個(gè)建筑區(qū)域，每一個(gè)CPN能夠服務(wù)一個(gè)特定空間的所有機(jī)電設(shè)備和各類傳輸器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)辨識(shí)的效果，并且通過(guò)自動(dòng)獲取的數(shù)據(jù)和先驗(yàn)知識(shí)能夠準(zhǔn)確的配置控制邏輯，最終生成相關(guān)的控制程序。傳統(tǒng)的集中式控制存在著諸多問(wèn)題，原有的自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)存在節(jié)點(diǎn)數(shù)量多調(diào)控工況策略復(fù)雜的問(wèn)題，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往缺乏標(biāo)準(zhǔn)化措施，算法的設(shè)計(jì)僅僅著眼于局部，導(dǎo)致通用性差，各個(gè)專業(yè)之間的架構(gòu)不夠統(tǒng)一，因此也導(dǎo)致信息的共享機(jī)制無(wú)法建立起來(lái)。同時(shí)控制策略無(wú)法充分的滿足運(yùn)行的實(shí)際需求，導(dǎo)致運(yùn)行管理人員無(wú)法根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況對(duì)控制策略進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，更無(wú)法深度的系統(tǒng)進(jìn)行綜合升級(jí)和改造。不同廠商之間的產(chǎn)品很難做到兼容，導(dǎo)致自動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難。群智能技術(shù)作為暖通空調(diào)系統(tǒng)輸配的拓?fù)洌@個(gè)過(guò)程中不需要對(duì)全局的網(wǎng)絡(luò)方程組進(jìn)行構(gòu)建，每個(gè)節(jié)點(diǎn)中所運(yùn)行的程序與系統(tǒng)架構(gòu)無(wú)關(guān)，因此標(biāo)準(zhǔn)化的程序可以預(yù)先進(jìn)行開(kāi)發(fā)，并且儲(chǔ)存在相關(guān)的智能節(jié)點(diǎn)里，無(wú)需工程師對(duì)具體項(xiàng)目進(jìn)行編程和配置，有效的降低了配置系統(tǒng)的參數(shù)辨識(shí)難度。即便是系統(tǒng)端出現(xiàn)末端參數(shù)變化時(shí)，只要相關(guān)的CPN節(jié)點(diǎn)被正確的安裝和銜接，則相關(guān)程序可以不被重新編寫(xiě)即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)更新，有效的體現(xiàn)了自適應(yīng)和自集成的特點(diǎn)。

2群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)原則

在算法優(yōu)化上，群智能做到了每個(gè)CPN算法都完全相同，同時(shí)對(duì)于系統(tǒng)的植入過(guò)程來(lái)說(shuō)，每一個(gè)計(jì)算單元也可以被稱之為是“算子”，在不同的CPN結(jié)構(gòu)網(wǎng)格當(dāng)中，CPN參照著“算子”的既定機(jī)制不斷的自組織系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個(gè)“算子”當(dāng)中運(yùn)行的都是相同的算法，這是群智能算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。因此在應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制過(guò)程中時(shí)，其主要參照的描述性原則如下：（1）CPN代表的是空間區(qū)域，連接所有控制設(shè)備、傳感設(shè)備以及機(jī)電設(shè)備；（2）相鄰CPN之間的連接映射關(guān)系代表物理空間中真實(shí)的幾何位置關(guān)系；（3）每個(gè)CPN只能獲取相鄰CPN的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并且以分布式的存儲(chǔ)形式存儲(chǔ)在智能網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中；（4）所有CPN并行計(jì)算中都采用相同的控制邏輯進(jìn)行計(jì)算。為了更好的展示智能設(shè)備之間的銜接模式，其設(shè)備之間的組織模式可以借鑒管道之間的物理連接進(jìn)行銜接，這樣的連接模式充分反映了機(jī)電設(shè)備本身的功能需求和設(shè)備間各個(gè)功能的配合需求，通過(guò)介質(zhì)流動(dòng)的方向明確了能量流的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3輸配系統(tǒng)“流量-壓力”關(guān)系

為了更好的維持室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性，最大限度的降低輸配系統(tǒng)的能源消耗，對(duì)輸配系統(tǒng)的流量和壓力的優(yōu)化至關(guān)重要。對(duì)于群智能建筑的流量調(diào)節(jié)來(lái)說(shuō)，通過(guò)基于流體網(wǎng)絡(luò)的方程分析能夠促進(jìn)智能調(diào)控得以實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行壓力和流量的辨識(shí)過(guò)程中，其控制方成應(yīng)該遵從設(shè)備運(yùn)行的基本原理，在CPN的結(jié)構(gòu)硬件上也同樣預(yù)存了相同的計(jì)算方程，其控制方程為：1niNiQQ=∑=式中，QN為節(jié)點(diǎn)位置流向外部環(huán)境的流量，m3/h；Qi為從節(jié)點(diǎn)Ni向節(jié)點(diǎn)N的流量，m3/h；n是節(jié)點(diǎn)之間相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，描述的是節(jié)點(diǎn)位置上的質(zhì)量守恒關(guān)系。其中能量的平衡關(guān)系為：2,1iNiiP?P=SQi=…n式中，PN是節(jié)點(diǎn)位置處的壓力值，Pa；Pi是Ni的壓力值，Pa；Si是Ni和N之間的管道鏈接阻力參數(shù)。CPN和相鄰之間的節(jié)點(diǎn)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間不斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，直到所有節(jié)點(diǎn)的控制方程收斂。

4群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)

群智能的思路構(gòu)建來(lái)自于自然界中昆蟲(chóng)群體的觀察，在群居動(dòng)物中通過(guò)協(xié)作表現(xiàn)能夠展示出智能的特征被稱之為群智能。在底層架構(gòu)中綜合借鑒了群智能控制中較為先進(jìn)的多Agent系統(tǒng)（MAS，MultipleAgentSystem），所有的Agent節(jié)點(diǎn)最終根據(jù)設(shè)備布局的空間關(guān)系形成了智能控制網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)Agent來(lái)綜合的收集和處理各個(gè)空間內(nèi)的設(shè)備信息，并依據(jù)著建筑室內(nèi)環(huán)境的參數(shù)要求來(lái)反作用于本地控制設(shè)備。群智能控制的內(nèi)容要義里將建筑空間和各個(gè)專業(yè)機(jī)電系統(tǒng)劃分成了若干基本單元，并且為各個(gè)基礎(chǔ)單元都設(shè)置了一個(gè)“計(jì)算節(jié)點(diǎn)”CPN（ComputingProcessNode），實(shí)現(xiàn)了在空間單元內(nèi)的本地控制器的聯(lián)動(dòng)控制，而后各個(gè)DCU都能夠與各自的CPN進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)銜接，參照著空間關(guān)系和設(shè)備的拓?fù)潢P(guān)系共同鏈接成了基礎(chǔ)的信息網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)并行計(jì)算的形式完成了所有的計(jì)算任務(wù)，因此群智能平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了即插即用和互聯(lián)互通的設(shè)備交互效果。目前暖通空調(diào)系統(tǒng)的分布式控制優(yōu)化需要有協(xié)調(diào)器進(jìn)行代理，需要將計(jì)算任務(wù)進(jìn)行自定義分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的分布式計(jì)算。而群智能的控制過(guò)程里無(wú)需要協(xié)調(diào)器，各個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠自組織和自協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算，其智能控制節(jié)點(diǎn)如圖1所示。其中節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)上涵蓋數(shù)據(jù)處理器、存儲(chǔ)器以及通信接口，每個(gè)CPN內(nèi)都嵌入一個(gè)微型處理器，其子空間和設(shè)備的全部性能參數(shù)信息都可以直接的映射到對(duì)應(yīng)的CPN當(dāng)中，并且為其直接預(yù)留了數(shù)據(jù)接口，各個(gè)CPN之間通過(guò)數(shù)據(jù)線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)每個(gè)CPN還設(shè)置有相關(guān)的驅(qū)動(dòng)單元DCU（DriveControlUnit），其中CPN和DCU之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信可以支持多種數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了良好的交互。

5群智能的信息流動(dòng)參數(shù)布局

CPN的嵌入式操作系統(tǒng)明確了CPN之間的通信協(xié)議和計(jì)算模式等參數(shù)要求，其求解的過(guò)程里需要將任務(wù)進(jìn)行逐級(jí)的分解，解析成一個(gè)按照特定執(zhí)行順序事件，最終形成穩(wěn)定的控制邏輯。其內(nèi)置的機(jī)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)信息模型定義了各個(gè)基本單元的控制管理特性，實(shí)現(xiàn)了與智能設(shè)備的即插即用的效果。所有的CPN共同構(gòu)成了群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，進(jìn)而代替了傳統(tǒng)集中式控制中的中央計(jì)算機(jī)的計(jì)算模式，使其分布式的計(jì)算過(guò)程更加靈活和更加強(qiáng)大。從信息流的信息流動(dòng)來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的整體體現(xiàn)的是一種中央集成管理而分布式控制的信息流動(dòng)架構(gòu)，底層節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)了通訊連接，但是沒(méi)有進(jìn)行自發(fā)的信息交互，各個(gè)節(jié)點(diǎn)彼此之間是獨(dú)立的狀態(tài)。即便是出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的決策信息矛盾時(shí)，則需要由上一級(jí)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，并且逐級(jí)進(jìn)行上傳。參照著各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的功能劃分需求，節(jié)點(diǎn)之間的信息交互也不是完全通用的，因此需要在每個(gè)物理空間內(nèi)都設(shè)置一個(gè)智能硬件節(jié)點(diǎn)CPN，因此CPN也就成為了所在區(qū)域物理空間的“代理”，不僅能夠負(fù)責(zé)本地空間內(nèi)所有設(shè)備的智能控制，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了相鄰CPN空間的交互與協(xié)作，綜合的完成了局部空間內(nèi)被控系統(tǒng)和被控環(huán)境的分析和計(jì)算。由于每個(gè)CPN之前都與鄰居進(jìn)行協(xié)作，因此整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成了區(qū)域計(jì)算的核心網(wǎng)絡(luò)，局部位置上的協(xié)作也可以實(shí)現(xiàn)整體的優(yōu)化，整個(gè)系統(tǒng)呈現(xiàn)出的是扁平化和無(wú)中心化的特點(diǎn)，每個(gè)CPN的節(jié)點(diǎn)之間是平等的，能夠隨著建筑規(guī)模的變化而靈活的進(jìn)行增減，實(shí)現(xiàn)了即插即用的功能效果。

6群智能建筑機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用核心

冷站是建筑制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，同時(shí)也是開(kāi)展群智能硬件發(fā)展策略的關(guān)鍵硬件載體，冷凍站的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、滿足終端設(shè)備用能需求轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、安全的發(fā)展要義。但是目前冷凍站目前采用的仍舊是集中式的發(fā)展架構(gòu)，具有著實(shí)用效果差以及通用效果差的特點(diǎn)，因此為了重點(diǎn)解決好這個(gè)問(wèn)題，群智能建筑網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)通過(guò)CPN的智能計(jì)算的單元實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一接口的運(yùn)行模式。這個(gè)過(guò)程中，每一個(gè)智能設(shè)備都是平等獨(dú)立的個(gè)體，設(shè)備之間通過(guò)自組織和自識(shí)別的方法完成了整個(gè)冷站的優(yōu)化任務(wù)。群智能系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)架構(gòu)，其功能要義上需要將建筑和機(jī)電系統(tǒng)劃分成為基本的建筑空間單元和機(jī)電單元，各個(gè)單元之間通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)CPN來(lái)實(shí)現(xiàn)相互的協(xié)作，運(yùn)行系統(tǒng)中的APP能夠自組織的實(shí)現(xiàn)各類控制功能。整個(gè)建筑及其機(jī)電系統(tǒng)可以被視作是建筑空間單元和機(jī)電設(shè)備單元共同耦合而成的，每個(gè)空間內(nèi)都安裝有CPN能夠有效的集成管理空間內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備的各類參數(shù)信息，促進(jìn)其形成具有拓?fù)潢P(guān)系的自連接網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)APP的協(xié)同管理還能夠完善和優(yōu)化控制內(nèi)部發(fā)展邏輯，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各類機(jī)電設(shè)備的綜合控制管理。最終為建筑和城市管理控制提供了多元并且靈活開(kāi)放的多元化信息平臺(tái)，滿足使用者和運(yùn)維管理人員不同層次的使用需求。

7結(jié)語(yǔ)

組合不同專業(yè)系統(tǒng)之間的海量信息，便于更好的對(duì)機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行管理，使其能夠從傳統(tǒng)單一的縱向管理功能面向跨專業(yè)、多設(shè)備融合的方向上轉(zhuǎn)變，建筑內(nèi)部不同專業(yè)之間的信息共享已經(jīng)成為了現(xiàn)代建筑運(yùn)行管理的必然趨勢(shì)，這是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化發(fā)展要義的必然所在。其次在群智能的發(fā)展要義中，實(shí)現(xiàn)了即插即用的數(shù)據(jù)傳輸效果，能夠顯著的降低了現(xiàn)場(chǎng)的工作量，同時(shí)也便于后續(xù)的空間變更和二次裝修的需求。群智能的樓控軟件具有極強(qiáng)的自識(shí)別和自組網(wǎng)的能力，有利于設(shè)備硬件之間的高效協(xié)同，強(qiáng)化了各類信息數(shù)據(jù)輸入和輸出質(zhì)量，使得樓宇自控能夠更加具有集成和信息自識(shí)別的能力，促進(jìn)了高效協(xié)同的工作。未來(lái)的建筑機(jī)電智能控制需要有更加扁平化的系統(tǒng)架構(gòu)作為基礎(chǔ)，平等化、標(biāo)準(zhǔn)化以及網(wǎng)絡(luò)化的連接使其具有了更好的協(xié)同能力和信息存儲(chǔ)能力，在此基礎(chǔ)上只有CPN、主體設(shè)備、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等復(fù)合構(gòu)件能夠滿足其功能需求，各個(gè)智能設(shè)備之間通過(guò)CPN進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備的即插即用和組網(wǎng)，在顯著提升系統(tǒng)運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上降低了能源消耗。

作者:江浩 單位:上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司