（通信与信息系统专业论文）基于baja标准的建筑智能化系统集成研究.pdf

武汉理大学硕十学位论文 中文摘要 随着计算机技术和信息技术的飞速发展，人们对建筑的要求除了造型的美 观、结构的稳定、空间划分的合理等传统要求以外，对建筑的安全性、舒适性、 便利性、信息交互性、节能等诸多方面提出了更高的要求，这些酝酿出了新一 代的建筑智能建筑。智能建筑有别于传统建筑的主要特征在于智能建筑的 “智能化”，即在建筑中增加各种智能化系统，通过建筑内的计算机网络、通信 和自动控制等设备来实现建筑功能的扩展。目前智能建筑系统集成技术的发展 已经比较成熟，但是对系统集成的研究还停留在独立的，偏重实用性阶段，没有 给出一个通用性的、具有普遍指导性的设计通则。因此对智能建筑系统集成技 术的研究，尤其是系统集成技术的理论研究显得尤为重要和必要。 建筑智能化系统集成经历了采用传统的集散控制系统到现场总线控制系统 的发展阶段。虽然现场总线作为自动化领域的通信技术，可以构成智能建筑的 底层网络，但出于对网络开放性、可互操作性的要求以及控制网络与信息网络 集成等需求，若完全采用现场总线进行建筑智能化系统集成，现场总线的标准 不统一、互操作困难、设备少、费用高以及集成困难等弊端便逐渐显露出来。 本课题的研究内容是针对智能建筑系统集成技术进行研究，通过对建筑智 能化系统集成的目的、模式和技术的研究，分析了当前建筑智能化系统集成存 在的问题，提出了一种基于w e b 技术和b a j a 标准的建筑智能化系统集成的 方法。本文深入研究n i a g a r a 技术特点以及b a j a 标准，并对b a j a 标准在建 筑智能化系统集成上的应用进行了实例设计和开发。研究表明n i a g a r a 技术在 提高建筑智能化系统互操作性的同时简化系统集成环境，而且采用b a j a 标准 的系统集成方法，更易于功能的扩展，使得系统更加开放，是建筑智能化系统 集成的一种新途径。除此之外，在研究本课题时，对其中一个子系统，即周界 防越系统也做了较深入的研究，将对l a g r a n g e 乘子法应用于该系统，减少该系 统误报的发生。 本文详细介绍基于b a j a 结构的某大厦智能化系统集成的实现，重点研究 了基于b a j a 结构的楼宇自控系统的结构，以及整个集成系统的软件框架，然后 提出”种应用到周界防越系统的算法，最后对课题研究做了总结，并提出了后 续研究的内容和方向。 关键词：b a j a ，n i a g a r a ，w e b ，智能建筑，系统集成 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e ra n di n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y , p e o p l e n e e dn o to n l yt h e p r e t t yo u t l i n e ，s t a b i l i z a t i o ns t r u c t u r ea n dr e a s o n a b l es p a c ep a r t i t i o n o fb u i l d i n g ，b u ta l s o s a f e t y , c o m f o r t ，c o n v e n i e n c e ，e x c h a n g eo fi n f o r m a t i o na n d e n e r g ys a v i n ge t c ，t h u s ，an e wg e n e r a t i o no fb u i l d i n g i n t e l l i g e n tb u i l d i n gw a s b o u n do u t t h em a i nc h a r a c t e rb e t w e e n i n t e l l i g e n tb u i l d i n ga n d t r a d i t i o n a lb u i l d i n g i st h ei n t e l l i g e n t ，t od os o ，m a n yk i n d so fi n t e l l i g e n ts y s t e m sw a sa d d e di n t ot h e b u i l d i n gt oe x p a n dt h ef u n c t i o n sb yt h ec o m p u t e rn e t w o r k ，c o m m u n i c a t i o nn e t w o r k a n da u t o m a t i o ne q u i p m e n t s a tp r e s e n t ，t h e t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n to fs y s t e m i n t e g r a t i o n o fi n t e l l i g e n t b u i l d i n g h a sb e e nm o r em a t u r e ，s od i v e r s ei n t e g r a t i o n m o d e l sa r e e m e r g i n g h o w e v e r , t h er e s e a r c ho ns y s t e mi n t e g r a t i o ni ss t i l lo n t h e i n d e p e n d e n ta n df u n c t i o n a l i t ys t a g e ，a n d w h a t sm o r e ，t h e r ei sn o tac o m m o n ， u n i v e r s a lg u i d e dd e s i g ng e n e r a l i t y s oi ti sv e r yi m p o r t a n ta n dn e c e s s a r yt or e s e a r c h t h e t e c h n o l o g y o fs y s t e m i n t e g r a t i o n o fi n t e l l i g e n t b u i l d i n g ，e s p e c i a l l y m a k e t h e o r e t i c a lr e s e a r c h e so ni t t h ed e v e l o p m e n to f s y s t e mi n t e g r a t i o no fi n t e l l i g e n tb u i l d i n gg o e st h r o u g ht h e s t a g ef r o mt r a d i t i o n a ld c s t of i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m t h o u 曲t h ef i e l d b u sa st h e c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g yo ft h ea u t o m a t i o nf i e l dc a nb u i l da r ta n d e r - s t r a t t u n n e t w o r ko fi n t e l l i g e n t b u i l d i n g ，讯t h t h ei n c r e a s eo ft h ed e m a n do fo p e n i n g ， i n t e r o p e r a b i l i t ya n di n t e g r a t i o no f c o n t r o ln e t w o r ka n di n f o r m a t i o nn e t w o r k ，t h el a c k o fn ou n i f i e ds t a n d a r d ，b a do p e n i n g ，h a r di n t e r o p e r a b i l i t y , i n s u f f i c i e n te q u i p m e n t ， h i g he x p e n s ea n dd i f f i c u l t yo f i n t e g r a t i o nw a se x p o s e d t ou si f f i e l d b u si sa d o p t e dt o r e a l i z et h es y s t e mi n t e g r a t i o no f i n t e l l i g e n tb u i l d i n gc o m p l e t e l y t h er e s e a r c hc o n t e n ti st h et e c h n o l o g yo fs y s t e mi n t e g r a t i o no fi n t e l l i g e n t b u i l d i n g t h r o u g h t h es t u d yo ft h ea i m ，m o d e la n dt e c h n o l o g yo f s y s t e mi n t e g r a t i o n o fi n t e l l i g e n t b u i l d i n g ，t h et h e s i sa n a l y s e s t h e e x i s t i n gp r o b l e m so ft h es y s t e m i n t e g r a t i o no fi n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，a n db r i n g so u tat e c h n i q u eo fs y s t e mi n t e g r a t i o n o fi n t e l l i g e n tb u i l d i n gb a s e do nw e bt e c h n o l o g ya n db a j as t a n d a r d t h et h e s i s a l s os t u d i e sd e e p l yt h ec h a r a c t e ra n ds t a n d a r do f n i a g a r aa n db a j a ，a n da p p l y i tt o i i 武汉理r 大学硕士学位论文 r e a l i z es y s t e mi n t e g r a t i o no fo n ei n t e l l i g e n tb u i l d i n gb a s e do nb a j a t h er e s e a r c h s h o w sn i a g a r at e c h n o l o g yi m p r o v e st h ei n t e r o p e r a b i l i t yo f r e s p e c t i v es u b s y s t e m si n t h e i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，w h i l es i m p l i f i e s t h ee n v i r o n m e n to fs y s t e m i n t e g r a t i o n w h a t sm o r e ，a d o p t i n gt h em e t h o db a s e do nb a j ai se a s i e rt oe x p a n dt h ef u n c t i o n s o fs y s t e m ，w h i c hm a k e st h es y s t e mm o r eo p e n i n g ，s oi ti san e w w a y t oi n t e g r a t e e a c hs u b s y s t e mi n t oa ni n t e l l i g e n ts y s t e mo fb u i l d i n g i na d d i t i o n ，ir e s e a r c hd e e p l y o no n es u b s y s t e mt h a ti st h es y s t e mo f b o u n d a r yd e f e n d i n ga n da l a r m i n g 1i m p r o v e l a g r a n g ea l g o r i t h ma n dt h e na p p l yi t t ot h es y s t e ms oa st or e d u c et h es y s t e mt h e s i g n a lm i s i n f o r m a t i o n r a t eo ft h es y s t e m t h ep a p e re l a b o r a t e so nt h ew a yo f r e a l i z i n gs y s t e mi n t e g r a t i o no f o n eb u i l d i n g b a s e do nb a j aa sf o l l o w i n g ，e s p e c i a l l yt h es t r u c t u r eo f b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m a n dt h es o f tf r a m e w o r ko ft h ew h o l ei n t e g r a t e ds y s t e m t h e nip r e s e n ta nl a g r a n g e a l g o r i t h m t h a ti sa p p l i e dt ot h es y s t e mo f b o u n d a r yd e f e n d i n g a n d a l a r m i n g f i n a l l yi c o n c l u d et h er e s e a r c hq u e s t i o na n dp r e s e n tt h ef u t u r ea n dp r o s p e c t i v eo fs y s t e m i n t e g r a t i o ni n t e l l i g e n tb u i l d i n g k e y w o r d s ：b a j a ，n i a g a r a ，w e b ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ，s y s t e mi n t e g r a t i o n i l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪言 建筑是人类文明的产物，也是人类文明进步的一个重要体现。在信息化时 代，信息技术对建筑的影响更是质的飞跃，智能建筑( i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 1 1 l 就是 这一飞跃性影响的典型代表。智能建筑的兴起与发展，主要是为了满足人们对 建筑在信息交换、安全性、舒适性、便利性和节能性等方面的更高要求。智能 建筑有别于传统建筑的最主要特征在于“智能化”，也就是说这种智能建筑除了 具有一般建筑的功能外，还增添了多元信息的自动化和智能化等系列高技术 功能。智能建筑也是未来“信息高速公路”的重要节点，兴建智能建筑成为当 今世界建筑业的一个热点。 1 1 智能建筑概述 1 1 1 智能建筑的内涵 智能建筑或智能楼宇是一个新生的事物和概念，作为城市信息网络的节点， 在城市信息化、全球信息化的浪潮中有着重要的地位和作用。目前关于智能建 筑的准确概念国际上尚无统一的定义，美国智能建筑学会( a i b i ) 的定义：即 智能建筑是建筑、装备、服务和经营四要素各自优化、相互联系、全面综合并 达到最佳组合，以获得高效率、高功能与高舒适的建筑物。中国国家标准智 能建筑设计标准( g b 厂r 5 0 3 1 4 2 0 0 0 ) 中智能建筑( i b ) 的定义是：它是以建筑 为平台，兼备建筑设备、办公自动化及通讯网络系统，集结构、系统、服务、 管理及它们之间的最优化组合，向人们提供了一个安全、高效、舒适、便利的 建筑环境。综合看来，所谓智能建筑，是指通过对智能建筑的四个基本要素。 即结构、系统、服务、管理以及它们内在联系，以最优化的设计，采用最先进 的计算机技术、控制技术和通信技术，建立一个计算机系统管理的一体化集成 系统，提供一个投资合理，拥有高效率的优雅舒适、便利快捷、高度安全的环 境空间( 包括人类的生产、生活等空间) 。其中结构和系统方面的优化是指将4 c 技术( 目p c o m p u t e r 计算机技术、c o n t r o l 自动控制技术、c o m m u n i c a t i o n 通信技术、 武汉理工大学硕士学位论文 c r t 图形显示技术) 和集成技术( i n t e g r a t i o n ) 综合应用于建筑物之中，在建筑 物内建立一个计算机综合网络，使建筑物智能化。 智能建筑的基本组成模型包括楼宇自动化系统( b a s ，b u i l d i n ga u t o m a t i o n s y s t e m ) 4 4 】、通信网络系统( c a s ，c o m m u n i c a t i o n a u t o m a t i o ns y s t e m ) 及办公自动 化系统( o a s ，0 岱c e a u t o m a t i o ns y s t e m ) ，三者需通过综合布线系统g c s ( g e n e r i c c a b l i n gs y s t e m ) 年 1 计算机网络技术进行有机集成( 俗称大3 a 集成) ，是以管理为 目的所做的管理系统集成。其中楼宇自动化系统是智能建筑存在的基础；通信 自动化系统是沟通建筑物内外信息交流的纽带；办公自动化系统则向人们提供 方便快捷的工作和生活环境。 智能建筑是社会信息化与经济国际化的必然产物，是以计算机和网络为核心 的信息技术向建筑行业的应用与渗透。智能建筑完美地体现了建筑艺术与信息 技术的结合【2 。一般来说，智能建筑包括智能大厦和智能住宅小区两大类。 1 1 2 国内外发展概况 智能建筑的发展始于2 0 世纪8 0 年代，其概念最早是由美国人首先提出的， 1 9 8 4 年，世界上第一座智能大厦( i b ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 在美国康州( c o n n e c t i o n s t a t e ) h a r t f o r d 市建成，这标志着智能建筑发展的起步。从那以后，世界各地陆 续兴建起许多的智能大厦，世界各地的智能建筑方兴未艾。据有关方面统计， 美国的智能建筑已经超过万栋，日本新建的大楼中6 0 是智能建筑。发达国家 智能建筑决不以运用新技术来提高建筑物的身价【3 】。建筑物的节约能源和保护环 境已成为国外智能建筑发展必须考虑的首要前提和最重要的条件。发达国家的 智能建筑发展到今天，已经不是单纯的高新技术产品的简单合成，而是采用高 科技来实现人的需求，改善和提高人工环境的品质，更好地为人服务，这也充 分体现了“以人为本”的思想。在发达国家，智能建筑的发展完全是一种市场 行为，业主行为的结果。 纵观我国智能建筑【1 4 】的发展，虽然一些智能化子系统早在8 0 年代就开始进 行了设计和实施，但真正在建筑界广泛进行规划和设计也只有几年的时间，就 是说从9 0 年代初，我国基本建设发展的高峰期间，智能建筑概念才逐渐被广大 业主、房地产开发商以及设计人员理解、认识和接受，并开始着手进行设计和 实施。自从1 9 9 6 年初上海召开了我国第一次智能建筑研讨会后，建筑行业才真 正有系统、有目标地在这方面进行工作，并开始提出对各子系统的集成问题 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 我国的智能建筑的起步较晚，但是发展很迅速。近年来在北京、上海、广 州等犬城市，相继兴建起许多具有相当水平的智能建筑。如北京的京广中心、 新华社办公大楼、上海花园酒店、广州中信广场、证券大厦等【4 l 。我国智能建筑 的发展呈现了巨大的市场潜力，这也使人们在认识上易产生误区，加之管理跟 不上，从而导致在当前智能建筑的建设中出现了不少问题。智能建筑技术应用 的整体水平不高，地区发展不平衡，产业化水平很低，相关技术尚不适应市场 需求与管理滞后等许多矛盾有待解决。 1 2 建筑智能化系统集成 1 2 1 建筑智能化系统集成的目的和意义 智能建筑发展的初期，各个子系统规模小、控制对象少而简单，各个子系 统间彼此相对独立，人工可以完成信息的传递，设备的维护和管理，但是随着 智能建筑中各个系统规模的扩大，智能建筑功能实现更多的需要各个子系统之 间以及建筑物内外的信息传递和共享，加上建筑物内大量各类信号的传输线缆 的铺设，给管理维护带来了极大的不便。 智能建筑被称为“数字城市”、“形象工程”在现代城市建设中的地位日趋 重要。由于技术发展的加速，特别是数字技术的高速发展，以前开发商还把楼 盘配有智能化系统当作卖点，而现在没有智能化系统则成了缺点。目前，居住 园区或大厦的建设将智能化系统当作基本配置。 目前，建设中的智能大厦，多数都不能将大厦各个子系统的管理集成在一 起。这种分开管理的局面，形成了一些相互脱节的独立系统，各子系统之间的 硬件设备大量重复冗余，操作和管理人员需要熟悉和掌握各个不同厂家的技术， 因而造成了系统建设、技术培训及维修的高额投资和系统效率的低下。实现智 能化建筑的核心技术方法是系统集成，系统集成是智能建筑的关键。 国家标准中对系统集成( s i ，s y s t e m i n t e g r a t i o n ) 的定义是：将智能建筑内不同 功能的智能化子系统在物理上、逻辑上和功能上连接在一起，以实现信息综合、 资源共享和设备的互操作。简单地说，系统集成是指用软件“集成”硬件地过 程，是使综合统筹达到最优化的设计过程。 建筑智能化系统集成的目的 武汉理工大学硕士学位论文 智能建筑的一体化集成管理能力是智能建筑最重要的特点，也是区别智能 建筑与传统建筑的一个重要分水岭，在一定程度上反映了智能建筑的“智商” 程度。 系统集成是指在一个大系统环境中，为了整个系统的协调和优化，在相同 的总目标之下，将相互之间存在一定关联的各子系统，通过某种方式或技术结 合在一起嘲。而建筑智能化系统集成就是将智能建筑中分离的设备、功能、信息 通过计算机网络集成为一个相互关联的、统一协调的系统，实现信息、资源、 任务的重组和共享，创造一个安全、舒适、高效、便利的工作环境和生活环境。 建筑智能化系统集成不是目的，也不是一套系统、设备、软件，而是一种 思想、方法和技术手段。 建筑智能化系统集成的意义 1 ) 通过对智能建筑各子系统进行系统集成，可以对各个子系统进行集中监 控，从而提高管理和服务效率、节省成本、降低运行和维护费用。 2 ) 通过建筑智能化系统集成，可以优化总体设计，减少各个子系统中的硬 件和软件的重复性投资。 3 ) 由于建筑智能化系统集成采用统一的硬件和软件结构，更易于操作和管 理人员掌握其操作和维护技术。 4 ) 建筑智能化系统集成为业主或租赁户提供高效率、高质量的物业管理服 务，提升建筑物的档次，实现建筑物售前升值和售后保值。 5 ) 建筑智能化系统集成为业主或租赁户提供一条建筑物内外四通八达的 信息高速公路。 1 2 2 建筑智能化系统集成的一般方法 系统集成技术是智能建筑的核心技术 4 ”。 1 建筑智能化子系统的互连方式 智能建筑中的各建筑智能化子系统是由不同厂家生产制造的，很难把它们 直接互连起来。从通讯角度看，需要采用某种互连方式把这些分离的由不同厂 家生产的子系统设备互相连接起来，以实现子系统内部和子系统之间的集成。 常用的互连方式有以下几种： 1 ) 硬接方式 这种方式是早期系统集成的手段，现在很少应用。该方式是通过增加个 设备子系统的输入输出接点或传感器，接入另一个设备子系统的输入输出接 武汉理工大学硕士学位论文 点进行集成。 2 、串行通讯方式 将现场控制器加以改造，增加串行通讯接口( 如r s - 2 3 2 c 、r s 一4 8 5 等) ，使 之可以与其它设备子系统进行通讯。设备子系统之间的信息交换通过通讯协议 的转换实现。 3 1 基于特定b a s ( 建筑设备自动化系统，b u i l d i n ga u t o m a t i o ns y s t e m ) 平台 的内部子系统互连方式 b a s 供应商将其产品和计算机技术紧密结合起来，使b a s 可以通过计算 机网络连接其集成子系统，由此产生了以b a s 为平台的系统集成方式。这种集 成方式相对于前两种集成方式来说是一个较大的进步，系统集成度和功能明显 得到提高。然而，以特定b a s 为平台进行系统集成的方式仍然存在明显的缺点： 各个供应商的b a s 是一个相对封闭的系统，缺少向上的开放能力，b a s 与其 它设备子系统的接口设备和接口软件也只局限于特定产品和型号，因此系统集 成能力有限而且维护、升级成本高。 4 ) 子系统之间的平等互连方式 按照子系统平等方式进行系统互连，是一种更为先进的解决方案。这种子 系统互连方式通过建立管理层网络，将各子系统视为下层现场控制层网络，并 都以平等方式连接。在管理层网络，各子系统的实时数据，通过开放的工业标 准接口( 如o d b c 等) 转换成统一的格式存储在数据库中，管理层网络通过调度 程序对各予系统实现统一管理、监控及信息交换，如图1 1 所示。 数据库 服务器 协议转换器【 l 协议转换器 楼宇电气设各ll 水资源设备 监控子系统 il 监控子系统 图l 一1 子系统平等互连方式 一 ti土，fi尘 武汉理工大学硕士学位论文 5 ) 采用开放式标准实现互连 采用开放式标准的开放式系统是实现设各及予系统之间无缝连接的最好办 法，开放式系统中的所有部件均以公开的工业标准技术制造。由于系统符合公 开的工业结构，因而即便是不同供应商的产品也可以组合，从而实现不同设备 及系统无缝连接，它具有三个特点： 系统的技术规范是所有供应商共同遵守的； 同样功能的部件虽由不同厂家生产，但可以互相替换，可以互操作； 符合标准的系统之间可以直接互连。 采用开放式标准实现系统集成，是目前各建筑设备自动化子系统集成的主 要方式，通常采用的有l o n m a r k 和b a c n c t 两种开放性国际标准。 2 建筑智能化子系统的集成模式 根据智能建筑工程的具体系统环境和集成要求，从功能集成角度看，建筑 智能化子系统之间常采用以下几种集成模式： 1 ) 子系统集成 所谓子系统集成是指对o a s 、c n s 、b a s 三个子系统设备各自的集成，这 是实现更高层次集成的基础。 0 a s 集成：办公自动化系统集成把不同办公设备和系统通过网络方式集成 为一体，将语言、数据、音像、文字处理等功能组合在一个系统中，使办公室 的日常事务处理和行政管理更科学化、效率更高。 智能建筑物业管理系统属于智能建筑办公自动化系统范畴，基于w e b 的智 能建筑物业管理系统集成如图1 2 所示。 在智能建筑中，建筑智能化系统集成的前提信息的集成，并在此基础上实 现协调与优化等目标。因此，w e b 技术在智能建筑中的应用领域己从客户通过 互联网去查询和获取信息，发展到可直接用于智能化系统的集成之中。而在智 能建筑的o a s 系统集成中，采用i n t e r n e t i n t r a n e t e x t r a n e t 技术，亦可使智能建 筑内部、智能建筑与智能建筑之间以及智能建筑与外部之间形成快速、方便的 连接和沟通，从而大大提高工作效率。 c n s 集成：将程控电话系统、数据通信与计算机网络系统、音像系统、卫 星通信系统等以p a b x 为核心进行集成。 b a s 集成：上层通过集散控制系统或现场总线控制系统，由中央监控计算 机进行监视管理，下层由d d c 进行现场控制，配电、照明、暖通空调系统、 武汉理t 大学硕士学位论文 给排水 图l 一2 基于w e b 的智能建筑物业管理系统集成 2 ) b m s 集成模式 这种集成模式一般是通过b a s 平台实现b a s 与火灾自动报警系统、安全 防范系统之间的集成，以增加信息通信、协议转换、控制管理模块，实现对于 f a s ( 消防自动化系统，f i r ea u t o m a t i o ns y s t e m ) 、s a s ( 安防自动化系统，s a f e t y a u t o m a t i o ns y s t e m ) 的集中监视与联动，如图1 3 所示。各子系统以b a s 为 核心，通过b a s 的中央监控计算机上实现联动功能。国内目前大部分智能建筑 采用这种集成模式。 图1 3 b m s 集成模式 b m s 系统一般采用两层网络结构，上层为主要用于集中监视、信息管理的 管理层网络；下层为主要用于现场设各监控的控制层网络。b m s 网络连接所有 的设备监控子系统和监控信息点。 a ) 管理层网络 管理层网络通常采用以太( e t h e r n e t ) 局域网，把所有b m s 监管工作站、数 吾酉矛 武汉理工大学硕士学位论文 据库服务器、设备监控子系统接口设备等连接在这一层网络上，并把所采集的 监控信息及时地反映到b m s 系统上来，而b m s 系统也可通过这一层网络传 输程序、指令等信息到有关的子系统和相关现场监控设备。 管理层网络可连接多个管理子系统。用户不但在监控中心可监视和管理整 个b m s 系统，也可在网络的范围内设立多个监控中心，分部门方便地管理b m s 的各子系统。连接多个管理分中心，可作为b m s 系统的热备份，如其中任何 一个主机出现故障，其它分中心设备可作为备份立刻取而代之。 控制层网络 控制层网络主要是在控制网与信息网之间的协议转化器与各现场监控设备 之间建立网络连接，实现监控信息的采集、转换、传输和控制。控制层网络根 据厂家的不同，多采用a r c n e t 令牌总线网、r s 一4 8 5 串行总线网、工业以太 网和l o n w o r k s 现场总线网等。 3 1 以b a 和o a 为主，面向物业管理的集成模式 这种集成模式将b m s 、o a s 以及一卡通系统和程控电话系统等系统进行 了集成，主要是实现o a s 及b m s 的集成。如图1 4 所示。 图1 4 以b a 和o a 为主的集成模式 其中属于o a s 的物业管理系统( f m s ) 包括租赁管理、维护管理、收支管理、 访客管理及电子公告牌、电子邮件、会议室安排、多媒体信息查询等功能；b m s 实现设备的自动监控和管理，这些建筑设备包括电力、照明、电视监控、智能 卡、火灾报警、安全防范、p a b x 费用计费器、电子公告牌、停车场等设备； 对c n s 只集成了队b x 的计费功能。 武汉理丁大学硕士学何论文 4 1 采用数据库集成方式 即通过读取子系统的数据库系统来获得子系统的运行数据实现子系统集 成。这种方法比较简单，也可以部分地实现集成的目的。但是集成实际上是一 种“伪集成”，子系统的数据流向并没有真正地流向上层管理系统，并没有实现 真正的底层的数据交流。而且采用这种方式对子系统的要求比较高，子系统必 须保留子系统的管理主机，一旦子系统没有数据库或者数据库系统不开放，则 这种方式就不能使用了。 5 ) 一体化集成模式 一体化集成模式就是要建立智能建筑管理系统i b m s ( 智能建筑综合管理系 统，i n t e l l i g e n tb u i l d i n gm a n a g e m e n ts y s t e m ) ，如图1 5 所示。i b m s 把b m s ( 建 筑设备管理系统，b u i l d i n gm a n a g es y s t e m ) 、o a s ( 办公自动化系统，o f f i c e a u t o m a t i o ns y s t e m ) 、c n s ( 通信网络系统，c o m m u n i c a t en e t w o r ks y s t e m ) 等各子 系统集成到个相互关联的统一协调的系统中，以便对各类信息进行综合管理。 体化集成使整个智能建筑能够在统一的计算机网络平台上运行和操作同一界 面的软件，实现集中监视、控制和管理功能。 图l 一5 智能建筑管理系统i b m s 经过近2 0 年的发展，智能建筑已经从单一的集成走向网络化集成。但是对 系统集成的研究还停留在独立的，偏重实用性阶段，从而使每个工程都是根据 不同的产品而设计，没有给出一个通用性的、具有普遍指导性的设计准则。随 武汉理工大学硕士学位论文 着智能楼宇性能的不断提高，功能不断增加，对系统设计的要求也随之提高。 这就使系统集成技术的理论研究显出其重要性。目前虽然出现了很多成熟的技 术方案，但是这些研究大都集中在应用层面，在理论上的总结和研究探讨相对 还比较少。 1 2 3 建筑智能化集成存在的问题 智能建筑多包含h v a c 系统、电梯控制、消防、出入控制系统等多种系统 和设备，这些系统和设备通常来自各个不同的供应商，他们仅仅关注自己的设 备的应用，并不顾及他们的设备和系统与其它予系统的互联。为了实现多种不 同系统间的通信和互动使得设施管理人员不得不操作多个系统界面，设备的管 理不能发挥最大的效应。另外，这些子系统的封闭特性也大大限制了在系统扩 建和改造时对产品的选择性。 这种限制主要体现在以下几个方面：【5 2 9 】 1 ) 设备选型受到很大限制，不能根据性能和价格随意选择产品和供应商， 系统部署后，维修配件供应得不到保障，后期设备维护费用高，对产品和供应 商存在很大的依赖型。 2 ) 用户必须面对不同的用户界面来管理不同的子系统，大大降低了生产 率，同时大幅度提高了管理人员的学习负担。 3 ) 各个子系统间不支持互动，增加了操作复杂性。一个典型的例子是火灾 自动报警系统和h v a c 系统之间的互动。当火灾自动报警系统探测到火警时， 需要改变风门的位置、关掉风扇或加快风扇的速度来消除烟雾，这就需要系统 互动的支持。 4 ) 信息和通信媒体共享困难。各个子系统不能共享设备信息，而且各个子 系统必须采用各自的通信线路，造成信息和通信媒体都无法共享。 5 ) 系统层和信息层扩展困难。由于采用各自的接口和通信协议，信息集成 困难，甚至在扩展系统功能时需要更换掉整套设备，投资得不到有效的保护。 因此，建筑智能化系统集成迫切需要通过标准协议来解决系统集成存在的 这些问题，虽然迄今为止还没有一种能被所有供应商和业主都接受的统一的标 准，但目前存在一些应用比较广泛的技术，如现场总线技术。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 1 。3 课题的背景和意义 正如本文1 2 1 所述，智能建筑发展的初期，各个子系统规模小、控制对 象少而简单，各个子系统间彼此相对独立，信息共享主要依赖于手工传递，维 护管理工作处于半自动化状态。但随着现代通信、计算机及其网络技术的飞速 发展，智能建筑中的各个系统正向着规模大、控制对象多且分散的方向发展， 这对智能建筑内各个子系统之间以及建筑物内、外对信息传递速率和共享程度 提出了更高的要求。同时由于建筑物内语音、数据和控制等各类信号的传输线 缆大量重复的铺设，也给管理维护带来了极大的不便，所有这一切都对智能建 筑的发展提出了新的挑战，需将智能建筑中各类设备和子系统通过一定的技术 方式集成在一起，于是产生了建筑智能化系统集成这一新的概念和技术1 3 ”。 建筑智能化系统集成就是将智能建筑中分离的设备、功能、信息通过计算 机网络集成为一个相互关联的、统一协调的系统，实现信息、资源、任务的重 组和共享，创造一个安全、舒适、高效、便利的工作环境和生活环境。 建筑智能化系统集成初期所采用的是传统的集散控制系统c s ：d i s t r i b u t e c o n t r o ls y s t e m ) ，在d c s 走向成熟与完善并在智能建筑领域得到承认和应用的 9 0 年代，出现了现场总线技术( f i e l d b u s ) 及基于现场总线技术的新一代控制系统 ( f c s ：f i e l d b u sc o n t r o ls y s t e m ) 。出于对网络开放性、可互操作性的要求，制定 统一的总线标准不仅是应用的需要，也是发展现场总线这一工业通信技术的初 衷。目前具有影响的现场总线除了包括i e c ( 国际电工委员会1 通过的8 种类型 o e c 技术报告即f f 的h 1 、c o n t r o l n e t 、p r o f i b u s 、p - n e t 、f fh s e 即f f 的h 2 、 s w i f i n e t 、w o r l df i p 、i n t e r b u s ) p b ，在智能建筑中经常采用的还有d e v i c e n e t 、 c a n 、l o n w o r k s 和h a r t 等 6 1 。 面对众多现场总线的格局，供应商不得不各自开发自己专用的硬件和软件 方案，在目前市场上，基本上所有的过程控制系统都有其专用的技术、接口以 及a p i ，目的在于实现不同系统之间的集成，由此也造成了系统维护的复杂性 以及昂贵的维护费用。尽管可以编写定制的驱动程序和接口程序，但因为上千 个不同类型的控制设备和软件包需要相互通信，使得驱动程序的种类迅速地增 长。驱动程序的激增造成了系统集成的复杂性，如图1 6 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图1 6 多种总线互连的复杂性 驱动程序的激增还带来另外诸多问题，如不同设备供应商的驱动程序之间 的不一致、硬件性能得不到广泛支持、驱动程序不能适应升级后的硬件以及发 生存取冲突等；另一种情况是两个应用系统因为使用相互独立的驱动程序，因 而通常不能同时访问同一设备，更糟糕的是驱动程序不适用于特定设备的应用 程序或部分应用程序的组合，这限制了最终用户的选择或不得不编写自己的驱 动程序。长期以来，人们一直期盼着总线标准的统一，并为之付出了巨大的努 力。然而由于技术、社会、经济的种种原因，现场总线国际标准化的工作一直 是步履艰难。要求形形色色、需求各异的系统达到完备的天下一统，在技术上、 经济上存在尖 锐的矛盾，至少在短期内难以达到目标。在此背景下，各楼宇自控公司推出的 产品其通信协议不同，造成通信速率、编码格式、同步方式、通信规程也各不 相同，因此很难实现设备间的互操作和系统的互连。这使得用户在选择的范围、 灵活性及互换性上受到极大限制，常常被“锁定”在某一种产品上，最终造成 系统的性能和投资效益遭受损失。为了实现系统的开放性，代价是十分巨大的， 例如，需要编制专门的通信接口，需要设立通信网关等以求得在不同制造商和 不同设备之间实现数据交换，所以早期系统的开放性升级改造是相当困难的， 即使如此，人们还在做着种种努力。如今，出现的一些针对智能建筑系统集成 而开发的工业标准，例如l o n w o r k s | 7 l ，b a c n e t t 8 】等，为建立开放的环境提供了条 件，但这些标准主要针对设备层，只有当所有设备都符合这个标准才可以实现 系统之间的互操作，这样的互操作性基于硬件平台，有一定局限性。该问题的 一种可行的解决方案是需要一种标准的框架和软件架构，这种架构是建立在 i n t e m e t 的标准之上的，允许独立的软件开发者编写能应用与各种系统( 包括不 同厂商的竞争型系统和同类型系统) 的应用程序，而且它还应包含现存的标准 现场总线协议( b a c n e t ，l o n w o r k s ，e i b ，等) ，同时还能完全支持早期系统。因 此这种架构能提供不同协议间的通信，使得智能建筑的每一系统、每一个设备 能够自由的连接和通信，而且它可以使系统及设备之间、控制层与管理层之问 武汉理上大学硕士学位论文 实现更远距离、完全无缝的真正开放和方便地进行企业级的通信成为可能。由 t r i d i u m 公司提出的b a j a ( b u i l d i n ga u t o m a t i o nj a v aa r c h i t e c t u r e ) 标准就是一 个致力于楼宇自动化和智能建筑系统集成，创建开放的j a v a 平台的标准。作为 一种体系结构，b a j a 以j a 、n 为基础技术，提供了一个与生产厂家无关的，采 用i n t e r n e t 技术，面向对象和过程的自动化集成平台。b a j a 拥有全系列的应用 软件组件，这些软件的设计充分考虑分享强大的互联网优势，支持真正的即插 即用，实现各厂商产品间的互操作。 综上所述可以看出，对基于b a j a 结构的建筑智能化系统集成的研究具有重 要意义。 1 4 课题主要研究的内容 本课题的研究内容包括以下几个方面： 1 ) 建筑智能化系统集成的内容和方法。由于智能建筑的发展，使得建筑智 能化系统集成的内容不断增加，集成的技术不断更新，因此课题对此需要进行 研究。 2 ) 建筑智能化系统集成的技术特点以及研究本课题所需要的基础技术，比 如j a v a 技术、现场总线技术等。 3 ) n i a g a r a 技术的特点及优势。 4 ) b a j a 结构的产生背景、特点及其发展动态以及b a j a 应用于建筑智能 化系统集成的优势。 5 ) 基于b a j a 结构的某大厦智能化系统集成的实现。 本文第1 章对研究对象智能建筑作了简要的叙述，介绍了建筑智能化系统 集成的内容和方法，分析了当前建筑智能化系统集成存在的问题，并且简