基于物联网和大数据的智能建筑健康信息服务管理系统构建

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  • 更新时间2018-11-14
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  摘要:健康信息服务是智能建筑持续运行的支撑条件之一。分析界定智能建筑健康信息服务管理的概念及内涵,阐述智能建筑相关方的需求;提出基于物联网大数据的智能建筑健康信息服务管理系统的功能,分析设计健康信息服务管理的物联网部署和大数据处理模型,形成智能建筑健康信息服务管理系统的集成框架。


  关键词:智能建筑;物联网;大数据;健康信息;服务管理;


  作者简介:何愉舟,男,生于1992年,浙江宁波人,硕士研究生,研究方向:建设管理与房地产。;韩传峰,男,生于1962年,山东寿光人,教授,博导,研究方向:管理系统与系统工程、应急管理、区域发展等。


  1引言


  随着信息技术的突飞猛进,提升建筑管理智能化水平,强调以信息化领先发展与带动战略,建设以数字化、网络化、智能化为主要特征的智慧城市,已成为目前我国重要的城市发展战略之一。作为智慧城市的主要组成部分,智能建筑的健康信息服务管理是其重要环节。


  物联网被看作是全球信息产业继计算机、互联网之后的第三次革命性浪潮,也是国家战略性新兴产业之一——新信息技术中的重点领域。利用物联网掌握的智能建筑大数据有利于支撑创建畅通、高效、智能的建筑综合管理信息系统,为智能建筑健康提供诊断和维护等服务,对推动信息技术与城市发展全面融合,实现城市智能管理,建设智慧城市,具有重要的理论意义和应用价值。


  本文分析智能建筑健康信息及其服务管理的概念,探讨该系统所具备的基本功能,并基于物联网与大数据技术设计智能建筑健康信息服务管理的实现框架,为提高我国智能建筑的管理水平开拓新思路。


  2智能建筑健康信息服务管理内涵及系统设计


  2.1健康信息服务管理内涵


  “健康”原本是指人体健康,但在建筑、环境、机械等领域均衍生相应的概念,如结构健康,生态健康等。智能建筑健康信息服务是指依据智能建筑的特性,利用工程管理、设备管理、信息管理、公共管理等专业理论,将反映建筑运行健康状况的有效信息,提供给智能建筑相关人员的过程。智能建筑健康信息服务管理即是指在健康信息服务的基础上,利用物联网大数据等新信息技术,实现智能建筑健康状况的诊断、诊疗、预见等功能,对健康信息服务进行全过程管理。


  2.2健康信息服务管理系统设计目标


  作为未来智慧城市建设的重要组成部分,以实现城市智能化网络化管理为导向的智能建筑健康信息服务管理系统构建需满足和体现以下基本要求和特点。


  2.2.1实现智能建筑信息的一体化


  智能信息一体化有智能建筑自身物理信息集成和相关的非物理信息集成两个方面。物理信息包括结构监测信息、空气环境信息、光环境信息等,将建筑物理信息进行整合与利用,是创建建筑健康使用环境的保证。非物理信息包括运营现金流、房价地价信息等,以及体现人类主观判断的人为加工信息。随着信息服务水平的不断提高,社会上各种建筑及房地产信息数据库已经应运而生,将这些智能建筑的“软信息”与自身物理信息的一体化是实现健康信息服务的重要台阶。


  2.2.2实现智能建筑城市网络


  为使建筑信息达到集成和共享,产生规模效应,并由政府统一管理监督,实现管理水平的提升,智能建筑信息网络应以覆盖和连接一个行政区域甚至一个城市内的智能建筑为基本要求。


  2.2.3实现服务对象的多主体并联


  智能建筑健康信息服务管理的参与者有政府、建筑管理者、建筑使用者三个主要层次。该系统需同时服务于三者,在满足同系统同功能的同时,通过权限设置满足各方实际需要,实现层次化管理。


  2.2.4实现物联网与大数据等新信息技术的应用


  实现智能建筑信息网络构建、信息采集、信息计算,需要强大的信息采集能力、信息交互能力和数据计算能力,并为这些需求提供保证。


  2.3健康信息服务管理参与者需求分析


  智能建筑健康信息服务管理的参与者有政府,建筑管理者,建筑使用者三个层次,其角色与关系见图1。


  2.3.1政府需求


  政府有关机构是智能建筑健康信息服务的对象之一。信息服务过程中产生的大量数据为政府机构协调各生产部门的运作以及政策制定提供帮助;同时,政府相关机构又是智能建筑健康信息服务管理的推行者和构建者。从政府层面看,其需求包括两个,一是对大量建筑信息数据进行整合,通过数据挖掘、处理和计算,产生各种分析报告,为制定政策实施管理提供帮助;二是对整个城市的智能建筑系统进行监管,如人事管理、行政管理、维护系统硬件等。政府相关职能机构要制定一套完整的政策法规明确各方的权限,维护各方权益,并通过智能建筑信息网络及时发现和解决问题。


  2.3.2建筑管理者需求


  建筑管理者是智能建筑健康管理主要的实施者和管理者,因此,智能建筑信息服务管理系统给建筑管理者提供的主要功能,应围绕中微观层面的智能建筑系统,实现建筑自动化、智能化管理。例如,对建筑保持实时监控、采集管理权限内的建筑信息、分析运营数据、向建筑发送指令、向住户反馈状况等。


  2.3.3建筑使用者需求


  建筑使用者在智能建筑健康信息服务管理中主要是被服务和被管理的角色。他们一方面是建筑的直接使用者,建筑健康管理的直接受益者;另一方面也是智能建筑健康信息服务管理的参与者。建筑使用者可以随时获取自己所处房屋的状态,并通过远程发送命令进行控制,这将是建筑使用者对于系统需求的主要方向。


  2.4智能建筑健康信息服务管理功能构成


  功能模块是从智能建筑信息发展到智能建筑信息服务管理的关键层次。根据智能建筑健康信息服务的实际需求,可归纳为如下六大功能。


  2.4.1智能建筑健康监控


  实时监控是保证建筑健康环境的基本功能。智能建筑相关人员可以通过PC、手机、平板电脑等移动终端实时地看到其权限范围内所关心的任何一个子系统的任一个设备或关键点的状态,以图形、文字或动画的方式显示出来。


  监控权限的设置是很重要的:建筑使用者需要以及可以观察到的监控内容是他自己居住或工作区域的相关信息,这部分内容可能会涉及到较高的个人隐私,不能被其他人获得;建筑管理者需要监控的是他们负责或管理的建筑内的公共区域场景,而对于建筑的运营信息,则可以全部获取;对政府来说,重要交通干道的实时画面是监视的主要内容,它们是城市公共安全的基本保证。若发生了具体的治安案件,则应有一套必要的法律流程使政府获得监控公私隐私信息的权限。


  2.4.2智能建筑健康档案


  从各种渠道获得的大量智能建筑信息经过集成、去噪、分类、储存形成健康档案数据库。该数据库可依据智能建筑系统分类并细化,产生具体针对某一种信息的数据档案。智能建筑健康信息主要包括三大层面:1建筑设备设施健康信息:建筑设施设备健康指建筑实体结构与基本设备是否能够正常、安全的运行。智能控制、安保设施、停车场设施、电梯设备等与建筑运营管理关联性较高的次级需求归于建筑运营健康信息。2建筑环境健康信息:建筑环境健康强调的是人类在建筑生产生活环境中对于舒适程度的体验和反馈,是对建筑环境本身的评价,有主观判断和客观数据两方面要素。3建筑运营健康信息:建筑运营本身指建筑施工完成后在围绕建筑生产生活中进行的计划、组织、实施、控制等活动。建筑运营健康强调的是建筑运营过程中的高效性、安全性、可持续性。


  智能建筑健康档案数据库需要有较高的硬件水平,提供巨大的储存空间和高速的信息读写速度,以满足建筑健康信息的即时传输、储存和查询。每一条建筑信息都可以追溯到采集的时间、地点。


  2.4.3智能建筑健康诊断


  健康诊断是进行智能建筑健康信息服务管理的关键功能。利用传感设备采集的即时数据和数据中心的分析系统,通过即时数据和历史数据的比较和分析,可以立刻对智能建筑的运行状态进行诊断,发现建筑运营中出现的问题,并精确定位到出现问题的时点、位置。具体则可以形成各种诊断应用,如建筑能耗分析、建筑结构分析、建筑日照分析、建筑空气分析等等,作为政府、建筑管理者、建筑使用者行动的依据。


  2.4.4智能建筑健康遥控


  健康遥控是从建筑使用者角度实现健康管理的功能。建筑使用者通过移动终端远程监视建筑的状态并对建筑发出指令的概念很早被提出,目前在技术实现上已经没有任何难度。结合智能建筑健康监控、智能建筑健康档案和智能建筑健康诊断,建筑使用者可以主动通过移动设备向智能建筑发出指令,遥控建筑的各个设备,如开关窗户、提前打开空调等等;或是接受到建筑管理者发送的建议或要求配合进行遥控(因为建筑管理者不具有给私人所有物发出指令的权限)。


  2.4.5智能建筑健康诊疗


  智能建筑健康诊疗是建筑管理者需要的功能。对建筑管理者而言,他们管理的范围是一整栋建筑或是一个小区,智能建筑运行过程中会面临一些常发或突发情况。健康诊疗即管理者依据智能建筑运行状况直接向建筑下达控制指令,调整设备的工作参数或从物业组织管理角度入手优化建筑运营管理。管理者应充分利用各种资源信息,制定诊疗方案。


  2.4.6智能建筑健康预见


  智能建筑健康预见是提升城市建筑智能化管理水平的核心理念。政府的相关职能单位不会关注每一个建筑个体的运营情况,它们需整合所有的信息对城市进行宏观管理。智能建筑健康预见,指的是依据现有的智能建筑健康信息,掌握城市建筑的运营状况,形成对智能建筑管理各方面经验的总结和对城市建筑未来发展的预测,制定相关法律法规,实施具体行政手段,最终实现城市管理水平的提升。


  3基于物联网的智能建筑健康信息网络


  3.1智能建筑信息物联网构架


  物联网是指物体通过各种信息传感设备,按约定的协议与互联网相连,形成能让物和物直接进行信息交互的智能网络。依据智能建筑系统的特点属性,本文构建智能建筑健康信息服务管理物联网。由感知层、网络层和应用层三层组成,见图2。


  3.1.1感知层


  本层由采集智能建筑信息的设备组成,是物联网的基础层,主要用来感知和识别反映建筑状况的物理信息。常见的传感器包括结构检测仪、温度传感器、空气检测仪、监控摄像头、电子标签、地面沉降监测仪,以及GIS、GPS等技术。


  3.1.2网络层


  网络层是各种通信网络综合形成的融合网络,使信息、数据与指令能够在感知层与应用层之间传递。它主要包括互联网、移动互联网、局域网以及行业专用通信网等。针对智能建筑健康管理的信息服务专网可以以城市为一个整体,条件允许也可建立以国家为整体的网络系统。


  3.1.3应用层


  应用层将物联网技术与智能建筑健康信息服务需求相结合。布局分为智能建筑健康管理子中心、智能建筑健康信息大数据中心。智能建筑健康管理子中心可以一个小区为基本管理单位,即时或定时保存感知层采集到的各类智能建筑数据。智能建筑健康信息大数据中心则是将大范围内、许多小区的建筑信息集合到一处,统一储存和运算分析。智能建筑健康信息服务应用即对大数据中心集成的大量数据进行计算分析和开发应用,满足各专业的业务需求,形成不同类型的信息服务,为智能建筑健康管理提供帮助。


  3.2智能建筑物联网的物理部署


  以城市为框架的智能建筑健康信息服务管理物联网部署示意图,见图3。它以城市智能建筑健康信息大数据中心为核心,行政区所为分节点,以小区为智能建筑健康管理子中心单位,再往下则为智能建筑及具体的数据采集设备。


  4基于大数据的智能建筑健康信息处理


  智能建筑健康信息管理过程中会产生海量数据,有效的利用它们能创造巨大的经济和社会效益。大数据处理过程中常用的技术包括数据挖掘、分布式数据系统、云计算、数据可视化等。本文提出针对智能建筑健康信息服务管理的大数据处理模型,分为数据采集、数据集成、数据分析三个层次,见图4。


  4.1数据采集


  数据采集是大数据处理过程中最基础的一步。智能建筑信息大数据的特点是数据来源广泛、种类繁多。这些数据有结构化的,也有半结构化和非结构化的,采集数据的精度需要符合现有系统的软硬件条件,避免影响到信息的流通速度和准确性。除了对应基于物联网的数据采集以外,互联网上已有的各种建筑信息数据库也是重要的数据来源。


  4.2数据集成


  数据集成包括对已经采集到的数据进行过滤、整合和储存。由于大数据特点之一就是多样性,从各种渠道获取的数据种类和结构都非常复杂,给之后的数据分析带来很多困难。首先,需要将结构复杂的数据转换为便于处理的统一结构。其次,对数据进行过滤处理,去除数据杂音和干扰。最后,则是集成和储存,可以对应智能建筑健康管理子中心建立信息子数据库,以小区为单位进行集成储存。优点是信息存储传输过程短,数据流量小,同时防止网络故障情况下发生数据遗失。


  4.3数据分析


  数据分析对应智能建筑物联网中的应用层,将海量数据转化为有价值的信息,是实现健康信息服务管理的核心步骤。具体来说,即通过云计算、数据挖掘等一系列大数据技术,把纷繁凌乱的数据整合为有用的信息,利用数据可视化技术直观形象地展现数据的内涵,形成各种应用,如区域建筑能耗分析、建筑结构健康分析、日照分析等等。具体的计算方法和软件编程则由工程技术人员和程序员共同完成。最后,由管理者对数据分析的结果进行主观能动的反应,实现智能建筑健康管理。


  5智能建筑健康信息服务管理系统集成总结


  智慧城市建设与新信息技术发展应用都是当前国际社会最为重视的前沿研究领域。本文以智能建筑为切入点,提出了智能建筑健康信息服务管理概念,分析界定了智能建筑健康信息服务管理内涵,阐述智能建筑相关方的需求,系统提出物联网大数据的智能建筑健康信息服务管理系统的功能,并基于物联网和大数据技术完成了智能建筑健康信息服务管理系统总集成,为我国智慧城市建设开拓了切实可行的新思路。


  图5可全面体现智能建筑信息在对应的物联网层次中的数据处理流程。系统提供智能建筑健康信息服务管理三方需要的数据分析、实时监控、监督管理、建筑自动化等需求,形成区域建筑能耗分析、建筑结构健康分析、日照分析、三维立体地理信息系统、房地产信息系统、地面沉降监测分析、地震监测分析、空气环境实时动态评价、水质环境实时动态评价等各类具体应用,最终实现智能建筑健康监控、健康档案、健康诊断、健康遥控、健康诊疗、健康预见的功能模块。今后针对智能建筑健康信息服务的研究方向包括:考虑落实智能建筑健康信息服务管理体系的科学组织与管理方法;普及、推广、搭建适合于我国智能建筑健康信息服务管理的软件、硬件设备;深入研究基于大数据技术进行智能建筑信息分析的具体方法;进一步研究物联网和大数据从智能建筑领域发展到智慧城市的课题。