智能建筑系统：建筑与技术的融合

摘要

随着建筑与技术的关系不断发展，建筑也在不断发展。智能建筑系统是建筑结构和技术维度的结合。智能建筑中的网络架构依赖于物联网 (IoT) 设备、人工智能 (AI) 和自动化来优化建筑的运营性能、可持续性和居住体验。

本文讨论了智能建筑系统的出现和进步、其特点和技术架构，以及它们对能源效率和可持续性的贡献。它还解决了智能建筑中的互操作性、网络安全和用户界面设计挑战，有助于了解智能建筑的趋势和发展及其对城市中心未来的影响。

1. 简介

技术改变了日常活动和环境，但它也极大地改变了用户与商业和住宅建筑的互动方式。仅仅在建筑中安装传感器和控制设备并不意味着技术系统是“智能”的。它还可以通过选择词语来表示多种含义：智能、自动化、自适应、响应、良性，甚至意识。无论术语多么复杂，“智能建筑系统”的框架对于建立基础理解至关重要。

在城市环境中，建筑约占电力消耗的 75%，建筑的重点最近已从设计美学和适应人类活动的特征转向提高建筑的运行效率。为此，控制供暖、制冷、通风、空气质量和照明的机械系统配备了控制装置，允许技术自动化其运行，而不是依靠用户手动调整设置。然而，单靠自动化并不能确保效率，这是因为所有机械系统都根据预设的时间表或静态规则控制功能，而与占用情况无关。

2. 智能建筑系统的定义和范围

当满足以下标准时，建筑物可被视为“智能”：（i）基本建筑系统具有相当程度的自动化或人工智能，（ii）建筑系统联网并具有相当程度的连接性，以及（iii）智能系统的设计尽可能以用户为中心。

建筑与技术的融合是智能建筑系统的一个重要方面。建筑系统可以定义为具有预定功能的设计和建造实体。建筑是一种物理建筑，可增强物理建筑系统的性能。智能建筑系统是一种人工智能建筑系统，它集成了物理建筑智能系统及其非物理技术智能系统，以创建一个连贯的整体，利用人工智能来调整和优化其在给定环境中的性能。

智能建筑中常见的系统（暖通空调、照明、安防、视听、消防安全和其他系统）在满足以下一个或两个条件时可被视为智能建筑系统：（i）系统联网或具有相当程度的连接性，或（ii）系统具有相当程度的自动化或人工智能。由于这种融合，智能建筑系统的范围被刻意定义为广泛，以包括建筑中通常遇到的所有系统类型 。由于其复杂性和技术普遍处于新兴状态，智能建筑系统理想情况下应由多学科团队设计和实施，其中包括（至少）建筑师、工程师、计算机科学家和 IT 人员。目标是在智能系统的设计和实施方面进行合作，从最初的建筑和技术设计到技术和产品的选择，再到最终的集成和测试。

出于现实原因，智能建筑系统的设计和实施更常见的是分为不同的学科——通常，一家或两家公司负责建筑和技术设计，另一家公司负责施工。尽管智能系统通常由不同的建筑和技术设计团队设计，但必须了解智能建筑系统的核心是连贯的建筑和技术智能系统综合体。了解这种复杂性有助于避免对智能建筑系统的多功能性产生误解，这可能会在讨论最新技术和辩论替代解决方案时产生问题。

2.1 楼宇自动化系统的演变

机械控制最初出现在建筑物中，始于蒸汽和水暖系统，控制对于保持舒适度至关重要。到 20 世纪 40 年代，许多此类系统都已安装，很明显，建筑物中需要一定程度的控制以节约能源并提高人体舒适度。大多数控制系统都是从手动控制开始的，由操作员监控建筑系统并根据需要进行调整。各种仪表和指示器都集中在一个中央位置，通常称为控制室，操作员站在一个大型控制设备面板前。随着被控制的建筑系统变得越来越复杂，很明显这种手动系统无法满足需求。

例如，20 世纪 30 年代，纽约市最复杂的控制系统是由纽约市立广播系统设计的，主要由一名工程师指导，他从一个建筑连到另一个建筑。第一个自动控制被实施，旨在保持歌剧院的舒适度。该市的控制大楼实施了几种控制系统，最终建造了一个中央站来容纳使用杠杆、齿轮和滑轮安装的众多控制装置。自动化技术大多模仿手动控制，早期自动化系统的其他例子包括气动控制。

在建筑物中，这些技术最初用于控制通风风门，然后用于温度控制。这些系统的主要优点是它们不需要电力。到 20 世纪 60 年代初，电子系统、更新的气动控制系统和局部控制回路的发明被用于维持所需条件。建筑物中各种系统的集成趋势和方法已经得到开发和实施，并取得了不同程度的成功。

在被动集成中，不同公司生产的控制器可以接受一些通用信号。协调建筑控制需要在系统中添加特殊控制器，集成系统可以通过中央计算机进行通信。到了 20 世纪 80 年代，人们发现对建筑系统的需求正在发生变化，需要采用更复杂的方法来确保新建系统的效率。20 世纪 80 年代的能源危机和随后的能源价格上涨促使建筑业主要求更高效的建筑。在这十年中，对建筑使用者便利性的需求也在增加。随着办公室配备越来越多的便利设施，建筑变得越来越复杂，满足需求变得越来越繁重。

3. 建筑考虑因素

随着技术逐渐融入建筑领域，建筑设计过程中出现了一些必须解决的问题。人们认为，建筑师负责设计中技术的应用，并负责监督这些设计的连贯性：他们有义务确保技术的集成不会掩盖或损害设计的建筑品质，而是会增强它们。然而，随着越来越多的建筑系统和组件变得“智能”，建筑师有必要与技术专家密切合作，以正确执行设计。因此，必须考虑如何设计建筑环境以适应和增强智能技术。

随着智能技术在建筑物中的广泛应用，需要一种新的建筑方法；这种方法要考虑技术将如何在整个设计过程中从整体上影响建筑。通过解决最近的建筑技术应用问题，可以阐明一些考虑因素，这些考虑因素将作为未来涉及智能系统的建筑设计的基础。

通过对最近完成的采用智能技术的建筑设计的考察和探索，本文强调了建筑与技术的结合，同时也讨论了这些设计如何具有未来设计中必须考虑的独特品质。在简要介绍了建筑智能技术的现状并概述了必要的建筑考虑因素后，本文强调了三种具体的建筑品质。

第一个品质强调智能技术在设计成隐形时最有效，可以在不被看到的情况下增强建筑。第二个品质讨论了一种设计方法，即应在整个建筑范围内考虑和设计智能技术，重点关注技术如何确定设计的几何形状和空间分布。第三个品质表明，采用智能技术的结构应具有高度的自主性，使系统能够在没有外界干预的情况下自我控制。这些品质最终是对上述建筑方法和挑战的仔细考虑的结果。

3.1 技术在建筑设计中的融合

无论是新建还是改造建筑，技术是指可以嵌入或与结构交互以增强其响应性、功能性、生态性能和用户舒适度的信息和通信技术。例如，可以增强承重结构的功能性或对环境因素的响应性以及气候控制以增强用户舒适度的技术。这些包括局部或大面积微气候控制概念、建筑一体化光伏、气候控制中的人工智能、与自然互动的技术集成空间、与用户互动的技术集成空间、与用户与外部互动的技术集成空间以及技术集成的结构健康监测。

在确定技术在设计中的位置时，必须考虑一些关键方面。首先，不同的技术可能意味着不同的空间组织。一些技术可能会将空间聚集在一起或将它们串成一串，而一些技术可能会产生对大空间或小空间、封闭空间或开放空间以及公共空间或私人空间的需求。

其次，技术在设计中的位置会影响美学含义。技术敏感性和风格对结构重要性、细节和设计方法的影响方式也会影响设计的美学诠释。如果技术对环境因素敏感，它通常会影响建筑围护结构中组件的细节、重要性和设计方法，从而确保技术的适当性能。如果技术对结构健康敏感，技术实施可能还需要额外的组件，这些组件可能会影响结构的实质性和细节。与围护结构一样，额外的组件可能意味着新的设计动机，从而影响建筑的美感。

在新的设计中，智能技术通常是在设计完成后才考虑的。对于新设计中的活动技术，这种方法可以被认为是灾难性的错误，因为很难找到将建筑和技术和谐地结合起来的合适设计解决方案。在使用智能技术改造现有建筑时，这种方法也带来了挑战。因此，设计解决方案通常会创建未集成的附加组件，留下由于智能技术的设计原则而需要干预的现有区域，而不是呈现创造性地整合建筑/设计和智能技术的新状态。尽管如此，一些创新的设计方法将建筑/设计和智能技术和谐地融合在一起。

生物气候和数字设计策略被认为是在智能技术和新智能建筑的设计解决方案之间建立创造性协同作用的基础。为了实现智能建筑的新目标，需要一种涉及建筑师/设计师和计算机工程师的跨学科设计方法。应该从设计过程的一开始就考虑和解决智能技术的集成问题。否则，设计解决方案可能会分别解决建筑方面或技术方面的问题；因此，无法实现创造性的协同作用。

通过这项研究，提出了解决和确定技术如何从早期阶段整合建筑设计的方法。一个目标是为旨在提高智能技术在建筑/设计中集成的建设性性能的方法提供基础。第二个目标是提出对显著影响设计方法和预期结果的方面进行考虑的方法，并强调从设计过程一开始进行考虑的重要性。

此外，还概述了建筑健康监测技术的设计和状态考虑。在这方面，解释了由于技术考虑而导致的施工或设计随时间的设计灵活性和适应性。一般来说，设计在预期的灵活性和适应性方面可以是基本固定的，也可以是不确定的；对这方面的考虑会改变设计的实验参数。结论是，如果在个体发育阶段没有考虑监测技术，那么影响固定设计状态的技术会对思维过程和设计施加更严格的规则，并限制设计中的潜在灵活性。最终，需要考虑。

4. 技术基础

智能建筑系统是一个综合系统，由各种技术的互联网络提供支持，有助于实现建筑管理和监控。一般而言，智能建筑系统依赖于一组互联技术，以确保建筑的连接性、自动化和数据管理。当前的建筑或系统不断随着建筑设计和建造技术的不断发展和改进而改变。要彻底理解建筑系统，必须对底层技术有基本的了解。

物联网 (IoT) 由互联对象网络组成，是智能环境最基本、最关键的技术。物联网可以实时收集和管理建筑内每个系统的数据，包括机械、电气和管道 (MEP) 系统、生命安全系统、信息技术 (IT) 系统和建筑系统。

嵌入在建筑系统中的支持互联网的传感器可以收集有关系统性能和居住者互动的数据，以识别系统效率低下或故障。然后可以将这些数据传输到其他系统进行分析和汇总。物联网设备和技术可以增强建筑的功能，超越单独设计的系统的能力，并且可以被动地观察和学习环境中的数据。

云计算架构对于智能建筑系统也是必不可少的。需要足够的数据存储空间来收集所有建筑生成的数据。这些建筑数据还可以通过后处理和机器学习应用程序帮助提高系统、组件或建筑的效率。目前，建筑数据通常存储在大型公司拥有的云服务器中，这些公司除了提供云服务外，还提供后处理服务。

人工智能 (AI) 是智能建筑系统的另一项基础技术。人工智能算法可以提高系统、组件或控件的效率，并根据收集和存储在建筑系统中的数据生成可操作的见解。建筑行业在全球能源消耗和温室气体 (GHG) 排放中发挥着重要作用。用于建造和运营建筑的技术的进步和改进会影响建筑的性能。可以战略性地利用不断发展的技术来积极影响未来建筑的设计和运营。

一般来说，技术发展意味着改进，但新的进步使未来的建筑设计变得复杂，因为好的和坏的技术（或副作用）都会汇聚在建筑解决方案中。了解技术的融合及其对未来建筑的影响对于最大限度地减少不利影响并最大限度地提高整体效益至关重要。

4.1 物联网 (IoT)

智能建筑是指使用先进的监控和控制系统来提高其运营效率的结构。它可以涉及新系统的安装或现有系统的集成，每个系统都有独特的架构，通常基于硬件、软件和数据管理功能的组合。本质上，当建筑物配备了能够根据环境数据做出决策以控制供暖、通风、空调 (HVAC)、照明、能源使用、安全措施等元素的系统时，它们就变得“智能”。这些系统可以将建筑物内的各种设备连接到互联网，并提供实时监控和控制功能。通过集成物联网技术，建筑系统可以共享数据并将建筑物变成“智能”环境，从而改变建筑物的使用和管理方式。

物联网技术可以应用于建筑物内的各种系统，包括暖通空调、照明、能耗、占用检测和门禁控制等。每个应用都涉及部署不同类型的传感器、执行器和设备，用于控制或监控建筑环境的特定方面。例如，没有任何智能功能的传统暖通空调系统通常依靠固定的时间表来根据时间增加或减少加热/冷却。通过实施占用传感器和智能控制技术，暖通空调系统可以实时监控空间占用情况，并根据空间的实际使用情况调整其运行。由于大多数建筑系统已经收集了某种形式的运营数据，因此将它们与物联网技术连接的主要好处是增强数据分析能力，从而对建筑运营产生新的见解，以提高运营效率。

在建筑系统中实施物联网技术通常涉及多个硬件和软件组件。部署在建筑物各处的传感器收集数据并将其发送到云平台进行处理。云平台运行数据分析算法，生成对建筑运营的见解。然后，这些见解被发送到管理界面，工程师可以通过该界面监控系统并进行必要的调整。一些应用还包括数据反馈回路，可以根据分析结果自动控制建筑系统。

目前，存在各种物联网应用来监控和控制建筑物中的不同系统。大多数早期实施都侧重于能源管理系统，该系统收集与能源消耗、占用模式和环境测量相关的数据，以检测能源使用效率低下的情况。人们越来越有兴趣开发新算法，利用这些数据来增强对建筑物能源使用的分析。在智能建筑中实施物联网光监控系统的研究也在进行中。对从物联网光传感器收集的数据进行定量分析，以评估已安装照明系统的性能，从而提高用户舒适度并节省能源。如果得到广泛采用，物联网技术可以显著改善建筑物的能源管理，使其更高效，对环境的危害更小。

除了能源和资源管理外，建筑系统通常需要监控，以便为用户提供安全舒适的环境。物联网系统还可以用于监控温度、空气质量和光强度等环境因素。可以分析来自不同环境传感器的数据，为建筑物居住者提供声学舒适度、安全性和用户舒适度。

虽然物联网技术在构建系统中提供了各种潜在的应用和好处，但每个应用都涉及多个挑战，需要解决这些挑战才能成功实施物联网技术。将来自不同制造商的大量物联网设备集成到一个系统中尤其具有挑战性，因为不同设备使用的无线通信协议和数据格式种类繁多。它需要专门的系统作为网络网关，以弥合使用不同协议的设备之间的差距。

此外，随着越来越多的设备和系统相互连接，人们对系统安全和隐私的担忧也日益增加。大多数支持物联网的应用都涉及收集潜在的敏感数据，这些数据需要得到充分保护，以免未经授权的访问和操纵。智能建筑通常涉及将物联网技术集成到现有系统中，这可能使它们更容易受到攻击。

5. 智能建筑系统的关键组件

识别智能建筑系统的关键组件至关重要。了解是什么让建筑变得智能是思考如何让建筑变得智能的必要第一步。

智能建筑不仅仅是一个单一的智能系统；相反，许多系统共同协作以创造一个智能环境。这些系统通常由在建筑运行或能源使用中发挥重要作用的组件组成。组件可以简单到控制暖气通风口的单个恒温器，也可以复杂到集成的多区域暖通空调、照明和建筑部分控制系统。

有五个关键的能源相关系统或“建筑元素”构成了建筑的智能。这些系统是暖通空调、照明、电器、建筑围护结构和可再生能源系统。暖通空调系统监测和控制建筑环境的温度、湿度和空气质量，以保证居住者的舒适度。照明系统控制空间内人工照明的强度、光谱质量和分布，协调其运行与占用和日光感应的输入。安全系统使用闭路摄像机、运动传感器和门锁等机制来监控建筑空间的占用和访问。这些系统中的每一个都可以包含各种设备，从简单的开/关传感器到复杂的多输入控制单元。

此外，许多系统还包括用户控制的组件，例如恒温器、调光器和风扇，居住者可以通过这些组件影响和控制系统的运行方式。这里定义的基本建筑系统由创建智能环境所需的传感和控制组件组成。然而，正是这些组件的集成使其变得“智能”。例如，一个简单的照明控制系统在检测到占用时打开和关闭房间内的灯，这是一个智能系统。然而，与 HVAC 系统集成的照明控制系统在有足够日光时关闭照明，这是一个更智能的系统。无论智能或智能水平如何，建筑系统的运行都必须存在关键组件。这些组件中的每一个都执行建筑系统的基本功能；控制算法解释来自传感器的数据并确定执行器的适当状态。

在最简单的形式中，系统可能由单个传感器和执行器对组成，但通常单个传感器输入可以控制多个执行器，或者多个传感器将确定单个执行器的状态。组件分为三类，每种类型包含几个代表性示例。第一种类型是系统，每个系统在建筑物中都有特定的控制目标，例如 HVAC、照明和安全系统。这些通常是更复杂的控制系统，包含多个传感器和执行器。第二种类型是用户界面，提供与智能建筑系统交互的手段。用户界面允许调整控制参数、设置操作时间表以及显示有关系统性能的信息。第三种类型是数据收集和分析系统。数据收集可以包括建筑系统数据和外部数据，例如天气、公用事业定价或占用模式。

与用户界面组件类似，数据分析可用于调整控制策略和调度系统的操作。最后两种组件类型涉及建筑系统性能的监控以及根据系统监控改变组件行为的能力。所有组件的设计都必须确保它们可以按比例变化并与多个组件实现一起运行。建筑系统可以这样设计，即可以在不改变现有控制算法的情况下添加组件的新实现。例如，如果传感器的运行方式与系统中现有的传感器相同，则可以开发一种不需要对控制算法进行任何更改的新型传感器。控制组件设计应适应每个组件按比例变化的能力。例如，单一设计可用于控制 HVAC 设备的温度传感器；然而，这种设计可以在整个建筑物的许多不同位置实施。如前所述的简单控制策略只能有效地应用于具有单一实现的组件。

5.1 传感器和执行器

智能建筑系统由一组设备、环境传感器和执行器组成，旨在实现建筑物或园区内流程的自动化。智能建筑利用互联技术来智能地监控和管理建筑的运营。设计了一组定义明确的模块，每个模块负责控制特定的智能建筑功能。每个模块都包含一组设备、环境传感器和执行器、简单的本地服务器和必要的嵌入式软件。

执行器以控制信号的形式接收命令并执行物理动作。执行器可以看作是传感器的反面：传感器将物理量转换为传输以供观察和分析的信号，而执行器将信号转换为物理量。智能建筑系统使用五种不同类型的执行器：可变风量 (VAV) 执行器、阻尼器、阀门、灯和风扇速度控制器。

传感器被定义为一种检测事件或数量变化并提供相应输出（通常是电信号或光信号）的设备。传感器的输出通常需要处理才能提取有关检测到的变化或事件的有用信息。传感器是智能建筑系统中数据采集的起点。传感器测量物理量，例如温度、湿度、占用率或光强度，以确定环境条件。传感器将此测量值转换为信号，然后传输以供观察和分析。通常，传感器的输出信号会转换为数字形式，因为可以使用计算机处理数字数据。

智能建筑系统使用 14 种不同类型的传感器，包括温度、湿度、运动、二氧化碳、光、压力和空气质量。智能建筑系统的数据可以由计算机系统分析和解释。系统的“智能”能力是指其观察、分析和根据传感器收集的数据采取行动以优化决策和控制的能力。当传感器收集的数据用于自动运行系统而无需人工干预时，该系统被称为自动化。

例如，一种常见的智能建筑应用是使用温度传感器来控制和自动化供暖、通风和空调 (HVAC) 设备。 HVAC 设备可以根据传感器测量的温度打开、关闭或以不同级别运行。技术系统（如水、空气质量、接口、传感器/执行器、照明、安全/隐私和声音）将由专家进一步开发，可从内部或外部访问，并位于技术团队指定的特定位置，如图 1 所示。

图1-技术系统方案

其他智能建筑应用包括自动管理和控制照明、门、窗帘和供水系统。智能建筑系统传感器的准确性和可靠性对于系统的最佳性能至关重要。具体而言，传感器系统的准确性取决于组成它的各个传感器的类型和质量。

传感器类型繁多，在灵敏度、带宽、线性度、分辨率和噪声等因素方面具有不同的工作原理和规格。传感器技术的最新趋势包括小型化，允许在单个微芯片上集成多个传感器，以及无线传感器网络，无需在传感器和控制单元之间进行有线连接。无线传感器的联网功能使得采用灵活的传感器放置策略成为可能，而传感器的小型化则有利于将传感功能嵌入其他设备中。例如，微机电系统技术 (MEMS) 消除了对光学镜等精密机械的需求，该技术允许在单个芯片上集成微型镜子和传感器。

作为智能建筑技术如何用于提高能源效率的一个典型例子，照明控制技术创新采用了新颖的执行器设计，可以倾斜灯具，从而实现更集中的光线分布，提高居住者的视觉舒适度，并减少能源浪费。另一个例子是空气质量控制技术创新，其中空调系统的区域控制与检测房间内居住者位置的占用传感器相结合。在天花板上安装空调管道是传统做法，迫使调节后的空气向下流向居住者。因此，安装在天花板上的扩散器的设计旨在实现广泛的空气分布。这项技术创新用无管道灯具代替天花板管道，这些灯具也会吹风，主动将气流导向坐着的居住者。

6. 能源效率和可持续性

据统计，建筑物消耗了全球 41% 的能源，因此，新建建筑和改造现有建筑以减少能源浪费时，必须重点关注能源效率和可持续性。智能建筑系统嵌入了监测和控制建筑的技术，已成为实现能源效率和可持续性的解决方案。使用智能系统，建筑可以主动降低能源消耗和相关的运营成本。与传统系统相比，基于检测到的占用水平和实时调整的照明、遮阳和暖通空调系统的自动控制可以显著降低能源浪费。

计算机和传感器与建筑管理系统 (BMS) 相结合，可以监测和自动调整建筑性能，从而影响商业地产的节能。虽然许多建筑都采用了一些节能技术，但最大的挑战仍然是如何减少过度的能源使用。虽然节能技术的初始投资成本较高，但减少能源费用带来的财务节省可以在几年内收回投资。

此外，许多节能技术在安装后需要进行调整和调试，这凸显了技术人员和政策在节能方面的重要性。采用新技术需要改变工作方式，在技术创造者和用户之间建立一种合作的文化。智能系统在减少能源浪费方面具有巨大的潜力，这凸显了将建筑作为集成技术和建筑以实现环境可持续性的系统的重要性。

7. 可持续材料和施工实践

智能建筑系统是精心设计的建筑系统，它集成了网络技术来跟踪和调节各种建筑性能指标，如能源消耗和环境条件。这些系统在增强绿色建筑的可持续性方面发挥着重要作用。建筑物中能源、水和其他资源的有效管理是绿色建筑事业成功的关键。因此，实施智能建筑系统已成为增强绿色建筑功能的常见做法。

一般来说，智能建筑系统增强了建筑物的技术和建筑进步，从而有效管理能源和其他资源。信息和通信技术 (ICT)、无线网络和嵌入式传感技术的快速发展促进了智能建筑系统的发展。这些建筑系统使用最先进的节能技术和自动控制功能，以确保建筑系统在舒适度和资源效率的最佳设置下运行。建筑中的智能技术不仅限于能源效率；多种智能技术可以使建筑在不同性能方面变得更加智能。

例如，在集成智能技术后，暖通空调和通风等建筑系统可以有效保持所需的室内空气质量。绿色建筑标准鼓励智能技术作为可能对提高建筑性能产生重大积极影响的功能。可再生能源在建筑物中的整合也得到了强调；然而，可再生能源系统的有效管理至关重要，这可以通过部署智能建筑系统来实现。从本质上讲，智能建筑系统可以有效地帮助绿色建筑减少其对环境和碳足迹的影响。一些实际案例表明，将智能解决方案集成到建筑物中可以从各个角度有效地协助可持续发展。

8. 安全和隐私

随着智能建筑系统的普及，一系列新的安全和隐私挑战也随之而来。这些系统收集、分析和存储有关建筑物居住者及其习惯的数据，这些数据可能是敏感信息。因此，随着网络安全威胁变得越来越普遍，在智能建筑内维护安全和网络安全协议至关重要。尽管人们一直在努力制定标准和法规，但许多智能建筑仍然缺乏足够的安全措施。此类系统特别容易受到攻击，因为它们通常由第三方供应商和服务提供商创建和管理，使其面临风险。在系统集成和共享信息时，过度依赖联网和数字系统可能会带来不必要的漏洞。因此，有必要制定全面的安全框架。

智能建筑隐私方面的法律和道德考虑也基本上没有得到审查。当前智能建筑系统中普遍存在的隐私问题源于在公共场所激活该技术。虽然这些设备可以大大提高建筑运营的效率，但隐私保护系统的设计和监控很容易被忽视。随之而来的是许多问题：个人可以选择不参与数据收集吗？谁有权访问数据，他们可以用这些数据做什么？如果一个人离开某个空间，收集到的数据会怎样？有哪些协议可以保护数据？许多智能建筑系统缺乏足够的措施来解决这些问题。

当前的技术要求敏感数据和不断收集数据的能力，即使在公共场所也是如此。将某些数据定为专有数据可以构成智能建筑系统，但这只能部分解决问题。加密、访问控制以及对设备和系统的持续监控可以大大增强安全性。许多案例研究都证明了不同类型的建筑（从单一结构到整个园区环境）中安全措施的成功实施。各种建筑系统的协调对于实现高效运营至关重要。然而，必须更加重视确保协作系统内的安全性。最终，平衡运营效率和安全性对于智能建筑的设计至关重要。

8.1 智能建筑中的网络安全

网络安全是指用于保护计算机网络和系统的机密性、完整性和可用性（包括它们处理的数据）的技术和流程。智能建筑是一组互连的传感器、设备和系统，用于执行暖通空调和安全等建筑功能。建筑系统最初是封闭的网络，未连接到互联网，直到节能和远程访问的需求将其转变为开放的 IP 网络。

智能互连系统带来了独特的风险。如果发现漏洞，它可能会被用来攻击整栋建筑，因篡改警报、门或防火装置而危及生命。有了对网络安全的基本了解，智能建筑利益相关者将能够更好地讨论和挑战系统集成商、技术人员和第三方供应商，以确保对智能系统进行有效保护。网络安全是组织、管理层以及在建筑物内或与建筑物一起工作的每个人的共同责任。

然而，管理层对网络安全决策和预算的影响最大。智能建筑需要强大的网络安全方法，一些策略包括员工培训、保持系统和软件的更新、绘制建筑系统和网络图以及保存设备和软件的清单。最重要的措施是制定事件响应计划，以评估损害并恢复功能。最终，由各个组织决定如何保护其系统。安全始于意识；如果所有利益相关者都具有安全意识，则可以主动保护系统。智能建筑是未来，但如果没有适当的预防措施，未来就会有阴暗的一面。

9. 用户体验和居住者舒适度

在智能环境时代，用户体验必须成为首要关注点。智能建筑系统的设计需要满足用户的需求和偏好，并且必须考虑到他们对技术使用的期望和担忧。即使对于易于使用的系统，也可以实施多种个性化策略。例如，可以为居住者提供可定制的设置，以根据他们的偏好调整照明或温度控制。或者，系统可以通过观察用户并根据他们的习惯建议操作来学习自动调整这些参数，从而使个性化工作对系统的最终用户透明。

收集的用户数据可以帮助设计师了解他们的行为以及这与满意度的关系，从而使他们能够随着时间的推移构建更好的系统。此外，数据分析可以提供有关智能技术如何影响生产力和整体居住者福祉的信息。以人为本的设计原则应指导针对建筑环境的系统开发，避免仅关注能源效率的解决方案。

个性化和自适应环境是增强智能建筑内居住者体验的关键概念。个性化的定义是根据个人喜好定制环境，对于最大限度地提高满意度至关重要。虽然绝对的舒适是无法实现的，但建筑系统可以通过主动调整来提高满意度。相比之下，适应性侧重于响应波动条件的环境变化，采用检测和适应用户变化的技术。个性化工作可以针对静态元素，例如建筑特征或嵌入式技术，以及设备和可穿戴设备等移动组件。

自适应技术可以检测不断变化的条件并自动调整环境或促进用户改变。许多智能系统会根据用户行为调整环境设置，包括照明、温度和空气质量。此类系统可以是全自动的，不需要用户输入，也可以是半自动的，依靠用户反馈来增强调整。反馈对于系统开发自适应能力至关重要，包括显式和隐式输入渠道，教育用户如何控制，以及观察行为以推断偏好。必须记住，用户也可能忽略或无视反馈渠道。作为一种有前途的发展途径，数据分析可以处理来自建筑系统的缓存数据，以改进个性化策略。

然而，收集个人数据带来了与用户隐私和数据安全相关的挑战。智能系统可能默认采用公共数据所有权模型，其中个人信息被集中和重新表述，从而加剧了隐私问题。尽量减少数据收集并为居住者实施阻碍性审计跟踪可以缓解担忧。尽管如此，创建自适应环境对于增强个人空间中的居住者至关重要。

10. 挑战和未来方向

随着智能建筑系统变得更加可行，现有建筑技术得到改造，仍有许多障碍需要解决。首先，存在实施可行性方面的担忧。大多数建筑已经采用了现有的建筑技术，因此必须确定如何将新兴技术集成到现有系统中。此外，必须遵守最新的建筑规范和标准，这意味着任何新的自动化系统都必须履行额外的义务。即使有自动化系统，实施的初始成本也可能非常高，都要考虑投资回报率 (ROI)。

其次，随着新技术的快速发展和采用，既定的设计和操作实践变得过时。目前，建筑物的设计假设系统是独立的，随着系统越来越依赖新兴技术或自动化设计决策，这种假设无法维持。此外，随着系统变得更加自动化，操作员将需要学习有关监督系统的新技能，而不是单独调整组件。

尽管智能建筑系统的前景已得到广泛认可，但智能建筑系统的大规模普及仍面临许多障碍。在保证系统如何有效通信之前，准确定义智能建筑系统的功能将非常困难。智能系统的发展取决于众多不同利益相关者的协调努力，每个利益相关者都有不同的影响和目标。尽管公众对更智能建筑的压力将继续增加，但如果没有各方的协调努力，当前植入的系统可能会继续停留在单纯的反应性技术阶段。

标准化和互操作性是保证智能建筑系统能够有效相互通信的必要条件。因此，研究和开发必须首先考虑当前可用系统之间互操作性的障碍以及如何定义有效的智能建筑系统。然而，随着建筑系统越来越依赖人工智能和机器学习，预计这些障碍将变得更容易克服，新的道路将会出现。最终，一个有效的智能系统将采用影响建筑设计和性能各个方面的众多智能技术。

10.1 互操作性和标准化

互操作性是智能建筑系统中的一个关键概念，它涉及不同系统协同工作的能力。这涉及定义信息应如何在各个系统之间表示和交换。相比之下，标准化是指建立共同标准，无论是通过市场共识在法律上，还是由行业领导者事实上强加。对于智能建筑系统，行业共识是互操作性应基于开放和公共标准，避免可能阻碍竞争和限制用户选择的专有方法。

随着供应商采用智能建筑技术，系统和设备的激增提出了一个关键问题，即不同系统如何协同工作，即确保互操作性。不幸的是，互操作性并不是默认保证的。广泛采用的行业标准为互联网提供了无缝的环境。然而，智能建筑行业目前受到各种技术和协议的困扰，其中许多是专有的，从而阻碍了多供应商系统的兼容性和无缝交互。

在智能建筑系统领域，有充分的理由要求在法律上实行全行业标准化，以实现互操作性；也就是说，如果没有共同的标准，不同的系统几乎不可能协同工作。在智能建筑中，系统需要内部通信以及与建筑管理系统 (BMS) 通信，并且需要开放协议来确保跨系统兼容性。行业合作是朝着改善当前互操作性状况的正确方向迈出的一步。近十年来，智能建筑中异构子系统的互操作性被认为是一个难以解决的问题。提出了一种基于 Web 服务和事件条件-动作规则机制的中间件技术来解决建筑物中的这一问题，重点是 RTS 和 TB 子系统的互操作性作为概念验证。

11. 总结

智能建筑系统在解决建筑行业和城市发展面临的众多当代挑战中发挥着至关重要的作用。通过尖端技术和创新方法，智能系统可以显著提高能源效率、可持续性和用户体验。通过利用先进的物联网设备和智能 3D 建模，建筑师可以将技术无缝集成到创新的建筑设计中，同时解决前面提到的突出问题。尽管智能建筑系统的有效部署可能受到多种因素的阻碍，但不断发展它们以充分释放其潜力仍然至关重要。因此，需要跨学科合作和全面研究，以进一步探索智能建筑系统的机会及其对未来挑战的影响。

本文作者：Omar G. Ahmed

原文：Smart Building Systems: A Confluence of Architecture and Technology