英特爾物聯(lián)網(wǎng)平臺智能系統(tǒng) 用物聯(lián)網(wǎng)打造智能建筑

挑戰(zhàn)

    •減少資源使用。普通的英特爾辦公大樓使用靜態(tài)建筑管理系統(tǒng)（BMS），對水電相關(guān)系統(tǒng)的智能控制能力非常有限。

    •提高運營效率。英特爾希望引入移動隔間模式，以容納更多員工。

    •提升使用舒適度。室內(nèi)溫度波動經(jīng)常導(dǎo)致員工抱怨他們的辦公區(qū)域要么太熱，要么太冷。

    解決方案

    •高級建筑分析。使用基于傳感器數(shù)據(jù)的自動化規(guī)則，加強對建筑系統(tǒng)的控制，從而實現(xiàn)節(jié)能節(jié)水。

    •空間優(yōu)化。利用占用傳感器數(shù)據(jù)幫助員工查找空閑的隔間，以提高隔間的利用率。

    •機器學(xué)習(xí)算法。關(guān)注更多環(huán)境因素，確保所有建筑區(qū)域保持恒溫。

    影響

    •節(jié)能/節(jié)水。每年節(jié)省的成本預(yù)計為645,000美元，投資回報周期不到4年。

    •高效辦公空間。英特爾將員工容納能力提高了約30%。

    •高效的員工。個性化溫度控制可顯著提升工作場所的舒適性，將員工滿意度提高83%。

    許多建筑采用了專有系統(tǒng)，相互之間無法進行通信。

專有解決方案缺乏靈活性

    許多建筑和設(shè)施經(jīng)理缺乏關(guān)鍵信息，無法做出明智決策。盡管建筑系統(tǒng)生成了海量數(shù)據(jù)，但這些數(shù)據(jù)的捕捉和呈現(xiàn)方式難以理解。主要原因在于建筑一般采用大量獨立的專有接口，導(dǎo)致全面分析建筑性能所需的數(shù)據(jù)無法進行共享。

    以今天的標準來衡量，這類系統(tǒng)中有許多都不合格、缺乏靈活性，而且會產(chǎn)生高昂成本，部分原因在于這些系統(tǒng)采用的是特定廠商的專有技術(shù)。許多廠商的解決方案基于硬件，相比注重軟件的解決方案而言，部署新功能和升級更為復(fù)雜。因此，改造傳統(tǒng)BMS經(jīng)常需要制造商進行定制，這一過程會耗費大量的時間和財力。使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)打造的智能建筑能夠克服靈活性和功能方面面臨的問題。

    智能建筑還有助于滿足監(jiān)管要求和提升運營效率。鑒于2016年《巴黎氣候協(xié)定》把降低二氧化碳排放列為重要目標，我們必須將減少建筑能耗作為首要任務(wù)。舉例來說，在歐盟（EU），建筑的能耗和二氧化碳排放量分別占到了40%和36%。2歐洲有大約75%的建筑在節(jié)能性方面不符合要求。3通過提升建筑能效，歐盟的總能耗和二氧化碳排放量可下降約5%。

    此外，我們還需要改善樓宇使用體驗。例如，相比上一代人，進入職場的千禧一代期望建筑能夠提供更多服務(wù)，能否滿足這一期望將直接影響員工滿意度和流失率。

    智能建筑解決方案

    為改進建筑節(jié)能性、運營效率和使用舒適度，英特爾設(shè)計了一套基于其物聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)的智能建筑解決方案。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大幅簡化了從暖通空調(diào)（HVAC）、供水、發(fā)電、占用情況統(tǒng)計和電氣等各種建筑系統(tǒng)中收集數(shù)據(jù)并進行分析的任務(wù)。建筑還配有基于以太網(wǎng)供電（PoE）的智能照明系統(tǒng)，燈具中嵌入了傳感器以監(jiān)控樓宇使用情況、溫度和其他環(huán)境因素。

數(shù)據(jù)收集

    圖1所示為這種物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)。基于英特爾®處理器的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)充當建筑的“中央神經(jīng)系統(tǒng)”，安全連接各種監(jiān)控建筑系統(tǒng)并確保系統(tǒng)間數(shù)據(jù)不間斷傳輸?shù)闹悄軅鞲衅鳌１举|(zhì)上，整個解決方案的互操作性和數(shù)據(jù)集成有賴于這些物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)提供支持。這些網(wǎng)關(guān)具有內(nèi)置的企業(yè)級安全特性，如邁克菲嵌入式控制*，這些特性可為網(wǎng)絡(luò)、建筑系統(tǒng)和數(shù)據(jù)提供端到端安全保護。

數(shù)據(jù)分析

    建筑還配有內(nèi)部BMS，可處理建筑內(nèi)各種子系統(tǒng)（如HVAC和照明）的日常自動化任務(wù)。英特爾還引入了L&TTechnologyServices提供的集成建筑能源管理系統(tǒng)（iBEMS*），從而增加了高級建筑分析和規(guī)則功能。iBEMS軟件運行在分布式計算環(huán)境中，包括圖2所示的網(wǎng)關(guān)軟件組件。在網(wǎng)關(guān)中，它對傳感器數(shù)據(jù)和連接英特爾企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器執(zhí)行相關(guān)規(guī)則，并分析來自網(wǎng)關(guān)的過濾數(shù)據(jù)。

    使用案例

    到目前為止，英特爾智能建筑已經(jīng)成功應(yīng)用于40個不同的使用案例。本部分介紹四個可提升節(jié)能性、運營效率和住戶滿意度的使用案例。在圖3和圖5中，藍線表示輸入，紅線表示啟動或輸出。

1.節(jié)能

    會議室HVAC控制

    在英特爾智能建筑中，會議室等封閉區(qū)域大約占到總面積的18%。4這些區(qū)域非常節(jié)能，當無人使用時，其中的HVAC和照明系統(tǒng)通常會進入省電模式。然而，許多靜態(tài)BMS會在封閉的房間內(nèi)始終保持恒溫，無論房間是否有人使用或訂購。

  成效

    照明系統(tǒng)通常會進入省電模式。然而，許多靜態(tài)BMS會在封閉的房間內(nèi)始終保持恒溫，無論房間是否有人使用或預(yù)訂。

    解決方案

    IT和物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可用于創(chuàng)建節(jié)能解決方案，如圖3所示。每個會議室的預(yù)訂狀態(tài)信息可通過IT公司日歷系統(tǒng)收集，每個房間的使用狀態(tài)信息可通過上述支持物聯(lián)網(wǎng)的PoE燈具獲得。這些參數(shù)可與傳統(tǒng)的“回風(fēng)溫度”輸入?yún)��?shù)集成，從而更高效地調(diào)節(jié)會議室的變風(fēng)量（VAV）箱。

    通過提升VAV箱的運行效率，英特爾預(yù)計可節(jié)省4%的總HVAC成本，并在不到兩年的時間內(nèi)實現(xiàn)解決方案的投資回報。此外，通過利用自然光、日光傳感器和LED，每平方英尺的實際照明功耗低至0.39瓦，遠低于英特爾基準設(shè)計的1.08瓦。

    成效并不局限于節(jié)能。該使用案例以直觀方式提供了其他的重要數(shù)據(jù)，如會議室利用率，該數(shù)據(jù)可為建筑空間規(guī)劃師提供確保辦公室配置滿足使用者需求的信息。

2.運行效率

    自動需求響應(yīng)

    為避免意外服務(wù)中斷（如停電），電力公司實施需求響應(yīng)計劃，鼓勵客戶在總需求可能超過供應(yīng)能力時減少電力使用。參與客戶通常可以通過降低電價和用電信用額度的形式獲得補償。

    解決方案英特爾的智能建筑解決方案可控制四個電力來源：柴油發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池和電網(wǎng)，支持設(shè)施團隊遠程讀取連接不同電力來源的電表，并通過按動按鈕改變整個建筑的用電情況。通過監(jiān)測和控制能耗與發(fā)電，確保能源負荷滿足電力公司的需求響應(yīng)要求。借助該功能，英特爾的智能建筑可在超過90%的允許負荷閾值時采取自動措施降低能耗，如圖4的運行邏輯所示。

    成效該使用案例促進了可再生能源的高效使用，避免因能耗超過公用電網(wǎng)的許可負荷而繳納罰款。照明、HVAC、風(fēng)扇等主要建筑子系統(tǒng)的能耗均已下降，滿足了需求。當需求增加或太陽能電池的發(fā)電能力在陰天下降時，設(shè)施團隊還可增加燃料電池的使用。

  3.樓宇使用舒適度

    各建筑區(qū)域保持恒溫

    樓宇使用者經(jīng)常抱怨一天內(nèi)的室內(nèi)溫度不斷變化。

    解決方案為確保各個建筑區(qū)域保持恒溫，英特爾實施了一種機器學(xué)習(xí)算法，用以預(yù)測建筑HVAC的合適設(shè)定點。該算法不僅考慮了典型參數(shù)（如回風(fēng)溫度），而且考慮了許多其他參數(shù)，包括樓宇使用情況和環(huán)境溫度。

    這一算法每兩分鐘運行一次，以及時更新設(shè)定點預(yù)測。

    成效該使用案例提高了員工和設(shè)施團隊的效率。一項研究顯示，鳳凰城FederalBuildingandU.S.Courthouse的個性化HVAC提升了工作場所溫度的舒適性，員工滿意度提高了83%，1從而提高了工作效率，設(shè)施團隊不再需要頻繁處理使用者抱怨溫度過高或高低的問題。

4.運行效率

    移動隔間預(yù)訂

    在其他英特爾辦公大樓，員工面臨的一個主要問題是很難找到并確定未被占用和可供使用的移動隔間。

    解決方案英特爾智能建筑解決方案可幫助員工查看和預(yù)訂某天可使用的房間。通過組合每個移動隔間安裝的占用傳感器（圖6）的數(shù)據(jù)和隔間預(yù)訂系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，該解決方案創(chuàng)建了這一視圖。

    成效該移動隔間預(yù)訂應(yīng)用可幫助英特爾保持一定比例的未分配和已分配隔間，并將約20%的隔間指定為移動隔間。因此，相比為每個員工分配一個固定隔間，英特爾可以將建筑可容納的員工數(shù)量提升約30%。僅該使用案例每年就可節(jié)省數(shù)百萬美元的運營費用。而且，員工只需按動按鈕，便可做好一天的座位安排。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

    以下部分更詳細介紹了英特爾智能建筑解決方案采用的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，包括有關(guān)通信協(xié)議、規(guī)則、數(shù)據(jù)集成、網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)安全性及解決方案供應(yīng)的更多信息。這些功能涉及所有基于物聯(lián)網(wǎng)的建筑解決方案。

    通信協(xié)議、規(guī)則和數(shù)據(jù)集成對于建筑控制而言，橋接各種建筑系統(tǒng)使用的不同通信協(xié)議是一項不小的挑戰(zhàn)。基于英特爾®處理器的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)可作為中央?yún)f(xié)調(diào)程序提取各個協(xié)議（Modbus*TCP/IP和BACnet-IP）中的消息，從而克服這一挑戰(zhàn)。

    該網(wǎng)關(guān)還可根據(jù)一套預(yù)定義規(guī)則（如在照明占用傳感器檢測到有人時開啟VAV箱）處理消息，可以處理時間敏感型而非計算密集型的規(guī)則，較為復(fù)雜的規(guī)則可以在云服務(wù)器上運行。

    英特爾智能建筑解決方案共有約5,000個規(guī)則，分配給網(wǎng)關(guān)和兩個后端冗余服務(wù)器。數(shù)據(jù)在網(wǎng)關(guān)上經(jīng)過評估后，需要進一步處理的部分以JSON格式通過MQTT通信協(xié)議傳輸至云。傳感器每天產(chǎn)生約50GB的數(shù)據(jù)，這一數(shù)據(jù)集分布于60個物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)。約40%的傳感器數(shù)據(jù)在云中進行分析。可以通過備份和歸檔機制清除云中的原始數(shù)據(jù)。

    網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)安全性為了保障網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)安全，英特爾采用了網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)和專為防范黑客通過傳感器網(wǎng)絡(luò)侵入自身企業(yè)網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的安全策略。其中拓撲結(jié)構(gòu)中采用網(wǎng)關(guān)橋接兩個網(wǎng)絡(luò)，而且網(wǎng)絡(luò)分別使用獨立的接口，從而可以將傳感器網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)隔離。在安全策略方面，iBEMS軟件在公司網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上運行，并受到防火墻的保護。禁止通過互聯(lián)網(wǎng)從防火墻外部連接iBEMS。

    為保證數(shù)據(jù)傳輸安全，該網(wǎng)關(guān)使用OpenSSL對消息進行加密，并通過安全套接層（v2/v3）和安全傳輸層（TLSv1）網(wǎng)絡(luò)協(xié)議連接客戶端。這一網(wǎng)關(guān)使用可信平臺模塊（TPM）芯片對應(yīng)用進行加密并保護其分發(fā)安全。

    網(wǎng)關(guān)自身受到安全啟動和應(yīng)用白名單軟件的保護。安全啟動可檢查確認網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)處于已知良好狀態(tài)，且未經(jīng)篡改。應(yīng)用白名單可確保網(wǎng)關(guān)上僅運行特定的預(yù)定義應(yīng)用和中間件。

調(diào)配

    網(wǎng)關(guān)預(yù)裝了客戶端軟件，并允許其與iBEMS服務(wù)器通信。公司網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)器可管理網(wǎng)關(guān)軟件變更，包括操作系統(tǒng)、驅(qū)動程序和應(yīng)用升級。唯一需要在現(xiàn)場執(zhí)行的配置操作就是輸入托管iBEMS應(yīng)用的升級服務(wù)器的URL。網(wǎng)關(guān)上的代理會不斷檢查服務(wù)器上存儲的硬件配置變更。一旦檢測到變更，代理就會從服務(wù)器中獲取新軟件更新，并安裝在系統(tǒng)中的所有網(wǎng)關(guān)上。獲取、安裝和重啟的時間一般不超過2分鐘。

    總結(jié)

    位于班加羅爾的英特爾智能建筑實施了約40個使用案例，其中約55%旨在提升節(jié)能性和運行效率，其余45%旨在提高員工滿意度。多項研究表明，相比節(jié)能性和運行效率提升帶來的盈利改善，員工工作效率的提升對于頂線增長的影響要大很多，這也是員工滿意度使用案例數(shù)量較多的原因。此外，智能建筑還有助于改善公司的形象，幫助企業(yè)吸引人才。

    業(yè)主需要淘汰封閉的專有BMS系統(tǒng)，轉(zhuǎn)而采用開放系統(tǒng)，以利用最新技術(shù)帶來的優(yōu)勢。英特爾智能建筑在這方面邁出了一大步，將BMS作為一種服務(wù)，并提供大量解決方案廠商中供業(yè)主靈活選擇。