人工智能在智慧建筑中的應(yīng)用研究

引言：城市建筑是環(huán)境污染物質(zhì)的重要來源。智慧建筑遵循綠色、環(huán)保理念，促進(jìn)智慧城市發(fā)展。智慧建筑尋求物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、BIM等多種技術(shù)之間的融合。智慧建筑項(xiàng)目的開展通過有效推動(dòng)建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)人工智能與建筑行業(yè)的深度融合。1.人工智能與智慧建筑的相關(guān)理論1.1智慧建筑的概念和發(fā)展智慧建筑由傳統(tǒng)建筑和智能建筑發(fā)展而來。傳統(tǒng)建筑通過建筑體物理層面的設(shè)計(jì)，為用戶提供基本的居住功能，兼顧藝術(shù)和審美的需求。智能建筑則是使用信息化和自動(dòng)化技術(shù)，改造信息技術(shù)和建筑的深度融合。智慧建筑在智能建筑的基礎(chǔ)上，關(guān)注智能化信息的綜合應(yīng)用，更加強(qiáng)調(diào)智能化技術(shù)的感知、分析、決策等能力。國(guó)標(biāo)GB/T50314-2000智慧建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)智慧建筑做出了明確的定義。智慧建筑圍繞實(shí)體建筑物展開，集計(jì)算機(jī)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，加設(shè)信息設(shè)備系統(tǒng)、公共安全系統(tǒng)、建筑設(shè)備管理系統(tǒng)等，是智能架構(gòu)、智能系統(tǒng)、智能應(yīng)用與智能管理之間達(dá)到優(yōu)化綜合，為居住者提供更加健康、高效、綠色、便捷的建筑環(huán)境。智慧建筑是融合人、機(jī)、物的開放型系統(tǒng)，圍繞用戶的需求，為用戶提供新型服務(wù)技術(shù)和服務(wù)產(chǎn)品。智慧建筑的概念引入中國(guó)后，逐漸在多地實(shí)現(xiàn)了智能大廈的建設(shè)。我國(guó)許多產(chǎn)地開發(fā)商迎合時(shí)代發(fā)展的趨勢(shì)，建設(shè)智慧建筑、智能小區(qū)與智能住宅，以“智能化”作為賣點(diǎn)，為用戶提供更加安全、舒適、便捷的智能化服務(wù)體驗(yàn)。以我國(guó)2009年建設(shè)的首個(gè)數(shù)字化社區(qū)景湖時(shí)代城為例，該社區(qū)為用戶提供了全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)體驗(yàn)，用戶在社區(qū)內(nèi)享受影視服務(wù)，擁有全方位的安全監(jiān)控。1.2智慧建筑的特征環(huán)境維度：在環(huán)境維度層面，智慧建筑致力于通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，在充分滿足用戶需求的條件下，最大程度減少建筑資源的消耗，圍繞“綠色”“共享”推動(dòng)智慧建筑的發(fā)展。智慧建筑滿足資源節(jié)約型和環(huán)境友好性的要求，在建筑建設(shè)和使用的全周期降低能耗。在建設(shè)過程中，通過建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化、高性能設(shè)備的使用來有效減少能源的浪費(fèi)；選擇環(huán)保型材料用于建筑和裝飾；建筑的智能監(jiān)測(cè)減少能源浪費(fèi)。經(jīng)濟(jì)維度：相較于傳統(tǒng)建筑，智慧建筑的往往建設(shè)成本較高，但建筑物生命周期的使用成本較低。智慧建筑會(huì)為用戶帶來更高的工作效率和生活質(zhì)量，這些都能夠轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。用戶體驗(yàn)：智慧建筑在建筑體內(nèi)設(shè)置大量傳感器、控制系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)獲取用戶的需求，了解用戶的生活習(xí)慣，通過室內(nèi)光源、濕度、新風(fēng)等條件，為用戶提供更加舒適的居住體驗(yàn)；室內(nèi)衛(wèi)生環(huán)境和健康服務(wù)設(shè)計(jì)，用于滿足用戶的衛(wèi)生需求，為用戶提供健康服務(wù)，對(duì)突發(fā)健康問題提供針對(duì)性的應(yīng)急方案。建筑擁有更良好的安保措施，防止外來者入侵，對(duì)自然災(zāi)害有相應(yīng)的應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)，關(guān)注用戶的生活隱私和生命安全。技術(shù)維度：智慧建筑使用了廣泛的傳感器設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)，配合綜合控制系統(tǒng)完善智慧建筑的綜合性功能。可能建筑系統(tǒng)和智慧的計(jì)算機(jī)軟硬件和全覆蓋的網(wǎng)絡(luò)布置，實(shí)現(xiàn)了建筑的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和高效控制。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)使建筑內(nèi)的設(shè)備設(shè)施與系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，為動(dòng)態(tài)管理和智慧管理提供了基礎(chǔ)條件。大數(shù)據(jù)技術(shù)將智慧建筑各個(gè)設(shè)備所收集到的龐大數(shù)據(jù)進(jìn)行快速生成，云計(jì)算將大數(shù)據(jù)中的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，生成結(jié)果用于了解用戶的個(gè)性化需求；BIM技術(shù)對(duì)建筑進(jìn)行監(jiān)測(cè)與分析，實(shí)現(xiàn)了智慧建筑的智慧運(yùn)維。2.人工智能在智慧建筑智能控制中的應(yīng)用2.1熱舒適系統(tǒng)智能控制用戶的熱舒適性可通過暖通空調(diào)系統(tǒng)、個(gè)人舒適系統(tǒng)、智能百葉窗系統(tǒng)等系統(tǒng)進(jìn)行控制。傳統(tǒng)建筑中的空調(diào)暖通用于滿足人體對(duì)溫度舒適性的需求，但由于溫度設(shè)置點(diǎn)不合理等問題造成了較大的能源浪費(fèi)，使用者需要手動(dòng)操縱設(shè)備，有時(shí)不適當(dāng)?shù)臏囟日{(diào)節(jié)反而會(huì)影響人體健康。人工智能算法在熱舒適控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，能夠根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)溫度、通風(fēng)情況的監(jiān)測(cè)，完成暖通空調(diào)的智能化控制，有效提高環(huán)境的熱舒適性，節(jié)約能源的損耗。深度學(xué)習(xí)方法可用于電力系統(tǒng)的維護(hù)決策，深度前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可用于預(yù)測(cè)使用者的熱舒適，DDPG等方法的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)暖通空調(diào)系統(tǒng)的連續(xù)熱狀態(tài)控制，提升用戶的熱舒適性。個(gè)人舒適系統(tǒng)能夠用于解決空調(diào)的系統(tǒng)存在的固有問題。暖通空調(diào)對(duì)某個(gè)區(qū)域范圍內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行加熱或制冷，但有時(shí)人使用的空間僅占暖通空調(diào)影響范圍的某部分，造成了能源的浪費(fèi)。區(qū)域空間內(nèi)不同用戶的熱舒適需求不同，暖通空調(diào)有時(shí)難以滿足部分用戶的個(gè)性化需求。個(gè)人舒適系統(tǒng)使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器以及云中控制應(yīng)用設(shè)備，系統(tǒng)的硬件設(shè)備包括溫濕度傳感器、占用傳感器、制冷制熱設(shè)備、用于控制設(shè)備的執(zhí)行器等。云中環(huán)境計(jì)算設(shè)備包括云中控制應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)庫應(yīng)用程序、Web應(yīng)用程序、圖形用戶界面等，數(shù)據(jù)庫中包含用戶訓(xùn)練數(shù)據(jù)、過往的占用數(shù)據(jù)等，通過算法分析用戶個(gè)人偏好，為用戶提供更加舒適化的溫感體驗(yàn)[1]。智能百葉窗系統(tǒng)通過閉環(huán)控制完成對(duì)百葉窗的自動(dòng)控制，控制器根據(jù)傳感器數(shù)值控制遮光設(shè)備。2.2聲環(huán)境的智能控制2.2.1智能聲環(huán)境控制類型噪聲的智能控制：噪聲會(huì)導(dǎo)致人們正常生產(chǎn)生活受到干擾，直接影響人們的生活質(zhì)量和工作質(zhì)量。超標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)噪聲嚴(yán)重危害人體健康，影響人的心理狀態(tài)。人工智能應(yīng)用在智能聲環(huán)境的控制中，能夠根據(jù)民用住宅室內(nèi)允許噪聲級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)室內(nèi)聲環(huán)境。智慧建筑中智能聲環(huán)境的控制需求包括聲環(huán)境監(jiān)測(cè)、聲環(huán)境控制對(duì)象以及控制策略。智能雙環(huán)境控制系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)的噪聲聲壓級(jí)進(jìn)行檢測(cè)，判斷噪聲是否超標(biāo)，檢測(cè)噪聲的來源，明確噪聲產(chǎn)生的位置，便于確定相應(yīng)的降噪措施。聲環(huán)境的控制對(duì)象包括有源控制器、控制調(diào)節(jié)門窗開啟程度、控制背景音樂。有源控制器是利用相消干涉原理，對(duì)噪聲進(jìn)行抵消；調(diào)節(jié)門窗是利用物理途徑減弱聲波的傳遞；背景音樂的控制是利用掩蔽效應(yīng)，降低噪聲的不利影響。音質(zhì)的智能控制：音質(zhì)的智能控制是對(duì)室內(nèi)。播放音響的效果進(jìn)行檢測(cè)和判定，參照國(guó)家頒布的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)室內(nèi)音響聲音信號(hào)聲壓級(jí)、清晰度、聲場(chǎng)均勻度等指標(biāo)。當(dāng)檢測(cè)結(jié)果不符合聲學(xué)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，由智能控制系統(tǒng)對(duì)相應(yīng)聲源源進(jìn)行調(diào)節(jié)，直至音質(zhì)達(dá)標(biāo)。2.2.2聲環(huán)境智能控制系統(tǒng)智慧建筑聲環(huán)境采集使用噪聲自動(dòng)探測(cè)儀對(duì)室內(nèi)噪聲進(jìn)行檢測(cè)，通過無線方式連接計(jì)算機(jī)，發(fā)送數(shù)據(jù)至處理器。處理器完成對(duì)室內(nèi)不同位置聲音的分析，判斷噪聲產(chǎn)生的原因，并確定降噪措施。處理器連接有源處理設(shè)備、門、電動(dòng)窗、背景音樂系統(tǒng)。系統(tǒng)檢測(cè)來自室內(nèi)的噪聲時(shí)，開啟背景音樂功能；檢測(cè)到室外噪聲則控制電動(dòng)門窗、電動(dòng)窗簾等阻斷噪聲源[2]。2.2.3人工智能對(duì)聲環(huán)境的智能控制對(duì)室內(nèi)使用空調(diào)風(fēng)機(jī)、洗衣機(jī)以及樓梯間使用的電梯等產(chǎn)生的室內(nèi)低頻噪聲，可使用人工智能的途徑對(duì)其進(jìn)行主動(dòng)控制。智能控制算法中的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與自適應(yīng)濾波相結(jié)合。在空調(diào)風(fēng)機(jī)管道處設(shè)置自適應(yīng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，用于檢測(cè)風(fēng)機(jī)的振動(dòng)信號(hào)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取噪聲信號(hào)后，由自適應(yīng)濾波算法對(duì)風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)施加反向?yàn)V波，原噪聲和自適應(yīng)濾波器產(chǎn)生的濾波相互抵消，使得室內(nèi)噪聲滿足噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。2.3光環(huán)境的智能控制2.3.1自然照明的智能控制控制要素：智慧建筑光環(huán)境的控制要素包括照度、對(duì)比敏感度、顏色以及眩光。照度是單位面積內(nèi)的光通量；對(duì)比敏感度是指視野亮度和背景亮度的差值與背景亮度之比；顏色對(duì)人體產(chǎn)生直接的心理效應(yīng)，不同顏色能夠使得人產(chǎn)生不同的心理感受，適宜的室內(nèi)光源顏色和光環(huán)境內(nèi)的物體顏色，能夠?yàn)槭褂谜邘矸e極、沉靜等不同感受；眩光是指視野中的亮度分布或亮度范圍不合適時(shí)，人體所產(chǎn)生的不舒適感覺，一般使用統(tǒng)一眩光值和眩光值來測(cè)量室內(nèi)光源對(duì)人眼造成的不舒適感受?？刂茦?biāo)準(zhǔn)：我國(guó)建筑設(shè)計(jì)依照《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB50034-2013》來構(gòu)建建筑光環(huán)境。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)室內(nèi)建筑的照度水平、照度均勻度指標(biāo)進(jìn)行了明確規(guī)定，用色表和顯色性指標(biāo)來衡量光源的顏色屬性，明確了光源色表顏色特征、顯色指數(shù)范圍、對(duì)應(yīng)的色溫以及適用的場(chǎng)所。為了避免出現(xiàn)眩光效應(yīng)，《建筑照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中明確指出，當(dāng)眩光光源仰角小于27°時(shí)，光源對(duì)人體產(chǎn)生的眩光影響顯著，當(dāng)光源仰角大于45°時(shí)，眩光影響減小。控制需求：智慧建筑需要以安全、舒適、健康、環(huán)保等原則為基礎(chǔ)，滿足居住者對(duì)光環(huán)境的需要，以人工智能技術(shù)為核心的建筑設(shè)備管理系統(tǒng)擁有決策、感知、推理、判斷的綜合智慧能力，能夠從光環(huán)境的分析入手[3]。室內(nèi)光源包括天然采光和人工照明，兩者共同為居住者營(yíng)造光環(huán)境。天然光源中晝光一般為太陽直射光、天空擴(kuò)散光，不同天氣下光源的特點(diǎn)不同。晴天時(shí)的地面照度主要來自太陽直射光，直射光的高度隨太陽高度角的增大而增大；陰天時(shí)室內(nèi)光源來自太陽擴(kuò)散光，光源分布一般較為均勻。對(duì)于建筑環(huán)境來說，天然光一般為太陽散射光，當(dāng)通過窗戶等位置照射進(jìn)的直射光強(qiáng)度較高時(shí)，室內(nèi)可能出現(xiàn)眩光、過熱的情況需要智能光環(huán)境系統(tǒng)通過控制窗簾等室內(nèi)遮蔽裝置，避免工作、休息房間受到太陽光的直射。通過智能控制檢測(cè)室外自然光的照度和方向，根據(jù)房屋的使用功能以及當(dāng)前居住者的使用狀態(tài)，靈活控制自然光的引入和遮擋，為居住者營(yíng)造舒適的光環(huán)境。建筑一般通過墻面、屋頂上安裝透光材料的孔洞進(jìn)行采光，包括天窗、側(cè)窗、混合采光等。在建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要考慮房屋朝向、房屋周圍遮擋環(huán)境等條件，保證室內(nèi)良好的照度。但當(dāng)客觀條件有所限制時(shí)，房屋建筑考慮綜合效益，采光口設(shè)計(jì)難以滿足采光的需要，這種情況需要通過智能化手段來引入自然光?？刂品椒ǎ禾烊徊晒庵悄芸刂仆ㄟ^跟蹤式反光板、光導(dǎo)照明系統(tǒng)等，完成天然采光控制需求的分析，靈活控制遮擋裝置和自然光引入裝置的開度和角度，營(yíng)造適宜的建筑光環(huán)境。2.3.2人工照明智能控制人工光源可分為熱輻射光源、氣體放電光源、半導(dǎo)體光源等不同類型。半導(dǎo)體光源也稱LED，擁有較高的光能轉(zhuǎn)化率；放電光源包括熒光燈、節(jié)能燈等；熱輻射光源，包括傳統(tǒng)的白熾燈等。建筑照明方式包括一般照明、局部照明、混合照明等。一般照明照度均勻，但房間照度面積過大時(shí)要布置多個(gè)燈具，容易造成資源浪費(fèi)問題。一般照明人工將房間劃分為不同區(qū)域，滿足各區(qū)域的一般照明需求，同時(shí)達(dá)到了節(jié)能的目的，但需要在控制光源過程中保障工作面和周圍環(huán)境的亮度比。人工智能在人工照明智能控制中的應(yīng)用，包括燈光的調(diào)節(jié)、連續(xù)調(diào)光、延時(shí)控制、場(chǎng)景控制、自動(dòng)檢測(cè)、系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用策略。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲取光環(huán)境的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，模糊控制系統(tǒng)通過模糊控制算法，將室內(nèi)照度的實(shí)測(cè)值和目標(biāo)值輸入模糊控制系統(tǒng)，經(jīng)過一系列信號(hào)轉(zhuǎn)化，最終驅(qū)動(dòng)光環(huán)境控制設(shè)備。光環(huán)境的智能控制以自然光的控制優(yōu)先，人工照明作為補(bǔ)充，控制不同燈光的編排組合，預(yù)設(shè)多種場(chǎng)景進(jìn)行光環(huán)境的靈活切換，通過傳感設(shè)備自動(dòng)檢測(cè)光環(huán)境，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳至控制系統(tǒng)，并將照明子系統(tǒng)接入智慧建筑中的建筑設(shè)備綜合管理平臺(tái)，使照明子系統(tǒng)和其他系統(tǒng)之間完成交互[4]。3.人工智能在智慧建筑智能安防中的應(yīng)用智慧建筑智能安防集視頻監(jiān)控、安全報(bào)警、門禁系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警、防氣體泄漏等功能為一體，實(shí)現(xiàn)了智慧化的綜合安全防范系統(tǒng)。人工智能技術(shù)中的人臉識(shí)別技術(shù)在門禁系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用，人臉識(shí)別技術(shù)通過識(shí)別結(jié)果確定來訪者身份信息及訪問權(quán)限，有效保護(hù)了居住者的人身安全和財(cái)產(chǎn)安全。人工智能開源技術(shù)的高速發(fā)展將機(jī)器視覺技術(shù)應(yīng)用在更多碎片化的場(chǎng)景中，人工智能與物聯(lián)網(wǎng)相互結(jié)合產(chǎn)生智聯(lián)網(wǎng)（AIoT）的概念，在智能化生態(tài)體系下，不同的系統(tǒng)平臺(tái)和智能終端設(shè)備在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下得以打通，實(shí)現(xiàn)了萬物互聯(lián)。智能攝像機(jī)算法種類不斷豐富，在傳統(tǒng)高清攝像頭的基礎(chǔ)上，智能攝像機(jī)。搭載了智能分析CPU芯片，應(yīng)用智能算法，集高清攝像功能和智能分析能力為一體，實(shí)現(xiàn)了遮擋檢測(cè)、移動(dòng)偵測(cè)、高空拋物檢測(cè)、自動(dòng)白平衡等智能化功能。在智慧建筑中，智能攝像機(jī)用于人員檢測(cè)、事件檢測(cè)、行為分析、周界入侵檢測(cè)，為智慧建筑的安全防護(hù)提供了保障。智慧建筑的安防系統(tǒng)在5G網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用下，視頻監(jiān)控分辨率不斷提高，為移動(dòng)端監(jiān)控提供了極大的便利，人工智能完成異常監(jiān)控的報(bào)警，高速的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)保障了告警的速度和顯示效率，在臨時(shí)突發(fā)事件中給予工作人員更加充足的安全應(yīng)急準(zhǔn)備時(shí)間。4.人工智能在智慧建筑能源管理中的應(yīng)用綠色節(jié)能、可持續(xù)發(fā)展是智慧建筑重要的發(fā)展目標(biāo)。建筑用能受到多變的環(huán)境條件、不可預(yù)估的任何行為、多樣化的維護(hù)結(jié)構(gòu)等多種因素的影響，數(shù)據(jù)為典型的一位時(shí)間序列數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的算法難以高效完成建筑功能的數(shù)據(jù)分析。隨著深度學(xué)習(xí)等人工智能技術(shù)的發(fā)展，人工智能技術(shù)在建筑用能控制中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了智慧建筑中各類節(jié)能措施和能源的優(yōu)化控制，提高了建筑物能源的利用效率。深度學(xué)習(xí)方法依賴于對(duì)歷史數(shù)據(jù)的分析，挖掘數(shù)據(jù)之間的潛在關(guān)系，可用于建筑能耗的預(yù)測(cè)、異常用能的智能識(shí)別與用能的分布分析[5]。在建筑的異常用能識(shí)別中，深度學(xué)習(xí)算法可挖掘用能數(shù)據(jù)中與其他觀測(cè)數(shù)據(jù)存在較大差異的數(shù)據(jù)，分析判斷非常用能的原因，及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致異常能耗的故障設(shè)備，減少不必要的能源浪費(fèi)。建筑能耗預(yù)測(cè)應(yīng)用深度置信網(wǎng)絡(luò)、長(zhǎng)效記憶網(wǎng)絡(luò)等，對(duì)當(dāng)前環(huán)境下的能耗應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)。建筑用能分析可針對(duì)季節(jié)、很多的不同因素分析建筑的用能分布，識(shí)別影響建筑用能的關(guān)鍵物理量，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑物環(huán)境中與用能相關(guān)的事物的深度感知、智能分析與有效控制。5.人工智能在智慧建筑交互設(shè)計(jì)中的應(yīng)用建筑設(shè)計(jì)需要滿足不同類型用戶的需求。交互性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)人機(jī)環(huán)境的深度融合，應(yīng)用人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)，對(duì)人的生理和心理狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確獲取，并完成高效、節(jié)能、舒適的智能化控制反饋。交互式設(shè)計(jì)可分為四個(gè)階段:數(shù)字系統(tǒng)將人的抽象目標(biāo)轉(zhuǎn)化為具體信息；信息轉(zhuǎn)換；信號(hào)輸出；輸出反饋，根據(jù)最終的反饋結(jié)果，評(píng)價(jià)用戶的具體化目標(biāo)是否達(dá)成，若未達(dá)成則重復(fù)以上階段。智慧交互將信息交互