樓宇自控系統(tǒng)的集成技術(shù)及未來發(fā)展方向
自上世紀80年代引入微處理器(micro processor)技術(shù)以來，樓宇自控技術(shù)的發(fā)展已走過了20多年的歷程。樓宇自控設(shè)備從沒有通信功能的獨立控制器發(fā)展成為具有通信功能的網(wǎng)絡(luò)控制器，樓宇自控系統(tǒng)從樓宇設(shè)備的控制系統(tǒng)(BAS)發(fā)展到樓宇設(shè)備控制系統(tǒng)與火災(zāi)報警消防聯(lián)動、安全防范的集成控制系統(tǒng)(BMS)，隨著智能建筑的進一步發(fā)展，不僅要求樓宇自控系統(tǒng)本身高效、集成，而且還要求與其他系統(tǒng)(如物業(yè)管理系統(tǒng))高效集成，稱為建筑集成管理系統(tǒng)(IBMS)。因此，樓宇自控系統(tǒng)(BMS)的集成直接關(guān)系到智能建筑集成系統(tǒng)的成敗。
回顧樓宇自控系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展歷程，并對不同發(fā)展階段的集成技術(shù)進行分析，既可以恰當?shù)乩煤卯斍暗募杉夹g(shù)，又可以把握樓宇自控系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展方向，及時掌握新技術(shù)，以迎接新時代的挑戰(zhàn)。本文根據(jù)樓宇自控系統(tǒng)的發(fā)展過程，結(jié)合IT技術(shù)的發(fā)展，對樓宇自控系統(tǒng)集成技術(shù)進行了如下3個方面的分析和展望，以供參考。
1、面向協(xié)議的集成技術(shù)
從第一個基于微處理器的樓宇控制器出現(xiàn)以來，樓宇自控的發(fā)展就與IT技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)，可以說，IT技術(shù)的發(fā)展是推動樓宇自控發(fā)展的動力。最初，樓宇自控設(shè)備是沒有通信功能的孤立控制器，其作用只是對某一個樓宇設(shè)備或幾個設(shè)備進行監(jiān)控。當對樓宇自控設(shè)備的要求提高后，如能量管理等，樓宇自控設(shè)備必須加入通信功能，樓宇自控就引入了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，從而形成了采用網(wǎng)絡(luò)通信的樓宇自控系統(tǒng)。在采用網(wǎng)絡(luò)通信的樓宇自控系統(tǒng)中，通信協(xié)議(communication protocol)是樓宇自控系統(tǒng)通信技術(shù)的關(guān)鍵。最初的通信協(xié)議是專用的(proprietary)通信協(xié)議，由各生產(chǎn)廠商單獨制定，專用于自己的樓宇自控產(chǎn)品，不對外開放，甚至將專用通信協(xié)議作為技術(shù)或商業(yè)秘密加以保護。
隨著市場的發(fā)展，業(yè)界認識到通用型開放性通信協(xié)議對用戶的重要性。于是有些具有實力的廠商或公司向業(yè)界公開自己的通信協(xié)議，希望得到業(yè)界的大量采用而成為事實上的標準。時至今日，已有不少于10種通信協(xié)議“粉墨登場”。眾多公開的通信協(xié)議給樓宇自控系統(tǒng)集成帶來了困難。在市場和技術(shù)競爭的機制下，得到業(yè)界公認的通信協(xié)議標準只有BACnet標準和LonWorks標準。根據(jù)工業(yè)控制領(lǐng)域的經(jīng)驗，樓宇自控行業(yè)在短期內(nèi)不可能出現(xiàn)統(tǒng)一的協(xié)議標準，多種公開的協(xié)議標準仍將并存。
在多標準并存的樓宇自控系統(tǒng)中，最早出現(xiàn)的系統(tǒng)集成技術(shù)就是面向協(xié)議(protocol-oriented)的集成技術(shù)。這種集成技術(shù)的核心就是通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換的互連設(shè)備往往稱為“網(wǎng)關(guān)(gateway)”。圖1是這種集成技術(shù)的基本結(jié)構(gòu)圖，其中，運行集成系統(tǒng)主界面的工作站通常是基于集成系統(tǒng)中的主通信協(xié)議的。這種集成技術(shù)在目前已得到了廣泛的應(yīng)用，尤其在已建系統(tǒng)中用另一種不同協(xié)議標準擴展時就必須采用這種技術(shù)進行系統(tǒng)集成。
從系統(tǒng)集成的層次來看，樓宇自控網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議是對樓宇自控設(shè)備(即通信實體)的抽象描述。不同的通信協(xié)議通常采用不同的描述方式和信息模型，有的通信協(xié)議采用面向?qū)ο蟮男畔⒛Ｐ?objectoriented information model)，這種信息模型具有一定層次的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如BACnet和EIB-OBIS(European Installation Bus Object Interface Specification)標準，而有的通信協(xié)議采用面向寄存器的模型(register-oriented information model)，這種信息模型是“扁平(flat)”的，不具有層次化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如Modbus和LonTalk標準。因此，面向協(xié)議的集成技術(shù)是以“描述信息模型”為中心的，實質(zhì)上是協(xié)議描述信息模型的轉(zhuǎn)換，并且這種信息模型轉(zhuǎn)換是在二進制編碼(binary encoding)的層面上進行的。
由于這種集成技術(shù)是在二進制編碼基礎(chǔ)上進行的轉(zhuǎn)換，當集成系統(tǒng)中存在多種通信協(xié)議標準時，這種集成技術(shù)的代價就會太大，并且存在模型轉(zhuǎn)換不完全的現(xiàn)象。另外，當非集成主標準系統(tǒng)(次協(xié)議系統(tǒng))擴展時，升級網(wǎng)關(guān)的代價較大。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，為了克服這種集成技術(shù)的缺點，出現(xiàn)了“面向平臺(platform-oriented)”的集成技術(shù)。
2、面向平臺的集成技術(shù)
面向平臺的集成技術(shù)是以“信息集成”為核心的，通過定義自控網(wǎng)絡(luò)中通信實體信息交換的標準接(interface)，以屏蔽不同通信協(xié)議對通信實體信息模型的差異。不論通信協(xié)議對通信實體進行何種模型描述，只要描述的信息模型提供標準的信息集成接口，則可以在這個標準接口上實現(xiàn)信息的集成，從而實現(xiàn)控制系統(tǒng)信息共享和互操作的集成目標。與面向協(xié)議集成技術(shù)相比，這種集成技術(shù)是一種較高層次上的集成技術(shù)。
另外，通過信息交換的標準接口還可以實現(xiàn)控制系統(tǒng)與辦公管理系統(tǒng)(OAS)的集成。這種優(yōu)點正好符合控制系統(tǒng)與信息管理系統(tǒng)集成的發(fā)展趨勢，因而這種技術(shù)目前正處于高速發(fā)展和成熟的階段。面向平臺的集成技術(shù)雖然屏蔽了信息模型的差異，但標準接口的實現(xiàn)是與信息集成平臺密切相關(guān)的。也就是說，不同的集成平臺具有不同的信息接口和實現(xiàn)機制，例如，可以通過“協(xié)議設(shè)備驅(qū)動器(protocol deviced river)”的內(nèi)核接口進行系統(tǒng)集成。在各種不同的信息集成方法中，最為著名的是OPC(OLEfor Process Control)技術(shù)。
OPC技術(shù)是由Microsoft公司發(fā)起的一個工業(yè)標準，目前由OPC基金維護。這個標準定義了Windows系統(tǒng)中應(yīng)用程序與各種設(shè)備驅(qū)動程序交換控制信息的標準接口。它采用客戶/服務(wù)器(C/S)體系，包括OPC服務(wù)器和OPC客戶兩個部分。其中，應(yīng)用程序作為OPC接口中的客戶端，硬件驅(qū)動程序作為OPC接口中的服務(wù)器端。在OPC技術(shù)中，每一個OPC客戶端應(yīng)用程序可以連接多個OPC服務(wù)器，反過來，每一個OPC服務(wù)器可以為若干個OPC客戶端應(yīng)用程序提供數(shù)據(jù)。圖2為利用OPC技術(shù)的集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
OPC技術(shù)是面向平臺集成技術(shù)的典型范例，這種集成技術(shù)廣泛應(yīng)用于各種自控領(lǐng)域，在樓宇自控領(lǐng)域，Siemens公司的APOGEE系統(tǒng)就采用了這種集成技術(shù)。
面向平臺的集成技術(shù)雖然在較高層次上實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的集成，但這種集成技術(shù)與平臺相關(guān)。為了實現(xiàn)跨平臺的系統(tǒng)集成，又出現(xiàn)了如下“面向Web”的集成技術(shù)。
3、面向Web的集成技術(shù)
提到Web，我們既熟悉，又感到陌生。我們幾乎每天都離不開Web，但對Web的內(nèi)涵卻不甚了解。我們常用Web瀏覽器(browser)，就以為瀏覽器是Web的全部內(nèi)涵，從而導致有些人認為基于Web瀏覽器的樓宇自控系統(tǒng)就是“面向Web集成技術(shù)”的集成系統(tǒng)。確實，Web瀏覽器利用HTML技術(shù)極大地改變了我們使用Web的方法，但Web瀏覽器只是Web內(nèi)涵的一個極小部分，目前絕大部分基于Web瀏覽器的樓宇自控系統(tǒng)實質(zhì)上并不是面向Web集成技術(shù)的集成系統(tǒng)。面向Web的集成技術(shù)是當前所有系統(tǒng)集成領(lǐng)域正在經(jīng)歷的革命性技術(shù)。
現(xiàn)階段大多數(shù)基于Web瀏覽器的樓宇自控系統(tǒng)之所以不是面向Web集成技術(shù)的系統(tǒng)，主要原因有兩點，一是這種系統(tǒng)只是利用Web瀏覽器訪問靜態(tài)數(shù)據(jù)，而這種靜態(tài)數(shù)據(jù)通常早已存儲在某個數(shù)據(jù)庫(布置在Web上)之中。二是數(shù)據(jù)庫中存儲的數(shù)據(jù)是由其他集成技術(shù)(通常為上述兩種集成技術(shù))所產(chǎn)生或生成的。因此，基于Web瀏覽器的樓宇自控系統(tǒng)只是在其他集成技術(shù)建立的集成系統(tǒng)之上加入Web瀏覽器作為人-機操作界面的系統(tǒng)。雖然目前絕大部分基于Web瀏覽器的系統(tǒng)不是面向Web集成技術(shù)的系統(tǒng)，但這種系統(tǒng)提供統(tǒng)一的人-機界面，還可以利用Web瀏覽器的客戶/服務(wù)器模式在Web上進行布置，實現(xiàn)遠程、無線等監(jiān)控功能。因而在面向Web集成技術(shù)的集成系統(tǒng)中也通常采用Web瀏覽器作為人-機主界面。
面向Web的集成技術(shù)是利用Web Services技術(shù)進行系統(tǒng)集成的技術(shù)。Web Services技術(shù)是一系列Web應(yīng)用技術(shù)，這些Web應(yīng)用具有“自包含、自描述和模塊化”的特點，可以在Web上發(fā)布、布置和調(diào)用。通過定義可以看出Web Services為復數(shù)形式的原因。Web Services技術(shù)是當今IT業(yè)界的焦點，其主要目標是在現(xiàn)有各種異構(gòu)平臺的基礎(chǔ)上構(gòu)筑一個平臺無關(guān)、語言無關(guān)，協(xié)議無關(guān)的通用技術(shù)層，通過這個技術(shù)層各種平臺上的應(yīng)用可以互相連接和集成，從而實現(xiàn)互操作功能。
Web Services作為一種IT技術(shù)，以其開放性、標準性和簡便性在IT業(yè)界得到了廣泛應(yīng)用，并正向自控領(lǐng)域及其系統(tǒng)集成應(yīng)用高速滲透。利用WebServices技術(shù)進行樓宇自控系統(tǒng)集成正是這種發(fā)展趨勢的具體表現(xiàn)，代表著樓宇自控系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展方向。
Web Services技術(shù)包括許多高新技術(shù)，但其核心技術(shù)主要是XML(eXtensible Markup Language:可擴展標記語言)和SOAP(Simple Object Access Protocol:簡單對象訪問協(xié)議)。這兩項技術(shù)同樣也包含很多內(nèi)容，但其作用可以簡單地總結(jié)為，XML用于數(shù)據(jù)描述，SOAP用于數(shù)據(jù)訪問。根據(jù)這兩項技術(shù)的作用，可以粗略地推導出利用Web Services技術(shù)進行多協(xié)議系統(tǒng)集成的基本原理：首先，利用XML數(shù)據(jù)描述功能將某個具體協(xié)議所描述的樓宇自控設(shè)備信息模型進行轉(zhuǎn)換或映射，形成一種具有“自包含和自描述”的信息模型。然后利用SOAP數(shù)據(jù)訪問功能對XML模型進行訪問，從而實現(xiàn)多協(xié)議系統(tǒng)的系統(tǒng)集成。圖3是利用這種技術(shù)進行系統(tǒng)集成的基本結(jié)構(gòu)圖。
目前樓宇自控領(lǐng)域的兩大標準(BACnet和LonWorks)均定義了WebServices接口，北美大陸樓宇自動化協(xié)會(CABA:Continental Automated Buildings Association)也發(fā)起了制定Web Services接口的開放標準——oBIX(Open Building Informatione X change:開放樓宇信息交換)。以上述三個主要Web Services接口定義的文體來看，由于BACnet標準已是ISO標準，其Web Services接口將成為ISO標準的可能性較大。而CABA為了使oBIX標準得到更大范圍的認可和應(yīng)用于2004年將制定和維護oBIX規(guī)范的工作移交給OASIS(the Organization for the Advancement of Structured Information Standards，一個全球非盈利組織，致力于制定和發(fā)展電子商務(wù)的標準)。目前基于Web Services技術(shù)較為成熟的樓宇自控集成系統(tǒng)產(chǎn)品是由美國ALC公司開發(fā)的WebCTRL系統(tǒng)。從上面的分析可以看出，面向Web的集成技術(shù)也是一種信息模型轉(zhuǎn)換技術(shù)，但這種集成技術(shù)是高層次上對信息模型進行轉(zhuǎn)換，并且轉(zhuǎn)換后的信息模型是用XML描述的。XML描述是一種自包含和自描述的“文本”文件，與平臺和語言無關(guān)，并獨立于底層具體協(xié)議，不僅自然直觀，具有“人可讀性(human —readable)”，而且更重要的是具有“計算機可讀性(machine —readable)”，即XML模型是“計算機-計算機(machine —to-machine)”的信息模型，是計算機可以“理解”的模型。從而使這種信息模型擺脫了與平臺和協(xié)議有關(guān)的專用格式的束縛，實現(xiàn)了與平臺無關(guān)、語言無關(guān)、協(xié)議無關(guān)的目標。
由于WebServices技術(shù)具有平臺無關(guān)、語言無關(guān)、協(xié)議無關(guān)的特性，不僅可以用于樓宇自控系統(tǒng)的集成，還可以用于樓宇自控系統(tǒng)與智能建筑中其他智能子系統(tǒng)的集成，實現(xiàn)所有建筑智能系統(tǒng)的集成。也正是由于這種技術(shù)具有“眾所周知和開放”的特點，這種技術(shù)也是建設(shè)“數(shù)字城市”的基礎(chǔ)。
值得指出的是，從理論上可以直接利用Web Services技術(shù)對樓宇自控設(shè)備進行模型描述和數(shù)據(jù)通信。但這種技術(shù)的編碼格式比具體協(xié)議所定義的專用格式靈活，且編碼效率低。這表明這種技術(shù)需要較多的計算資源，較大的傳輸帶寬和較強的處理能力。這種需求進而說明，在目前狀況下這種技術(shù)不太適用于現(xiàn)場級的應(yīng)用或直接對樓宇自控設(shè)備進行模型描述。因此，在目前狀況下，Web Services技術(shù)不會取代BACnet或LonWorks等具體標準，只是具體通信標準的補充和擴展。盡管如此，在國外已有這方面大量的研究和嘗試。隨著IT技術(shù)的發(fā)展，尤其是微電子技術(shù)的發(fā)展，當處理成本、傳輸成本和存儲成本降低到一定程度的時候，也許這種技術(shù)會延伸至樓宇自控系統(tǒng)的最底層，從而成為真正的“統(tǒng)一標準”。
4、結(jié)論
綜上所述，IT技術(shù)的發(fā)展是樓宇自控系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。只有了解IT技術(shù)的發(fā)展方向和應(yīng)用動態(tài)，才能把握樓宇自控系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展方向，為掌握新技術(shù)作好準備。
隨著IT技術(shù)的發(fā)展，面向Web的集成技術(shù)不僅是未來樓宇自控系統(tǒng)集成的主流技術(shù)，而且也是目前“數(shù)字城市”建設(shè)的主流技術(shù)。也許如Web業(yè)界預(yù)言一樣，Web Services將“玩轉(zhuǎn)”“數(shù)字地球”。
摘自《慧聰網(wǎng)》
