基于EBI的智能建筑系統(tǒng)集成軟件接口技術(shù)的研究及應(yīng)用

1、引言

　　在智能建筑中，建筑智能化系統(tǒng)包含著若干個系統(tǒng)，而每個系統(tǒng)又由多個子系統(tǒng)和各種設(shè)備構(gòu)成。以樓宇自控系統(tǒng)為例，從廣義上講它包括空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明與動力系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、安全防范等子系統(tǒng)以及多種型號的傳感器、執(zhí)行器、現(xiàn)場控制器、UPS等機(jī)電設(shè)備。智能化集成系統(tǒng)就是將智能建筑內(nèi)不同功能的子系統(tǒng)在物理上、邏輯上、功能上連接在一起，以實現(xiàn)信息綜合、資源共享。而實現(xiàn)系統(tǒng)集成的關(guān)鍵在于解決各子系統(tǒng)之間的互聯(lián)和互操作性問題，這是一個多廠商、多協(xié)議和面臨各種應(yīng)用的體系結(jié)構(gòu)，也是每一個智能建筑所面臨的問題。解決這一問題最有效的方法就是利用軟件接口技術(shù)，即在集成系統(tǒng)服務(wù)器與子系統(tǒng)管理主機(jī)之間使用一個軟件接口，以此來完成集成系統(tǒng)與子系統(tǒng)的連接和信息交換。所謂的軟件接口是指：一個能使智能化系統(tǒng)（稱為主系統(tǒng)）與另外一個智能化系統(tǒng)或機(jī)電設(shè)備（稱為分系統(tǒng)）之間建立起通訊連接的軟件，并完成主系統(tǒng)與分系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，從而實現(xiàn)主系統(tǒng)對分系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控和運行參數(shù)的設(shè)置。軟件接口存在的前提是主系統(tǒng)和分系統(tǒng)均可提供對外通訊接口，且二者的通訊接口互不兼容，不能直接建立連接。因此，軟件接口技術(shù)的研究已成為智能建筑系統(tǒng)集成中必不可少的一項關(guān)鍵技術(shù)。

　　下面就通過作者近期完成的天津某智能建筑工程，詳細(xì)說明智能建筑系統(tǒng)集成中軟件接口技術(shù)的研究及其在實際工程中的應(yīng)用，其目的是為現(xiàn)在和今后的智能建筑系統(tǒng)集成工程提供全方位的、切實可行的方法，真正提高建筑管理系統(tǒng)的集成化、智能化水平。

2、基于EBI的BMS控制系統(tǒng)介紹

　　EBI(Enterprise Building Integratioon)即企業(yè)樓宇集成系統(tǒng)，是Honeywell公司推出的企業(yè)管理與樓宇自控的全面解決方案。在實際的智能大廈工程中，基于EBI的BMS(Building Management System）系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。BMS系統(tǒng)是一個典型的網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)（Networked Control System，NCS），系統(tǒng)自底向上分為三級：現(xiàn)場級、自動化監(jiān)控級、管理級。也可將現(xiàn)場級、自動化監(jiān)控級合起來稱為控制級。現(xiàn)場級主要是通過各類傳感器完成各類信號的現(xiàn)場采集，以及用現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成現(xiàn)場控制功能。采用RS485、LonWorks、Honeywell C-BUS等多種控制總線技術(shù)，來完成各子系統(tǒng)的監(jiān)測和控制功能。自動化監(jiān)控級包括各子系統(tǒng)各自配備的控制器及獨立的上位監(jiān)控系統(tǒng)，完成各自獨立的控制功能?？刂破鲗F(xiàn)場級采集的信號與上位監(jiān)控的設(shè)定值進(jìn)行比較、計算，并向現(xiàn)場級的執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)出指令，來完成所要求的控制功能。管理級主干網(wǎng)采用100M以太網(wǎng)絡(luò)、客戶機(jī)/服務(wù)器（C/S）或瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)模式，實現(xiàn)子系統(tǒng)之間的聯(lián)絡(luò)、對話，對各子系統(tǒng)的重點信號統(tǒng)一實施監(jiān)控。

　　在一個集成化的BMS系統(tǒng)中，往往是集散控制系統(tǒng)與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)并存的局面，系統(tǒng)要真正做到集成需克服諸多難點：如分析清楚系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)、深入理解現(xiàn)場總線的通信協(xié)議、開發(fā)相應(yīng)的軟件接口等。

3、軟件接口技術(shù)

3.1 模塊并行集成模式的軟件接口技術(shù)

　　它的核心思想是：將BMS的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為管理網(wǎng)與監(jiān)控網(wǎng)兩層，各子系統(tǒng)運行在下層監(jiān)控網(wǎng)，系統(tǒng)集成數(shù)據(jù)庫運行在管理網(wǎng)，各子系統(tǒng)與管理網(wǎng)的集成按是否需要另外開發(fā)應(yīng)用程序劃分成兩大類：一類是通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實現(xiàn)集成，只要通信雙方都共同遵守某種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，即可通過標(biāo)準(zhǔn)化配置將實時數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成合法格式后直接與數(shù)據(jù)庫交換信息，不需再開發(fā)額外驅(qū)動程序；另一類是通信雙方不能共同提供某種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)接口時，需利用系統(tǒng)提供的應(yīng)用程序編程接口函數(shù)即API/Net API函數(shù)來開發(fā)軟件接口，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的訪問。這種思想的示意圖如圖1。

　　圖1中，將各子系統(tǒng)及其與集成平臺通信的接口縱向地看作一個模塊，整個系統(tǒng)中包含若干個這樣的模塊，這些模塊處在平等的地位，并行地運行，集成平臺統(tǒng)一協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)之間的工作。通過這種全面的定義與概括就實現(xiàn)了對所有實際集成問題的解決方案，而且依據(jù)并行工程的概念與理論，將整個系統(tǒng)模塊化，使系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加清晰，從而更加直觀地反映了實際系統(tǒng)的情況。

圖1 模塊并行集成模式示意圖

3.2 基于OPC的組件化集成模式的軟件接口技術(shù)

　　基于OPC的集成模式的思路完全不同于上述模式，這種模式主要運用OPC技術(shù)來實現(xiàn)，其核心思想為：BMS中央監(jiān)控站作為OPC 客戶端，在它和各下層子系統(tǒng)之間開發(fā)一個OPC 服務(wù)器，保證這個OPC服務(wù)器與OPC客戶端使用的是同一套OPC標(biāo)準(zhǔn)類型，可直接互通。OPC 服務(wù)器做成一個標(biāo)準(zhǔn)組件，包含可擴(kuò)展的若干接口，以實現(xiàn)對不同設(shè)備驅(qū)動組件的調(diào)用。設(shè)備驅(qū)動組件依據(jù)不同的設(shè)備接口類型及協(xié)議封裝，實現(xiàn)OPC服務(wù)器組件規(guī)定的若干接口或某些關(guān)鍵接口成員函數(shù)，與OPC服務(wù)器組件形成DCOM架構(gòu)，共同運行在中央監(jiān)控平臺和各子系統(tǒng)之間，作為通信的中介，將具有DCOM架構(gòu)的這些組件的集合統(tǒng)稱為“接口層”。對中央監(jiān)控平臺來講，接口層屏蔽了監(jiān)控層中各種協(xié)議的不統(tǒng)一性及各種網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性，從宏觀上實現(xiàn)了OPC即插即用的思想。接口層中的各組件可運行在不同的計算機(jī)上，具有位置透明性；設(shè)備接口組件的數(shù)量可根據(jù)具體工程的需求任意增減、自由拆裝。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2基于OPC的集成模式示意圖

4、軟件接口技術(shù)在系統(tǒng)集成工程中的應(yīng)用

　　天津某智能建筑，建筑面積61000平方米，其BMS系統(tǒng)集成工程是2008年奧運會試點工程之一。在系統(tǒng)集成設(shè)計過程中，、電梯監(jiān)控子系統(tǒng)、UPS監(jiān)控子系統(tǒng)、鍋爐監(jiān)控子系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)監(jiān)控子系統(tǒng)等系統(tǒng)的集成采用的是同一種方式，即以干接點采集現(xiàn)場狀態(tài)進(jìn)而將信號納入樓宇自控子系統(tǒng)統(tǒng)一監(jiān)控，樓宇自控子系統(tǒng)再以標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)的“身份”直接通過標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)關(guān)聯(lián)入中央監(jiān)控平臺。這是比較傳統(tǒng)的做法，其集成實現(xiàn)的方法單一且比較容易。安全防范子系統(tǒng)、消防子系統(tǒng)因它們均屬非標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)，而且協(xié)議嚴(yán)重不統(tǒng)一，不能與EBI直接集成，需開發(fā)相應(yīng)的軟件接口，實現(xiàn)系統(tǒng)集成。為此，作者為安全防范系統(tǒng)開發(fā)了軟件接口GatewayES，并以“模塊并行集成模式”將安全防范系統(tǒng)集成進(jìn)整個BMS中。消防子系統(tǒng)的集成方法更具代表性。本工程中消防系統(tǒng)采用西門子的CS11，CS11網(wǎng)絡(luò)的傳輸協(xié)議遵循ISO1745標(biāo)準(zhǔn)，而EBI不支持該協(xié)議，如果要將該系統(tǒng)與EBI連接起來，需要再開發(fā)一個軟件接口，運行在MK7022和EBI之間。一種方法是利用人工智能Agent理論的思想開發(fā)一個運行在EBI和MK7022之間的Agent，該Agent就作為消防子系統(tǒng)的軟件接口使用，以“模塊并行集成模式” 將消防子系統(tǒng)集成進(jìn)整個BMS中，以此來實現(xiàn)：

　?。?）ISO1745協(xié)議的轉(zhuǎn)化，使火災(zāi)探測系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的火警信息可傳送到BMS，進(jìn)入EBI數(shù)據(jù)庫；

　?。?）CS11現(xiàn)場控制器中配置數(shù)據(jù)的讀入，使BMS接收到的事件信息與它在控制器中的位置建立明確的對應(yīng)關(guān)系。值得注意的是火災(zāi)探測系統(tǒng)和BMS之間是一種單向傳輸通訊，即火災(zāi)探測系統(tǒng)向BMS發(fā)送有關(guān)事件的信息，但在BMS上禁止對火災(zāi)探測系統(tǒng)進(jìn)行操作，如啟動某個設(shè)備，關(guān)閉某個探測器等，這些操作在DMS7000上實現(xiàn)，即EBI對火災(zāi)探測子系統(tǒng)只監(jiān)不控。另一種方法是開發(fā)一個消防子系統(tǒng)驅(qū)動COM組件，用OPC Server組件調(diào)用該組件來實現(xiàn)“基于OPC的組件化集成模式”下的系統(tǒng)集成。無論哪種模式實現(xiàn)的軟件接口，其功能和目的都是一樣的。

　　消防子系統(tǒng)軟件接口的開發(fā)與實現(xiàn)方法如下：

4.1 API-Agent法

　　多Agent系統(tǒng)的研究目標(biāo)是各Agent之間智能行為的協(xié)調(diào)，包括規(guī)劃、知識、技術(shù)和動作的協(xié)調(diào)。本文以消防軟件接口Agent的開發(fā)為例，給出了開發(fā)一種軟件接口Agent的過程和方法。

　　軟件Agent經(jīng)常用多線程或者是類UNIX過程來實現(xiàn)，區(qū)別軟件Agent和普通程序的關(guān)鍵就是看它們和所處環(huán)境進(jìn)行交互的能力。所以，在設(shè)計消防接口軟件Agent時充分考慮了它所處的運行環(huán)境、系統(tǒng)位置及交互職責(zé)等因素。文中系統(tǒng)要求消防接口軟件Agent最終實現(xiàn)如下結(jié)果：將西門子消防系統(tǒng)（對于數(shù)據(jù)處理的實時性要求較高）納入Honeywell的智能大廈監(jiān)控平臺。西門子消防系統(tǒng)通過一個通信接口單元MK7022與消防接口軟件Agent進(jìn)行信息交互，而Agent又與監(jiān)控平臺的實時數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息交換。另<