基于BIM+IOT技术的既有建筑智能化控制平台的开发研究

基于BIM+IOT技术的既有建筑智能化控制平台的开发研究

万伟明

苏州市建筑工程设计院有限公司 江苏省 苏州市 215000

摘要：本研究基于既有建筑的照明系统和空调系统，通过对其通讯协议的研究，采用相应的物联网设备进行连接，将数据接入到开源物联网平台Home Assistant中，并在Unity虚拟场景中完成BIM模型与照明及空调等设备联动，以达到“由实映虚，以虚控实”的目的，实现建筑智能化管控。研究基于某既有办公大楼，通过分析建筑的通讯协议、选择和配置物联网设备、接入开源物联网平台、关联BIM模型、搭建智慧管控平台等措施，为建筑智能化控制提供了技术基础和实践指导，实现建筑的数字化、和智能化升级。

关键词：BIM、IOT、KNX、智慧城市、智能化控制

引言：

随着社会的发展和科技的进步，建筑行业正面临着数字化转型的机遇和挑战。建筑智能化作为数字化转型的关键领域之一，已成为提升建筑效能、改善居住和工作环境的重要手段。并且人们对建筑环境的舒适性和智能化的要求越来越高，传统的建筑设备和管理方式已不能满足这些需求。因此，如何利用既有建筑的非智能化照明、空调等控制系统，实现智能化管控成为了亟待解决的问题。

在实现既有建筑中智能化改造中面临着一系列的技术和实践问题。不同设备的控制平台不统一，控制设备时需在不同平台上进行切换，且常见的平台都以二维平面的控制界面为主，界面展示不直观，控制不高效；建筑设备的通讯协议和技术标准多样，使得设备之间的互联和数据交换变得复杂；物联网设备的选择和配置也是一个关键问题，如何选择兼容性好、稳定可靠的设备，确保设备能够与现有系统有效地连接和交互；物联网设备如何与BIM模型关联实现智能控制，同时实时获取设备信息并反馈于虚拟场景的模型中，这些都是具有挑战性的任务。

一、搭建控制平台

1.1 界面设计和布局

本研究基于Unity搭建智慧管控平台，设计和布局首页界面和各功能模块页面。通过设计直观友好的用户界面，提供用户友好的操作体验和信息展示，以便用户访问和使用各功能模块。

平台首页的设计致力于呈现核心信息和功能模块的入口，确保用户可以迅速找到所需的信息和操作选项。首页的内容包括清晰的导航菜单、信息面板、以及快速访问功能。各功能模块的页面布局根据模块的特点和用户的需求设计，直观展示模块信息，提高用户效率，降低操作难度。

1.2 BIM模型集成&智能控制系统联动

1）BIM模型集成

BIM模型在各软件之间传递需解决格式转换、数据集成和模型优化等问题。为优化不同软件间模型导入的问题，本研究对Revit模型整合优化后载入到Navisworks，并导出为FBX格式的模型文件，该方式相比于直接导出，可以保留原有的模型材质。将FBX文件导入到Unity3D平台中，在平台中对模型的层级结构进行调整，以确保BIM数据在Unity中正确显示和交互。

2）智能控制系统联动

研究利用开源电气设备智能控制平台(Home Assistant)实现照明系统和空调系统的智能控制。Home Assistant支持自动化、群组化以及用户界面客制化等特点，能够轻松地连接各种外部设备，并可进行手动或定制的自动化操作。在Unity中调用相关的API接口，与Home Assistant建立通信桥梁，并结合多种数据传输协议，如KNX、Modbus、Wifi等，这些协议用于确保BIM模型与各设备之间的有效通信。基于Unity开发控制平台与Home Assistant的紧密集成，以完成电气设备的控制、监控和自动化操作，实现BIM模型与电气设备之间的互联互通。

二、既有照明系统智能化改造

在一些既有建筑中缺乏现代智能化控制所需的硬件和通信能力，设备的兼容性较差。不同制造商的设备往往采用不同的通信协议和接口，导致设备之间的不兼容。同时，在照明系统的智能化改造中，对网络基础设施的需求较高，需要建立相应的网络基础设施，以支持设备之间的通信，确保数据能够流畅传递。

对既有照明设备及其系统的接线方式、通信协议等进行研究，从而制定不同的智能化改造方案。本次改造的大楼照明系统采用KNX（Konnex）总线协议，利用该协议对应的KNX-IP网关设备，通过IP或者组播地址与任意KNX标准通讯软件（如ETS、ASL1000自研软件等）进行连接，对KNX总线设备实现配置、管理、下载的功能，完成照明设备联网。利用Home Assistant实现照明设备的远程控制，在Unity中通过调取相应的API及编写控制/反馈功能的脚本代码，将Unity与HA平台进行关联，在unity的三维场景中为每一盏灯对应的场景模型添加light光源、开关面板模型，结合现实灯光的颜色和亮度等参数对light的参数进行设置，以Unity虚拟场景中light的亮/灭开及开关按键联动到现实场景中灯光的亮/灭及开关按键。通过实时更新设备状态信息，将现实灯光和开关按键的状态信息同步更新反馈于Unity的虚拟场景中，再结合其他的传感设备的联动，实现照明系统的智能化、自动化的控制。

三、既有空调系统智能化改造

在既有空调的智能化改造中，面临与照明系统类似的困难和挑战。1、老旧设备的兼容性差：既有空调系统的硬件和控制器相对老旧，这些设备可能不兼容现代的智能化解决方案，需采用中间件或者协议转换设备，以便统一控制不同类型的设备；2、通信协议的差异：不同厂家的空调设备往往使用不同的通信协议，导致集成困难，需寻找适当的接口和中间设备来连接老旧设备；3、网络基础设施需求高：既有建筑的网络环境不同，部分老旧建筑甚至缺少必须的网络设施。需要建立稳定的网络基础设施，以支持设备之间和数据传输；4、设备布线复杂：在既有建筑中布线常遇到布线空间有限等问题，为实现调系统智能化改造，需要新增传感设备、控制设备、网络设施等，需了解原始的布线位置，规划合适的接入点位，同时还需要考虑设备的布线和电源供应。

针对空调控制系统进行智能化改造，采用基于WiFi协议的VRF空调控制设备，控制设备可与多联机的外机或系统中任意的内机相连，通过该设备可与多联机空调系统中所有的空调自动完成关联。在unity的三维场景中为每个多联机空调与对应的模型进行关联，除三维场景外，增加了二维的显示模块，根据不同颜色区分空调当前的状态，二维三维同步更新并展示，可更加方便的管控设备运行、直观的展示设备状态。以Unity虚拟场景中空调的开关及相应的状态联动到现实场景的空调状态。通过实时更新设备状态信息，将现实空调的状态信息同步更新反馈于虚拟场景中，实现空调设备在Unity平台中管控，提高空调系统的运行能效和舒适性，以确保大楼内的温度和空气质量得到更好的管控。

四、总结

  本研究以某既有办公楼为案例，基于BIM和物联网技术，开发了智慧楼宇管控平台。通过照明系统和空调系统的智能化改造，整合和优化BIM模型并与实际设备建立映射关系，确保设备在Unity平台中正确显示和交互，为既有建筑提供了系统的智能化控制解决方案，完成建筑的数字化和智能化升级，实现BIM模型与实际设备之间的“由实映虚，以虚控实”，满足人们对建筑环境舒适性、能源效率和可持续性的需求。此外，研究成果还可为在不同行业和应用场景下的智慧平台开发提供了有力的技术基础和实践指导，具有广泛的市场应用前景和社会经济效益。

参考文献

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[3]马飞虹.建筑智能化系统 [M].北京:机械工业出版社,2003.

[4]GB/T 39583-2020,既有建筑节能改造智能化技术要求[S].