文 | 秦明；編輯 | 石亞瓊
降低建築運營能耗，是碳中和的必行之路。
建築節能自控技術——群智慧建築系統，誕生於清華大學建築節能研究中心，由江億院士領銜。作為十三五期間建築智慧化系統平臺方向，國家唯一支援的大型科研專案，它被專家評價為智慧建築領域的“兩彈一星”工程。
在廣州微信總部辦公樓智慧化改造專案中，8天完成2萬平方米的安裝除錯工作，實現暖通控制系統上線執行，目前已執行5年，風機能耗費用下降50%。
作為最佳案例被寫入《中國建築節能年度發展報告2022》的華潤置地吳江永珍匯與濟南永珍城，使用了群智慧建築系統後，每年節省電量約189萬度，減少CO2排放量1330噸，分別實現了34%、21%的節能率。
將縮短除錯時間80%以上，將建築整體能耗平均降低30%，是它的建設速度與節能效果。
近期，36氪專訪了
群智慧建築系統的發明人，鄰元科技CEO姜子炎
，清華大學博士，暖通專業背景，本科階段就跟著江億院士進入實驗室，從事建築節能領域研究。20多年來，他經歷了建築節能領域從一個不被重視到被重視、再到如今熱門產業的過程。
他談到，將建築物理場與分散式計算相融合，扁平化、去中心、自組織的新型計算架構，將給行業帶來一場全新的技術革新。
鄰元科技CEO姜子炎
01 傳統建築智慧化系統，難以複製推廣
01 傳統建築智慧化系統，難以複製推廣
36氪：過去20餘年，智慧建築領域的市場狀態與運轉邏輯是怎樣的？
早在千禧年前，不少新建公共建築中都有安裝建築智慧化系統的預算，實現所謂3A、5A級建築。剛開始比如清華同方、太極等國產公司從事此項服務工作。2000年以來，江森自控、西門子、霍尼韋爾等國外品牌進入市場，PLC、DDC等核心硬體產品逐漸佔到中國市場的60%-70%；加上後續的施耐德與其他若干國外品牌，佔比達到90%以上，國產控制器硬體產品的市場份額寥寥無幾。
然而，此賽道的中國企業數以千計，僅在智慧建築行業協會中，就有超2000家的整合商、建設單位註冊。一直以來，他們往往從國外企業購買硬體產品，針對工程專案進行系統整合和軟體開發，並交付給甲方使用。
姜子炎：
36氪：近30年來，智慧建築領域發展背後有哪些遺留至今的問題？
近三十年，因地產行業的快速發展，建築智慧化產業也不斷髮展。起初安裝建築智慧控制系統的初心是實現樓宇的自動化執行，減少人工成本與運營費用，不過至今，相當多專案的智慧化系統並沒有真正發揮預期的作用和能力。
首先，過去開發商將建築賣給使用者，標榜“智慧樓宇”提高售價更為重要，過程中使用國外品牌也更容易貼標籤，反而建築交付後執行實用效果不那麼重視。
其次，每個專案需要針對空調、照明、給排水、安防等功能，由建築機電+IT專業跨學科專業工程師進行定製化開發，過程中包含較高的除錯成本、系統開發成本，尤其完成後的成果不具備複製性，難以把好的控制策略和管理經驗推廣，這是由傳統技術帶來的瓶頸問題。
姜子炎：
36氪：如何理解傳統樓宇自控技術的瓶頸問題？
一個建築內部有多個系統，比如暖通空調、照明、消防、安防、電梯等。在傳統樓宇自控技術應用過程中，每個系統包含多個可程式設計控制器，每個控制器內部又存在數十根線對應著不同的裝置。
要實現樓宇的智慧化控制，傳統技術需要透過程式設計定義每條線所屬的裝置及位置；由於同一子系統內多個被控裝置又相互影響，也需要透過中控來管理，中控也得需要透過軟體程式設計進行詳細的被控系統建模，這本身需要大量的系統軟體開發工作。
除此之外，不同系統之間存在一定的耦合關係。比如當拉上窗簾進行遮陽後，熱輻射變少，空調也會受影響，這就導致需要基於實際情況去層層建模。
如此下來，整棟樓的控制資訊點數以萬計，且散佈在數萬乃至十幾萬平米的各個建築環境空間，很多相關裝置還是隱蔽安裝，想把物理世界的裝置和測點與各級軟體模型中的資料資訊對應準確，將帶來超大的工作量。
姜子炎：
總之，傳統技術是各個子系統各自為戰、分層中控、中央整合的架構。在這樣的架構下，本身沒有建築及其被控機電裝置系統的資訊，需要大量的綁點、建模工作。物理世界和資訊系統脫節，是傳統技術帶來的瓶頸問題。
當然，技術確實在發展，網際網路、物聯網的相關技術也都在智慧建築領域有所應用，比如工業乙太網、SaaS、AI演算法、大資料、AIoT等，都在慢慢使用，但都沒有改變傳統技術分級控制的架構，依然沒有辦法解決上述過程帶來的問題。
反映到實際效果中，就是除錯成本特別高，調試周期長，通常需要半年到一年，甚至更長時間還沒有除錯完成的案例也比比皆是。
36氪：目前市場上不同玩家處於怎麼樣的狀態？
在建築智慧化市場，目前智慧建築系統的主流供應商，大多來自工業自動化控制巨頭，比如霍尼韋爾、施耐德、西門子、江森自控等，也是我們的直接競品，它們把流程工業的智慧化應用到了建築業，但是卻沒有解決實現建築智慧化系統的建設除錯過程的智慧化問題，造成普遍存在的預期功能不落地問題。
對建築節能市場，新建建築，國內仍有不少整合商做辛苦的除錯工作，開發一些節能演算法和軟體交付，但大部情況效果一般；對於既有建築節能改造，前兩年很多服務商的做法是透過前期調研，交付一個節能分析報告給甲方，結果帶來的問題是難以落地而真正實現節能效果。
姜子炎：
02 群智慧系統，縮短除錯時間80%，能耗平均降低30%
02 群智慧系統，縮短除錯時間80%，能耗平均降低30%
群智慧技術的研究背後最早來源於江億院士的一次發問。
有一堆蘋果與一個筐，如何將盡可能多地把蘋果放到筐內？一種辦法是將每個蘋果編號，並按尺寸大小建模，再給筐建模，利用一系列最佳化演算法進行放置，這可能得到最優的方案；另一種是將蘋果一股腦無序放置進去，在快裝滿之時，不斷搖晃騰出空隙，再進行放置。雖然第二種方法可能得到的不是理論上的最優解，但能實現目標且實現的成本非常之小，這是市場中非常需要的。
目前建築智慧化技術提供的是第一種方式，能不能用第二種方式來實現建築智慧化？
在這個思路之下，這一筐蘋果是一種扁平化、沒有中心、即插即用、自組織的系統。我們希望將建築智慧化也變成這樣即插即用、能夠與建築繫結在一起的自組織系統，這是我們最初的想法。
36氪：如何理解您提到的建築群智慧技術嗎？
姜子炎：
既然傳統技術問題在於“中央控制”，我們就想，能不能取消中央，將傳統思路上集中在中央的智慧和算力散佈在建築的各個單元，讓建築基本單元變成智慧單元，類似鳥群、魚群中的個體，透過簡單個體的自組織實現系統整體的複雜控制和最佳化功能？
傳統思路是從工業控制和網際網路等資訊學科直接拿來成熟技術用到建築領域，造成建築知識和資訊科技脫節，我們應該從建築本身的特點出發，反過來重新定義適合建築的資訊系統架構。
36氪：所以我們的技術怎麼解決這個問題？
姜子炎：
以往認為感測器、執行器、控制器是自動化系統的組成單元。但是，這些構件並不是建築的組成部分，用它們作為基本單元組成建築控制系統，並不能跨過對建築系統定義這一門檻。
建築基本單元是反映某種共性的完整建築功能、可以在不同建築專案中複製的最小單元。建築基本單元可以反映建築及其機電裝置的屬性，透過少數幾類基本單元，就能完整地拼接建築及其裝置系統，並僅僅透過改變拼接方式，就能得到針對不同建築專案的建築自動化系統，具體如下圖所示。
建築基本單元列表（來源：企業供圖）
為了找到能夠支撐新架構構想的基本單元，我們從建築設計院提供的100餘套實際建築平面和裝置圖紙中，分析空間分佈特徵，總結機電裝置的共性特徵，並且透過一系列工作進行資料標準化，定義出20多種“建築基本單元資訊模型”，併成為中國節能協會認可的團體標準。
36氪：您提到的建築基本單元具體指的是什麼？
我們進一步開發一種智慧硬體，我們叫計算節點（CPN，Computing Processing Node），將各種建築基本單元的資訊特徵預先植入到CPN中。
具體在工程中，我們將CPN安裝在不同的建築單元內，使其代表各個建築單元，並按照單元所在空間位置，將CPN連線成與建築空間結構相似的網格狀結構，這構成了群智慧系統的硬體網路架構。由於建築空間是網格狀、無中心的，各個空間關係相對平等，因此群智慧系統也是去中心、扁平化的。
姜子炎：
任何複雜的建築，都可以看作是這20多種基本單元的組合。
從執行管理、自動控制需求角度看，辦公室、酒店客房、會議室等建築空間在各個建築中其實相差不大。由於空調、照明、配電等建築相關專業在設計時有標準和導則，在50-100m2的空間內各種功能的建築空間內裝置個數以及控制管理相關的資訊種類比較容易標準化。
反映在一定建築空間內部，燈與空調的個數是有限的。基於這樣的認識，前面我們提到，透過對建築單元型別的歸納分析後，可以定義出能夠在不同的建築中複製移植的基本單元。
36氪：技術原理層面該如何理解呢？
在傳統的理解下，相互耦合的東西需要一個上級的控制區來解決。但我們不喜歡中央控制，因為中央控制意味著綁點、建模等大量的工程工作。能否實現扁平化、無中心的全域性最佳化控制呢？
我們還是從建築物理專業找答案：建築控制是在控制空調、通風、供熱、照明、人群移動等，但更深層次是在控制各種物理場。物理場本身就是沒有中央的，物理場的任何一點變化都可以激發漣漪，引起整個物理場的變化，但這種變化是從激發點開始由近及遠、由強變弱的。
既然本質是在控制物理場，我們就可以按照物理場的變化規律重新設計計算機制：讓安裝在建築單元中的CPN代表對應的區域性物理場，透過CPN與鄰居之間的迭代計算模擬物理場的變化過程，進而可以基於對機電裝置不同執行狀態下全域性物理場的模擬結果，找到既滿足控制要求能耗又最低的可行方案，最終實現控制。
姜子炎：
其中，背後按照物理場變化規律而設計的分散式計算，是建築空間單元協作的靈魂。
對於各種各樣建築控制管理需求，我們把從簡單數學計算，到常用數學最佳化方法，再到物理場分佈求解演算法在內的多種全域性演算法拆解成能夠即插即用、完全一致的分散式“運算元”，固化在CPN裡面，從而可以用這些多種分散式運算元拼接出未來所有可能的控制管理邏輯。
這些單元如何實現像鳥群、魚群那樣的自組織控制呢？
上述類似於有限元的思路，只不過將單元劃分的顆粒度放大到建築空間單元尺度上，每個單元都圍繞著自己的邊界與其他單元拼接起來，相互影響，最終實現系統整體最佳化控制。
是的，我們提供的CPN是一個內建分散式作業系統的獨特硬體產品。我們在每個房間中會放置一個CPN盒子，相鄰房間的盒子之間會透過網線連線，從而將整棟建築的所有空間構成一個網格狀的模型。
所有CPN都內建相同的LynkrOS。這是我們自己開發的面向分散式計算的分散式作業系統，它負責實現CPN計算網路自動構建、進行分散式計算排程和多執行緒管理，在一秒時間內，每個CPN盒子與鄰居之間會完成幾百次的迭代計算，從而支援上層應用軟體可以靈活下載執行在CPN計算網路中。
36氪：所以我們提供的是一套封裝好底層技術的硬體產品？
這類似於手機App的應用商店。其中有能夠覆蓋大部分建築控制管理功能的應用軟體，比如空調與各種機電的節能控制，能耗統計，照明控制，安防門禁管理，裝置故障診斷等，建築管理使用者可以根據具體專案需求，靈活即下載即應用到本建築的CPN計算網路上。我們的技術可以保證這些標準化的應用軟體，自動適配不同建築中、不同規模和結構的CPN網路，下載即執行。
姜子炎：
在使用者的視角下，CPN硬體產品背後有應用軟體商城。
一是面向建築物理場的全新的分散式計算系統架構，是江森自控、西門子、霍尼或者其他競品沒有的東西；二是LynkrOS作業系統內嵌了上百種分散式演算法，且有強大排程和多執行緒管理功能，透過不斷落地案例，吸引上層的技術應用開發者，逐漸將技術壁壘轉化生態壁壘。
36氪：咱們的壁壘在哪，如何保持競爭力？
姜子炎：
03 從實驗室到商業化，技術與市場逐漸成熟
目前我們已經廣泛應用於超過共計600萬平方米的公共建築之中，包括體育館、商場、酒店、寫字樓等。
在華潤置地永珍城的多個專案中，經過專家評審與工程公司做測算，前期從200人天減少到35人天，除錯時間從8個月減少到4周，實現了開業即執行，開業當天預期功能實現率95%以上，相對傳統技術大幅提前了智慧化系統的交付時間。
在執行過程中，透過智慧化演算法每年節省幾十到百餘萬能源費用；同時自動執行和自動故障診斷功能，大幅提高人工效率，執行過程中一年省10個人工，等效於一百多萬的執行費用。
03 從實驗室到商業化，技術與市場逐漸成熟
36氪：與傳統案例相比，咱們服務案例的效果有哪些實際提升？
在產業鏈上，我們對霍尼韋爾、西門子這些國外廠商的PLC/DDC等產品是直接的替代和競品關係。節能服務商、整合商、雲服務商等都不是競品，而是合作伙伴關係，我們可以為合作伙伴直接提供低成本、可快速落地的節能策略和服務軟體，也可以開放LynkrOS作業系統API，支援合作伙伴開發更好的應用軟體。
就市場而言，過去中國大部分的建築都是靠手動執行的，原因是人工成本相對較低。如今地產行業開始轉型到經營自持型的物業，用智慧化系統實現運營成本的降本增效變得重要，尤其建築節能是實現碳中和特別重要的一塊。
姜子炎：
36氪：如何看待目前咱們的競品與市場的成熟度？
第一階段盈利模式很簡單，就是售賣內嵌的LynkrOS的自控系統硬體CPN，以及搭載在LynkrOS上執行的實現節能低碳、降本增效功能的配套演算法軟體包。
第二階段，發展基LynkrOS建設生態系統，和中國建築運維產業大多數企業合作，為大家提供開發成本低、可快速落地、軟硬體一體化的技術底座。作為作業系統提供商，我們在支援、推廣合作伙伴應用軟體產品的同時收取一定服務費。
姜子炎：
36氪：咱們的商業模式如何設定的？
公司目前擁有60多人，其中大部分是研發人員。公司的研發團隊是一個跨專業的研究型團隊，包括硬體研發、作業系統研發、應用軟體研發、演算法開發、互動軟體開發、設計和工程落地支援等各個部門，融合了計算機、自動化、電子、軟體，與暖通、照明、電氣、建築節能、物業管理等各個專業。
鄰元科技產品架構（來源：企業供圖）
姜子炎：
36氪：請您介紹一下咱們團隊目前的情況？
我們跟著江老師做建築節能近20年，其實行業對建築節能技術的認知是一點點加深的。
最早，提到建築節能想到的就是更換LED燈，改造外保溫，更換高效機電裝置。2005年左右，江老師提出“用資料說話”，行業開始推行“分項計量”，就是在建築各個用電迴路安裝電錶，計量各個用電系統的細分能耗。
這樣可以清楚的知道什麼系統能耗高，從而執行針對性的節能改造，避免盲目更換高效裝置。當時，國家和地方政府都有補貼，很多企業加入到這個行業。
但是到2012年前後，建築業主逐漸意識到，光拿到這些能耗資料並不能實現節能。能耗高的系統未必就有節能潛力，還可能是建築執行就需要這些能耗。
所以，只做分項計量，已經不滿足行業的需求了，一些企業開始轉向能耗分析業務，透過計算能效，並與標準指標相比，為業主發現那些地方存在節能潛力，甚至提出節能改造方案。
到2018年，只做節能分析也逐漸難以滿足使用者需求。雖然根據節能報告可以做一些管理節能、行為節能，但建築能耗與執行管理密切相關，是一個動態的過程，人工管理難以實現高水平的節能效果。
這時候，建築智慧化系統就成為行業迫切需要的技術手段。其實，在“十一五”期間，江老師負責的一個“大型公共建築節能關鍵技術研究”專案就已經給出公建節能的三個關鍵技術“分項計量”、“節能診斷”、“控制改造”。
然而，行業對這些技術的認知和接受是由淺入深，逐漸接受的，到如今已經跨越了10多年的時間。
（完）