智慧建筑：智能+时代建筑业转型发展之道

前言
本书以当今全球第四次工业革命为宏观背景，以我国“智能 ”国家战略为指引，以建筑业、智慧城市、人工智能、大数据、物联网、工业互联网、互联网 、5G、IPv6 等相关国家政策为重要依据，以基础理论、业务知识、战略规划高度融合的视角及多重思维，探索“智慧建筑”这一历史性崭新命题及建筑业“智能 ”转型升级之路。针对“智能 ”时代智慧建筑的内涵、架构、理论体系、设计方法、优化策略、战略规划等给出了作者的原创性理解和系统性阐述，创造性地提出了人工智能建筑、建筑工业互联网、建筑能源互联网、智慧建筑云脑、绿色智慧建筑及生态智慧城市模型、项目管理 
BIM AI 等新理念与新方法，对建筑产业智慧化发展模式及其与智慧城市的无缝融合也进行了探讨并提出了可实操的范本。本书提到的“智慧建筑”具有新一代工业价值链、工业互联网、智能 、泛在物联网及绿色人文的综合基因，试图以建筑产业作为一个特定对象来研究工业4.0 理论体系下的一个具体实现，其内涵、理论体系及工程实现均属于工业4.0 和建筑产业的交叉领域，也可以看作是工业4.0 在纵深方向上的一个实现。因此，本书的研究工作具有符合社会经济发展历史趋势的创新意义，同时也为智能经济新内涵的塑造及新模式与新业态的打造提供了范本和依据。
本书的主要内容板块包括：人工智能建筑，建筑工业互联网，建筑能源互联网，建筑信息模型（BIM），绿色建筑，智慧管网，智慧社区，人工智能城市。第1 章在系统梳理中国信息化和建筑业信息化发展情况基础上，梳理了新一代人工智能发展情况，回顾了智能建筑内涵，从建筑智能性演进角度，结合工业4.0、人工智能、BIM 等提出智慧建筑的定义。第2 章系统性介绍了支撑智慧建筑实现的新型信息基础设施技术分支，并认为新型信息基础设施中各类技术的有机融合、相互赋能及在建筑载体上的综合应用至关重要。第3 章是国内系统性论述“AI  智慧建筑”“AI 建筑”这一新时代崭新命题的原创性研究成果，主要内容包括AI 建筑内涵、AI 建筑云脑及类脑计算、AI 建筑情感计算、多智能体建筑、AI 建筑知识图谱、AI  智慧建筑场景、AI 建筑产业链及产业生态、从AI 建筑到AI 城市和多智能体城市、AI 建筑发展建议。第4 章是国内完整地系统性论述“建筑工业互联网”这一新时代崭新命题的原创性研究成果。从工业互联网的核心要义分析入手，结合智能建筑集成控制系统和企业集成制造系统的理论技术原型，提出了建筑工业互联网的定义、架构及理论技术原型；提出了四种建筑工业互联网描述方法；对深度学习和边缘计算在建筑工业互联网中的部署及应用做了探讨。第5 章探索能源互联网落地实现的可行路径——建筑能源互联网（Building EnergyInternet，BEI）。提出了建筑能源互联网的概念；从能源结构变革、建筑能源产业链、建筑能源供需匹配、系统去中心化、用户体验几个角度综合分析了建筑能源互联网的主要特征；阐述了信息流  能源流主导下的建筑能源互联网六大流程化关联内容板块；给出了基于建筑能源云的建筑能源互联网网络体系架构，能源采集、传输及管理系统架构，技术  商业架构等多重思维模式下的系统架构；结合建筑能源大数据智能分析案例，介绍了AI  建筑能源互联网的优化思路及落地实现方法。第6 章在介绍BIM 概念、BIM 政策、BIM 标准、BIM 发展情况及BIM 典型案例基础上，结合作者多年实践经验和理论研究，提出了一套将BIM 与人工智能核心理论分支Multi-Agent 相结合的运维软件设计方法，能够指导智慧建筑及城市运维软件的研发，同时也指明了由智慧建筑运维通向智慧城市运维的数字化和信息化路径。第7 章介绍了绿色发展的战略环境和相关政策，提出了绿色智慧建筑和生态智慧城市的概念；提出了基于“绿色智慧城市价值互联网”的生态智慧城市框架模型ESCRA；提出了一种以技术为驱动、需求为牵引、商业模式为保障的生态智慧城市规划方法；阐述了生态智慧城市规划的5 个重点。第8 章从管网智能化监测与管理角度，为地下管网问题引发的城市问题提供解决方案，主要内容包括：城市地下管线发展历程与现状，城市地下管线智慧管控系统核心技术，供水、供热、燃气管网智慧管控系统。第9 章内容包括：智慧社区内涵、特征及架构，智慧社区核心技术，智慧社区平台建设架构，智慧社区应用系统功能设计，智慧社区平台接口及应用接入方法，智慧社区云平台，智慧社区建设运营管理模式，力图从全方位角度阐释智慧社区，为智慧社区建设提供可实操的解决方案。第10 章提出了人工智能城市定义及概念模型。人工智能城市是支撑我国新型智慧城市向纵深建设发展的一套以“智能 ”为特色的综合技术体系和方法模式体系，是新型智慧城市的高级阶段，是数字中国战略的一个具体实现。
本书的部分理念、观点及理论陆续发表于住房和城乡建设部科技与产业化发展中心主办的新型智慧城市（城市治理）暨建筑业大数据创新应用交流大会（2017 年）、第十三届国际绿色建筑与建筑节能大会（2017 年）、中国建筑业协会智能建筑分会年度专家论坛（2018 年）、第五届“BIM 技术在设计、施工及房地产企业协同工作中的应用”国际技术交流会（2018 年）、中国自动化学会智能建筑与楼宇自动化专业委员会年度大会（2018 年）、中国国际智能建筑展览会高峰论坛（2019 年）等大型会议，后经进一步补充修改完善后成书。因此，本书是近年来本人在智慧建筑领域研究成果的总结与提升。本人结缘智能建筑始于硕士课题期间，并在后续的几年内基于美国霍尼韦尔公司的智能建筑平台完成了若干大型工程项目。2009 年，本人主编出版了“十一五”规划本科教材《智能建筑系统集成》。十年间，社会在发展、行业在变化，非常有幸亲历了智能建筑行业的发展变化。博士期间学习人工智能专业的经历使我从新的视角重新认识智能建筑，增加了我对智能建筑的认知深度。且行、且思、且创，唯愿能追随自己的内心、记录自己的思维，在自己喜爱的领域不断开拓创新和超越。智慧建筑是一个集大成的交叉领域，控制科学与工程、土木工程、管理科学与工程是支撑这一新理论、新业态的基石。本书兼顾了技术与管理两个层面，在较深入论述智慧建筑技术基础上，提出并阐述智慧建筑管理视图，为建筑业“智能 ”转型发展提供了现实路径。要将智慧建筑研究透彻尚有很长的路要走，本书仅是一个开始。
本书得到住房和城乡建设部科学技术计划项目（2019）“5G 绿色智慧建筑产业互联网关键技术研发及示范应用”的支持。清华大学建筑学院杨旭东教授、原国家质量监督检验检疫总局标准化司姚世全副司长提出了宝贵意见。中国建筑、国家电网、中国建筑业协会、东南大学、同济大学、深圳大学等单位的专家、领导对本书给予了支持与鼓励。住房和城乡建设部科技与产业化发展中心等单位提供了案例。在本书的编写过程中，一些博士参与了第9 章的部分研究工作，完成了资料收集整理，他们是：郝仁剑博士、彭辉博士、李多扬博士。对他们一并表示衷心感谢！
希望这一系统性研究工作能为建筑业转型升级提供新思路和新方法，能为正在探索中前进的“智能 ”及智慧城市提供技术参考与决策支持，能为政府、企业及广大智慧建筑、智慧城市领域从业者提供启发，也能为高等学校相关专业提供教材。限于作者水平，书中不足在所难免，恳请广大读者批评指正，联系邮箱为：1314310@163.com。有关智慧建筑、AI 城市的更多信息，可关注微信公众号“AI 城市智库（aicitys）”获取。
杜明芳
2020 年3 月于北京

本书以当今全球第四次工业革命为宏观背景，以我国“智能 ”国家战略为指引，以建筑业、智慧城市、人工智能、大数据、物联网、工业互联网、互联网 、5G、IPv6等相关国家政策为重要依据，以基础理论、业务知识、战略规划高度融合的视角及多重思维，探索“智慧建筑”这一崭新命题及建筑业“智能 ”转型升级之路。本书的内容主要包括人工智能建筑、建筑工业互联网、建筑能源互联网、建筑信息模型（BIM）、绿色建筑、智慧管网（廊）、智慧社区、智慧城市等，希望能为建筑业转型升级提供新思路和新方法，能为正在探索中前进的“智能 ”及智慧城市提供技术参考与决策支持，同时也能给政府、企业及广大智慧建筑、智慧城市领域从业者带来启发。

杜明芳，女，北京市人，祖籍江苏。工学博士（控制科学与工程），副教授（电子、通信及自动控制），清华大学研究员，中国自动化学会、中国人工智能学会、中国通信工业协会、中国卫星导航定位协会专家委员，住建部信标委专家委员。曾赴德国学习工业智能化，从事自动化、人工智能、智能建筑领域科研、工程、教育十余年。研究领域：模式识别与智能控制、无人车与5G车联网、工业互联网、智慧城市、智慧建筑、数字经济。已第1作者发表学术论文100余篇，主持或参与包括863计划、国家自然科学基金、发改委战略规划课题、住建部科技课题在内的科研项目10余项，出版图书《无人驾驶汽车技术》《AI 新型智慧城市理论、技术及实践》《智能建筑系统集成》（“十一五”规划本科教材）《现代控制技术组件与系统》（翻译）。

前言

第1 章　从智能建筑到智慧建筑............................................................................1
1.1　中国信息化发展概述..................................................................... 1
1.2　中国建筑业信息化发展情况............................................................... 4
1.3　新一代人工智能发展概况.............................................................................................. 7
1.4　智能建筑.................................................................................. 14
1.5　智慧建筑.......................................................................... 16
第2 章　智慧建筑新型信息基础设施..............................................................................23
2.1　人工智能............................................................................................. 23
2.1.1　机器学习................................................................23
2.1.2　专家系统.......................................................................................26
2.1.3　多智能体系统..............................................................................28
2.2　物联网............................................................................ 29
2.3　5G......................................................................... 38
2.4　云计算和边缘计算............................................................. 45
2.5　大数据...................................................................... 46
2.6　智能控................................................................................................. 46
2.7　BIM.......................................................................... 50
2.8　GIS............................................................................. 50
2.9　卫星导航定位系统................................ 52
2.10　互联网及IPv6................................................................................... 54
第3 章　人工智能建筑...........................................................................57
3.1　AI 建筑内涵................................................................................... 57
3.2　AI 建筑云脑及类脑计算.............................................................................. 58
3.3　AI 建筑情感计算...................................................................................... 69
3.4　多智能体建筑................................................................................71
3.4.1　多智能体理论...........................................................................................71
3.4.2　多智能体建筑及其学习框架........................................................................73
3.4.3　AI 建筑应对大规模分布式计算方法........................................................78
3.5　AI 建筑知识图谱.............................................................................................................82
3.6　AI  智慧建筑场景..........................................................................................................85
3.6.1　建筑物故障诊断、预测与健康管理..........................................................87
3.6.2　视频深度学习与理解.......................................................................................91
3.6.3　智慧社区服务 AI............................................................................................93
3.6.4　装配式建筑  AI .................................................................................95
3.6.5　项目管理 BIM AI.........................................................................................96
3.7　AI 建筑产业链及产业生态......................................................................... 99
3.8　AI 建筑发展建议...........................................................................................................101
第4 章　建筑工业互联.........................................................................................103
4.1　工业4.0 与工业互联网............................................................................ 103
4.1.1　第四次工业革命..........

本书以当今全球第四次工业革命为宏观背景，以我国“智能 ”国家战略为指引，以建筑业、智慧城市、人工智能、大数据、物联网、工业互联网、互联网 、5G、IPv6等相关国家政策为重要依据，以基础理论、业务知识、战略规划高度融合的视角及多重思维，探索“智慧建筑”这一崭新命题及建筑业“智能 ”转型升级之路。本书的内容主要包括人工智能建筑、建筑工业互联网、建筑能源互联网、建筑信息模型（BIM）、绿色建筑、智慧管网（廊）、智慧社区、智慧城市等，希望能为建筑业转型升级提供新思路和新方法，能为正在探索中前进的“智能 ”及智慧城市提供技术参考与决策支持，同时也能给政府、企业及广大智慧建筑、智慧城市领域从业者带来启发。

杜明芳，女，北京市人，祖籍江苏。工学博士（控制科学与工程），副教授（电子、通信及自动控制），清华大学研究员，中国自动化学会、中国人工智能学会、中国通信工业协会、中国卫星导航定位协会专家委员，住建部信标委专家委员。曾赴德国学习工业智能化，从事自动化、人工智能、智能建筑领域科研、工程、教育十余年。研究领域：模式识别与智能控制、无人车与5G车联网、工业互联网、智慧城市、智慧建筑、数字经济。已第1作者发表学术论文100余篇，主持或参与包括863计划、国家自然科学基金、发改委战略规划课题、住建部科技课题在内的科研项目10余项，出版图书《无人驾驶汽车技术》《AI 新型智慧城市理论、技术及实践》《智能建筑系统集成》（“十一五”规划本科教材）《现代控制技术组件与系统》（翻译）。