创建可持续的数据驱动型建筑

随着办公楼日益智能化，以可持续管理为目标进行配置变得更加容易。

感知

对于智能互联的办公楼，数据集丰富且包含驱动变革所需的精细化可持续数据。电表和燃气表显示建筑能耗，占用传感器统计楼内人数，温度传感器测算房间制冷需求。传感器是信息源，也是解锁能效差距的关键。即便是简单的数据仪表盘也能促使用户节能。

现代建筑中此类传感器数量众多，但多为有线传感器且属于原始设计组成部分，改造或安装新传感器成本高昂。办公楼寿命超过50年，而传感器技术迭代更快。无线传感器虽降低通信成本，但仍需有线供电或使用电池，这会大幅增加规模化维护成本（设想为办公楼每个房间更换电池）。

新型环境能量采集传感器通过从环境中获取能量工作，例如利用环境光、通风气流或热水管道。这类传感器可同时降低能耗和通信成本，但采集能量不足以支持24x7持续感知。通过预测环境模式并合理利用可用能量，可提高可靠性。

SenSys期刊最新论文（由本文第一作者合著）表明，基于强化学习的能量采集传感器调度在真实部署中可检测93%的事件。虽然微小的事件遗漏率使其无法用于关键服务，但可利用这些低成本传感器的数据构建丰富信息层以助力节能。

这种新型信息层可驱动投资回报（ROI），弥补许多传感器部署的不足。能源和数据管理者可填补高端可持续计划与建筑中多种传感器选项之间的缺失环节。此外，通过仅聚焦支持特定用例的关键数据源，可降低传感器架构成本。

本文主要关注建筑可持续数据：能源、占用率、排放、空气和水。这种聚焦有助于估算ROI，因为已有定义如何利用信息的用例。可持续用例旨在减少能源浪费，同时转向低碳燃料源。基于传感器数据采取的行动可成为实现节能的机制。

行动

提升建筑能效的传统方式包括检查设备、安装传感器测量基准能耗、修复故障、升级设备和优化配置。暖通空调（HVAC）系统通常占建筑能耗最大部分，多数能效措施针对HVAC改进。这些方法有效，可降低10%以上建筑能耗。整个流程常称为通过性能合同进行建筑改造。但该方法存在两个阻碍采用的典型问题：一是聘请专家和升级设备的前期成本高，ROI需数年；二是超出调试阶段模板的创新空间有限。垂直集成系统和无法轻松部署第三方应用抑制了建筑创新。

计算行业爆发式增长的主因是标准接口和便捷的应用安装。类似的建筑系统将创造节能新机遇。以下三个用例凸显标准化建筑信息系统的创新机会：

基于占用的控制

思路简单：无人时关闭不需要的系统以节约能源。但以隐私保护方式可靠检测占用具有挑战性，目前多数建筑在无人时仍保持照明（和HVAC）开启。SenSys论文显示，利用WiFi数据、建筑平面图和人员办公室分配可推断占用情况。研究中峰值建筑占用率仅60%，通过控制四分之一建筑区域的HVAC用电节省了18%能耗。该方案利用现有建筑基础设施，部署成本低。唯有不同系统间信息自由交换，此类方案才可能实现。

故障检测

修复故障是建筑维护核心，但识别耗能故障具有挑战性，因其难以察觉。典型建筑故障检测依赖专家制定的协议，但这些规则既未提供充分优先级信息，也未说明能耗量。文献中虽发布复杂故障检测算法，但因供应商锁定系统未实际部署。利用一年建筑数据，研究者开发了寻找异常温度模式的简单机器学习算法，在专家修复所有检查期间发现的故障后，仍识别出88个HVAC系统故障。许多故障存在多年，预计每年可节省410.3MWh。该方案的关键仍是便捷访问建筑数据。

软件温控器

温控器是建筑 occupant 与高能耗HVAC系统间唯一接口。但多数建筑中，用户不知温控器位置或用法。HVAC系统主要功能是保持用户舒适以提高工作效率，但缺乏温控反馈会导致用户不适和能源浪费。

借助建筑信息系统，研究者构建了软件版温控器（见下图截图）。该应用发布后立即受欢迎，八年后仍保持流行。Ubicomp发布的用户研究表明，用户对旧温控器感到沮丧（甚至有用户用信封封住通风口阻挡冷风）。软件温控器帮助用户精确控制环境并按需发送投诉。HVAC维护人员曾担心界面会导致投诉激增，但使用数据显示多数用户无需反馈即满意使用。少量投诉帮助识别了重大故障（如被电脑遮挡的温控器）。

以上三个用例均无需额外安装传感器，仅利用现有信息。通过低成本解决方案，可吸引建筑业主采用节能方案。但需要建筑行业内部额外激励以创建具有大规模影响的低成本方案。

这些用例表明可持续设计不止于建筑实体，应延伸至能源、排放、空气、水和废弃物的跨建筑系统管理。随着全球公司致力于提升建筑可持续性，数据驱动的成功度量至关重要。感知和行动步骤使各公司能审视当前数据模型的共性，利用开源工具起步、评估价值并按需扩展。

扩展

即使存在有吸引力的节能方案，规模化部署仍困难。因为每个建筑在基础设施、使用方式、管理软件和随时间变化方面都具有独特性。虽然建筑基本组件相同（如房间、烟雾传感器、通风扇），但各供应商处理方式不同。尝试向建筑部署方案时，供应商表示差异难以自动解析。

相比之下，计算行业中因使用规范（如WiFi标准协议）和编程接口（如手机Android OS），可轻松安装应用而无须担心制造商。研究者创建了Brick schema此类建筑标准接口，通过知识图表示建筑组件及其连接。下图显示具有两个房间和若干传感器的示例建筑Brick表示。Brick现已成为行业联盟且需求增长，正被纳入建筑标准。

即使存在Brick等标准表示，仍需要将现有建筑转换为新格式，这可能耗费人工且部署缓慢。利用自然语言处理中的机器学习技术，可自动化此转换并最小化人工 effort。随着更多建筑映射到Brick且算法从跨建筑表示模式中学习，其性能将提升。

通过感知-行动-扩展框架，我们期待配置建筑能像如今配置手机一样简便。利用低成本传感器改善建筑管理者可用信息，利用可用信息开发节能创新方案，并通过知识图将方案部署到众多建筑。

起步

我们在某机构可持续服务实践中采用感知-行动-扩展方法已取得初步成功，通过云优化建筑可持续数据报告。它通过简单框架规划如何通过具体建筑优化步骤支持顶层可持续战略，并以半标准化数据模型为基础。

建筑管理系统缺乏标准化导致数据访问困难。随着物联网和API进步解决数据采集问题，为暴露、分析和报告先前难以获取的数据开辟了新机遇。借助Brick schema等新进展，我们正推进规模化管理建筑资产（如同管理服务器、笔记本和手机）。

我们开始看到从"单建筑单管理"的建筑管理系统方法转向"多建筑单管理"的建筑系统管理方法的潜力。通过一键自动化跨建筑能源控制策略，实现30%或更高的能效提升更具可行性。