1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
ПРЕДМЕТНОЙ ОБЛАСТИ
1.1. Анализ и обоснование актуальности проекта
Необходимость достижения целевых показателей энергосбережения и повышения уровня энергоэффективности зданий становится наиболее актуальной для современного российского общества. В настоящее время государство озвучивает стратегию развития данного направления как приоритетную, но на пути к ее реализации возникает ряд экономических, законодательных и финансовых проблем. На сегодняшний день при введении зданий и сооружений в эксплуатацию обращается высокое внимание на такие параметры, как комфортность, экологичность и экономичность.
Актуальность применения интеллектуальных технологий к системам здания на высшем уровне, так как именно в настоящее время автоматизация различных процессов и улучшение качества человеческой жизни являются одними из главных целей развития технологий. Управление и контроль эффективности использования затраченных ресурсов позволяет экономить ограниченные ресурсы и прогнозировать использование систем с наибольшей пользой.
Моделирование систем зданий с использованием интеллектуальных технологий дает большие возможности для использования здания в период его эксплуатации: доступ к удаленному управлению, виртуальные экскурсии, прогнозирование различных условий и ситуаций и предупреждение их, возможность обеспечения экономии ресурсов.
Популярность использования информационной модели на этапе эксплуатации здания будет рассмотрена ниже в данной главе. Стоит сейчас отметить, что с помощью информационного моделирования решается множество проблем, например, моделирование аварийных ситуаций и своевременное их решение. Для этого нередко используются интеллектуальные технологии, которые подробнее будут рассмотрены в этом же разделе. Например, за базу в данной работе рассмотрен случай использования интеллектуальных технологий в виде различных датчиков и получение с них информации о функционировании систем здания.
На данный момент существуют следующие проблемы при работе с данными датчиков реального объекта и информационной моделью:
- ошибки человека при мониторинге;
- ошибки человека при работе с данными информационной модели;
- сложности мониторинга данных датчиков реального объекта, непрозрачность;
- как следствие, сокращение срока работы оборудования датчиков, инженерных сетей и так далее.
При отсутствии автоматизации, передача данных с реального объекта в информационную модель здания - трудоемкий процесс, особенно при больших объемах данных.
Необходимо спроектировать продукт, который позволит пользователю:
- получать данные с датчиков реального объекта в режиме реального времени;
- упростить обновление данных в датчиках информационной модели;
- просматривать полученные данные и эффективно работать с ними.
Такой продукт для автоматического получения и обновления данных в информационной модели удобен и полезен для пользователя.
Данная разработка позволить получать в информационную модель данные с реального объекта и автоматически их отображать в элементах модели.
Проектируемая разработка позволит увеличить прозрачность мониторинга за инженерными сетями, что даст возможность планированию и эффективной эксплуатации здания.
1.2. Информационное моделирование –
современная тенденция строительства
1.2.1. Технология BIM
BIM (Building Information Modeling) - это метод проектирования, при котором учитываются все параметры, связанные с жизненным циклом здания, начиная от затрат на строительство до последующих ежемесячных расходов на электроэнергию. Все эти данные формируют так называемую информационную модель, в которой изменение одного параметра приводит к автоматическому перерасчету всех остальных. В этом принципиальное отличие BIM от обычной 3D-визуализации.
Информационное моделирование зданий можно рассматривать как процесс, в результате которого формируется информационная модель здания или сооружения. При этом, для каждой стадии соответствует некоторая модель, которая отображает объем обработанной на этот момент информации (архитектурной, конструкторской, технологической, экономический) о здании или сооружении, к которой имеют доступ все заинтересованные лица [1].
Технология BIM отражает текущие тенденции развития строительной отрасли и охватывает процессы проектирования, строительства и эксплуатации зданий с использованием единой согласованной системы 3D-моделей, а не отдельных чертежей [2].
Данная технология объединяет людей и технические решения для оптимизации затрат времени и средств, а также для повышения комфорта и эффективности эксплуатации самих зданий, будь то небоскребы, больницы, офисные или жилые комплексы.
Это не просто набор компьютерных программ или 3D-модель. Важным элементом BIM является информация, которая заложена в проекте, а также процесс обмена этой информацией между различными участниками. Используемые ранее технологии ведения работ основывались на разрозненных операциях и множестве форматов файлов, внесение изменений в которые быстро приводило к их рассогласованию. С помощью рассматриваемой технологии обеспечивается гораздо более динамичный и синхронизированный подход к управлению проектом.
В основе BIM лежит объектно-ориентированное проектирование. Это значит, что все работающие в этой технологии программы предполагают моделирование на основе большого количества заранее созданных объектов, называемых семействами, основные проектные операции ведутся с такими элементами, как с неделимыми блоками, своего рода «комплектующими» [3].
Главные информационные принципы BIM:
- использование трехмерного пространства (конструирование 3D-моделей);
- наличие полной базы данных, где хранится вся проектная документация;
- утверждение о том, что все параметры объекта взаимосвязаны;
- максимальная автоматизация (чертежи и спецификации генерируются автоматически по заданной модели);
- возможность привязки к бюджетированию (точный подсчет расходов и поступательное сокращение финансовых затрат).
Цели внедрения:
- повысить точность проектных решений;
- сократить количество проектных ошибок;
- увеличить эффективность путем сокращения сроков проектирования.
Здание, спроектированное и возведенное с применением технологии BIM легко сдать в аренду или продать на более выгодных условиях, чем объект, построенный с применением традиционных методов и технологий. Объясняется это тем, что эксплуатировать здание с готовой эксплуатационной моделью легче и эффективнее. Если же при создании модели применялся продукт GREEN BIM, то затраты на отопление объекта будут ниже [4].
Одно из главных достоинств BIM проектирования – получение всеобъемлющего соответствия параметров и эксплуатационных характеристик возведенного здания требованиям заказчика.
Преимущества BIM:
- обсуждение различных сценариев происходит быстрее;
- все чертежи могут быть внесены в единую трехмерную модель, что позволяет избежать потери информации и принимать более взвешенные решения, полагаясь на данные;
- необходимые инженерные расчеты для систем вентиляции, отопления и трубопроводов могут быть выполнены быстро и легко;
- все геометрические и пространственные данные, необходимые для выполнения энергетических расчетов, могут быть получены непосредственно из модели;
- обеспечение соответствия экологическим требованиям становится проще, а повышенная энергоэффективность здания помогает снизить затраты на дальнейших этапах жизненного цикла здания;
- интеграция данных о затратах и графике выполнения работ позволяет оперативно оценивать стоимость и визуализировать этапы строительства;
- точные спецификации оборудования и материалов могут быть получены непосредственно из модели;
- данные, необходимые для контроля закупок, могут быть взяты непосредственно из модели, оптимизируя процесс поставки строительных материалов и оборудования;
- подробная модель содержит все данные и геометрию, необходимые для точного монтажа инженерных систем;
- после строительства модель может использоваться для получения информации и оповещения эксплуатационных служб о необходимом обслуживании или ремонте систем.
1.2.2. Информационная модель
BIM можно рассматривать как сам процесс построения модели, так и саму конечную модель, насыщенную информацией.
Информационная модель здания (BIM - Building Information Model) – это пригодная для компьютерной обработки информация о проектируемом или существующем строительном объекте, при этом:
- нужным образом скоординированная, согласованная и взаимосвязанная;
- имеющая геометрическую привязку;
- пригодная для расчетов и анализа;
- допускающая необходимые обновления;
- интероперабельная.
Единая информационная модель предполагает коллективную работу, которая объединяет специалистов всех разделов проектирования: технологов, архитекторов, конструкторов, инженеров внутренних и наружных сетей и т.д. Командная работа осуществляется в единой среде проектирования, СОД (среда общих данных) и должна соответствовать определенным правилам и взаимодействию между участниками процесса BIM моделирования, которые отражаются в BEP-документе [5].
Разработка и развитие модели производится в среде общих данных, это значит, что все заинтересованные лица имеют постоянный доступ к модели, наполненной полезной и актуальной информацией: инженерной, хронологической, финансовой и так далее [6].
1.2.3. Жизненный цикл информационной модели
Подготовка архитектурно-строительных проектов в среде BIM – совокупность взаимосвязанных процессов по созданию информационной модели на основе требований заказчика [7].
Технология проектирования, возведения и эксплуатации объекта в BIM рассматривается в разрезе жизненного цикла (Building Lifecycle Management - BLM) изделия, в данном случае объекта строительства или сооружения (рис. 1.1). Информационная модель (далее ИМ), являясь цифровым аналогом, так же переживает все стадии жизненного цикла: от идеи создания объекта до его реконструкции/демонтажа [8].
Рис.1.1 Жизненный цикл BIM
Практически работа над BIM проходит несколько этапов:
1) создание архитектурной 3D модели здания со всеми планами, видами, разрезами, необходимыми для раздела архитектурных решений;
2) конструктор вводит созданную модель в программу, рассчитывающую требуемые параметры составляющих элементов здания, одновременно программа выдает рабочие чертежи, ведомости объемов работ, спецификации, производит расчет сметной стоимости;
3) на основе полученных данных рассчитываются и вводятся в 3D модель инженерные сети и их параметры (тепловые потери конструкций, естественная освещенность и прочее);
4) при получении расчетных объемов работ специалистами разрабатываются проект организации строительства (ПОС) и проект производства работ (ППР), программой автоматически составляется календарный график выполнения работ;
5) в модель добавляются логистические данные о том, какие материалы и в какие сроки должны быть доставлены на территорию строительства;
6) по завершении строительства информационная модель может работать при эксплуатации объекта при помощи датчиков, под контролем оказываются все режимы инженерных коммуникаций и возможные аварийные ситуации.
Внедрение BIM технологии в проектировании снижает денежные расходы и сокращает сроки ввода здания в эксплуатацию [9].
BIM охватывает все стадии жизненного цикла здания или сооружения, непрерывно наполняя его ценной информацией, которая, в свою очередь существенно снижает стоимость его содержания, сокращает скорость возведения, минимизирует проектные ошибки, позволяет всем заинтересованным лицам иметь оперативный доступ к информации.
1.3. Интеграция и автоматизация систем здания
при помощи интеллектуальных технологий
1.3.1. Интеллектуальные технологии в строительстве
Рынок продуктов, систем автоматизации и управления зданиями в настоящее время представляет собой заметный сегмент современной экономики во всем мире, в частности в Европе, в странах СНГ и в Российской Федерации.
Темпы роста рынка автоматизации зданий превышают темпы роста рынка строительства зданий, поскольку, помимо оснащения системами управления зданий-новостроек, при реконструкции и ремонте происходит активное оборудование системами автоматизации большей части фонда эксплуатирующихся зданий.
Уровень развития продуктов и систем автоматизации зданий является ключевым фактором, обеспечивающим эффективное, безопасное, удобное и экологически чистое функционирование зданий. Кроме того, он оказывает существенное влияние на все элементы технического оснащения здания, особенно в отношении систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.
Интеллектуальные информационные технологии – это средство для разработки интеллектуальных информационных систем, которые в последнее время становятся весьма распространенным коммерческим продуктом, находящим широкий спрос пользователей в самых разнообразных областях деятельности. Примерами таких систем являются экспертные системы, системы интеллектуального управления, интеллектуальные базы данных, системы когнитивной графики, самообучающиеся системы, адаптивные информационные системы. В данной работе термин «интеллектуальные технологии» рассматривается именно в контексте систем распознавания и реагирования на различные ситуации [10].
Большое распространение нашли интеллектуальные технологии в строительстве.
Под интеллектом понимается умение распознавать конкретные ситуации и соответствующим образом на них реагировать. В таких случаях одна из систем может управлять поведением других по заранее выработанным алгоритмам. Здание должно быть спроектировано так, чтобы все системы могли интегрироваться друг с другом с минимальными затратами (с точки зрения финансов, сроков и трудоемкости), а их обслуживание было организовано оптимальным образом. Сущность интеллектуального здания определяется как набор систем, тесно интегрированных в одном или нескольких зданиях [11].
1.3.2. Интеллектуальное здание
Как было уже сказано выше, интеллектуальное здание – это здание, готовое к изменениям или приспосабливаемое здание, то есть здание, способное приспосабливаться к изменениям окружающей среды [12].
Система подразумевает слаженную работу системы отопления и кондиционирования, а также контроль факторов, влияющих на необходимость включения или отключения указанных систем. Иными словами, в автоматизированном режиме в соответствии с внешними и внутренними условиями задаются и отслеживаются режимы работы всех инженерных систем и электроприборов.
В этом случае исключается необходимость пользоваться несколькими пультами при просмотре ТВ, десятками выключателей при управлении освещением, отдельными блоками при управлении вентиляционными и отопительными системами, системами видеонаблюдения и охранной сигнализации, моторизированными воротами и так далее [13].
К основным особенностям интеллектуальных зданий можно отнести:
- способность оптимально реагировать на изменения в процессах, происходящих в здании;
- сочетание децентрализованных (распределенных) принципов построения систем с централизацией функции мониторинга;
- структурированный подход к построению инженерных систем здания;
- возможность внесения изменений с минимальными затратами;
- предоставление определенного набора услуг обитателям здания.
Интеллектуальное здание - сложная комплексная система. Если к ее созданию подходить не комплексно, то она будет еще более сложна и, скорее всего, неработоспособна. К тому же создание инженерных систем по отдельности приводит к накапливанию различного рода нестыковок еще на этапе проектирования.
Рисунок 1.2. иллюстрирует сложность компоновки комплекса интегрированных инженерных систем здания. Именно поэтому комплексное создание инженерных систем обеспечивает достижение цели с наименьшими затратами во времени и в цене.
Рис.1.2 Комплекс интегрированных систем здания
Комплексный подход, учитывающий все аспекты создания инженерных систем, обеспечивает гарантированный результат успешной работы не только отдельной инженерной системы, но и всего инженерного комплекса под управлением системы управления интеллектуального здания.
Традиционные решения инженерного оборудования здания представляют собой совокупность отдельных, не взаимодействующих между собой (автономных) систем. Автономные системы не могут использовать общие данные, поэтому невозможно координировать реакцию этих систем. В интеллектуальном здании эти системы объединены в интегрированный комплекс взаимосвязанных систем. На место автономных систем пришли полностью интегрированные системы, обладающие единым человеко-машинным интерфейсом. Взаимодействие оператора с инженерным оборудованием стало более простым, удобным и надежным. Интегрированная система имеет общую базу данных, которая используется различными устройствами систем безопасности и жизнеобеспечения.
Программное ядро интеллектуального здания практически не имеет ограничений в отношении размеров и состава комплекса систем. Оно работает одинаково эффективно с комплексами любого масштаба. При этом интегрированный программный пакет предоставляет возможность управления всем комплексом систем здания с одного ПК.
1.3.3. Building Management System –
техническая основа интеллектуального здания
Технической основой умных зданий является Автоматизированная система управления зданием (далее АСУЗ) - Building Management System (далее BMS).
Она предназначена для автоматизации процессов и операций, которые реализуются в современных зданиях (рис. 1.3.). Достаточно часто в литературе встречается употребление термина АСУЗ, как системы для автоматизации инженерных систем (или систем жизнеобеспечения) здания: вентиляции, отопления и кондиционирования, водоснабжения и канализации, электроснабжения и освещения, и так далее. В больших и сложных зданиях можно выделить несколько десятков инженерных систем [14].
Рис. 1.3. Интегрированные системы в BMS
Основными целями создания АСУЗ являются повышение безопасности, улучшение комфорта и обеспечение эффективности ресурсопотребления (в том числе за счет участия в управления спросом на электроэнергию) [15]. Это комплексная задача, часто имеющая под собой определенную (конкретную для компании, использующей здание) бизнес-концепцию. Результат достигается за счет лучшего качества работы систем жизнеобеспечения здания при сокращении расходов на обслуживающий персонал [16].
В мире практически все современные объекты коммерческой недвижимости и жилые здания оснащаются АСУЗ. В России этот процесс только в начале своего развития.
При построении АСУЗ, как правило, реализуется три уровня автоматизации (рис. 1.4.):
1) верхний - уровень диспетчеризации и администрирования (Management Level) с базами данных и статистическими функциями, на котором осуществляется взаимодействие между персоналом (операторами, диспетчерами и так далее) и системой через человеко-машинный интерфейс, реализованный в основном на базе компьютерных средств и SCADA-систем;
2) средний - уровень автоматического (автоматизированного) управления (Automation Level) функциональными процессами, основными компонентами которого являются контроллеры управления, модули ввода-вывода сигналов и различное коммутационное оборудование;
3) нижний - «полевой» уровень (уровень оконечных устройств) (Field Level) с функциями входа/выхода, включающий в себя датчики и исполнительные механизмы, а также кабельные соединения между устройствами и нижним-средним уровнями [17].
Рис. 1.4. Схема BMS
С 2013 года в России действует первый профильный ГОСТ – «Автоматизированные системы управления зданий и сооружений. Термины и определения».
1.3.4. Интегрируемые системы интеллектуального здания
В интеллектуальном здании интегрируются следующие системы в единую систему управления зданием:
- системы управления и связи;
- система отопления, вентиляции и кондиционирования;
- система освещения;
- система электропитания здания;
- система безопасности и мониторинга [18].
Рассмотрим подробнее каждую из перечисленных систем.
При интеграции системы управления пользователь достигается:
- управление с одного места аудиотехникой, видеотехникой, домашним кинотеатром, мультирум;
- удалённое управление электроприборами, приводами механизмов и всеми системами автоматизации;
- механизация здания (открытие/закрытие ворот, шлагбаумов, электроподогрев ступеней и так далее).
Система отопления, вентиляции и кондиционирования (в переводе Heating, Ventilation and Air Conditioning - далее HVAC) обеспечивает регуляцию температуры, влажности и поступление свежего воздуха [19]. Кроме этого, HVAC экономит энергию за счёт рационального использования температуры среды [20]. При объединении системы пользователь получает:
- управляемый через сеть кондиционер;
- механизмы автоматического открытия/закрытия окон для поступления холодного или теплого воздуха в подходящее время суток.
Система освещения (Lighting control systems - далее LCS) контролирует уровень освещенности в помещении, в том числе для экономии электроэнергии за счет рационального использования естественного освещения [21]. Включает следующие подсистемы:
- автоматика для включения/выключения света в заданное время суток;
- датчики движения для включения света только тогда, когда в помещении кто-то находится;
- автоматика для открытия/закрытия ставней, жалюзи, для регулировки прозрачности специальных оконных стекол;
- дистанционное включение или отключение розеток.
Системы электропитания обеспечивают бесперебойное питание, в том числе за счет автоматического переключения на альтернативные источники электропитания [22]. Включает следующие подсистемы:
- автоматический ввод резерва;
- промышленные источники бесперебойного питания;
- дизель-генераторы.
Все проблемы с энергоснабжением логируются, а пользователь получает отчет.
В систему безопасности и мониторинга входят следующие подсистемы:
- система видеонаблюдения;
- система контроля доступа в помещения;
- охранно-пожарная сигнализация (в том числе контроль утечек газа);
- телеметрия - удалённое слежение за системами;
- система защиты от протечек - автоматическая блокировка водоснабжения при протечке и заливе помещения (состоит из контролирующего устройства, специальных кранов и датчиков, детектирующих затопление - Аквасторож, Neptun, Гидролок и другие);
- GSM-мониторинг - удалённое информирование об инцидентах в доме (квартире, офисе, объекте) и управление системами дома через телефон (в некоторых системах при этом можно получать голосовые инструкции по планируемым управляющим воздействиям, а также голосовые отчёты по результатам выполнения действий);
- IP-мониторинг объекта;
- имитация присутствия.
Преимуществом информационной функции является возможность управлять всеми устройствами в системе [23]. Это позволяет определить различные параметры этих устройств:
- общее время работы;
- текущее потребление мощности;
- отказы оборудования;
- текущий статус (вкл/выкл) и тому подобное.
Информация, полученная с помощью функции автоматической настройки, позволяет регулировать и контролировать работу оборудования, а также адаптировать его к требованиям заказчика.
Задачей функции сигнализации является мониторинг всех компонентов системы и свето-звуковое предупреждение об опасности [24]. С помощью этой функции можно интегрировать подсистему мониторинга (видеонаблюдение, пожарная сигнализация, датчики, чувствительные к изменению концентрации газов, системы оповещения и так далее), данные из которых сразу же передаются в соответствующие службы (полиция, пожарная охрана и так далее) [25].
1.3.5. Отличие умного дома от интеллектуального здания
По определению, «умный дом» и «интеллектуальное здание» обозначают следующее: здание, готовое к изменениям или приспосабливаемое здание, то есть здание, способное приспосабливаться к изменениям окружающей среды. Другими словами, это здание, инженерные системы которого способны обеспечить адаптацию к возможным изменениям в будущем.
Рассмотрим принципиальную разницу между «умным домом» и «интеллектуальным зданием», которая заключается в типе подразумеваемого здания. АСУЗ следует различать на системы для коммерческих объектов недвижимости и на системы для коттеджей, дач и отдельных квартир. Таким образом, как бы определяя два сектора рынка: автоматизация зданий (что относится к термину «интеллектуальное здание») и домашняя автоматизация (что относится к термину «умный дом») [26].
Умный дом – это решение, предназначенное для автоматизации частного жилья, которое включает систему домашних устройств, способных выполнять действия и решать определённые повседневные задачи без участия человека (рис. 1.5.).
Рис. 1.5. Системы в Умном доме
Домашняя автоматизация в современных условиях — чрезвычайно гибкая система, которую пользователь конструирует и настраивает самостоятельно в зависимости от собственных потребностей [27]. Это предполагает, что каждый владелец умного дома самостоятельно определяет, какие устройства куда установить и какие задачи они будут исполнять.
В Умном доме для пользователя главными аспектами являются комфорт и безопасность [28]. В системе Умного дома заказчику важны следующие аспекты решения: большой срок службы, длительность гарантии, широкий выбор устройств по дизайну, большие функциональные возможности.
