Summary of the research of intelligent building
M.G. Abdel-Kader, D. Dugdale, J.N. Berry, W.S. McGreal, D.M. Abraham
Abstract：Within the last two decades, substantial amount of literature on intelligent building has been generated. However, there is a lack of systematic review of existing research efforts and achievements. A comprehensive review on existing research provides great benefits to identify where more efforts are needed and therefore the future research directions. For this purpose, this paper reviews the literature related to the subject area of intelligent building. Our review indicates that previous research efforts have dealt mainly with three research aspects including advanced and innovative intelligent technologies research, performance evaluation methodologies and investment evaluation analysis. It is also identified that among the three research aspects, relatively less literature has been found addressing the issues of investment evaluation of intelligent buildings. Based on a comprehensive literature review, the paper also summarizes a few future research directions, which are useful to researchers working in this important area.
Keywords: Intelligent building; Definition; Performance evaluation; Investment evaluation; Net present value; Life cycle costing analysis; Cost benefit analysis; Analytical hierarchy process; Fuzzy set theory。
1 Introduction
The word lsquo;intelligentrsquo; was first used to describe buildings in the United States at the beginning of the 1980s. The concept of lsquo;intelligent buildingrsquo; was stimulated by the development of information technology and increasingly sophisticated demand for lsquo;comfort living environment and requirement for increased occupant control of their local environmentsrsquo;. Research on intelligent building has been conducted ubiquitously and research results have been published in many academic journals. Much research work has been focusing on the discussion of intelligent building technology development and performance evaluation methodologies. However, little literature has been devoted to addressing investment evaluation techniques of intelligent buildings. Also, there exists insufficient information and support for investment decision-making at the conceptual stage of intelligent building development. The growing investment on intelligent buildings and the greater demand for demonstrating its profitability of intelligent building have led to the investigation for methods and techniques that can be of assistance in evaluating intelligent building investments,preferably at the conceptual stage.
The purpose of this paper is to provide a succinct and systematic review of the existing research in intelligent building in order to identify and suggest future research directions. This paper begins with the discussion of the definition of intelligent buildings. Then, the paper summarizes current research areas in intelligent building into three sections. The first section provides an overview of research in intelligent building. The second section presents methodologies for investment evaluation for investment evaluation of intelligent building projects. The third section presents future research directions.
2 Definitions of intelligent building
There have been a myriad of academic and technical literature discussing the definition of intelligent buildings. According to the research conducted by Wigginton and Harris , there exist over 30 separate definitions of intelligence in relation to building. Early definitions of intelligent building focused almost entirely centered on technology aspect and did not suggest user interaction at all. Cardin (1983, cited in Ref. ) defined intelligent building as lsquo;one which has fully automated building service control systemsrsquo;. The Intelligent Building Institution in Washington (1988, cited in Refs. ) defined intelligent building as lsquo;one which integrates various systems to effectively manage resources in a coordinated mode to maximize: technical performance, investment and operating cost savings, flexibilityrsquo;.
The purely technological definition of intelligent building has been criticized by many researchers. For example, DEGW in mid-1980s found that buildings which were unable to cope with changes in the organizations that occupy them, or in the information technology that they use, would become prematurely obsolete or require substantial refurbishment or demolition. Authors such as Robathan Loveday etal. Preiser and Schramm and Wigginton and Harris suggested that intelligent buildings must respond to user requirements. According to Clements-Croome , there has been growing awareness that the services systems and work process management of a building have close relationships with the well-being of human. The building environment affects the wellbeing and comfort of human in the workplace, and in turn it influences humanrsquo;s productivity, morale and satisfaction. Some authors suggested the intelligent building accentuates a lsquo;multidisciplinary effort to integrate and optimize the building structures, systems, services and management in order to create a productive, cost effective and environmentally approved environment for the building occupantsrsquo;.
Most recently, a number of authors have extended the definition of intelligent building and have addedlsquo; learning abilityrsquo; and lsquo;performance adjustment from its occupancy and the environmentrsquo; in the definition. They proposed intelligent building is not only able to react and change accordingly to individual, organizational and environmental requirement, but is also capable of learning and adjusting performance from its occupancy and the environment.
On the other hand, it appears that different intelligent building professional bodies also have different understanding of intelligent building. So et al. pointed out both the intellige
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智能建筑研究的综述
M.G. Abdel-Kader, D. Dugdale, J.N. Berry, W.S. McGreal, D.M. Abraham
摘要：在过去的二十年,对智能建筑的研究的大量文献已经形成。然而,总是缺乏一个系统的表述来阐明现有的研究工作和取得的成绩。这种表述能够对现有的研究和审查提供巨大的利益，以确定之后的人需要对哪些方面更加努力和明确未来的研究方向。为此，本文不仅结合以前相关的智能建筑学科领域的文献而且对现有的研究工作进行了总结说明。我们的调查发现，以往的研究努力，主要涉及三方面，包括先进的研究和创新研究智能技术，绩效评价方法与投资评估分析。关于在全面文献回顾的基础上，本文还总结了一些未来的研究方向，这样更有益于研究人员在这一领域的研究工作。
关键词：智能建筑；定义；绩效评估；投资评价；净现值；生命周期成本分析；成本效益分析；层次分析法；模糊集理论。
1、引言
“智能”这个词最早用语言来描述它作为建筑是20世纪80年代在美国开始的。“智能建筑的概念”增强了信息技术的发展和对越来越复杂的“舒适的居住环境和要求增加对他们当地环境居住者的控制”需求。智能建筑的研究活动已经无所不在而且很多研究结果在学术刊物上已经发表了。大量的研究工作已经集中于讨论建筑技术的发展和性能评价方法。然而,只有少部分论文一直坚持对解决智能建筑投资评价的问题进行研究。与此同时,这就是不足的地方和为投资决策信息在概念的时期智能建筑的发展提供解决方案。日益增长的智能建筑投资和更大的需求量以证明其盈利能力，而且智能建筑能够影响研究方法和技术，从而这就可以协助评估智能建筑的投资,最好这些评估都是在概念的阶段。
本文的目的是提供一种简洁的、系统的回顾和识别现有的智能建筑的研究并提议今后的智能建筑研究方向。该文首先讨论了智能建筑的定义。然后,本文归纳出当前三个部分的智能建筑研究领域。第一部分是智能建筑研究概述。第二部分提供了智能建筑项目投资评价的方法。第三部分提出了今后的智能建筑研究方向。
2、智能建筑的定义
过去已经有无数的学术和技术文献讨论了智能建筑的定义。根据哈里斯和安打
所作的研究 ，存在30多个智能和建筑之间的关系的定义。早期的智能建筑定义几乎全部集中在技术方面,而且并不建议用户进行交流。卡丹(1983年,引用文献)定义智能建筑是作为“一个具有完全自动化建设服务的控制系统”。在华盛顿的楼宇智能化机构(1988年,引用的智能建筑。参考文献)定义为“多种建筑系统资源进行有效的管理,最大限度地协调控制模式:也就是它的技术性能, 投资和运行成本的节约,弹性”。
许多研究者对纯技术的智能建筑的定义进行了批评。例如，在20世纪80年代中期的DEG建筑物被发现是无法满足时代变化和人类居住的建筑机构，在信息技术方面或不是他们所使用的, 从而将遭到过早地淘汰或者需要大量的翻新，或者有的已经遭到更严重的破坏。从作者Robathan，Loveday起，再到Preiser和Schramm和安打和哈里斯，都建议智能建筑必须满足用户的要求。根据Clements-Croome,已经有越来越多的服务意识理念和建筑物的工作管理流程都和人类的福利有着密切的关系。建筑环境不仅直接影响着人类的健康，而且还影响着人类工作的体力、精神士气和对于工作的热情度。有些作者建议的楼宇智能化应该强调“多学科努力整合能够优化建筑结构、体制、服务和管理，从而创建一个多产的、更有效的建筑物的环境来达到环境的最大利用”。
最近,许多作者已经把智能建筑的“被学习能力”和“性能调整从它的住房率和环境”作为它的的定义。他们提出了智能建筑不仅可以反应一个人的性格,并且相应地能够改变这个人对组织和环境的要求, 但也能够从它的住房率和环境进行学习和调节其特性。
另一方面,它也说明不同的智能建筑专业团体对智能建筑也有不同的理解。比如，智能建筑学院就指出了智能建筑在美国和英国的理解的不同。智能建筑学院指出在美国智能建筑的定义是为“人类提供了一个生产和经济的环境并通过优化四个基本的元素包括结构、体制、服务和管理，来阐明他们之间的相互关系”。相比之下,总部设在英国的欧洲智能建筑集团定义了智能建筑作为“一座建筑物应该有效的管理好它里面的环境，同时使有效管理拥有终身成本最小的资源硬件和设备”。从上面的定义表示英国的差异更重视用户的需求,而美国则更专注于技术的定义。
此外，很多设计者也认为“智能建筑不是单独存在的，他们可以提供更多的智能化来为人类服务从而使他们更加有效的工作”。此外，大多数现有的智能建筑的定义“要么太含糊了，只在有用的地方进行指导和详细的设计，而不是专注于它的技术和它是不是适合亚洲的文化”。现在精确的定义智能建筑是不可能的，智能建筑没有正确的定义，所以新型的智能建筑也不会达到最佳的设计来满足下个世纪。针对这一点，专家提出了一个符合两级战略合适的智能建筑的定义。第一级由9个“质量环境模块(QEM)”(M1-M9)组成和第二级包含了三个领域的关键要素分别是功能需求、功能空间和技术。本文提出了包含额外的模块(M10)作为补充现有的九个模块为了应付对建筑物的健康问题。修订后的 (M1-M10 QEM)包括:
- M1:有效的保护环境和节约能源；
- M2: 每平方米空间利用率和灵活性；
- M3:有效地强调成本和维护功效；
- M4:人类的舒适度； M5:工作效率；
- M6:防火灾、地震、灾难等结构性破坏的能力；
- M7:它的文化； M8:高科技的监控；
- M9:施工过程和结构； M10:健康和卫生设施。
每10个关键元素都会按照它的重要性被安排在10个关键模块上。所以，本文从新定义了智能建筑作为一个基础上的设计和适当的选择环境功能模块的质量而要满足用户的要求，这样才能用适当的建筑设施来反映出长期的建筑价值。所以，Wong新定义的智能建筑有两个方面，它能同时考虑技术和满足广大用户的要求。另外，这个新定义不仅给设计者一个清楚的方向和充分的设计细节而且是这个高品质的智能建筑设计有一个统一的定义，并为用户提供一个准确的平台来判断一般的智能建筑的好坏。
3、以前的智能建筑的研究
通过智能建筑研究工作的相关文献和概述表明，通过先前的的努力可以把研究分为三个方向，其中包括先进的/创新科技, 绩效评估方法和投资的评价分析。这三种研究方向在之后的部分做了进一步的阐述。
3.1研究先进创新的技术
一大堆的研究成果涉及到了智能建筑技术。以前的研究努力都集中在先进的系统开发、系统集成、网络协议和建筑子系统的服务上, 其中包括空调系统、照明系统、消防系统、电梯系统、安全保障系统和通讯系统。
技术上,楼宇智能化执行和安排与传统上有所不同。首先,智能建筑技术是以分级报告的系统的集成。米勒·布莱德肖指出了建筑的系统和它的结构，也就是提供整体的素质和创造一个高产、高效环境，比如它的功能、保证和安全；热性能、声学、空气质量和视觉舒适；这些也就是建筑所必须拥有的。根据Carlini、Arkin和Paciuk的组成,许多智能建筑系统包括三个层次的集成 :
- 世界最高水平的大楼应该在遭受不同的灾害的时候还能正常的运营以及它的通信系统还是好的；
- 中等的楼宇应该包括自动化系统(BAS)、能量管理系统(EMS)、通信管理系统(CMS)和办公自动化系统(OA)，还有监督和协调控制、楼宇智能化子系统。BAS在某些场合就已完成与功能和团体能量管理体系所有相关的子系统；
- 底层包含的子系统有供暖、通风和空调(HVAC)系统、照明系统、消防系统、垂直运输系统、安全保障系统和通讯系统。
此外,在智能建筑中允许互动和为一体化建设子系统服务。系统集成的过程是连接系统,设备和程序结合在一起的一种常见的建筑，它能做到系统的共享和数据的交换。Arkin和Paciuk提出智能建筑的有效的运营和智能建筑系统是无关的，而且在建设服务系统中系统和建筑之间的结构是被整合了。智能建筑系统的例子相互作用主要包括:
- 消防报警系统能够与其它建筑系统进行整合，如HVAC、照明和安全通过BAS。如果有火在建筑一层楼暖通空调系统可以通过开启和关闭排气阻尼器来防止烟气的蔓延从而阻止室外空气摄入着火层；
- 垂直运输系统明确要求火灾报警或安全系统是互相影响，电梯数目的运作方式,在某些情况下则是容易接近的楼层；
- 火灾报警程序就是这种在安全释放特定报警条件下上锁的门；
- 用这种安全系统与照明及通风空调系统的子系统来定义活化必要的照明路径和特定的房间的安装排序模式；
- 设施管理结合BAS。
伊万挪维奇综述了当前的智能建筑研究的技术。在当代研究的成果下努力开发新的软件，使用自动诊断的工具对神经网络进行引入，模糊的逻辑，以及其他密集型的软件，人工智能基础对设计进行检测，但如建筑服务系统/部件, 传感器和控制装置,检测出来问题自然是很难的。国际能源署(BSC)研究项目附件及附件, 包括与10多所大学和研究机构进行了广泛的研究,用不同的方法、策略和应用对暖通空调故障进行检测与诊断。许多研究人员已经共同研制智能控制方法，这些方法被应用在现代建筑管理系统中，而且也能优化建筑物的能源和改进环境绩效。此外,无线技术的应用与建筑物或网络构建系统的也是一种受欢迎的研究领域,目前已吸引了许多研究者和行业关注的实践者。
3.2 研究性能的评价方法
除了智能技术的研究和发展以外,已经有大量的研究致力于评估智能建筑。Serafeimidis认为评价过程作为一种反馈机制的目的是促进学习，同时他也考虑了评价过程中的一系列测量和评估。它可以是一个自觉或隐性的过程，目的是确立价值或特定情况下作出的贡献等等，并能与该对象体现出来的价值的决心。
建立绩效考核是一个关键的程序，在建设当中提供材料和部件就是为了今后改进和参考绩效反馈提供依据。不同的主管部门曾试图制定评价模型来评估智能建筑的性能。早期的性能评价模型，开发于1965年由Manning马库斯等人。在1972年，Preiser和后来施拉姆（1997年）提高了评价模型，他们提出了一种综合建筑性能评价框架，并用以评估和审查所有六个问题上的建筑的建设交付和生命周期，这六个问题包括计划、规划、设计、施工、占用和回收。许多类似的研究也已进行尝试，用以衡量建筑物的智能水平，并设立了智能建筑的最佳选择标准。Preiser开发了“后评估过程模型（PoE）”以确定智能建筑的智能化水平。POE的过程模型一般分三个阶段执行。首先，在概念阶段就得指出收集发展兼容的数据；第二，应用和试点测试的评价手段和智能化写字楼领域的研究；第三，对数据和建议进行收集，并利用数据收集手段对全球准则的发展进行比较分析。Preiser和施拉姆应用POE的过程模型，评估在跨文化背景下的智能建筑和建议，POE模型能够在一个长期持续的基础上提高楼宇智能化建设的绩效评估，因为评价系统被允许运用高科技系统，用居民的影响来评价这些系统是否有效。
如果没有一个评价体系，很难进行分类和证明智能建筑的智能化水平。因此，一直在试图研究智能建筑的评价标准。最基本的评价系统是在1995年DEGW上的建筑评价方法、建设智商评级方法和建设质量评估（欧洲智能建筑研究提出的）。该方法采用五种不同的类别相结合，从而对智能的建设提供了适宜的整体评估因数类别。另一方面，阿金及Paciuk开发出综合指数（MSIR）系统震级用来检测系统本身和智能楼宇集成度之间是不是一体化的，同时也检测系统和建筑物的结构。这种评估方法可作为评价和比较建筑的一个方面，它也能创建一个新的智能建筑一体化的评价标准。这种模式已经被其他研究人员所适应，比如智能大厦，彭杨，2001年业绩的评价。最近，亚洲智能建筑学会构建了定量评估方法，即智能建筑指数（IBI）。此方法的个人评价指标正是源于九素质环境模块供应量（M1- M9），每个指标的得分是由拥有一个实数（1-100范围内）的转换公式计算的。一栋建筑可以从A至E排名显示整体智能性能。
然而，绩效评估模型也因为充满公平问题和部分主观的评估而被人所批评，根据Wong所指出的，缺点确定在以下方面：
- 最后的评估指标和人类思维之间的不一致；
- 在重量或为每个智能建筑项目要素的优先事项方面有不同的评估；
- 重要的元素没有得到足够的重视，还有少数被忽略的重要因素;
- 目前的评估方法不包含一个学习曲线，从而不因时间的改变而改变；
- 每个规则的二进制方法或问题不是一个好的做法。一个特定的设备或系统在建筑物内，仅仅只能提供建筑的一些普通情况；
为应对现有的绩效评价模型的不足，研究人员目前正在试图建立一个客观的评价模型，以反映性能和价格合理的智能建筑。例如，Wong建立了一个高效率的性能评价模型的标准规定如下：
- 鼓励有实力的均衡性能，并强调重要的内容，比如它的时间和对象，同时也要劝阻未成年人的无知；
- 与人类的喜好一致，而随机的判断，必须尽量减少；
- 实际上延长了效用理论，测量所有目前的建筑水平来作为它的重要属性，再结合系统化，从而形成了整体智能建筑指数；
- 有学习的能力，并能够进行升级，并有定时修改的时间。
需要进一步研究制定绩效评价模型，才能满足上述标准。
3.3 投资评价分析研究
研究的另一方面就是专注于智能建筑的评估，评估提到的经济和财政方面被看作是智能建筑项目的投资可行性。
智能建筑投资的增加在亚太地区近年来急剧。一些作者提出，在投资增长利息已被记入该智能建筑交付给投资者的潜在好处下。这些好处包括：减少经营和
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