智慧建築的現在與未來

— 智能事業群 益鼎 儀電部 工程師 邱柏碩 

中鼎智能事業群志在成為「頂尖智能解決方案及服務提供者」，以先進技術和創新思維，為全球客戶提供客製化的智能解決方案。本文即以智慧建築為例，說明其現況及發展，並以中鼎集團親手打造的第二總部智慧大樓為例，說明如何實現人、環境和設施對話的智慧大樓，成為智慧創新的建築典範。

智慧建築的發展

隨著時代的變遷與科技的進步，人們對於地球資源過度開發與消耗，造成環境的污染、氣候的變化，甚至是生態環境的影響，在國際的環保熱潮下，開始有了永續經營的觀念，建築工程也因此有了智慧建築。1984年，世界首幢智能建築City Place大廈在美國哈特福德市誕生，「智慧建築」的理念逐漸擴展至全球各地。

智慧建築的崛起，與建築機電及通信設備的自動控制與智慧化息息相關，伴隨資通訊（ICT）產業技術的不斷進化，對智慧建築也有了新的闡釋，主要分為以下三個階段：

一、自動化

發展的初期階段，即為普遍的5A弱電系統（通信自動化-CA、建築自動化-BA、辦公自動化-OA、居家自動化-HA和安全防災自動化-SA），皆為自動化的一環，為個別獨立的系統，而不是整個智慧建築的整合系統。

二、資訊化

在網路技術的普及化後，進入到將建築資訊化，在2000年後，智慧建築規範逐漸完善，系統整合技術趨近成熟，尤其在2010年後，網路與資訊技術的具體落實，主要技術特色為資訊整合和平臺化，為智慧建築帶來了巨大的影響。

三、智慧化

隨著「智慧城市」的興起，智慧建築間的資訊連結互通，而邁向人性化與智慧化之建築。以此前提下，5A弱電系統加上物業管理（Property Management, PM），形成所謂建物管理系統（Building Management System, BMS），是智慧建築安全、有效管理必須具備的整合系統。推動智慧建築未來發展的關鍵技術，更是以IoT、BIM、Big Data、AI、5G、Cloud/Edge Computing等新技術為代表，為「智慧建築」帶來了無限的可能性。

智慧建築的技術變革

一、物聯網(Internet of Things)

物聯網可以使物與物、物與人之間都能「交流」，具有全面感知、可靠傳遞以及智慧處理三個特點。隨著科技的進步，物聯網逐漸實現在智慧建築的應用中，其發展主流如下：

1.開放式物聯網架構

物聯網在物與物、物與人之間，都要能互相無縫溝通，在這樣的應用場景下，需要的是一個開放式架構，將不同系統的介面與通訊協定簡化。
IP化的物聯網架構是未來的趨勢，如Philips智慧照明系統，只藉由網路線供電與監控照明設備，簡化介面提升佈線效率，且整合通訊協定讓不同系統間無須透過閘道器去連結，不僅節省設備成本，也提升系統通訊的效率；因此，介面簡化與通訊協定整合，將是未來開放式物聯網架構發展趨勢。目前主流介面為網路線（Cat-5e/6/6a）、雙絞線、Fiber，主流通訊協定為Modbus、BACNet、TCP/IP等。

2.感知密度的增加

因應智慧建築人工智慧（AI）化，需建立大量且多樣性數據資料庫，做為分析決策的基石，以達到節能效益與服務人性化的目的，如預先維護服務、情境感知服務…等，因此感知器的安裝密度增加亦是未來的趨勢。

環境感測器網路密度提升後，累積的大量數據得以完善資料庫，使系統下達更可靠的決策，且使用者可經由手機APP更有彈性的監控不同區域的照明與空調系統，使建築環境控制、設備運轉達到最佳效益與人性化。

3.AIoT

聯網物（Connected Devices）的爆炸性成長，將造成數據量暴增進而影響網路品質；而AIoT(AI + IoT)，顧名思義就是AI技術與物聯網在實際應用中的融合，與傳統雲端為主的AI應用不同，可就近在IoT設備上執行機器學習或AI運算工作，資料無須回傳雲端。IoT感測器串流資料能直接應用於機器學習模型推論，即使網路斷線系統也能正常運作，在資料安全、網路頻寬、通訊延遲等條件下，運算任務轉移至終端裝置或就近的網路設備上，將可有效改善網路品質。

二、行動互聯技術

透過通信技術，用戶可以使用手機、平板電腦等便於攜帶的行動終端，以行動網路（3G、4G、5G）或WiFi熱點方式連入物聯網，另以寬頻IP為技術核心，可以同時提供語音、數據、多媒體等業務的開放式基礎電信網絡，並獲取WAP(Wireless Application Protocol)網站服務。因此智慧建築運用行動互聯技術，使建築內的系統與人員之間互聯互通，進而實現了人機協同。

1.LPWAN-低功耗廣域網路

無線通訊技術近20年來的發展迅速，從行動電話誕生至今已經在討論第五代行動通訊5G；而在5G技術成熟之前，許多低功耗長距離的LPWAN（Low Power Wide Area Network）技術陸續被提出，較常見的包括使用授權頻段的NB-IoT（Narrow Band-IoT）、LTE-M（Long Term Evolution-Machine Type Communication），以及採用非授權頻段的LoRa（Long Range）、Sigfox等，並帶來下述優勢：

(1) 電池壽命長及降低維護費用：LPWAN技術是以低傳輸低功耗為前提，設備都以電池作為主要電源，在功耗低狀態下電池能量至少可維持10年，不僅節能同時也降低設備維護的費用。
(2) 覆蓋範圍廣：使用頻段主要為Sub-1G，在低頻的特性下有較良好的繞射能力、路徑損耗更低等優點適合遠距離傳輸，因此擁有很寬廣的覆蓋範圍。

2.5G-第5代行動通訊

5G是在 4G 通訊技術成熟後，所衍生的下一代通訊技術，應用領域包括：物聯網、自動駕駛、智慧城市、智慧工廠、AR/VR等。5G標準預計在2020年完成，目前共識5G至少要達到幾項能力，如10Gbps以上的資料傳輸速率、大規模的連結能力及感測器網路的部署，在頻譜效率、覆蓋率及低延遲性應遠勝於4G，主要分為三大應用場景：

(1)增強型行動寬頻（Enhanced mobile broadband）：重在寬頻傳輸速度，以人為中心的使用案例提升速度並給予使用者無縫的沉浸式體驗，例如觀賞超高清（4K/8K）視訊或VR/AR的應用。
(2)巨量機器類型通信（Massive machine type communication）：可連結巨量設備的連接密度，需要廣泛的覆蓋範圍、較低的功耗和傳輸速度，對於延遲性要求不高，例如：穿戴式裝置、智慧三錶、智慧城市。 
(3)超可靠和低延遲通信（Ultra-reliable and low latency communication）：對低延遲性和傳輸可靠性有非常嚴格的要求，以確保提升反應能力。所應用的領域有：智慧電網、遠端手術及車聯網等。

在5G技術普及化後，未來將帶動各產業的發展影響如下圖：

中鼎集團第二總部智慧大樓

中鼎集團多年來所累積的專業工程實力以及創新發展，是打造智慧城市的最佳利器，以中鼎集團自行打造的第二總部大樓為例，本大樓除結合智慧監視及5G等多項智能先進科技，並整合集團三大智能方案，包括：中鼎創研中心研發的iSP智能解決平台（Intelligent Solution Platform）、新鼎Mr. Energy 50001能源管理系統及益鼎BIM 7D智能維保系統，提供更安全健康、便利舒適、節能永續的人性化建築環境，實現人、環境和設施對話的智慧大樓，預計2021年完工落成後將成為智慧創新的建築典範。

一、智慧監視系統

本大樓所導入的智能監視系統，運算功能將分置於前後兩端，即簡單但需即時反應的程序主要由邊緣運算負責，而需強大運算能力的演算法工作，交由後端平台處理。此外，本大樓於建築物周邊設計虛擬圍牆，結合保全系統提升警戒能力，其功能包括：

1.虛擬圍牆系統：無需使用實體屏障，可在監視範圍內設定虛擬防護區，當有可疑人物進入防護區範圍時，智慧監視系統啟動警報系統通知管理人員。

2.智慧辨識系統：在大廳閘道口、地下室及特定區域配置人臉辨識系統，並結合停管系統的車牌辨識系統。

3.人流系統：透過門禁刷卡與辦公區偵測器判斷各區座位人數，人流進出與門禁座位資訊比對，對區域人數加減計算取得該區數值，最終回饋至BMS，由BMS提供至智能演算，如外氣需求預判、大數據運算、機械學習等。

4.智慧監造：在工程建造時，輔助監控人員安全與施工品質。

二、5G佈建

中鼎集團第二總部大樓將5G到府的設計納入專案，優勢包含5G網路讓設備建置擁有更多的靈活性，實現人、建築與設備機器之間的互聯互通。此外，在5G佈建上也規劃預留NB-IoT模組，以備LPWAN成熟後續規劃使用，如智慧停管、智慧三錶等。

而在5G佈建成熟後，未來為結合智慧物聯網，可以規劃無線感測設備設計補足在有線設計的不足，例如利用Z-Wave、Zigbee、LoRa、BLE等無線技術，實現智慧廁間、智慧辦公室、室內定位等智慧應用，使智慧建築更貼近於以人為本的核心價值。

三、CTCI三大智慧建築整合方案

1.Mr. Energy 50001系統

專為建築能源管理所量身打造的平台系統，使用能源績效指標（Energy Performance Indexes , EnPIs）進行分析比較。由能源管理的四個階段：監測、分析、規劃及查核，來達到節能管理和節費的效果。

2.BIM 7D智能維保系統

讓維修管理作業及保養服務更方便、有效率的整合應用，除了簡化維保的流程，更主動提供設備的相關資訊，方便查詢設備的歷史紀錄，迅速判斷出最佳的解決方案。

3.iSP智能解決平台

iSP為實現CTCI未來物聯網（IoT）應用的智慧平台，可應用於智慧建築、智慧工廠、智慧園區、智慧城市等，為建築物收集資料、數據分析、系統應用開發等，並利用建築物多樣性資料與外在大數據資料庫（Big Data），為建築物提供最有效率的運轉模式，實現建築物具智慧思考作業的目標。

本大樓的建築物系統，將利用MQTT（Message Queuing Telemetry Transport：針對物聯網而設計的即時訊息推播通訊標準）作為CTCI三大智能方案交換訊息的通訊格式，讓建築物管理系統主司收集樓宇系統狀態與控制連動，而Mr. Energy50001所需接收的能源資料，以及BIM 7D讀取的設備運行狀態與維護之歷史紀錄，都透過MQTT向建築物管理系統（BMS）取得，最後iSP智能解決方案平台，分析與比對上述系統的數據資料，提供樓宇最佳的節能數據與人感舒適。

打造永續發展的智慧城市

智慧建築在國內的發展，在政府長期推廣下，其普及與ICT技術的進步，不只限於獨立建築內的設施管理、安全防災、節能等自動化與服務，而是能依據建築特性提供不同服務的基礎設施。目前台北市已有許多智慧社區正積極建設中，而智慧社區必須以資源系統與生活場景為前提，將人、ICT技術、建築三大元素完美融合。依政府與民間積極提倡的智慧化社區創新示範計畫，係以節能減碳為推動主軸，結合不同服務如智慧安全防災、智慧交通、智慧醫療照護、智慧物流等，藉由政府與民間攜手合作，由點擴展到面，將智慧社區結合多樣性的智慧園區、智慧醫院等不同建築，並在循環經濟與共享經濟的概念下建設永續的智慧城市，讓智慧建築的永續性得以實現。

中鼎集團深耕智慧科技領域多年，已成功將業務領域拓展至智慧製造、智慧交通、智慧建築、智慧園區等領域，結合中鼎深厚的工程實力與創新能量，正是打造智慧城市領域的最佳推手，中鼎承諾持續以「最值得信賴」的工程服務，為打造永續生活的型態貢獻心力，成為推動世界進步與地球永續的力量之一！