建筑智能化系统中的计算机技术

１　前言

近年来，随着信息化时代的到来，计算机在各个领域或各种行业中已无所不在，当然在建筑智能化系统中更不能例外，因为智能建筑就是在３Ｃ技术（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）高度发展的基础上产生的新生事物，其核心的技术基础是计算机技术。

在建筑自动化系统（ＢＡＳ）中，从传感器、执行器、控制器到信息处理、通信网络、远程监控和物业管理，到处都离不开计算机。在建筑智能化系统的另外两大子系统办公自动化（ＯＡＳ）和通信网络系统（ＣＮＳ）中更是如此，因此在建筑智能化系统中，计算机系统是核心和灵魂，而其中软件又是灵魂中的灵魂。

２　计算机在建筑智能化系统中无所不在

建筑智能化系统是自动控制系统的一个重要分支，就其实质而言，它是一个庞大而复杂的自动控制系统，具有自动控制系统的全部主要特征。计算机在自动控制系统的重要作用是人所共知的，所以计算机在建筑智能化系统中的重要作用也就不容置疑了。

在建筑智能化ＢＡＳ、ＣＮＳ、ＯＡＳ三大子系统及其下属的各子系统中，计算机在自动化或智能化系统中皆起到核心作用。在传感器、控制器、执行器的主控制回路中，皆有嵌入式单片机、单板机、可编程控制器或计算机系统。

在ＣＮＳ、ＯＡＳ系统中更是大量使用了服务器、交换机、工作站、路由器、 网管、网关、交换机、集线器等众多各种类型的产品。因此，计算机就成为建筑智能化系统的核心和灵魂。

３　软/硬件的分工界面

计算机在建筑智能化系统中的控制特性主要体现在智能建筑管理系统（ＢＭＳ）中，其主要包括空调系统、供配电系统、给排水系统、照明控制系统、电梯控制系统、电视监控系统、门禁系统、巡更系统、周界防卫系统、防盗报警系统、火灾报警及消防联动系统、停车场管理系统及ＢＡＳ控制网络等。

ＢＭＳ各子系统的功能皆是由软件和硬件系统共同实现或共同完成的，两者缺一不可，互为依存。原则上硬件和软件有一个分工界面，而这个界面又是可变的，尤其是随着计算机技术的发展在不断变化。从大原则上讲，硬件的速度比较快，而软件比较灵活，功能也可以更强大。其分工界面在很大程度上取决于软/硬件的性能价格比。在计算机发展的初期，例如在二十世纪六七十年代，计算机硬件很贵，人们就致力于硬件软化，尽量使软件完成一些本来是硬件完成的功能，这样做一方面降低了成本，另一方面也使系统更加灵活多变，甚至可以使功能更加强大；但其速度却明显降低了，甚至降低到不能容忍的程度，例如一些军用系统中就是如此。随着半导体技术有了突飞猛进的发展，集成电路的集成度不断提高，价格不断下降，而软件的成本却不断升高，在这种情况下，软件硬化又成为潮流。这时就出现了软件固化，门列阵、ＣＰＵ的功能也越来越强大。随着软件固化也给系统带来了很多优异的性能，像系统速度、系统可靠性、系统安全性等。所以软/硬件的分工界面也是一个很值得研究的问题。对每一个具体的系统或产品都要根据其功能、性能、性价比、灵活性、可靠性要求的不同而确定不同的软/硬件界面。因此，软/硬件分工界面的划定，对系统或产品开发都是至关重要的。

４　中断系统的重要作用

在实时系统中，数据采集、控制信号、状态信息、突发事件等的软件处理的启动方式，基本上分两类：一种是询问方式，一种是中断方式。询问方式较为简单，但有一些较为严重的缺点，主要是实时性较差和计算机系统的无为开销很大，因为绝大多数的询问是做无用功，学浪费了机时，而一些要求实时性较高的事件由于还没有询问到而造成实时性降低，这在实时性没有什么要求，而计算机的速度又有很大余量的情况下是可以忍受的，但在一些实时性要求较高的情况下就是不能容忍的。

询问方式的程序框图如图１所示，在图１中，主程序的主体是一个循环的询问等待程序。中断方式的控制较为复杂，这也是很多人和很多系统之所以不采用中断方式的主要原因。在中断方式中，使所有的工作程序或应用程序都以中断处理程序的身份出现，都是以中断的方式启动，其中主要有如下几种启动方式：

１）硬件发出的中断信号

２）人工干预命令

３）通信输入/输出

４）时间刻度

５）其它程序等

其中又分硬中断和软中断，所谓硬中断是硬设备产生的中断信号通过计算机的中断系统所产生的中断。所谓软中断是其它程序运行到某一节点而产生的中断。硬中断的产生可以认为是完全随机的，而软中断是只有在软中断排队排到它时才能执行真正的与此相对应的中断处理程序。当然在一些对实时性要求特别高的系统中也可以由软件通过中断系统产生一个硬中断信号，而这个硬中断的优先级根据需要可以是任意的。通常情况下硬中断的优先级高于软中断的优先级，所以硬中断的实时性要比软中断的实时性强。

在中断方式中，将所有中断处理子程序分为若干个级别，在同一级别中又包括若干个中断处理子程序。不同级别的中断处理子程序具有不同的优先等级，原则上高级的可以中断低级的，而低级的不能中断高级的。同一级别内的各中断子程序只有先后的差别，即在同时有中断请求时先执行排在前面的中断处理子程序，但不能互相中断。优先级的划分原则主要是实时性要求高的、占用机时较短的放在较高的优先级。

假若一台计算机为通用计算机，还可以实现中断处理程序、事后处理程序和后台处理程序的多线程系统。所谓事后处理是反映与本建筑智能化系统有关，但又没有实时性要求的数据处理工作，如各种统计数据和专家系统等。所谓后台处理是指与建筑智能化系统没有任何关系的数据处理工作，例如一般的科学计算等。

中断方式的程序框图如图２所示。在图２中，第一级为最高级，而第Ｎ级为最低级，所示中断处理子程序的执行顺序为主程序→第Ｎ级（部分）→第ｉ级（部分）→第一级→第ｉ级（部分）→第二级→第ｉ级（部分）→第Ｎ级（部分）→主程序。其中只有第一级和第二级中断处理子程序是一次执行完的，其它中断处理子程序都被处理中断过，而且第ｉ级还被中断过两次。

各中断请求的中断处理子程序的调度皆由中断管理程序来实现，中断管理程序的主要功能为接受并分离中断源。控制中断处理子程序的启动和返回，保存和恢复现场等。

从图２中可以看出，所谓主程序的循环部分只是一个等待程序，为中断处理提供了一个可中断的软件环境。若给主程序一个中断等级的话，它的级别是最低的，任何一个中断处理请求都可以中断它。

从图２中也不难看出，中断处理子程序都具有“开门见山，单刀直入”的特点，正因为如此才使整个系统的实时性得到极大的提高，即使整个系统的性能得到极大的提高。与询问方式相比，计算机的系统开销也大为减少，这就是中断方式的优越性所在。

５　软件系统的特点

近年来，计算机软件技术也得到了突飞猛进的发展，从二十世纪六十年代的二进制编程到汇编语言、编译程序、数据库系统、操作系统、云计算和物联网系统等。现在所谓计算软件通常分为三大类：系统软件、应用软件和中间件软件，其中中间软件是介于系统软件和应用软件之间的软件系统。

建筑智能化系统工程是实时系统的一种，在实时系统中一般都具有不同程度的实时性要求，因此建筑智能化系统中的软件系统必然有其实时性的特点。

通用操作系统除进行数处理外主要是作为外部设备的管理和通信管理的作用，其应用程序一般应用的编程工具为效率特别高的编译程序。在一些实时性要求特别高的系统中甚至一定要用汇编语言编程，因为只有这样才能满足实时性要求，不然就会发生“超时”。即在一个中断处理子程序运行中，同一个中断信号又来了。在传感器、执行器和控制器中一般皆应用汇编语言作为开发工具。第二，因建筑智能化系统中的应用软件开发具有一劳永逸的特点，所以多花一些精力来换取实时性的提高也是值得的。但在一般情况下，作为实时系统工程的建筑智能化系统同通常的自动控制系统相比对实时性的要求是比较低的，因此在诸多子系统中的应用软件还是可以用高级语言编程的。至于中间件，由于建筑智能化系统对实时性和对多媒体通信都有一些要求，因此中间件的开发也是建筑智能化集成的关键所在，开发中间件的主要出发点应该是尽量提高整个系统的实时性，因为在一次火警或盗警的处理中，时间就是生命，时间就是金钱，对系统实时性的要求是可想而知的。

６　系统的可靠性和安全性

建筑能化系统往往要求其计算机系统能够连续无故障长期运行，因为计算机软/硬件的故障将造成整个系统失控或瘫痪，造成严重的损失。经常会有这种情况，由于外界的干扰或计算机的偶然故障而造成软件被破坏，尽管有时只破坏了一两条指令或一两个常数，都可能造成整个系统的运行故障。因为实时系统的各部分都是周而复始地反复工作的，甚至有很多是重复频率很高的周期性工作，所以不管发生在哪一个局部软件的故障最终总将造成系统故障，为了提高系统的可靠性和安全性，可以采取的措施很多。下文就是一些可行的方法：

（１）一般网络系统常用的防火墙和防病毒措施的通用技术，这里就不再赘述。

（２）提高硬件系统的可靠性。这是一项根本性的措施，尽量减少随机故障的概率和提高无故障运行时间，像常用的硬件冗余技术，双工或多工表决技术等。

（３）对内存进行保护。使内存中除工作单元以外的程序和常数单元尽量放在半固定自读存贮器内。另外在某一任务运行时，将其它任务的程序保护起来，如页面保护等。

（４）将关键的核心程序和常数放入固存（只读存贮器）。有经验证明，在通常情况下，这是一项非常切实可行而且有效的方法。

（５）对每一个程序模块的输入和输出数据进行合理性检验。滤除那些由于各种原因造成的错误的非法数据，这将保证一个偶然的故障不会蔓延而造成灾难性的系统故障。例如人工干预给空调系统设定一个１００℃的环境温度要求，显然是错误的、不合理的。假若不滤除这种不合理的命令就可能造成整个空调系统的混乱。

（６）采取复试或重算措施，这在建筑智能化系统中，由于实时性的要求而较复杂和困难，因为有些数据很可能是一闪即逝，但要小心处理还是可以解决一些偶然的故障所造成的损失。

（７）在软件中尽量多设置一些系统运行情况和故障情况的显示，以便操作员尽快发现故障，并及时采取挽救措施。

（８）可以在软件中安排一些抽空检查。在实时系统中，平时计算机系统有很多空闲时间可以进行系统检查，以便及时或预先发现系统故障。但是最有效和最切实可行的方法还是在每次启动系统运行之前先进行全面而系统的检查。

（９）尽量缩短系统重新启动的时间，当发生系统异常时，人工干预可以实现系统重新启动，当然最好是当系统发生某些不可挽回的异常情况时才能重新启动，重新启动需要做大量的工作，比如保护现场和数据等。

（１０）软件接口，各个程序模块之间往往有相互启动或数据交换。这些接口一定要考虑得周到而严密，不然会在某种极其特殊的情况下造成系统故障甚至因此而造成死机，这些都是软件设计中必须重视的问题。

总之，上文所述内容，都是一些不同程度的容错技术。

７　系统的检查、模拟、演练、显示、记录和重现

７．１　检查

建筑智能化系统中的检查程序，除了能检查计算机本身的故障以外，还要对系统设备进行检查，因为一般实时系统都要求能尽快地准确地进行错误定位，以便提高修复速度，使系统失控或停止运转的时间尽量缩短。对系统的检查一般应在系统正式开机之前进行，以便提前发现故障或故障征兆。经验证明，这样的预检对保证系统的正常运转很有效。当然在排除故障中也要多次的通过有关的检查程序，证明故障确实被排除了，才能使系统重新投入运行。另外在系统运行过程中，假若计算机或其它实时设备发生了故障，应具有一些避免故障继续扩大的措施。例如，关掉某些通道、屏蔽故障部位、某些开关跳闸等保护措施，确保故障不会发展成为灾难性的。

为了提高故障定位的准确度，有时需要系统总体设计师给检查程序提供一些硬件环境，不然硬件完成之后，再让检查程序软件去实现故障精确定位往往是非常困难的，有时甚至是不可能的，例如，一个硬件分机的检查工作状态为系统提供一些特殊的代码及状态，就是为检查程序提供方便条件。

７．２　模拟

在系统研制和联试的过程中以及在系统投入运行后的预检中都需要使系统进行模拟运行。在系统的总体设计中，各部分方案都要把这种模拟工作方式考虑进去。这种模拟在系统研制的过程中，对检查系统总体方案的正确性及性能都是很有意义的。在系统每次开机之前，先模拟一下系统各部分的工作状况对保证正式开机后的正常运行非常有意义。

７．３　演练

为了对操作员及管理人员进行训练，系统应具有模拟演练的功能。这对操作和管理人员在各种错综复杂的情况下如何不失时机地准确地对系统进行干预具有重要意义。因为有些系统运行中的特殊情况需要操作员和管理人员当机立断、适时操作和指挥，具有“机不可失，时不再来”的急迫性。但是这种情况，在平常系统的正常运行中是很少出现的，也就是说在正常运行中很难训练操作员和管理人员的这种技能，即这种技能不能光靠在实践中获得，但不具备这种技能又是不行的，所以平时的演练就显得更为重要了，关于系统的演练功能，在设计中也要预先具体考虑进去。不然的话，系统建成之后再增加这样的演练功能就非常困难了，甚至是不可能的。

７．４　显示

在建筑智能化系统运行的过程中，一些重要的系统运行参数要求及时地显示给操作员，使其随时都了解系统的运行状况，尤其当系统运行过程中发生了偏差或故障时更要迅速地将警报信号报告给操作员和管理人员。这些警报信号可以是视觉的，如显示器、指示灯等，也可是听觉的，如发出各种不同声音或警铃等，甚至在特殊需要时也可以是触觉的。在实际应用中，可以根据具体情况采用视觉、听觉和触觉中的一种或几种方式并用，以便操作员能及时地了解系统的运行情况，必要时立即用人工干预的方法去干涉系统的运行，排除故障。在进行人工干预时，操作系统先将人工干预的命令显示给操作员，待操作员复检该命令的内容正确无误时再命令计算机去执行这条命令，这样可以避免误操作。经验证明，人工干预比较容易产生误操作致使系统的运行出错或更加不正常。

７．５　记录

在建筑智能化系统运行的过程中，要将系统运行的一些主要参数或系统发生故障和人工干预时的现场记录下来。运行情况的记录，如一个柴油发电机组在什么时候输出电压多少伏特，频率多少赫，负载多少安培，机组升温多少度等；在系统发生故障时，故障时间、现象和现场参数是什么，操作员采取了什么措施，人工干预命令的内容，系统执行情况等情况都要记录下来，记录的方式有打印、记盘甚至录像等，这些完整的记录就构成了该系统运行情况的档案，是非常有价值的资料，是总结经验和教训甚至是追究事故责任的第一手珍贵资料。

７．６　重现

在系统运行情况的记录中，将运行情况及重大事故的发生时间、现场、人工干预命令的内容、系统反应情况都记录在磁盘或磁带中，这样做的目的是有利于事后重现当时的情况，可以逼真的观察、分析、总结经验和教训，甚至给追究责任提供依据，只要重现一下当时的情况就可以得到正确的结论。