Введение

В учебно-исследовательской работе на тему «Управление системой «Интеллектуальный дом» через Интернет» ставится целью рассмотреть возможности построения современной интеллектуальной системы управления зданием с удаленным управлением через Интернет. Пояснительная записка состоит из трех разделов. В первом разделе рассматривается концепция и определение интеллектуального здания, его составные части и выполняемые функции. Во втором разделе рассматривается интегрированная система управления зданием, как один из вариантов реализации концепции интеллектуального здания. В третьем разделе приведено описание частей созданного в рамках данной работы макета интегрированной системы управления интеллектуальным зданием.

Раздел 1. Интеллектуальное здание

1.1 Концепция "интеллектуального здания"

Почему появилась необходимость в интеллектуальном здании

Любое здание – будь-то административное, производственное или жилое состоит из некоторого набора подсистем, отвечающих за выполнение определенных функций, которые решают различные задачи в процессе функционирования этого здания. По мере усложнения этих подсистем и увеличения количества выполняемых ими функций, управление ими становилось все сложнее. Также стремительно росли расходы на содержание обслуживающего персонала, ремонт и обслуживание этих подсистем. Впервые эти проблемы встали при эксплуатации больших административных и производственных комплексов.

Современное здание такого типа — это город в миниатюре. Фактически в нем действуют все службы, являвшиеся ранее непременными атрибутами городского хозяйства. В таких зданиях обычно существует административная служба или администратор, которые используют и обслуживают эту систему практически круглосуточно. Хотя есть немало средств автоматики, которые сами справляются с возложенными на них задачами, такими, как отопление, вентиляция, поддержание микроклимата, освещение, пожарная сигнализация, дымоуничтожение, контроль входа/выхода и т. п., но управление и обслуживание всех этих систем требует наличие администрирующего персонала. Его обязанностью является контроль работы этих подсистем и принятие мер в случае выхода их из строя. Но есть ситуации, когда даже действия квалифицированного персонала могут оказаться неэффективными. Это случаи возникновения угрозы зданию и находящимся в нем людям, имеющие глобальный характер – пожар, землятресение и другие стихийные бедствия, террористические атаки. Здесь нужно принимать экстраординарные меры в считанные доли секунды. Реакция и корректность действий людей в критической ситуации может оказаться недостаточной.

Традиционные системы обеспечения различных аспектов жизнедеятельности в прошлом проектировались как автономные. Такие системы, создававшиеся отдельно для каждой функции и объединенные для произвольной части здания. В зданиях устанавливались  системы только с теми возможностями и с той степенью сложности, какие были необходимы на текущий момент построения здания. Дальнейшее расширение и модернизация данных систем были сложными и дорогостоящими задачами из-за множества различных факторов.

Затраты на эксплуатацию такой системы слагаются из затрат на эксплуатацию каждой автономной системы в отдельности, стоимости обучения персонала

Стоимость эксплуатации этих систем высока — в силу их автономности каждая из них поддерживается отдельно. Стоимость обучения персонала столь же высока, поскольку операторы должны быть ознакомлены с эксплуатацией каждой автономной системы.

Основные положения концепции интеллектуального здания

В настоящее время для комплексного решения вышеперечисленных проблем используется подход, называемый «Интеллектуальное здание» (ИЗ). «Интеллектуальное здание» — не очень точный перевод английского термина "intelligent building". Под интеллектом в этом подходе понимается умение распознавать определенные ситуации и каким-либо образом на них реагировать (естественно, степень этого умения может быть различной, в том числе очень высокой). Вместе с тем, в соответствии с буквальным переводом с английского, ИЗ можно интерпретировать как "разумно построенное"[3]. Это означает, что здание должно быть спроектировано так, что все сервисы могли бы интегрироваться друг с другом с минимальными затратами (с точки зрения финансов, времени и трудоемкости), а их обслуживание было бы организовано оптимальным образом.

Концепция интеллектуального здания содержит в себе следующие положения:

-         

-         

-         

-         

-            систему.

-         

Возможности интеллектуального здания

Интеллектуальное здание имеет массу преимуществ перед неинтеллектуальным. Интегрированная система управления зданием позволяется владельцам здания создавать сколь угодно сложные и интеллектуальные процедуры функционирования этого здания, т.к. все исполнительные системы этого здания могут работать согласованно и совместно. Отсюда следует реализация множества ресурсосберегающих процедур, процедур контроля доступа и обеспечения безопасности здания, учета и контроля практически всех параметров систем здания и оперативное реагирование на их критическое изменение, причем реакция является комплексной и мгновенной, удаленного контроля и управления зданием, т.к. все информационные и управляющие каналы связи в такой системе являются цифровыми. Далее по ходу изложения будут приведены конкретные примеры использования новых возможностей интеллектуального здания.

Кроме предоставления новых возможностей проектировщикам и владельцам интеллектуального здания, оно также является для них экономически выгодным.

Экономические аспекты

Во всех странах с развитыми рыночными экономиками прозрачны и доходы, и расходы налогоплательщиков, а последними являются фактически все граждане. Четкий контроль за доходами и расходами позволяет эффективно работать таким институтам, как ипотечное кредитование (выдача кредитов под постройку и приобретение жилья). Это приводит к тому, что покупку жилья в кредит может позволить себе большинство работоспособного населения. Каждый, взявший кредит на покупку жилья станет «жить взаймы»: львиная доля его дохода будет утекать на погашение кредита. Без страхования рисков в таком случае не возможны правовые взаимоотношения в данных экономических процессах. [6]

Поэтому во многих странах уже существует практика обязательного страхования жилья. Естественно, что страховые компании заинтересованы в качестве и надежности страхуемого жилья. Но поскольку возникновения страховых случаев не избежать, то страховые компания стремятся затем взыскать деньги с настоящих виновников, например, — строительных компаний.

«Интеллектуальное здание» в состоянии предоставить экспертам тот «черный ящик», по содержимому которого будут делаться заключения. Поэтому развитие и внедрение ИЗ в странах с развитыми рыночными экономиками сейчас идет стремительныи темпами. Даже в России современные и дорогие офисные и жилые здания уже проектируются с учетом требований концепции ИЗ, для последующего их внедрения. [6]

Кроме того сами будущие владельцы таких зданий заинтересованы в их интеллектуальности, потому что оно несомненно приносит значительную экономию средств своему владельцу за счет точного учета и контроля над всеми системами здания, а также интеллектуального и рационального использования таких ресурсов, как электричество, вода, тепло. [6]

1.2 Применение концепции ИЗ для жилого дома

Весь предыдуший материал полностью справедлив для административного или производственного здания или комплекса. Но в целью данной работы является прежде всего рассмотрение системы управления интеллектуальным домом в смысле частного жилого дома или жилища. Поэтому далее будут рассмотрены основные отличия от офиса и предприятия при внедрении концепции ИЗ в жилом доме, который мы будем называть «интеллектуальный дом».

Отличия дома от здания

Частный жилой дом или жилище отличаются от административного комплекса или цеха производственного предприятия. Можно выделить несколько аспектов использования и конструкции жилого дома, которые существенно отличаются от аналогичных в зданиях. Вот самые важные:

- в жилом доме его владелец не может и не хочет постоянно или перидически администрировать и управлять подсистемами здания. Значит интегрированная система управления таким домом должна быть построена таким образом, чтобы требовать минимального обслуживания или быть полностью автоматической.

- подключение новых приборов и устройств к такой системе должно быть максимально облегчено, т.е. сведено практически к простому подсоединению к свободному разъему в сети или даже простому включению прибора. А он сам уже должен при поддержке системы управления подключиться к ней, настроить свои параметры в соответствии с требованиями системы и предложить свои сервисы другим компонентам системы. При этом система должна предоставить пользователю по его требованию очень подробный интерфейс настройки всех ее компонент и алгоритмов функционирования.

- здесь появляется много новых аспектов, которые нужно автоматизировать - это избавление человека от повседневной работы, как то: уборка помещения, приготовление пищи, стирка одежды и т.д. Причем они в отличие от других областей очень плохо поддаются автоматизации и система должна обладать очень высоким интеллектом, чтобы приемлемым образом справляться с этими задачами.

- в функциях дома должно быть четко разграничено, что он может делать, а чего делать не должен ни в коем случае. Важно, чтобы человек знал об этом разграничении и был уверен, что дом никогда эту черту не переступит.

Возможности интеллектуального дома

Возможности у интеллектуального дома такие же как и у здания, но к ним добавляются еще несколько специфических. Одна из них, как уже отмечалось выше, избавление человека от повседневных забот. Подключение всех домашних приборов и устройств к интегрированной системе позволяет также освободить человека, живущего в таком доме, от необходимости следить за наличием продуктов, скоплением мусора в корзине, своевременной оплатой счетов, и многим другим. Система сама за всем будет следить, затем принимать решение о необходимых действиях и при наличии возможности выполнять какие-либо действия (заказ продуктов в магазине, перевод денег со счета за коммунальные услуги и т.д.)

Удаленное управление интеллектуальным домом

Человек может управлять интеллектуальным домом или зданием с помощью некоторых средств управления, размещенных в самом здании или его окрестностях, но включенных в ту же коммуникационную среду, что и все остальные компоненты системы. Но существует множество случаев когда бывает необходимо или желательно удаленное управление подсистемами интеллектуального дома. Перечислим основные из них:

-       

-       

-       

Концепция интеллектуального дома предоставляет  возможность создания в рамках интегрированной системы управления подсистемы удаленного управления. Эта подсистема позволяет получать информацию о событиях и состоянии некоторых параметров и удаленно посылать команды управления всей системе или ее отдельным компонентам. Относительно глубины реализации такой возможности в интеллектуальном доме можно выделить следующие формы:

1. Автономный саморегулируемый и управляемый объект, включающий в себя всевозможную автоматику, но не имеющий сообщения с «себе подобными». Это та наиболее примитивная модель искусственного интеллекта, на которую делается упор в средствах массовой информации. Где «интеллектуальный дом» представляется чудом техники, сулящем массу удобств и удовольствий богатому лентяю, которому лень встать с дивана, чтобы щелкнуть выключателем.

2. При подключении интеллектуального дома к сети, связывающей отдельные объекты в единое целое, что позволит осуществлять мониторинг систем жизнеобеспечения, энергосбережения ресурсов, безопасности и т.д. Решение любых вопросов, связанных с упомянутыми системами, а также доставка различных услуг по сети станет гораздо проще и эффективнее.

3. Высшая форма интеллектуального жилища: обмен информацией как внутри дома, так и вне его (по глобальной сети) происходит с помощью стандартных цифровых протоколов. Все компоненты системы интегрированы в единое коммуникационное пространство.

Последняя форма рассматривается как основа релизации концепции ИЗ и предполагает  создание интегрированных систем управления интеллектуальным домом.

Состояние проблемы

На данный момент уже существуют сложившиеся решения создания интеллектуальных офисов или производственных цехов. Проблемами автоматизации управления инфраструктурой зданий начали заниматься еще более 30 лет назад. Поэтому к натоящему моменту времени существует множество стандартов и готовых решений для этого класса зданий. Но для категории частных домов, котеджей или квартир пока не существует комплексных стандартизованных решений. Хотя для жилых многоэтажек как целого в принципе приминимы системы автоматизации офисных и административных зданий.

Как было сказано выше основой реализации концепции ИЗ является создание интегрированных систем управления. В этой работе также будет создан макет интегрированной системы управления. Далее она будет рассмотрена более подробно.

1.3 Интегрированная система управления зданием

Определение и роль в интеллектуальном здании

Система управления зданием может быть как интегрированной,  так и состоять из нескольким автономных систем управления разными подсистемами здания. Автономные системы имеют свои преимущества и недостатки по сравнению с интегрированными, но в нашем случае наиболее важно то, что автономные системы не могут использовать общие данные. Каждая система имеет собственные датчики и сигнализаторы, недоступные для других, столь же герметично замкнутых систем. Это — следствие изолированности действий и невозможности автоматической координации реакции систем. Поэтому такие системы не могут обеспечить требований, предъявляемых к интеллектуальным зданиям.

Интегрированная система управления интеллектуальным зданием занимается решением задач обеспечения комплексной работы всех инженерных систем здания: освещения, отопления, вентиляции, кондиционирования, водоснабжения, контроля доступа и многих других.

Интегрированная система управления инфраструктурой здания позволяет безболезненно, без переделок повышать разнообразие обслуживаемых функций контроля за состоянием всего здания в целом, различных его помещений, а также за условиями труда и жизни находящихся в нем людей. При этом уже существующие и работающие автономные устройства интегрируются в единую систему.

В отличие от автономных систем, интегрированная система использует общую базу данных. Такая база данных может быть аутентично использована не только отдельными подсистемами обеспечения жизнедеятельности, но и любыми другими устройствами автоматизации управления зданием, как, например, системами фотоидентификации, установками обогрева и вентиляции, осветительными сетями, и даже может собирать данные, исходящие от существующих задействованных в здании автономных систем (например, от противопожарной установки).

Интегрированная система предоставляет удобный доступ и к архиву за все прошедшее время работы. Использование больших массивов данных за прошедшее время позволяет проводить аналитические прогнозы и принимать обоснованные стратегические решения.

Из всего изложенного выше, можно выделить определенные требования, предъявляемые к интегрированной системе управления:

-       

-         возможность подключения устройств без дополнительной настройки и изменения конфигурации системы;

-       

-       

-       

-       

Возможности интегрированных систем

Использование данных одной системы (для управления устройствами других систем), позволяет избежать дублирования датчиков, оптимизировать расход таких ресурсов, как вода, тепло, электричество [2]. Взаимодействие систем дает возможность автоматически выключать свет в помещении при отсутствии в нем людей, а в нерабочее время и в выходные дни переводить отопление и вентиляцию в экономичный режим. Контроль над расходом ресурсов помогает вычислить объекты с наибольшим потреблением и разработать оптимальную стратегию управления ими. Совмещение двух систем (контроля доступа и учета кадров) позволяет учитывать время нахождения на работе, автоматизировать выдачу пропусков, расчет заработной платы и т.д. [2]

Пожарные системы безопасности могут работать автономно и тем не менее выдавать сигналы в систему. Например, выдавать на экран дисплея пути эвакуации, перекрывать пути распространения огня, включать систему пожаротушения и т.п.

В большинстве случаев достигается огромная экономия за счет снижения общей длины коммуникационных кабелей и уменьшения сроков создания экземпляров системы.

Примеры алгоритмов, реализуемых в интегрированной системе

Пример 1.

Вечером сотрудники покидают здание. Кто-то еще может зачем-то вернуться, кто-то засиживается допоздна, но рано или поздно из здания уходят все. Охранная система определяет, что в какой-то момент времени все сотрудники, работающие в некоторой зоне (этаж, секция, крыло этажа), разошлись по домам. Реакцией на это может стать обесточивание системы освещения этажа, а также выключение настольных компьютеров по сети, если кто-то забыл, уходя, выключить свой ПК (подобная функция реализована во многих современных сетевых адаптерах). Экономия электроэнергии в этом случае очевидна. Если добавить частичное отключение системы отопления (в зимнее время) или ее перевод на пониженные мощности в ночное время, то материальные выгоды, приносимые ИЗ, окажутся вполне ощутимы. [3]

Пример 2.

Определение наличия сотрудника в здании может также принести пользу с точки зрения защиты информации. Если сотрудник покинул здание, то его учетная запись в информационной системе блокируется, и никто, даже зная пароль, не сможет войти в сеть под его именем. Более того, при наличии информации о том, с какой рабочей станции злоумышленник пытался войти в сеть, и о том, кто именно находился в тот момент в помещении, уполномоченные лица могут принять соответствующие меры. [3]

Но это примеры для использование интергированных систем в интеллектуальных зданиях, а для  интеллектуального дома можно привести следующий пример:

К примеру хозяева дома могут смотреть программу приготовления того или иного блюда на экране телевизионной приставки, а затем послать рецепт холодильнику, который, в свою очередь, передаст список ингредиентов в интерактивный продовольственный магазин.