سیستم های هوشمند ساختمان

سیستم های هوشمند ساختمان و استانداردها

۱- مقدمه

بخش ساختمان به یکی از عظیم ترین صنایع جهانی بدل شده و در بعد توسعه پایدار اقتصادی، اجتماعی و زیست محیطی از اهمیت به سزایی برخوردار است. سازه ها سهم عظیمی از دارایی های اقتصادی افراد، سازمان های و ملت ها را به خود اختصاص می دهند. صنعت ساختمان، امروزه یکی از تامین کنندگان مهم در بخش اشتغال زایی است. مصالح ساختمانی و فرایندهای ساخت و سازه، در سلامت و ایمنی کارگران ساختمانی و مردمی که در این ساختمان های زندگی یا کار می کنند تاثیر گذارند. کیفیت سازه ها اثری مستقیم در کیفیت زندگی انسان دارد از دیدگاه زیست محیطی، صنعت ساختمان هم مصرف کننده ی بخش عظیمی از منابع طبیعی و هم تولید کننده مقادیر متنابهی زباله و آلودگی است، وانگهی، میزان قابل توجه انرژی مصرفی در ساختمان ها انتظار گازهای گلخانه ای را در پی دارد.

ساختمان ها بخش اعظم مصرف انرژی را به خود اختصاص می دهند. در ایالات متحده، ساختمانها ۴۵ درصد مصرف انرژی، ۲۵ درصد مصرف آب، ۷۰ درصد مصرف برق و ۳۸ درصد انتشار دی اکسید کرین را به خود اختصاص می دهند [۱]. لذا یکی از راهکارهای موثر در صرفه جویی مصرف انرژی و حفاظت محیط زیست، مدیریت مصرف در ساختمان هاست. همچنین ساختمان های تجاری، دولتی و مسکونی باید نیازهای چند جانبه ای را اعم از مقاومت در برابر آتش سوزی، آب گرفتگی، بلایای طبیعی، حمله های تروریستی، دسترسی سالمندان و افراد ناتوان برآورده سازند که این امر به بهترین نحو با استفاده از سیستم های سازه  های یکپارچه هوشمند انجام می گیرد.

۲- سیستم های هوشمند

موضوع هوش مصنوعی، شناخت موجودیت های هوشمند است و عبارت است به کارگیری رایانه به نحوی که همانند یک موجود هوشمند عمل نماید. یکی از شاخه های مهم هوش مصنوعی، سیستم های هوشمند است که با کاربردهای فراوانش در مدیریت و تصمیم گیری به عنوان یک بخش بسیار موفق هوش مصنوعی شناخته شده است. سیستم های خبره را به گونه های مختلف تعریف نموده اند. تعریف فیبنگبوام، یکی از پیشگامان این رشته چنین است: ” سیستم خبره، عبارت است از یک برنامه هوشمند رایانه ای که با استفاده از دانایی (Knowledge) و موتور و استنتاجی (Inference) مسائل مشکلی را که عموماً تخصص انسانی قابل ملاحظه ای می طلبد را حل می کند  [2] یکی از ویژگی های سیستم های خبره این است که علاوه بر داشتن توان پرداختن به مسائل کمی به خوبی از عهده برخورد با مسائل کیفی (که عموماً برنامه ریزی رایانه ای از آن عاجزند) می پردازند که این امر باعث افزایش کاربری آن می شود [۳].

۳- سیستم سازه های یکپارچه هوشمند

سیستم سازه های یکپارچه هوشمند به صورت کاملاً یکپارچه و باز اجرا می گردد و متشکل از شبکه ای هوشمند و رایانه ای برای مونیتورینگ و کنترل سیستم های مکانیکی و روشنایی در ساختمان است. این سیستم، هوای ساختمان را در دامنه خاصی نگه داشته و بر مبنای جدول زمان بندی شده ای، روشنایی را تنظیم می کند و بر کارایی سیستم و نقص موجود در ابزارها، نظارت می کند و مسائل موجود را از طریق ایمیل یا پیام تلفنی به مالک ساختمان، مرکز کنترلی یا مرکز خدمات اطلاع می دهد. این سیستم سبب صرفه جویی قابل ملاحظه ای در مصرف انرژی و هزینه های نگهداری ساختمان می شود [۴].

سیستم سازه های یکپارچه هوشمند جزئی از استراتژی ساختمان سازی سبز است که صرفه جویی انرژی را با استفاده از محصولات سازگار با محیط زیست، افزایش داده و محیط کاری سالم و با نشاطی را ایجاد می کند [۵]. کار آنها بر مبنای حسگرهای ارزان و کوچکی است که در بازار فراوان یافت می شود. این سیستمها، کنترل ساختمان را به گونه ای یکپارچه و مداوم و با ابزارهای خودکار انجام می دهند و عملیات سیستم های ساختمانی، مصرف انرژی، فعالیتهای نگهداری، مستندسازی و گزارش کارهای موجود را بهینه سازی کرده و ایمنی، سلامت و آسایش ساکنین ان را با کمترین هزینه امکانپذیر می سازند [۱]

۳-۱- اجزای سیستم سازه های یکپارچه

سیستم سازه های یکپارچه هوشمند موارد زیر را شامل می شود:

1. خودکار سازی ساختمان
2. کنترل روشنایی و پرده
3. میزان مصرف آب و برق و انرژی سرمایش و گرمایش
4. سیستم کنترل دسترسی
5. سیستم کنترل ویدئویی
6. هشدار در برابر آتش
7. هشدار در مورد سارقین
8. هشدار در مورد نشت آب و گاز

کلیه سیستم ها کارکرد یکپارچه دارند. کلیه سیستم ها به مرکز خدمات متصل هستند و مرکز خدمات از دسترسی از راه دور برای سیستم ها استفاده کرده و برای این کار از رابط استاندارد استفاده می کند. [۶]

۳-۲- یکپارچگی کارکردی سیستم ها

کلیه سیستم ها از لحاظ کارکرد یکپارچه بوده و از وضعیتهای از پیش تعیین شده در ساختمان و یا بخش های از آن استفاده می کنند.

ساکنان ساختمان – برای مثال وضعیت ساکنان به قرار زیر است.

• حاضر در خانه  – در زمان رسیدن به خانه، کلیه امورد زیر به صورت خودکار انجام می گیرد: سیستم هشدار در برابر سرقت خاموش می شود. درها باز شده و تهویه بر حسب نیاز در سطح ثابتی تنظیم می شود. روشنایی مبنا به صورت خودکار در صورت نیاز، روشن می شود.
• دور از خانه- هنگام ترک ساکنان، اقدامات زیر به صورت خودکار انجام گرفته و با زدن یک کلید انجام می گیرد: درها قفل شده، سیستم هشدار در برابر سرقت روشتن می شود، تهویه خاموش و درجه سرمایش بیشتر می شود . کلیه چراغ ها به صورت خودکار خاموش می شوند.
• دور از خانه به مدت طولانی- هنگام ترک خانه به مدت طولانی تر، امور زیر به صورت خودکار انجام می گیرد: درها قفل شده، سیستم هشدار در برابر سرقت روشن می شود، تهویه خاموش می شود، درجه سرمایش به بیش از حد نرمال تنظیم می شود، کلیه چراغها به صورت خودکار خاموش       می شود. البته برخی اوقات، چراغ ها به صورت ناگهانی روشن و خاموش می شود تا وانمود شود که کسی در داخل خانه است.
• شب: خانه در وضعیت شب قرار گرفته، درها قفل و سیستم حفاظتی فعال می شود، خنک سازی به صورت مناسبی انجام می گیرد. کلیه چراغ ها به استثنای چراغ شب خاموش می شود.
• میهمانی- هوای تازه بیش از حد معمول آماده شده و نورهای ویژه میهمانی روشن می شوند.
• ادارت- در ادارت بسته به وضعیت حاضر بودن، خالی بودن یا خالی شدن به مدت طولانی، شرایط مناسب برقرار می شود.

۳-۳- ایجاد سیستم

سیستم سازه های یکپارچه هوشمند Lonix به صورت باز و لایه بندی شده اجرا می شود. شکل زیر چگونگی اجرای سیستم سازه های یکپارچه هوشمند را نشان می دهد:

لایه ها شامل موارد زیر می باشند:

• لایه خدماتی
• لایه مدیریت
• لایه کنترل
• لایه میدانی

کلیه سیستم ها و کارکردهای مختل با استفاده از روشهای کنترل توزیع شده و شبکه های ارتباطی باز استاندارد، اجرا می گردند.

 3-3-1- لایه خدماتی:

کلیه سیستم ها بدون استفاده از نرم افزار به مرکز خدمات (ارائه کننده نگهداری، مدیریت تسهیلات و خدمات امنیتی) متصل هستند و این مرکز به صورت از راه دور، و از طریق رابط استاندارد COBA، با سیستم ها ارتباط دارد. مرکز خدمات کارهای زیر را صورت می دهد.

• مونتورینگ هشدار امنیتی
• مونتورینگ هشدار نگهداری
• خدمات کاربر اصلی شامل کنترل از راه دور و بهینه سازی کلیه سیستم ها
• کمک و آموزش فنی
• ارتقای نرم افزاری
• مستند سازی سیستم

مرکز خدمات علاوه بر ارائه خدمات فوق، قادر به ارائه خدمات ارزشمندی نظیر مدیریت بارگذاری حداکثر وسایل الکتریکی است و به صورت خودکار، وضعیت ساکنان ساختمان (حاضر در خارج یا دور از خانه) را در نظر داشته و شرایط مورد نیاز در ساختمان را طبق نیاز فراهم می کند.

۳-۳-۲- لایه مدیریت

نقش لایه مدیریت ارائه دیدگاهی یکنواخت از کلیه سیستم هاست و برای آنکه کارکرد سیستم از لحاظ تلرانس بالا باشد، لایه مدیریت مسئولیت هر گونه کنترلی را به عهده نمی گیرد. لایه کنترلی باید به صورت مستقل و حتی بدون لایه مدیریت بتوان کار خود را انجام دهد.

لایه مدیریت از دو بخش جداگانه تشکیل می شود: سیستم عامل ساختمان (BOS) و کاربری های مشتری نظیر رابط گرافیکی کاربر (GUI). سیستم عامل ساختمان با نرم افزار سرور COBA سازگار است و وظایف زیر را انجام می دهد:

1. انتقال داده های پویا از کلیه سیستم ها به کلیه کاربری ها
2. انتقال هشدار به رسانه و کاربر یا کاربری مربوطه
3. ارائه روندی از سابقه کلیه سیستم ها

BOS قادر به اجرا بر روی سیستم های عامل لینوکس و مایکروسافت است و کنترل گرمایش، سرمایش، تهویه و روشنایی، اندازه گیری های مصرف، کنترل های دسترسی، هشدار در مورد ورود افراد و سیستم های CCTV، همگی در BOS تلفیق شده اند.

سیستم عامل ساختمانی شامل مدل شنی گرا COBA XML ساختار بندی شده ساختمان، اجزا و فضاهای آن، سیستم های ارتباطی، بخش های سیستمی و مناطق تاثیر هر سیستم است. این مدل، مدیریت بارگذاری حداکثر جریان برق را امکانپذیر ساخته و به صورت خودکار وضعیت ساکنین ساختمان، شرایط موجود در آن و مناطق تاثیر هر کدام از سیستمها را لحاظ می کند.

رابط گرافیکی کاربر (GUI) یک نرم افزار مشتری است و به صورت خودکار، ساختار درختی ساختمان، اجزای آن، فضاهای مجزا و بخشهای مختلف آنها را لحاظ می کند. از ساختار درختی در هدایت سیستم استفاده می شود کاربری مشتری دارای دیدگاه های زیر است: دیدگاه فرآیندی، دیدگاه طبقه همکف، دیدگاه روند، دیدگاه هشدار، دیدگاه رویداد در هر ساختمان و لایه سیستمی، هر هشدار به رنگ قرمز بوده و پیام هشدار باید شامل دگمه میانبر برای سیستم گرافیکی مربوطه باشد. مشتری می تواند از طریق اینترنت کار کند. سطوح کاربری بر مبنای HTML مطلوب نیستند.

۳-۳-۳- لایه کنترلی

هوشمندی سیستم در گره های کنترلی هوشمند موجود در لایه کنترلی نهفته است. هر گره دارای حدود ۱۰ نقطه I/O است یا بتواند به حداکثر انعطاف پذیری و اطمینان برسد. ارتباط بین گره های کنترلی از طریق شبکه های علمیاتی محلی (LON) توپولوژی آزاد (FTT-10) با انواع متغییر شبکه ای استاندارد (SVNT) انجام می گیرد. کلیه ارتباطها بر مبنای رویداد می باشند. هیچ روش دیگری از ارتباط داده ای در LON پذیرفته شده نیست. کلیه سیستم ها باید قادر به واکنش به هشدارهای لایه کنترلی بدون تداخل از جانب لایه مدیریتی باشند.

۳-۳-۴- لایه میدانی

برای تضمین انعطاف پذیری سیستم های یکپارچه، لایه میدانی نباید هوشمند شود. ابزارهای میدانی با استانداردهای صنعتی تطابق دارند، نظیر PT-1000 برای دما، V-0-10 برای سایر حسگرها و تحریک کننده ها، تماس های پتانسیل آزاد برای نشانگرهای ON/OFF و دگمه های کنترلی و رله های V24 برای کنترلهای ON/OFF.

۳-۴- کاربردها

۳-۴-۱- خودکارسازی ساختمان

کلیه سیستم های الکتریکی و مکانیکی به وسیله گره های کنترلی هوشمند، کنترل و نظارت می شوند. سیستم کنترل، دما را در حد بهینه نگه می دارد و شرایط سکونت (حضور فرد در خانه یا خالی بودن ساختمان) را لحاظ می کند.

۳-۴-۲- کنترل پرده و روشنایی

وضعیت پرده و روشنایی با کلیدهای ON/OFF و بر مبنای سطح روشنایی و در ارتباط با سطح مصرف و شرایط ساختمان، کنترل می شوند.

۳-۴-۴- اندازه گیری میزان مصرف

مصرف آب و برق و انرژی خنک کننده برای هر ساختمان بر حسب مساحت و در هر سیستم انجام می گیرد. دستگاه های سنجش مستقیماً به شبکه کنترلی متصل هستند. داده های مصرف سوخت در پایگاه داده ای SQL متعلق به BOS قرار می گیرند.

۳-۴-۴- کنترل دسترسی

کنترل دسترسی با قرائت کننده های مجاورت، گره های کنترلی، کلیدهای الکترونیکی و قفل های الکترونیک انجام می شود. کاربران به گونه ای تقسیم می شوند که فقط بتوانند به فضاهایی که طبق برنامه زمانی مجاز به ورود به آنها هستند، وارد شوند. سیستم کنترل دسترسی برای کنترل بیشتر و گزارش گیری به BOS متصل بوده و در GUI تلفیق شده است.

۳-۴-۵- نظارت ویدیویی

نظارت دوربین با استفاده از دوربین های دیجیتال و دوربین های IP جدید انجام می گیرد و به سرور ثبت ویدیویی دیجیتال (DVR) مجهز است. سیستم باید در سرور BOS تلفیق شود. استفاده از آن از طریق صفحه کاربری خود سیستم DVR و نیز از طریق GUI تلفیق شده صورت می گیرد.

کلیه تصاویر رویدادهای مربوط به سیستم هشدار مزاحمان، کنترل دسترسی، CCTV یا هر سیستم مدیریت تاسیسات را ضبط می کند.

۳-۴-۶- هشدار در مورد آتش سوزی

سیستم هشدار در مورد آتش از طرق زیر کار خود را انجام می دهد: (۱) سیستم جداگانه (برج ها و ادارات و غیره) مطابق با الزامات دفاع شهری؛ (۲) راهکارهای تلفیق شده که در آن آشکارساز مستقیماً به گره های کنترلی متصل هستند و در هر مرود هشدارها به BOS مخابره شده و در رابط گرافیکی کاربر (GUI) نمایش داده می شوند. تهویه در نواحی مرتبط قطع و محل حادثه مشخص می شود.

۳-۴-۷- هشدار در مورد سارقان

هشدار در مورد ورود سارقان از بخش های اساسی سیستم سازه های یکپارچه هوشمند است. هشدار در مورد سارقان از طریق نرم افزار به کنترل دسترسی، CCTV/DVR، کنترل روشنایی و خودکار سازی ساختمان متصل است. دسترسی تضمین شده به صورت خودکار زونهای هشدار را حذف می کند. مسلح کردن زون ها به صورت خودکار، وضعیت ساختمان را به حالت دور از خانه تغییر می دهد.

سیستم هشدار در مورد ورود سارقان، شامل حفاظت پوششی و نظارت درون خانه است. درها با تماس مغناطیسی کنترل می شوند. آشکار سازی حرکت با استفاده از نشانگرها برای نظارت درون خانه انجام می گیرد. با ورود سارقین، سیستم هشدار خود را از طریق BOS به مرکز خدمات و نیز به یک شماره موبایل مشخص شده مخابره می کند.

۳-۴-۸- هشدار در مورد نشت

در صورت نشت آب یا گاز، هشداری صادر می شود که از طریق BOS به مرکز خدمات و نیز به یک شماره موبایل مشخص شده مخابره می شود. مرکز خدمات، هشدار فوق را بازبینی کرده و در صورت لزوم درخواستی را به شرکت نگهدارنده مخابره می کند.

۳-۴-۹- صرفه جویی در مصرف انرژی

صرفه جویی در مصرف انرژی از طریق راهکارهای زیر صورت می گیرد.

• کنترل کلیه سیستم ها (سکونت، میزان CO2، رطوبت) بر مبنای نیاز
• کنترل کلیه سیستم ها (حاضر در خانه یا دور از خانه، شب، . . . ) بر مبنای شرایط
• کنترل کلیه سیستم ها بر مبنای جدول زمانی
• نظارت ابزار یا سیستم، اندازه گیری و تعیین روند مصرف
• مصرف جریان برق در هر بخش از ساختمان
• مصرف آب در هر بخش از ساختمان
• مصرف انرژی سرمایش (گرمایش) در هر بخش از ساختمان

۴- نقش استانداردسازی

استاندارد کردن پدیده جدیدی نیست و از دیرباز در زندگی بشر وجود داشته است. به طول کلی استاندارد موضوعات گوناگونی را در بر می گیرد و هر چیزی در حیطه و فکر انسان قابل استاندارد کردن است. سازمان بین المللی استاندارد (ISO) تعریف زیر را در مورد استاندارد بیان کرده است: “استاندارد سندی است در برگیرنده قواعد، راهنمایی های یا ویژگی هایی برای فعالیت ها یا نتایج آنها به منظور استفاده عمومی و مکرر است که از طریق اجماع فراهم و توسط سازمان شناخته شده ای تصویب شده باشد و هدف از آن دست یابی به میزان مطلوبی نظم در یک زمینه خاص است”. استانداردسازی مزایای بسیاری دارد. انستیتو استانداردسازی آلمان (DIN)، مزایای استانداردسازی را به شرح زیر بیان نموده است.

“نقش استانداردها در رشد اقتصادی از نقش اختراعات و امتیازات انحصاری بیشتر است. در صورت استفاده از استانداردها، هزینه های معاملات کاهش می یابد. شرکتهای فعال در امر استاندارسازی، قابلیت تطبیق بهتری را با انیازهای بازار و فن آوری های جدید دارا هستند و ریسک های تحقیقاتی و هزینه های توسعه از طریق فرآیندهای استانداردسازی کاهش می یابد.

توافق بین المللی بین کشورها و ذینفعان که مبنای تدوین استانداردهاست، اجرای سیستم های هوشمند را در سطح جهانی ترویج می بخشد. توافق های بین المللی به عمل آمده در استانداردها در خصوص تغییرات جوی، سبک سازی، صرفه جویی در انرژی، اصلاحات زیست محیطی، عملکرد زیست محیطی، اظهار زیست محیطی تولیدات ساختمانی بازدهی انرژی و محاسبه ی انتشار گازهای گلخانه ای اساسی محکم را برای طراحان، آرشتیکت ها، مهندسان، صاحبان صنایع و مراجع دولتی در راستای توسعه ساختمان های پایدار فراهم می سازد. از طریق استانداردهایی که قابلیت ارتباط سازه های جدید را تسهیل عملکرد می ساند، به ساخت و ساز هوشمند و پایدار کمک می کند.

ساختمانها به طور روز افزون به وسایل الکترونیکی شبکه های توزیع و استفاده از اطلاعات و رسانه های دیجیتالی مجهز می شوند. به عنوان مثال، دستگاه های کنترل از راه دور برای لوازم خانگی، وسایل روشنایی، وسایل گرمازا و سیستم های ایمنی، وجود ” سازه های هوشمند” را تحقق می بخشند. استانداردهای       بین المللی با فناوری های گوناگون که تعامل و امنیت را ممکن می سازند، کلیدهای راهگشایی هستند که برای مصرف کنندگان ارزش، حق انتخاب و امکان استفاده از محصولات، منابع خدمات را به ارمغان می آورند و در نتیجه توسعه بازار و استقبال از آن را شتاب می بخشند.

۵-نتیجه گیری

سیستم سازه های یکپارچه هوشمند ضرورتی غیرقابل اجتناب در عصر جدید است و مزایای فراوانی را عاید بشر می کند و در این را ه نقش استانداردسازی بسیار حائز اهمیت است.

استانداردهای بین المللی که برای سازه های امروزی کاربرد دارند، کارایی محصولات را افزایش می دهند، به استفاده بهینه از منابع کمک می کنند، دانش را ترویج می دهند، رقابت شرافتمندانه و تجارت آزاد را تسهیل می کنند و طراحی سازه ها را آسان می سازند. استانداردهای بین الملی نه تنها به تضمین الزامات ایمنی و کیفیت بنیادین کمک می کنند، بلکه توسعه فناوری های جدید در ساخت و ساز و استفاده از سازه های هوشمند و پایدار را ممکن می سازند و لذا مولفه ای مهم در توسعه پایدار محسوب می شوند.

منابع:

۱-     U.S. Climate Change Technology Program Technology Options for the Neat 2003 and long Term, November

۲-http:// www. Intelligent systems com.ar/insist/download htm                          

۳- http://www.intelligent system.com.ar/intsyst.htm                                          4- http://en.wikipedia.org wiki/Buiding-automation                                      

۵- www.cabe.org/councils/ GGIB.pdf                                                      

۶-              Intelligent,2006, Lonix Building Management Systems, Technical Specification

۷-     2003, McCabe, James Standardization Fundamentals the Principles and the players Regional Seminar- Bangkok, 2003 September 8, Thailand

۸-              German Institute for Economic, 2000, Standardization Benefits of Standardization

علی نژاد