В последнее время в компьютерной прессе появился ряд статей, посвященных такому понятию, как "интеллектуальное здание" (ИЗ). Авторы достаточно подробно излагают преимущества интеллектуального подхода в строительстве и эксплуатации зданий, а также приводят конкретные примеры инсталляций подобных систем в нашей стране и за рубежом. Термин "интеллектуальное здание" перестает быть принадлежностью фантастических романов, и многие руководители компаний и предприятий сегодня всерьез задумываются о необходимости инсталляции подобных систем.

Однако следует признать, что неискушенному в технических деталях человеку достаточно трудно уловить различия в предлагаемых решениях, а поскольку срок службы подобных систем составляет десятки лет, выбор становится весьма ответственным. В рамках данной статьи мы бы хотели представить существующие подходы к созданию систем ИЗ и познакомить читателя с наиболее важными изменениями, произошедшими в этой отрасли, с тем, чтобы люди, принимающие решение, осознавали преимущества и недостатки того или иного подхода.

К числу подобных технических средств относятся: структурированная кабельная система; локальная вычислительная сеть; средства доступа к глобальной корпоративной сети или Интернет; программные и аппаратные средства защиты информации; офисная телефония; охранная и пожарная сигнализация; системы ограничения доступа в помещения, управления климатом (HVAC - Heating, Ventilation & Air Conditioning), внутреннего видеонаблюдения (CCTV - Closed Circuit TeleVision), контроля освещения, контроля использования электроэнергии и других коммунальных ресурсов. Данный список не следует считать полным. В различных источниках можно встретить упоминания о 47 возможных подсистемах интеллектуального здания, мы же представили наиболее часто используемые компоненты.

Например, разве не естественным выглядит взаимодействие системы видеонаблюдения и охранной сигнализации, когда на монитор охраны оперативно выводится изображение из зоны, в которой возникла нештатная ситуация? Или взаимодействие системы пожарной сигнализации и систем управления освещением, климатом, контроля доступа и управления лифтами, когда при возникновении пожара: включается аварийное освещение и блокируются все цепи электропитания вблизи источника пожара; предотвращается поступление свежего воздуха к очагу возгорания; автоматически разблокируются двери для обеспечения оперативной эвакуации людей; лифты автоматически опускаются на первый этаж и ждут прибытия пожарных.

Именно подобные взаимосвязи между отдельными подсистемами позволяют говорить о действительно "интеллектуальном" здании. Поэтому, изучая различные предложения, следует уделить особое внимание заложенным в представленные решения возможностям интеграции различных подсистем и наличию единой платформы управления.

Поднимая планку понятия ИЗ на уровень интеграции подсистем и единого механизма управления, мы существенно сужаем список поставщиков, способных предложить решения, удовлетворяющие подобным высоким требованиям. Естественно предположить, что, в первую очередь, данным требованиям удовлетворяют решения гигантов индустрии ИЗ, самостоятельно производящих оборудование для большинства подсистем и обеспечивающих высокий уровень интеграции собственных компонентов. Нет смысла оспаривать данное мнение. Однако за последнее время в отрасли произошел ряд существенных технологических изменений, о которых будет полезно узнать потенциальным заказчикам подобных систем.

Сегодня, в эпоху распределенных вычислений и открытых протоколов передачи данных, уже немногие помнят времена, когда все вычисления выполнялись централизованно на мощных вычислительных комплексах - мэйнфреймах - и о совместимости на уровне стандартных протоколов можно было только мечтать. Однако требования к совместимости компьютерных платформ и удешевлению вычислений привели в итоге к появлению недорогих универсальных и совместимых между собой пПК. А вместе с этим наступила эра офисных приложений, автоматизации делопроизводства и тотальной компьютеризации.

В индустрии систем автоматики для зданий также долгое время доминировали централизованные системы, построенные вокруг единого вычислительного узла, выполняющего функции управления всеми контрольными точками в здании. Данный подход имеет ряд недостатков, характерных и для вычислительных систем.

Центральный вычислительный блок становится так называемым единым источником сбоя (single point of failure), т.е. при выходе его из строя прекращают функционировать все подсистемы ИЗ. Кроме того, получив доступ к центральному контроллеру, злоумышленник может управлять всей инфраструктурой здания.

Все контрольные точки непосредственно связаны с центральным узлом, т.е. от каждого устройства к центральному контроллеру протягивается выделенный кабель (и в ряде случаев не один). Это существенно усложняет кабельную систему, увеличивает ее протяженность и соответственно стоимость.

Устранить эти недостатки позволяет децентрализация систем ИЗ - распределение функций управления между несколькими контроллерами и использование механизмов передачи информации по общей шине данных. Эффективность подобного подхода была своевременно оценена ведущими производителями систем автоматики для зданий, которые в последнее время стали активно развивать "сетевое" направление в своих продуктах. Однако никто из них по прежнему не стремился к обеспечению совместимости с продуктами конкурентов, и для конечного пользователя новый подход все еще означал привязку к одному поставщику решений и по-прежнему высокий уровень цен на системы автоматики.

РИСУНОК 1

Он приведен на рисунке. В представленной модели здание имеет следующие подсистемы - контроля доступа, управления климатом, охранно-пожарную сигнализацию и видеонаблюдение. В данной схеме имеется четкое разделение системы на следующие технологические слои:

1 - уровень конечного оборудования (датчиков, считывателей, заслонок, нагревателей, извещателей, видеокамер и т.п.);
2 - уровень управляющего оборудования (контроллеры, зонные панели, телеметрическое оборудование и т.п.);
3 - уровень систем управления (пульт управления и мониторы видеонаблюдения, панели сигнализации, ПО для управления системами авторизации доступа и контроля климата);
4 - уровень интеграции подсистем (некоторая платформа управления всем комплексом).

На границе каждого из слоев существует некоторый интерфейс взаимодействия устройств вышестоящего и низлежащего уровня. При этом у каждой подсистемы эти интерфейсы в общем случае собственные и преобладает подчинение устройств нижнего уровня устройствам верхнего, т.е. "снизу" поступает информация, а "наверху" принимают решение.

Каждая подсистема имеет собственную кабельную проводку, и в ряде случаев кабельные системы нескольких элементов ИЗ прокладываются параллельно друг другу. Каждой границе уровней соответствует отдельная кабельная проводка. Так, конечное оборудование подключается непосредственно к контроллерам. Контроллеры группируются по шлейфам, завязанным на центральную станцию управления. Между системами управления данные передаются по локальной компьютерной сети.

Подсистемы имеют различные ограничения по масштабированию, зависящие от используемых интерфейсов взаимодействия устройств. Например, на одном шлейфе может существовать строго определенное число контроллеров и для добавления к системе следующего элемента необходимо будет установить дополнительный модуль расширения (число которых также обычно лимитировано).

Как уже упоминалось, характер взаимодействия устройств в рамках подсистемы - подчиненный (master-slave). Это означает, что контроллеры либо функционируют автономно, либо обмениваются данными с элементом верхнего уровня подсистемы. Например, центральная станция управления может прочитать данные с устройства и передать ему команду, но между собой контроллеры не взаимодействуют.

Интеграция подсистем осуществляется при помощи программного комплекса, который "общается" с каждой подсистемой на ее "языке", т.е. необходим программно-аппаратный модуль, который будет обеспечивать интерфейс между станцией управления и конкретной подсистемой. Т. о., интеграция подсистем - вертикальная. Это означает, что все возможные взаимосвязи между элементами различных подсистем осуществляются через центральную станцию, расположенную на уровне 4. Очевидно, что если этот элемент системы выходит из строя - подсистемы перестают взаимодействовать между собой.

Существующие ограничения и трудности, возникающие при необходимости интеграции устройств различных производителей, естественно, не устраивают потенциальных заказчиков, которые хотят иметь высокофункциональные интегрированные системы, которые бы не привязывали их к одному поставщику оборудования и решений, диктующему цены на свои услуги.

Отсутствие до недавнего времени в области автоматизации зданий единых стандартов совместимости компонентов и высокая стоимость интегрированных решений сдерживали повсеместное внедрение подобных систем. Сегодня в данной отрасли произошел коренной поворот к открытым технологиям и принципам всеобщей совместимости оборудования, что позволяет прогнозировать рост инсталляций систем ИЗ.

РИСУНОК 2

Модель ИЗ, построенного на принципах открытой архитектуры, представлена на рис.2. Ключевым элементом нового подхода является понятие "сети управления" и наличие единого протокола взаимодействия всех элементов системы - от привода заслонки до центральной станции.

Принципы построения сетей управления аналогичны принципам построения современных компьютерных сетей. Все компоненты, подобно ПК и серверам, подключены к единой кабельной системе и используют общие протоколы передачи данных. Сеть управления также делится на сегменты с различными типами топологий и средами передачи данных. Сегменты объединяются при помощи повторителей, маршрутизаторов и шлюзов. Открытая сетевая архитектура устраняет избыточность кабельной системы, поскольку все устройства разделяют общую среду передачи данных.

Масштабируемость подсистем и всего комплекса больше не зависит от ресурсов отдельных компонентов (например, количества свободных слотов расширения в станции управления), а определяется адресным пространством, поддерживаемым протоколом взаимодействия.

Принцип взаимодействия устройств в сети управления - одноранговый. Каждый элемент имеет возможность обмениваться данными с любым другим. Отсутствие подчиненности делает систему более гибкой и устойчивой - выход из строя некоторого элемента не является критичным для работы остальных. Единый протокол взаимодействия, единая кабельная система и сетевая архитектура позволяют добиться прозрачной интеграции всех компонентов ИЗ. Устройства, принадлежащие к разным подсистемам, могут быть физически подключены к одному и тому же сегменту сети управления.

Центральной станции управления нет необходимости "учить" языки конкретных подсистем. Существует стандартный способ получения данных и управления всеми подсистемами. Это позволяет создавать универсальные программные комплексы управления, не ориентированные на конкретное оборудование.

Кроме описанных преимуществ, относящихся к интеграции подсистем, существует еще одно - совместимость (interoperability) оборудования различных производителей на сетевом уровне. В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с "совместимыми" вещами, однако не всегда задумываемся о вопросах совместимости. И в этом основная задача совместимости - не создавать никаких проблем для пользователя. Когда мы подключаем видеомагнитофон Philips к телевизору SONY, то не ожидаем от этого простого действия никаких печальных последствий. Именно это и есть совместимость.

При проектировании системы управления зданием также хочется, чтобы продукты различных производителей не конфликтовали между собой, а образовывали единое органичное целое в рамках создаваемой системы. Используя совместимые между собой компоненты, системный интегратор может сосредоточиться на создании концепции системы, а не тратить драгоценное время и средства на то, чтобы насильно заставить продукты взаимодействовать между собой. Существование широкого выбора готовых совместимых между собой компонентов позволяет для каждого решения оптимальным образом подбирать необходимое оборудование.

Универсальность и ориентация на возможно более широкий спектр рынков автоматизации вывели технологию LonWorks на ведущие позиции в отрасли. На рис. 3 представлены основные протоколы, используемые в различных областях автоматизации. В качестве условного показателя используется масштабируемость решений, построенных на базе каждого из протоколов.

РИСУНОК 3

Сегодня технология LonWorks принята в качестве стандарта во многих отраслях промышленности. К последним достижениям следует отнести опубликованное недавно сообщение о признании технологии LonWorks Ассоциацией Производителей Бытовой Электроники (CEMA - Consumer Electronics Manufacturers Association) в качестве стандарта EIA-709 в области автоматизации жилых помещений (Home Automation).

Универсальность протокола, несомненно, играет немаловажную роль для разработчиков оборудования и систем автоматики, предоставляя им стандартный инструмент для решения самых разнообразных задач. Технологию LonWorks можно в принципе применять для автоматизации любого технологического процесса и управления самым нестандартным оборудованием. Тщательная проработка сетевой архитектуры позволяет разработчикам сосредоточиться непосредственно на логике управления, что существенно сокращает период разработки новых устройств. О простоте и эффективности реализации технологии LonWorks можно судить по тому факту, что сегодня поддержку LonWorks встраивают в самые разнообразные приборы - от выключателя до кофеварки.

Компания Echelon разработала универсальный протокол передачи данных LonTalk и компьютерный чип Neuron, в котором данный протокол реализован на аппаратном уровне. Кроме того, чип Neuron обладает собственными вычислительными ресурсами, позволяющими реализовывать алгоритмы управления конечным оборудованием. Программирование чипа осуществляется на языке высокого уровня - Neuron C - специальной модификации ANSI C.

Механизм передачи данных по сети "скрыт" от программиста при помощи специального типа так называемых "сетевых" переменных - SNVT (Standard Network Variable Type). Сетевые переменные являются интерфейсом между логикой одного котроллера и логикой другого. Взаимодействие элементов в сети управления организуется на этапе инсталляции системы путем определения связей между соответствующими "входными" и "выходными" переменными конкретных устройств.

Существуют стандартные средства программирования контроллеров, инсталляции сетей управления и API-библиотеки для создания пользовательского интерфейса.

Для обеспечения совместимости продуктов в области LonWorks-автоматизации была создана независимая организация - LonMark. В нее входят представители большинства производителей оборудования, которые совместно договариваются о принципах совместимости, которым должны удовлетворять их продукты. Организация тестирует оборудование и присваивает компонентам, обеспечивающим полную поддержку существующих требований по совместимости, сертификат и своеобразный "знак качества" - логотип LonMark. ИЗ можно строить из подобных совместимых компонентов таким же образом, каким мы создаем комфорт у себя в квартире, приобретая и подключая друг к другу бытовые приборы.

Сеть управления LonWorks поддерживает различные среды передачи данных: витая пара, коаксиальный и волоконно-оптический кабель, радио- и инфракрасный канал, а также силовые линии. Наряду с привычными типами сетевых топологий - шиной, звездой и кольцом - в технологии LonWorks существует так называемая "произвольная топология" (Free Topology), позволяющая в рамках одного сегмента комбинировать все три стандартных типа топологии. FT является наиболее популярной в системах управления зданиями, поскольку лучше всего соответствует внутренней проводке в помещениях.

Для связи нескольких ИЗ между собой используются шлюзы к сетям TCP/IP. Это позволяет создавать мощные распределенные системы ИЗ практически произвольного масштаба.

Итак, наряду с традиционным подходом, в построении интеллектуальных зданий в последнее время все шире применяется открытая архитектура, реализованная в технологии LonWorks. Она породила рынок конкурирующих между собой компонентов ИЗ и системных решений подобно тому, как в свое время IBM-совместимость способствовала становлению сегодняшнего компьютерного рынка аппаратного и программного обеспечения.

Это, несомненно, выгодно заказчикам систем ИЗ, которые теперь имеют возможность выбирать поставщика решений и получать высокофункциональную и интегрированные системы, открытые для будущей модернизации, масштабирования и наращивания подсистем.

Системные интеграторы получили возможность создавать интеллектуальные системы произвольной сложности, используя для этого стандартные инструменты и лучшие компоненты от ведущих производителей.

Несмотря на то, что в нашей стране технология LonWorks еще не получила должного распространения, нет сомнений, что в ближайшее время появятся компании, способные предложить подобные решения своим заказчикам, и описанные в данной статье преимущества применения открытых технологий в автоматизации зданий помогут вам сделать правильный выбор.

Иваненко Сергей BCC St.Petersburg e-mail: sivanenko@bcc.spb.ru
tel.: +7 (812) 327-4343, 327-4444, 542-9260, 542-1658
fax: +7 (812) 327 4337