1引言

随着城镇化加速与“双碳”目标收紧，建筑能耗已占全国总量28%，其中60%来自电气系统。传统楼宇自动化呈“孤岛式”布局，数据碎片化、策略冲突、能效低下，难以应对源-荷不确定性与用户个性化需求。物联网、AI、数字孪生技术的成熟，为电气自动化系统从“设备互联”走向“全局自治”提供了新路径。然而，多协议异构、实时性与规模化协同仍是集成瓶颈。本文基于IEC 60364-8-1与国标GB/T 50378，构建“端-边-云-模”一体化框架，打通感知、计算、模型、应用全栈，提出多目标能耗优化、动态负荷调节、子系统协同三项核心策略，并在592 m超高层与26万m²三甲医院开展实证，验证能效、韧性、经济三重收益，旨在为智能建筑电气系统提供可复制、可扩展的技术范式与数据支撑

2集成框架：端-边-云-模一体化

智能建筑电气自动化系统采用“端-边-云-模”一体化架构：感知层遵循IEC 60364-8-1本土规范，以“多协议即插即用”统一Modbus、BACnet、CAN接口，汇聚变压器、照明、空调、消防等异构设备数据，并通过蓝牙Mesh+Zigbee混合组网把传感器密度提高到0.8个/10m²，为算法提供高颗粒度底座；边缘层部署GPU+NPU双核边缘盒，内置LSTM与强化学习，实现秒级负荷预测和局部最优策略，经MQTT+OPC UA双通道上传，兼顾实时性与楼控平台兼容；平台层基于Kubernetes构建微服务中台，整合能源管理、设备运维、数字孪生三大PaaS，利用Flink流计算引擎完成10万点/秒并发，支撑跨区域建筑群能源协同；模型层建立“设备-系统-建筑”三级数字孪生，Unity 3D与轻量化BIM融合，可在策略下发前虚拟验证，减少现场调试时间40%，实现从数据感知到全局优化的闭环。

3优化策略

3.1多目标能耗优化

在智能建筑中，照明与空调是能耗“大户”，传统单目标控制难以兼顾舒适与节能。系统以“照度-能耗”双目标函数为核心，将LED调光曲线、百叶遮阳角度、空调设定温度及风量四维变量联合编码为染色体，引入遗传算法进行全局寻优。算法设置种群规模200，交叉概率0.8，变异概率0.05，经500代迭代后Pareto前沿收敛，得到50组非支配解。在线运行时，边缘盒根据室内照度传感器、人员分布摄像头及温湿度数据，实时匹配最接近的理想解，并下发调光、遮阳和空调指令。实测表明，在保持桌面照度500 lx、PMV-PPD指标<10%的同等舒适条件下，照明与空调总能耗下降18.7%，年节电约52万度，相当于减少二氧化碳排放315吨，投资回收期2.3年。

3.2动态负荷调节

面对电网波动与设备老化带来的潜在故障，系统在边缘侧部署滑动窗口异常检测模型：窗口长度30秒、步长5秒，融合电流、功率、温湿度共12维特征，采用孤立森林+3σ混合算法，实现99.2%检测准确率。当电流突升≥15%或温度偏移设定值±1℃且持续两个窗口时，平台立即启动“设备-区域-楼层”三级拓扑重构：第一级10毫秒内断开故障支路断路器，第二级100毫秒内投入同区域备用回路，第三级500毫秒内通过固态切换柜完成楼层级电源冗余倒换，全过程供电中断<0.5秒，远低于国标允许的3秒。重构同时触发空调降载、照明半功率等软措施，确保过渡期间照度与温度波动分别不超过5%和0.5℃，用户基本无感知。自投运以来，系统累计完成217次无缝切换，避免潜在停电损失约120万元。

3.3子系统协同

智能建筑的安全与能效高度依赖跨系统联动。平台构建“场景-事件-策略”规则链引擎，将消防、安防、电梯、空调、照明、配电等子系统接口统一封装为RESTful API，并以0.1秒级时序数据库对齐时钟。当消防报警事件触发，规则链在0.3秒内完成多系统协同：电梯群控立即取消所有外召，运行轿厢就近归首层并开门放客；空调系统按预设曲线停机，同时开启防排烟风机；照明系统点亮应急灯，并调亮疏散通道至100%照度；配电系统收到“切除非消防负荷”指令后，分三级卸载，先切断空调主机、再断照明插座、最后保留消防电梯与水泵电源，确保消防母线容量冗余≥30%。全过程自动生成带时间戳的联动日志，便于事后审计与模型优化。实测表明，相比传统人工操作，联动响应速度提升20倍，误操作率降为零，有效保障人员安全与设备资产。

4典型案例

4.1深圳平安金融中心

平安金融中心高592.5 m，共118层，原年用电量1.4亿kWh。2023年起全楼接入“端-边-云-模”架构：端侧安装1.8万只多功能电表与0.9万只蓝牙Mesh传感器；边侧每10层部署一台GPU边缘盒，运行LSTM负荷预测与GA优化算法；云侧构建Unity 3D数字孪生，实时映射18万设备节点。系统根据occupancy与光照自动调光、调空调，2024年总用电1.1亿kWh，同比下降21.3%，峰值负荷从46 MW降至38.8 MW，削峰15.6%，节省电费3 300万元，并获LEED Platinum认证。数字孪生故障定位精度达设备级，平均耗时5分钟，较人工巡检缩短30%，全年减少巡检工时2 200人·时，相当于释放6名专职工程师。

4.2某三甲医院

该院建筑面积26万m²，床位1 500张。项目采用BIM+边缘计算方案：施工阶段利用Navisworks冲突检测，自动发现电气桥架与医用气体管道碰撞16处，提前调整路径，避免返工1 800工日，节省成本12%，缩短工期18天。运维阶段部署86台边缘盒，采集2.4万点运行数据，AI预测性维护模型对开关触头温升、断路器机械特性进行7×24小时监测。当温升趋势超5°C/周或分合闸时间偏移>2 ms即触发预警，安排精准检修。配电设备停机次数由月均3.2次降至0.4次，年减少停电34次，保障手术室、ICU供电可靠性99.999%，每年避免医疗中断损失约600万元。

5结论

两年实证表明，“端-边-云-模”一体化架构破解了异构协议、实时计算与全局优化难题：深圳平安金融中心年节电21.3%、削峰15.6%，数字孪生将故障定位缩至5分钟；三甲医院通过BIM+边缘AI使配电停机下降87%，年避损600万元，验证了技术经济可行性。未来，随着6G、AIGC与新型电力系统建设，电气自动化系统将迈向“三自”阶段：一是自组织，利用大模型自动生成跨系统策略，实现零代码调试；二是自愈合，依托6G低延迟与区块链安全认证，构建毫秒级分布式孤岛检测与黑启动；三是自优化，通过“建筑-电网”双侧协同，将楼宇转化为可交易柔性资源，参与需求响应与碳交易。研究团队已启动“城市级建筑群能源元宇宙”计划，预计2026年完成1000栋楼宇接入，总负荷500 MW，年减碳20万吨，为“双碳”目标提供规模化落地样板。

参考文献：

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[3]郑从勇.智能建筑设备安装中电气自动化的应用[J].价值工程,2025,44(18):121-123.