مقاله راهکارهایی برای معماری هوشمند

بخشی از مقاله

راهکارهایی برای معماری هوشمند

چکیده:

تکنولوژی ساختمان هوشمند امکانات متنوع و گستردهای در اختیار میگذارد که هر شخص نسبت به علاقه و سلیقه خود می تواند از تمامی یا تنها بخشی از آن بهره مند گردد. با کمک این تکنولوژی تمامی وسایل و تجهیزات هم داخل ساختمان هم مصالح تشکیلدهنده و تکنولوژیهای ساختمان، بر حسب خصوصیات محل و نیاز استفاده کنندگان، قابل کنترل و مدیریت هستند. ویژگی منحصر به فرد این تکنولوژی، ایجاد هماهنگی و یکپارچه سازی بین کلیه سیستمهایی است که تاکنون به صورت منفرد استفاده میشدهاند و بدین ترتیب در محدوده وسیعی امکان طراحی، نصب و استفاده میدهد. از فواید اصلی این تکنولوژی در کنار ایجاد راحتی و امنیت بیشتر، میتوان به صرفهجویی در مصرف انرژی اشاره کرد. فلسفه اصلی تکنولوژی ساختمان هوشمند بر اساس محوریت بخشیدن به شخص استفاده کننده و نیازهای او پایه ریزی شده، به درخواستهای امروز و آینده پاسخی ساده و مناسب میدهد و قابلیت هماهنگ شدن با تکنولوژهای بعدی را داراست. به طور کلی ساختمانهای دارای این سیستم، ساختمان-هایی هستند که مجهز به زیر ساختار ارتباطاتی قوی هستند و میتوانند به صورت مستمر نسبت به وضعیتهای متغیر محیط عکسالعمل نشان داده و آنها را با خود تغییر داده و یا در صورت لزوم خود را با آنها وفق دهند.

معماری هوشمند شامل خود ساختمان و معماری آن اعم از مصالح، امکانات، تجهیزات و تکنولوژیهای هوشمند مورد استفاده می-گردد. هدف اصلی تحقیق امکان صرفهجویی در مصرف انرژی و طراحی و ابداع سیستمهای کارآمدتر جدید برای جایگزینی روش-های جدید به جای روشهای سنتی است. روش تحقیق از نوع توصیفی- تحلیلی و با استفاده از تکنیک اسنادی میباشد. پژوهش از نوع تحقیق توسعهای با رویکرد استراتژیک میباشد.

واژههای کلیدی: معماری هوشمند، مصالح هوشمند، تکنولوژی هوشمند، معماری تعاملی

مقدمه:

معنای هوشمندی فضای امروز، یعنی فضا در مقابل عکسالعملهای محیطی واکنش نشان میدهد. فضای هوشمند فضایی است که خود بر خود تسلط دارد و این بدون کامپیوتر و نرم افزارهای کامپیوتری میسر نمی شود.

هدف اصلی پژوهش صرفهجویی در مصرف انرژی در کنار استفاده از امکانات و تجهیزات هوشمند بـرای راحتـی اسـتفادهکننـدگان میباشد. در این میان سوالاتی نظیر اینکه توسط چه راهکارهایی میتوان معماری هوشمند را ایجاد کـرد، مطـرح شـده و در طـول پژوهش به آن پاسخ داده شد. روش تحقیق از نوع توصیفی- تحلیلی و روش جمع آوری اطلاعات بصورت کتابخانهای بوده است.

روند این پژوهش بدین صورت است که ابتدا در بخش اول ساختمان هوشمند، تعاریف ساختمانهای هوشمند و ویژگی هـای اصـلی ساختمان هوشمند توضیح داده میشود. در بخش دوم تاریخچه، نظریهپردازان و محیط تعاملی (هوشمند) با کاربر شـرح داده مـی-شوند. بخش سوم در مورد مصالح هوشمند میباشد. در انتها نیز نتیجهگیری از تمام بحثهای ذکرشده عنوان شده است.

.1 ساختمان هوشمند

1-1تعاریف ساختمانهای هوشمند:

لزومی ندارد که تعریف یک ساختمان هوشمند را به موفقیتها و اهداف بسیار ویژه و آرمانی ربط داد . چرا که تعریف این موفقیتها و اهداف از موقعیتی به موقعیت دیگر تغییر میکند و نزد افراد گوناگون، تعاریف گوناگون دارد. یک ساختمان هوشمند باید دارای عملکرد یکسانی باشد تا این توانایی را داشته باشد که نیازهای مختلف و گوناگون را پاسخ گوید. تحولی که در زمینه ارتباطات راه دور و همچنین علم الکترونیک رخ داد موجب گسترش تواناییهای ساختمانهای هوشمند شد. توانایی یادگیری در سیستمهای یکپارچه که شامل اصطلاح »هماهنگی « است و در تعریف DEGWذکر شده است، موجب میشود که سیستم بتواند از تجربههای مشابه در موارد دیگر استفاده کند. تا با توجه به این تجربهها و آموزهها بهترین تصمیمات را اتخاذ کند. (وب سایت مدیریت و بهینه سازی مصرف انرژی)

جدول شماره 1 تعاریف ساختمان هوشمند (مأخذ: نگارندگان)
تعریف توضیحات
.1تعاریف کلی نوعی تبادل قوی و بدون نقص اطلاعات میان بخشهای ساختمان:
بخشهای مختلف ساختمان همه اجزایی که در اداره کردن ساختمان نقش ایفاء
میکنند. بخشهایی نظیر HVAC، بخشهای مکانیکی،
ساختمانی، کنترل دسترسی، امنیتی، مدیریتی، نوردهی،
نگهداری و تعمیرات، شبکه محلی و مدیریت انرژی.
کنترل و مدیریت اجزاء یک بنا توسط کاربرانی که از نیازها ممکن است شامل کارآمدی، سودمندی و ذخیره
تواناییهای کامپیوتر استفاده میکنند تا نیازها را انرژی، سرگرمی، ایجاد شعف و شادی، آسایش، بازگشت
برآورده سازند. سرمایه و کم کردن هزینههای زندگی باشد.
.2دانشمندان بنایی که در آن از آخرین تکنولوژیها استفاده شده دارای به روزترین سیستمهای ساختمانی
باشد.
.3 سمپوزیوم بین المللی یک ساختمان هوشمند آمیزهای است از ابداعات (خواه این ابداعات تکنولوژیک باشد خواه خیر) به همراه مدیریتی
معماری بدون نقص که در این راستا و با داشتن این دو ویژگی سرمایه صرف شده تا حد زیادی باز گردد.
EIBG.4 (گروه سازنده یک بنای هوشمند، بنایی است که کارآیی و راندمان ساکنانش را افزایش داده و امکان مدیریت موثر را بر اساس
ساختمانهای هوشمند در مقتضیات خاص و با کمترین هزینه فراهم آورد.
اروپا
.5 باب ساختمانی که با بهره گرفتن از تکنولوژی مدرن روند تبادل اطلاعات بین اجزاء کنترل کننده و اجزاء کنترل
این امکان را فراهم آورد تا بتوان اجزاء و تجهیزات شونده، در ساختمانهای هوشمند
مختلف را به طور خودکار کنترل کرد.
DEGW.6 یک ساختمان هوشمند در برابر نیازهای کاربران کلمه »پاسخگو: « خروجی سیستم
خود بسیار پاسخگوتر است و توانایی هماهنگی یا کلمه »در برابر نیازهای کاربران: توانایی سیستم در شناخت و
تکنولوژی جدید را دارد و میتواند خود را با تشخیص »نیازها« به وسیله تحلیل ورودیهای کاربران.
تغییرات سازمانی ساختمان، هماهنگ کنند. کلمه »هماهنگی: « توانایی سیتسم برای هماهنگ شدن.
.7 اتکین ساختمان هوشمند ساختمانی است که از وقایعی -کلمه »مطلع است« :اطلاعات دریافت شده (input) و
که در درون و برون آن رخ میدهد مطلع است و وسایل ارتباطی است که اطلاعات به وسیله آنها به سیستم
میتواند در مواجهه با این وقایع و برای بوجود کنترل وارد شده و جمع آوری میشود
آوردن محیطی دلچسب برای کاربرانش، موثرترین -کلمه »تصمیم میگیرد: « همه انواع پاسخها»خروجی
و بهترین تصمیمات را در همان زمان بخصوص، سیستم(output) « مانند تصمیم سیستم برای تعادل دمای
اتخاذ کند. درون بنا، هماهنگی فرم ساختمان
- فاکتور زمان
Arupt.8 یک بنا در صورتی مفهوم و تعریف هوشمند بودن را تکمیل می کند که : خدمات، فضا و کالبد بنا و سیستمهای
اطلاعاتی آن بتواند به روش کارآمدی به خواسته های اولیه و در حال تغییر مالک، ساکن و محیط پاسخ دهد
.9انستیتو ساختمان هوشمند مجموعه یکپارچهای از سیستمهای متعدد برای مدیریت موثر منابع، افزایش قابلیتهای فنی، صرفهجویی در هزینه-
در واشنگتن های سرمایهگذاری، عملیاتی و انعطافپذیری

2-1 ویژگیهای اصلی ساختمان هوشمند:

الف. ورودی سیستم که وظیفه دریافت اطلاعات را به وسیله ابزارهای دریافت کننده بر عهده دارد. (input)
ب. پردازش و تحلیل داده های اطلاعاتی

ج. خروجی سیستم که در مواجهه با اطلاعات دریافت شده توسط ورودی سیستم، پس از پردازش آنها، اقدامات لازم را اتخاذ میکند. (output)

د. ملاحظات زمانی که موجب می شود تا تصمیمات اتخاذ شده در زمان مقرر رخ دهند.

ه. توانایی یادگیری.

جدول شماره 2 ویژگیهای اصلی ساختمان هوشمند(مأخذ: نگارندگان)

اجزا و عناصر ساختمان تقسیمبندی
هوشمند
.1 ورودیها (inputs) حسگرها تقسیمبندی1

تقسیم-بندی2

.1حسگرهای امنیتی و - حسگرهای آتش و دود

مراقبتی - دوربینهای مدار بسته
- حسگرهایی ورود و خروج
- حسگرهای لرزش و شتاب
- حسگرهای حرکت
.2حسگرهای تشخیص - حسگرهای دما
کیفیت هوا - حسگرهای پرتوهای خورشیدی
- حسگرهای فشار هوا
-حسگرهای میزان نور
- حسگرهای جریان آب و گاز
- حسگرهای تشخیص محتویات هوای درون بنا
- حسگرهای تشخیص رطوبت هوا
- حسگرهای میزان مواد شیمیایی
.3حسگرهای نظارتی - حسگرهای سیستم ساختمانی
سیستم - حسگرهای نظارت بر سیستمهای مکانیکی
- دیگر حسگر ها که اجزای مختلف ساختمان را
نظارت می کنند.
.1حسگرهای درون بنا - حسگرهای بخش انرژی
- حسگرهای کنترل هوا
- حسگرهای بخش نوردهی
- حسگرهای تهویه مطبوع
.2حسگرهای بیرون بنا - حسگرهای پرتو خورشیدی
- حسگرهای نظارتی و امنیتی
- حسگرهای آلودگی صوتی

- حسگرهای تغییر رنگ و نمای بصری
بایگانی اطلاعات و رجوع
مجدد
برنامه ریزی دستی
اینترنت
.2نرم افزار پردازش و قسمت کنترل ساختمان (BCS)
تحلیل اطلاعات یکپارچه کننده سیستمهای ساختمان (BSI)
3 .خروجیها پاسخ خارجی: .1ایستا تغییرات دما، تغییرات بصری تغییرات صوتی و یا تغییرات نور
(output) .2حرکتی (در قالب حرکت ) وقتی که سیستم تصمیم میگیرد یک در را باز یا بسته
کند.
معماری پاسخگو تعریف فاکس: درونمایه یک سیستم پاسخگو اینست که چگونه سازههای مکانیکی را در
کنار معماری هم قرار دهیم تا بر یکدیگر کنش متقابل و هوشمندانه داشته
باشند.
تعریف استرک: نوعی از معماری که شامل اصلاحات و تغییراتی در فرم است تا به طور مداوم
در برابر شرایط محیطی که آن را احاطه کردهاند، عکس العمل نشان دهد.
(نادیده گرفتن ویژگی هوشمندی)
معماری حرکتی تعریف فاکس: بنایی است با موقعیت متغیر و سیار و هندسه ای متغیر و حرکتی
مکانیزم کنترلی 1ـ مکانیزم درونی سیستم تاشو یا چین خورده
در معماری
2ـ مکانیزم برونی دیوارهای حائل
حرکتی
3ـ مکانیزم مرکب
انواع دیگر کنترل -کنترل مستقیم پارتیشنهای محرک
-کنترل ورودی حسگرها

-کنترل توسط ورودی- حسگرهای متعدد
های متعدد
-کنترل توسط حسگرهای متحرک بودن کل نمای
متعدد که همه جا را ساختمان
پوشش میدهند.
-کنترل هوشمند با استفاده از تجربهها
ورودیهای متعدد
حسگرها
. 4 ملاحظات زمانی
. 5 ویژگی تجربهآموزی دستهای از قوانین که پیروی از آنها احتمال حل مشکلات را افزایش میدهد.
یا توانایی یادگیری

.2 تاریخچه، نظریهپردازان و محیط تعاملی (هوشمند) با کاربر

1-2 تاریخچه محیط تعاملی (هوشمند)

تا این اواخر، جدا از نظریه پردازان، مفهوم هوش در بستر محیط تعاملی حول یک نظام کنترل مرکزی برای هر چیزی می گشت: این نظام ها" محیط فراگیر هوشمند" نامیده می شدند. طی دو دهه 1980 و 1990 ، پیشرفتهای بسیاری در زمینه علم کامپیوتر حاصل شد. خارج از این زمینه، زمینههایی نظیر محیط فراگیر هوشمند((IE برای مطالعه فضاهایی با تکنولوژیهای ارتباطی و کامپیوتری شکل گرفتند و فضاهایی خلق کردند که محاسبات را به دنیای فیزیکی وارد کردند. محیطهای هوشمند فضاهایی هستند که در آنها برای فعالیت های عادی از کامپیوتر استفاده می شود. مایکل موزر((MICHEAL MOZER در دهه 1990 از هوشی صحبت می کند که در خانه بتواند با مشاهده نیازهای ساکنین به مرور زمان ، نیازها و خواستههای آنها را پیشبینی کند. (Mozer2005, 273-294) به جای برنامه ریزی برای انجام کارهای مشخص، فضا با مشاهده محیط و عملکرد ساکنین شرایط آتی بنا را حدس زده و برنامه ریزی می کند. (Mozer 1999 ,11-13)

یک رویکرد دیگر، پروژه اتاق هوشمند (MIT) است که توسط مایکل کوئن((MICHEAL COEN هدایت شده که فرم تعاملات چند وجهی طبیعی و انسان- کامپیوتر((HCI را از طریق قرار گرفتن در هر چیزی که کاربر با آن تماس دارد تجربه می کند. هدف آن درگیر کردن کامپیوتر در فعالیت هایی بود که در گذشته هوشمند شده و فراهم آوردن این امکان بود که مردم با سیستم های کامپیوتری، نظیر برخورد با دیگر افراد، تعامل داشته باشند.((Coen 1998 ,1

گسترش ها در IE خصوصا با ایده کامپیوتر در همه جا تقویت شد. (واژه ای که در 1988 توسط MARK WEISER برای نمونه ای از تعامل کامپیوتر- انسان ایجاد شد.) "کامپیوتر در همه جا " را میتوان حضور کامپیوتر در تمام فعالیتها و موضوعات روزمره تعریف کرد و فصل مشترکی بین علم کامپیوتر، علوم رفتاری و طراحی است. در این شرایط کاربران از وسایل کامپیوتری در فعالیتهای عادی نیز استفاده میکنند و ممکن است لزوما از این استفاده آگاه نباشند. WEISER آن را به این شکل توصیف می کند: "دوران تکنولوژی آرام ، وقتی که تکنولوژی خود را تا زمینه زندگی ما عقب میکشد." (Weiser& Seely Brown 1995
,19)

در دهه 1990 معماری تعاملی (هوشمند) به عنوان یک ایده از نظر اقتصادی و تکنولوژیکی امکان پذیر شد . در این زمان بود که تاریخچه طولانی جنبشها در معماری با فرض بهینهسازی آن با استفاده از اطلاعات محاسبهای و بررسی انطباق فیزیکی آن با روشهای جدید، برای پاسخگو بودن به فرهنگ معاصر مورد ارزیابی مجدد قرار گرفت. توسعههای اخیر شروع به نشان دادن تغییر از الگوی مکانیکیِ سازواری به الگوی زیستی کرده اند. الگوی ارگانیک شروع به ایجاد تغییر در مدل ایده اولیه کرده که برای فهمیدن محیط زیست تکاملی و در نتیجه طراحی در محیط زیست به کار رفته است.((Senagala& Nakamura 2006, 1

2-2 نظریهپردازان:

GORDON PASKو دیگر سایبرنتیکدان ها
در دهه 1960، PASK و دیگر همکارانش با فرموله کردن نظریاتشان بر اساس موضوع، در زمینه درک و شناسایی معماری تعاملی پیشرفتهایی کردند . PASK نظریه گفتگو را توسعه داد که در آن زمان پایه بسیاری از توسعههای معماری تعاملی بود. او می گوید به جای محیط زیستی که به شدت خواسته های مردم را تفسیر کند، یک محیط زیست باید به کاربرانش این امکان را بدهد تا در شکل دادن به محیط زیستشان به روشی قابل انعطاف و بدون هیچ هدف خاصی نقش داشته باشند. (Pask 1969, 494-496)

CHARLES EASTMAN یک نمونه معماری انطباقی- مشروط را در 1972 با بسط ایدههای قدیمیترِ یافت شده توسط PASK و WEINER در سایبرنتیک توسعه داد. معماران آن فضاها و کاربران (شرکت کنندگان) را به شکل نظام کاملی از بازخوردها تفسیر میکردند.EASTMAN پیشنهاد داد تا از بازخورد برای کنترل یک معماری خود تنظیمکننده برای سازواری با نیازهای کاربران استفاده شود. ایدههای سایبرنتیک، عکس العملهای پاسخگوی کاربران و معماری را به شکل " پایداری دینامیک" توصیف میکند که میتوان آن را با قایقی در دریا مقایسه کرد که دائما خط سیر خود را در برابر شرایط مختلف باد تنظیم میکند تا در مسیر درست باقی بماند. اگرچه اشاره به رویکرد ماشین محور مدلِ EASTMAN مهم است. (Eastman 1972,51-57)

.3 مصالح هوشمند

مصالح ساختمانی رایج، بدلیل تمایل به مقاومت در برابر نیروهای ساختمانی، ایستا هستند، در حالیکه مصالح هوشمند پویا می-باشند، چرا که رفتار آنها در واکنش به میادین انرژی تعریف میگردد. (آدینگتون و اسکودک 1390، (5 یک بررسی ادبی نشان میدهد که واژگانی مانند "هوشمند" و" هوشیار" در رابطه با مواد و سامانهها بجای هم بکار برده میشوند.

جدول شماره 3 تعاریف هوشیاری و مواد هوشمند (مأخذ: نگارندگان)

نوع مواد مواد هوشمند: Smart
تعاریف کاربرد متداول: موادی با قابلیت پاسخگویی ذاتی یا درونی سریع
ناسا: موادی که قابلیت بخاطر سپردن ساختارهایی را دارند و تحت تأثیر
محرکهای خاصی از آنها تبعیت میکنند. (ماده بعنوان یک ماهیت)
دایرهالمعارف شیمی: ساختارها و مواد هوشمند، پدیدههایی هستند که
رویدادهای محیطی را حس میکنند، اطلاعات حسی را مورد پردازش قرار می-
دهند و سپس بر محیط اثر میگذارند. (ماده بصورت یک سری عملکرد)

هوشیاری: Intelligent

کاربرد متداول: تداعی معنای ضمنی پاسخهای حسی و غریزی و توانایی در کسب اطلاعات، نمایش قضاوتی خوب و سرعت در استنباط

.1 سرعت .2 چندگانگی

واکنش بیدرنگ و واکنش بیش از یک
در زمان واقعی مواد وضعیت محیطی

خواص مواد هوشمند

.3 خودگردانی

هوشیاری درونی و ذاتی مواد (بیشتر از هوشیاری خارجی)

.4 گزینشگری .5 هدفمندی
واکنش منفک و قابل واکنش بصورت
موضعی بر اساس
پیشبینی
وقوع محرک

نمودار شماره1 خواص مواد هوشمند (مأخذ: نگارندگان)

مواد هوشمند بر اساس 2 ساختکار بنیادین شناخته میشوند:
1-4-3 مواد نوع اول:

موادی که در واکنش مستقیم به تغییر محرک بیرونی موجود در محیط پیرامون ماده یک یا تعداد بیشتری از خواصشان (شیمیایی، مکانیکی، الکتریکی، مغناطیسی، گرمایی) تغییر میکنند. تغییرات بلاواسطه و بازگشتپذیر هستند و نیازی به هیچ سامانه نظارتی بیرونی برای ایجاد این دگرگونیها ندارند. به عنوان مثال ماده فتوکرومیک، در واکنش به تغییر مقدار اشعه ماوارءبنفش تابیده بر سطح، تغییر رنگ میدهد. برای مشخص نمودن این دسته از مواد هوشمند، از عبارت مواد نوع اول، استفاده میکنیم. (آدینگتون و اسکودک 1390، (13 برخی از انواع رایجتر مواد نوع اول:

.1ترموکرومیک: ورود انرژی گرمایی (حرارت) به این ماده، ساختار مولکولی آن را دگرگون میسازد. ساختار مولکولی جدید طیف بازتابشی متفاوتی نسبت به ساختار اولیه دارد. در نتیجه این امر، رنگ ماده که همان اشعه بازتابیده موجود در بخش مرئی طیف الکترومغناطیسی است، تغییر میکند.

2. مگنتورئولوجیکال: حضور یک میدان مغناطیسی (یا در مورد مواد الکترورئولوجیکال، یک میدان الکتریکی) موجب تغییر عملکرد ریز ساختار ماده و در نتیجه تغییر غلظت سیال میشود.

3. ترموتروپیک: ورودی انرژی گرمایی (یا تابشی برای مواد فوتوتروپیک و یا الکتریسیته در مواد الکتروتروپیک و ...) به ماده، ریز ساختار را بواسطه یک تغییر فاز دگرگون میسازد. در یک فاز متفاوت، بیشتر مواد خواص متفاوتی را از خودشان نشان میدهند. از این دست میتوان به تغییر در رسانایی، ظرفیت عبوردهی انرژی تابشی، انبساط حجمی و انحلالپذیری اشاره کرد.

4. مواد با حافظه شکلی: ورود انرژی گرمایی (که همچنین میتواند حاصل مقاومت در برابر جریان الکتریکی باشد.) ریز ساختار را بواسطه یک تغییر فاز کریستالی دگرگون میسازد. این تغییر، امکان پیدایش شکلهای متعددی را مطابق با محرکهای محیطی فراهم میکند. (آدینگتون و اسکودک 1390، (13

2-4-3 مواد نوع دوم:

مواد نوع دوم، موادی را شامل میشود که در خروجی، حالت انرژی را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل میکنند. همانند دسته اول این کار بلاواسطه و بازگشتپذیر انجام میگیرد. به اینگونه که یک ماده الکتروریستریکتیو انرژی الکتریکی را به انرژی کشسانی (مکانیکی) تبدیل میکند، که در نتیجه آن یک تغییر شکل فیزیکی حاصل میشود. این تغییر بلافاصله و بازگشتپذیر است. این مواد را نوع دوم مینامیم.

برخی از انواع رایجتر مواد هوشمند تغییر انرژیدهنده:

1. فتوولتائیک: ورود انرژی تابشی از طیف مرئی (و یا در مورد مواد ترموفوتوولتائیک، طیف مادون قرمز) موجب تولید جریان

الکتریکی میشود. (واژه ولتائیک، بیشتر به مادهای با قابلیت تأمین پتانسیل ولتاژ برای برقراری جریان اشاره دارد. )