Samu Viitanen Creation of a Building Operating System: Holistic Approach Master’s Thesis Department of Built Environment School of Engineering Aalto University Espoo, 1 December 2017 Bachelor of Science in Technology Samu Viitanen Supervisor: Professor Seppo Junnila Instructor: Professor Timo Seppälä Aalto-yliopisto, PL 11000, 00076 AALTO www.aalto.fi Diplomityön tiivistelmä Tekijä Samu Viitanen Työn nimi Rakennuksen käyttöjärjestelmän luonti: kokonaisvaltainen lähestymistapa Koulutusohjelma Kiinteistötalous Pää-/sivuaine Kiinteistötekniikka Koodi M3007 Työn valvoja Professori Seppo Junnila Työn ohjaaja(t) Professori Timo Seppälä Päivämäärä 1.12.2017 Sivumäärä 85 Kieli englanti Tiivistelmä Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia rakennuksen käyttöjärjestelmän holistisia vaatimuksia. Laaja kirjallisuuskatsaus tehtiin aiheen ymmärtämiseksi, joka tutkii käyttöjärjestelmien evoluutiota rinnakkain tietojenkäsittelyn historian kanssa, tarkoituksena hahmottaa käyttöjärjestelmän käsitettä. Lisäksi, eri rakennusten tietojärjestelmiä, mukaan lukien rakennusautomaatiojärjestelmiä ja esineiden internet - järjestelmiä käytiin läpi ymmärtääkseen nykyisiä ja tulevia trendejä rakennusteknologiassa. Edelleen kirjallisuuskatsaus tutkii televiestintää ja sähköistä tunnistautumista niiden kehityksen ja standardisoinnin kautta kohti yhteentoimivuutta, tarjoten tietoa siitä, miten yhteentoimivuutta voitaisiin kehittää rakennusjärjestelmissä. Haastattelututkimus tehtiin diplomityön empiirisenä osuutena, jonka tarkoituksena oli laajentaa työn teoreettista viitekehystä. Tusina rakennusten digitalisaation asiantuntijaa haastateltiin, joilta kysyttiin rakennusjärjestelmien nykytilasta ja tulevaisuudesta. Lähemmin, keskustelut käsittelivät avoimia järjestelmiä, avointa dataa, alustan omistajuutta, disruptiota, menestyssovelluksia, käyttäjäkeskeisyyttä sekä Suomen kansainvälistä potentiaalia rakennuksen käyttöjärjestelmän näkökulmasta. Rakennuksen käyttöjärjestelmä vaatii rakennuksen sisällä olevien eri teknologioiden yhteenliittämisen, sekä yhteistyötä rakennusta käyttävien ja hallinnoivien osapuolten välillä. Järjestelmän pitäisi hyödyntää avoimia standardeja ja mahdollistaa avoimen datan käytön. Käyttäjäkeskeistä suunnittelua pitäisi kannustaa loppukäyttäjien etuja suosien. Järjestelmän täytyy levitä globaalisti saavuttaakseen kriittisen massan ja ottaakseen käyttöön sen koko potentiaalin. Jokaisella samankaltaisella rakennuksella täytyisi olla käytössään yhtäläiset ominaisuudet, mahdollistaen samojen palveluiden ja sovellusten käytön missä tahansa käyttöjärjestelmää käyttävässä rakennuksessa, täten mahdollistaen siirrettävyyden. Järjestelmä vaatii sopivat ohjelmointirajapinnat, abstraktiot ja ohjelmistokehykset sovellus- ja palvelukehittäjien tarpeita varten. Laaja kehitysyhteisö vaaditaan alustan levittämiseksi ja sovellustarjonnan laajentamiseksi. Avainsanat digitalisaatio, käyttöjärjestelmä, kiinteistö- ja rakentamisala, älykäs rakennus, rakennusautomaatio Aalto-yliopisto, PL 11000, 00076 AALTO www.aalto.fi Diplomityön tiivistelmä Author Samu Viitanen Title of thesis Creation of a Building Operating System: Holistic Approach Degree programme Degree Programme in Real Estate Economics Major/minor Real Estate Planning Code M3007 Thesis supervisor Professor Seppo Junnila Thesis advisor(s) Professor Timo Seppälä Date 1.12.2017 Number of pages 85 Language English Abstract Purpose of this thesis is to examine requirements for a building operating system from a holistic perspective. To understand the context of the subject, an extensive literature review was carried out which explores the evolution of operating systems alongside the history of computing, unravelling the concept of an operating system. In addition, various building information systems, including building automation systems and internet of things systems are reviewed in order to understand modern and future trends of building technology. Furthermore, literature review investigates telecommunications and digital identity authentication through their evolution and standardisation towards interoperability, to provide knowledge on how to achieve interoperability in building systems. An interview study was conducted as the empirical part of the study in order to complement the theoretical framework of the thesis. A dozen building digitalisation experts were interviewed, inquiring their insights on the current and future situation of building systems. More closely, open systems, open data, platform ownership, disruption, killer applications, user-centredness, and Finland’s opportunities were discussed in respect of the building operating system. Building operating system requires connection between various technology inside a building, and collaboration between various parties who use and manage the building. The system should exploit open standards and enable open data. User-centred development should be encouraged for the benefits of end users. The system needs to expand globally to achieve critical mass and unleash its full potential as a platform. Each building with similar properties should have the same features, being able to use same services and applications in any building with an operating system, thus enabling portability. The system requires convenient software development kits, application programming interfaces and abstractions for the needs of software and service developers. A vibrant developer community is required to expand the platform and enable a wide range of services and applications. Keywords digitalisation, operating system, real estate, construction, smart building, building automation i Foreword Biggest thanks belong to my thesis advisor, Timo Seppälä, who suggested this interesting thesis topic last spring. Idea of a building operating system is an intriguing one which has not received much discussion before. Also, thank you for enduring my super-tight schedule and guiding me throughout the whole process. Furthermore, I thank my supervisor Seppo Junnila for giving his busy time to review my thesis. Thank you to everyone who agreed to be interviewed for this thesis. I would have hoped for more of you, but circumstances did not allow for it this time. Another big thank you goes to my boss and advisor behind the scenes, Teemu Lehtinen at KIRA-digi project, who has given great advice and insights about the thesis and the whole digitalisation scheme of built environment sector. KIRA-digi project has been a real eye- opener, giving me a spectacular outlook of the whole built environment sector and its development. I also want to thank other members of KIRA-digi, especially Minna and Virve at the Ministry of Environment, who have been utmost kind towards me and my hurries with this thesis. Our journey with KIRA-digi will continue for another year at least. Entire journey towards graduation has been a blast. For half a year, I had the chance to visit University of Tokyo as an exchange student, where I learned Japan’s language, culture and land use planning, played in student orchestras and travelled around the country. In Otaniemi, I have had the chance to play in Retuperän WBK and Polyteknikkojen Orkesteri, participating in dozens of concerts and gigs during the past five years. I have also had the honour to be a founding member of the Aalto University mahjong club. Thank you to everyone whom I have met during these five and a half years. Hopefully, our journey continues in the future. Finally, I want to thank my family and dearest friends. In the Southern Border of Rainy and Gloomy Vantaa, December 2017 Samu Viitanen ii Table of Contents Tiivistelmä Abstract Foreword ............................................................................................................................ i Table of Contents .............................................................................................................. ii Acronyms ......................................................................................................................... iii 1 Introduction ............................................................................................................... 1 1.1 Background ........................................................................................................ 1 1.2 Research questions and scope ............................................................................ 4 1.3 Methods .............................................................................................................. 4 1.4 Structure of the Thesis ........................................................................................ 5 2 Evolution of Operating Systems and Computing...................................................... 6 2.1 Early History of Computing ............................................................................... 6 2.2 Age of Transistors, Mainframes, Minicomputers and Chips ............................. 7 2.3 Early Operating Systems .................................................................................... 8 2.4 The Tidal Wave of Personal Computers .......................................................... 10 2.5 Surfing the Web ................................................................................................ 17 2.6 Mobile Devices ................................................................................................. 21 2.7 Mobile Operating Systems ............................................................................... 23 2.8 Enterprise Resource Planning .........................................................................