白 燕，任慶昌

(1.西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710055;2.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

智能建筑中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)存儲(chǔ)優(yōu)化策略研究

白 燕1,2，任慶昌2

(1.西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710055;2.西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

隨著智能建筑的迅速發(fā)展及管理要求的不斷提高，監(jiān)控系統(tǒng)信息管理的實(shí)時(shí)性、快速性以及存儲(chǔ)模式設(shè)計(jì)的合理性要求也不斷提高。針對(duì)智能建筑中央空調(diào)管控子系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)位多、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、子系統(tǒng)多樣以及管理復(fù)雜等特點(diǎn)，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，利用OPC XML技術(shù)，將關(guān)系數(shù)據(jù)模型與XMLDB結(jié)合，設(shè)計(jì)低冗余數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢(xún)優(yōu)化策略。實(shí)驗(yàn)及應(yīng)用結(jié)果表明, 該策略適用于中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的信息管理與優(yōu)化存儲(chǔ)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的管理水平和運(yùn)行效率。

存儲(chǔ)優(yōu)化；中央空調(diào); 監(jiān)控系統(tǒng)；XML數(shù)據(jù)庫(kù)

1 引言

隨著智能建筑的迅速發(fā)展及控制管理要求的不斷提高，異構(gòu)信息網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)的集成與數(shù)據(jù)融合已經(jīng)成為企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)及智能建筑發(fā)展的重要方向與研究熱點(diǎn)，同時(shí)也是控制理論學(xué)術(shù)研究發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。

智能建筑管理與控制系統(tǒng)集成分布式網(wǎng)絡(luò)各子系統(tǒng)信息；對(duì)各子系統(tǒng)、關(guān)鍵設(shè)備、關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)進(jìn)行集中監(jiān)控；訪(fǎng)問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)并寫(xiě)入相關(guān)信息；實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)功能，并協(xié)調(diào)優(yōu)化不同子系統(tǒng)的運(yùn)行，從而為建筑環(huán)境提供安全、舒適、方便的生活條件和高效的工作環(huán)境，并保證其運(yùn)行維護(hù)管理的經(jīng)濟(jì)性和智能化[2]。

目前，常用的控制與信息網(wǎng)絡(luò)集成技術(shù)主要包括：(1) 在控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)之間加入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換接口(網(wǎng)關(guān))；(2) 在控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)之間采用DDE (Dynamic Data Exchange)技術(shù)；(3) 采用統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)，融合控制網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸速度高以及信息網(wǎng)絡(luò)高實(shí)時(shí)性的優(yōu)勢(shì)；(4) 采用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，通過(guò)瀏覽器與信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)交互式信息交換；(5) 采用OPC (Object Linking and Embedding for Process Control)技術(shù)實(shí)現(xiàn)分布應(yīng)用和異構(gòu)環(huán)境下應(yīng)用程序間的無(wú)縫集成和互操作性[3]。近年來(lái)，于仲安等人[3]對(duì)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)進(jìn)行了分析對(duì)比；雍靜等[4]學(xué)者提出了基于Web數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成架構(gòu)，并將其應(yīng)用于中央空調(diào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成；周路明等人[5]基于OPC技術(shù)，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)引入智能建筑管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

Figure 1 Central air-conditioning system structure diagram圖1 中央空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

中央空調(diào)系統(tǒng)作為智能建筑樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)BAS (Building Automatic System)的主要組成部分，在有效融合控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，針對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)過(guò)程中對(duì)半結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)及輕量級(jí)數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求，將XMLDB與傳統(tǒng)關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合，設(shè)計(jì)合理的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)，可在發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)的前提下，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢(xún)效率。Haw Su-Cheng等人[6]對(duì)基于XML數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與查詢(xún)過(guò)程進(jìn)行了研究；Min Jun-Ki等人[7]構(gòu)建了基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的XML數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

上述研究在控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)集成、基于OPC技術(shù)的Web數(shù)據(jù)庫(kù)及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用、XMLDB與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)融合等領(lǐng)域取得了一定成果。但是，對(duì)于智能建筑管控系統(tǒng)存儲(chǔ)優(yōu)化策略的研究仍需進(jìn)一步探討。本文針對(duì)智能建筑-中央空調(diào)數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)監(jiān)控點(diǎn)位多、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大、子系統(tǒng)多樣以及管理復(fù)雜等特點(diǎn)，進(jìn)行低冗余存儲(chǔ)優(yōu)化研究，基于西安建筑科技大學(xué)-智能建筑研究所變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；利用OPC XML技術(shù)，在實(shí)現(xiàn)底層控制系統(tǒng)到高層應(yīng)用程序的縱向信息系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)上，將關(guān)系數(shù)據(jù)模型與XMLDB結(jié)合，設(shè)計(jì)低冗余數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢(xún)優(yōu)化策略。

2 中央空調(diào)系統(tǒng)總體架構(gòu)

本文基于西安建筑科技大學(xué)智能建筑環(huán)境技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(IBETEP)-變風(fēng)量中央空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行研究。該系統(tǒng)包括水系統(tǒng)、風(fēng)系統(tǒng)、末端系統(tǒng)等三部分，由兩臺(tái)冷水機(jī)組、兩臺(tái)空氣處理機(jī)組AHU(Air-Handling Units)、六個(gè)變風(fēng)量末端(VAVBOX)、三臺(tái)定頻一次泵、一臺(tái)變頻二次泵、一臺(tái)熱水箱、若干散流器、管道和各種傳感器、控制器、執(zhí)行器、工控機(jī)等組成，如圖1所示。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由三層構(gòu)成，如圖2所示，包含現(xiàn)場(chǎng)層、控制層和管理層?，F(xiàn)場(chǎng)層與控制層之間采用歐姆龍CJ1W-SCU31-V1串行通信單元、基本I/O單元(CJ1W-ID211、CJ1W-OC211)和特殊I/O單元(CJ1W-DA08C、CJ1W-DA08V、CJ1W-AD081)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送?？刂茖优c管理層之間通過(guò)歐姆龍 CJ1W-ETN21以太網(wǎng)單元實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)的連接；用NI OPC Server和DSC模塊完成LabVIEW和歐姆龍 PLC的通信，構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)高效的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

Figure 2 Control system communication structure chart圖2 中央空調(diào)控制系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)中間控制層包括組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器；系統(tǒng)管理層包括上位機(jī)監(jiān)控軟件和Web服務(wù)器。監(jiān)控軟件利用XML數(shù)據(jù)庫(kù)及關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。通過(guò)ODBC 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的融合 (XML數(shù)據(jù)庫(kù)與關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)集成)。在Web信息層, 客戶(hù)端使用瀏覽器通過(guò)Internet訪(fǎng)問(wèn)Web服務(wù)器(Browser/Server模式)構(gòu)成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 基于OPC XML的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通信

該平臺(tái)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三層結(jié)構(gòu)包括：底層(控制層)、中間層(接口服務(wù)層)、上層(Web層)，如圖3所示。其中，底層主要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行監(jiān)控，利用NI OPC Server將底層信息傳送至中間層組態(tài)軟件，通過(guò)ODBC完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與信息網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的融合，客戶(hù)端通過(guò)瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)Web服務(wù)器構(gòu)成遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

Figure 3 Central air-conditioning control network and information network integration architecture圖3 中央空調(diào)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)集成構(gòu)架

本系統(tǒng)采用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與監(jiān)控軟件的通信，提供數(shù)據(jù)源(OPC服務(wù)器)和數(shù)據(jù)使用者(OPC應(yīng)用程序)之間的軟件接口標(biāo)準(zhǔn)，完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。OPC服務(wù)器客戶(hù)端應(yīng)用程序接口如圖4所示。

Figure 4 OPC server client application programming interface圖4 OPC服務(wù)器客戶(hù)端應(yīng)用程序接口

圖4描述了自動(dòng)化客戶(hù)端(Automation Client)通過(guò)包裝(Wrapper)調(diào)用OPC數(shù)據(jù)訪(fǎng)問(wèn)接口服務(wù)器(OPC Custom Interface Server)的模型。OPC自動(dòng)化對(duì)象層次結(jié)構(gòu)如圖5所示[8]。OPC Server為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信提供標(biāo)準(zhǔn)接口，客戶(hù)端通過(guò)接口與OPC Server通信，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備信息的間接存取。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源為OMRON PLC；將OMRON OPC Server部署在獨(dú)立的工控機(jī)上，完成現(xiàn)場(chǎng)控制設(shè)備的數(shù)據(jù)讀??；同時(shí)與OPC Client的上位監(jiān)控軟件通信，提供遠(yuǎn)程O(píng)PC服務(wù)。

Figure 5 Automation object hierarchy圖5 自動(dòng)化對(duì)象層次結(jié)構(gòu)

通過(guò)OPC服務(wù)器及客戶(hù)端對(duì)OPC規(guī)范的支持，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及接口協(xié)議間的差異可以得到隱藏，但實(shí)際應(yīng)用中OPC COM/DCOM技術(shù)在多平臺(tái)互操作性、服務(wù)器端口通信的潛在障礙、企業(yè)高層應(yīng)用無(wú)OPC-COM接口等方面出現(xiàn)了不足。

XML結(jié)構(gòu)化、規(guī)范化、簡(jiǎn)潔化和可擴(kuò)展等特點(diǎn)對(duì)上述不足提供了新的解決方案，憑借與平臺(tái)無(wú)關(guān)的中性數(shù)據(jù)表達(dá)協(xié)議，與HTTP結(jié)合，提出SOAP(Simple Object Access Protocol)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大量異構(gòu)程序和平臺(tái)間的互操作，從而解決OPC DCOM的不足[9, 10]。

基于XML的Web服務(wù)概念，OPC XML DA規(guī)范以SOAP作為應(yīng)用程序共享消息包裝的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，采用WSDL(Web服務(wù)描述語(yǔ)言)進(jìn)行Web服務(wù)描述。OPC客戶(hù)端和服務(wù)器之間采用HTTP協(xié)議進(jìn)行Web服務(wù)傳輸。該規(guī)范主要由OPC XML-DA Schema組成，包括構(gòu)成OPC XML-Web服務(wù)的數(shù)據(jù)類(lèi)型、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、方法以及通信協(xié)議、錯(cuò)誤處理、發(fā)現(xiàn)機(jī)制和互操作性等底層規(guī)則[11]。

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與優(yōu)化

系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)作為信息網(wǎng)絡(luò)和控制網(wǎng)絡(luò)集成的基礎(chǔ)，其數(shù)據(jù)存儲(chǔ)性能及信息檢索效率對(duì)于智能建筑中央空調(diào)管控系統(tǒng)尤為重要。

本文所研究的中央空調(diào)系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖6所示，主要包括空調(diào)系統(tǒng)智能控制模塊、能耗計(jì)量模塊、數(shù)據(jù)管理模塊及系統(tǒng)優(yōu)化模塊等。其中，數(shù)據(jù)管理模塊包括數(shù)據(jù)采集、低冗余存儲(chǔ)優(yōu)化以及數(shù)據(jù)查詢(xún)等功能，由關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)SQL Server和XML數(shù)據(jù)庫(kù)完成。

Figure 6 Software overall structure chart圖6 軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)信息的采集由數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)完成，通過(guò)Lab SQL提供的ADO (Active Data Object)與ODBC連接完成對(duì)SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)的訪(fǎng)問(wèn)，基于Command VIs、Connection VIs及Recordset VIs等實(shí)現(xiàn)Labview與數(shù)據(jù)庫(kù)的掛接、對(duì)數(shù)據(jù)記錄的增、刪、改、查操作。系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)如表1所示，由后備數(shù)據(jù)庫(kù)和現(xiàn)用數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，其中后備數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)存儲(chǔ)長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù)的備份信息，其中記錄所有點(diǎn)位的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)及主要耗能設(shè)備的能耗信息；現(xiàn)用數(shù)據(jù)庫(kù)經(jīng)過(guò)存儲(chǔ)優(yōu)化環(huán)節(jié)，用于存儲(chǔ)近期數(shù)據(jù)及有用信息，主要是各級(jí)操作員的操作數(shù)據(jù)集記錄，包括用戶(hù)表、管理員表、監(jiān)控點(diǎn)輔助表、能耗輔助表、操作員監(jiān)控點(diǎn)表、操作員能耗表、室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)表、末端計(jì)費(fèi)表以及報(bào)警與故障記錄表等九個(gè)表。其中各級(jí)操作員監(jiān)控點(diǎn)表、各級(jí)操作員能耗表的查詢(xún)以時(shí)間命名，以方便管理和檢索。

3.2.2 存儲(chǔ)優(yōu)化

(1) 基于輔助表的存儲(chǔ)優(yōu)化。

系統(tǒng)的存儲(chǔ)優(yōu)化功能由存儲(chǔ)優(yōu)化模塊負(fù)責(zé)完成，通過(guò)建立與table_Monitor和table_Energy相同結(jié)構(gòu)的輔助表，以提高存儲(chǔ)效率及查詢(xún)速度。存儲(chǔ)優(yōu)化算法如下：

Table 1 Database design and table functions

Step 1 啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集到監(jiān)控點(diǎn)輔助表table_Monitor及能耗輔助表table_Energy中，采樣時(shí)間大于或等于1秒，可由用戶(hù)設(shè)置。

Step 2 將輔助表的記錄追加到后備數(shù)據(jù)庫(kù)監(jiān)控點(diǎn)表table_Monitor_bak和能耗表table_Energy_bak中。

Step 3 操作員登錄，通過(guò)用戶(hù)表user_table與管理員表manager_table進(jìn)行驗(yàn)證。

Step 4 根據(jù)各級(jí)操作員的具體應(yīng)用需求，對(duì)監(jiān)控點(diǎn)輔助表和能耗輔助表進(jìn)行相關(guān)查詢(xún)操作，生成相應(yīng)的各級(jí)操作員監(jiān)控點(diǎn)表和操作員能耗表，均以該查詢(xún)操作的服務(wù)器系統(tǒng)時(shí)間命名。

Step 5 清空監(jiān)控點(diǎn)輔助表table_Monitor及能耗輔助表table_Energy。

(2) 基于XML的存儲(chǔ)優(yōu)化。

該系統(tǒng)中基于XML的存儲(chǔ)優(yōu)化主要針對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)監(jiān)測(cè)和房間能耗計(jì)量?jī)蓚€(gè)模塊。

①室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)表。

系統(tǒng)針對(duì)空調(diào)室內(nèi)CO2濃度及甲醛濃度這兩個(gè)影響空氣品質(zhì)的主要因素，依據(jù)CO2濃度與人體生理反應(yīng)的關(guān)系(如表2所示)[12]，建立室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)與優(yōu)化存儲(chǔ)系統(tǒng)。

Table 2 Relationship between CO2 concentration and the physiological response

存儲(chǔ)優(yōu)化算法如下：

Step 1 啟動(dòng)存儲(chǔ)優(yōu)化模塊，采集各末端房間現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)(CO2濃度、甲醛濃度等)到XML數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)房間的xml_table_room_n表中，采樣時(shí)間大于或等于1秒，可由用戶(hù)設(shè)置。

Step 2 以30分鐘為評(píng)估周期，計(jì)算各末端房間的CO2平均濃度，根據(jù)表2進(jìn)行評(píng)估。

Step 3 將Step 2的評(píng)估結(jié)果寫(xiě)入xml_table_room_n表中，并清空前一評(píng)估周期內(nèi)的所有記錄。

Step 4 若評(píng)估進(jìn)行了24小時(shí)，則將XML數(shù)據(jù)庫(kù)中各xml_table_room_n表寫(xiě)入現(xiàn)用數(shù)據(jù)庫(kù)的室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)表table_IAQ中；否則，轉(zhuǎn)Step 1，進(jìn)行下一采樣周期的采樣。

②末端計(jì)費(fèi)表。

本系統(tǒng)末端用戶(hù)的計(jì)費(fèi)包括末端開(kāi)關(guān)時(shí)間計(jì)費(fèi)法及當(dāng)量能量計(jì)量法兩種策略，具體采用的方法可由管理員進(jìn)行定制，計(jì)費(fèi)程序以1小時(shí)為周期。存儲(chǔ)優(yōu)化算法流程如圖7所示。

Figure 7 Program flow chart of the storage optimization algorithm圖7 存儲(chǔ)優(yōu)化算法流程圖

3.3 數(shù)據(jù)查詢(xún)優(yōu)化

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)的查詢(xún)是通過(guò)選取相應(yīng)的字段及時(shí)間段，提交到后臺(tái)服務(wù)器完成的，Web服務(wù)器找到相應(yīng)的Action類(lèi)對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行響應(yīng)處理，并將結(jié)果返回給前臺(tái)頁(yè)面。數(shù)據(jù)查詢(xún)操作基于表示層、邏輯層及數(shù)據(jù)層完成。

(1)表示層。表示層通過(guò)登錄頁(yè)面的語(yǔ)句引入查詢(xún)主頁(yè)面login_user_ check.jsp；再通過(guò)AJAX異步請(qǐng)求顯示到前臺(tái)頁(yè)面check_success_user_E.jsp(能耗)或check_success_user_I.jsp(房間狀態(tài))，同時(shí)提供“保存數(shù)據(jù)層到本地Excel文件”的選項(xiàng)，請(qǐng)求后，會(huì)在服務(wù)器生成對(duì)應(yīng)的Excel文件；然后datasave.jsp頁(yè)面會(huì)以JSP文件流的形式將Excel文件下載到本地，完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)儲(chǔ)。

(2)邏輯層。邏輯層在用戶(hù)提交查詢(xún)請(qǐng)求后，Web服務(wù)器根據(jù)struts.xml配置文件將請(qǐng)求提交給EnergyQueryAction.java類(lèi)(能耗查詢(xún))和InfoQueryAction.java類(lèi)(房間狀態(tài)查詢(xún))進(jìn)行處理，處理之后將結(jié)果返回前臺(tái)。查詢(xún)過(guò)程中，涉及到的主要類(lèi)包括EnergyQueryAction類(lèi)、InfoQueryAction類(lèi)、QueryBase類(lèi)、EnergydataDoAction類(lèi)、InfodataDoAction類(lèi)等。

(3)數(shù)據(jù)層。通過(guò)在Hibernate配置文件中添加語(yǔ)句〈mappingresource= "com/acdms/entity/Table_Energy.hbm.xml"/〉和〈mapping resource= "com/acdms/entity/Table_Room.hbm.xml"/〉，獲得與映射文件的關(guān)聯(lián)。其中，映射文件Table_Energy.hbm.xml和Table_Room.hbm.xml分別實(shí)現(xiàn)Table_Energy.java類(lèi)的屬性與table_energy表字段的映射以及Table_Room類(lèi)的屬性與table_room表的字段的映射，借助于Hibernate配置文件以及映射文件就可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)查詢(xún)。

本系統(tǒng)通過(guò)建立索引提高查詢(xún)效率。數(shù)據(jù)查詢(xún)操作模塊中查詢(xún)條件為用戶(hù)選擇的時(shí)間段，故在時(shí)間字段上創(chuàng)建索引，從而提高查詢(xún)效率，采用SQL語(yǔ)句：

create index energy_時(shí)間on table_energy(時(shí)間)；

create index room_時(shí)間on table_ Monitor (時(shí)間)；

系統(tǒng)管理維護(hù)模塊中查詢(xún)條件為用戶(hù)名，此處用戶(hù)名為主鍵，故在此列自動(dòng)創(chuàng)建索引，以此提高查詢(xún)速度。

為了驗(yàn)證查詢(xún)優(yōu)化的效率，在EnergyQueryAction.java類(lèi)的execute()方法中加入語(yǔ)句System.currentTimeMillis()，用于獲取數(shù)據(jù)查詢(xún)操作執(zhí)行前后的時(shí)間間隔(毫秒)。在不考慮網(wǎng)絡(luò)環(huán)境等因素的影響下，選擇查詢(xún)時(shí)間段為2011年5月14日15:41:50至21:41:50，查詢(xún)字段為Room1的各能耗數(shù)據(jù)，在創(chuàng)建索引前后分別隨機(jī)地執(zhí)行10次數(shù)據(jù)查詢(xún)操作，優(yōu)化前后數(shù)據(jù)查詢(xún)時(shí)間對(duì)比如表3和圖8所示。

Table 3 Comparison chart for query time-consuming before and after optimization

如表3所示，通過(guò)創(chuàng)建索引進(jìn)行查詢(xún)優(yōu)化后，數(shù)據(jù)查詢(xún)時(shí)間均小于優(yōu)化前，去掉其中最大值和最小值后，對(duì)其求均值，優(yōu)化前后查詢(xún)時(shí)間分別為1 569.5 ms和1 312.9 ms。由此可見(jiàn)，優(yōu)化效果顯著，尤其是對(duì)于大數(shù)據(jù)量進(jìn)行處理時(shí)，查詢(xún)效率將更加明顯。

Figure 8 Query optimization comparison chart圖8 查詢(xún)優(yōu)化對(duì)比圖

數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)容量計(jì)算方法：

Step 1 獲取表中的行數(shù)Num_Rows及列數(shù)Num_Cols；

Step 2 獲取固定長(zhǎng)度列中的字節(jié)總和Fixed_Data_Size與可變長(zhǎng)度列數(shù)Num_Variable_Cols；

Step 3 獲取可變長(zhǎng)度列的最大值Max_Var_Size；

Step 4 若表中有固定長(zhǎng)度列，則計(jì)算行的空

Table 4 Comparison chart for database storage space before and after optimization

位圖Null_Bitmap=2+((Num_Cols+7)/8)；

Step 5 若表中有可變長(zhǎng)度列，則計(jì)算行中存儲(chǔ)這些列所需空間：Variable_Data_Size=2+(Num_Variable_Cols×2)+Max_Var_Size；否則，將Variable_Data_Size置為0。

Step 6 計(jì)算行總大小Row_Size=Fixed_Data_Size+Variable_Data_Size+Null_Bitmap+4；

Step 7 計(jì)算每頁(yè)行數(shù)Rows_Per_Page=(8096)/(Row_Size+2)；

Step 8 若在表上創(chuàng)建聚集索引，則根據(jù)指定的填充因子計(jì)算每頁(yè)保留的可用行數(shù),否則，將Fill_Factor指定為100；

Step 9 每頁(yè)可用行Free_Rows_Per_Page=8096((100-Fill_Factor)/100)/(Row_Size+2)；

Step 10 計(jì)算存儲(chǔ)所有行所需頁(yè)數(shù)。Num_Pages=Num_Rows/(Rows_Per_Page-Free_Rows_Per_Page)；

Step 11 計(jì)算存儲(chǔ)表中的數(shù)據(jù)所需的空間量：8192×Num_Pages。

對(duì)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)數(shù)據(jù)采集的特點(diǎn)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)各子系統(tǒng)通常并不是對(duì)所有監(jiān)控點(diǎn)位進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而是根據(jù)控制策略及控制算法有選擇地采樣，故選取通常情況下的平均采樣點(diǎn)位數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。隨機(jī)采集系統(tǒng)某一工況下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析采用優(yōu)化存儲(chǔ)策略前后數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)空間情況，如表4所示。

由表4可見(jiàn)，采用該策略對(duì)各子系統(tǒng)主要參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)后，存儲(chǔ)空間之和明顯小于優(yōu)化前所占用空間。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)編寫(xiě)大量的軟件程序, 開(kāi)發(fā)了基于關(guān)系數(shù)據(jù)模型及XML數(shù)據(jù)庫(kù)的低冗余數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及查詢(xún)優(yōu)化系統(tǒng)。經(jīng)測(cè)試，在實(shí)際工程中運(yùn)行穩(wěn)定，在一定程度上提高了存儲(chǔ)及查詢(xún)效率。因此，將該策略用于智能建筑中央空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的管控是一種有效方法。

[1] Perumal T, Ramli A R, Leong C Y, et al. Middleware for heterogeneous subsystems interoperability in intelligent buildings[J]. Automation in Construction, 2010, 19(2):160-168.

[2] Doukas H,Patlitzianas K D,Iatropoulos K,et al.Intelligent building energy management system using rule sets [J]. Building and Environment, 2007,42(10):3562-3569.

[3] Yu Zhong-an, Li Hui-bin. Integrated technology of industrial control network and information network [J]. Industry and Mine Automation, 2008(1):76-78. (in Chinese)

[4] Yong Jing, Liu Li-ping, Zhou Jian. Network integration of central air-conditioner system based on Web database technology[J]. Low Voltage Apparatus, 2007(6):53-56. (in Chinese)

[5] Zhou Lu-ming, Ouyang Song. Research and design on the database module of the intelligent building management system[J]. Computing Technology and Automation, 2007, 26(4):95-98. (in Chinese)

[6] Haw Su-Cheng, Lee Chien-Sing. Data storage practices and query processing in XML databases:A survey[J]. Knowledge-Based Systems, 2011, 24(8):1317-1340.

[7] Min Jun-Ki, Lee Chun-Hee, Chung Chin-Wan. XTRON:An XML data management system using relational databases[J]. Information and Software Technology, 2008, 50(5):462-479.

[8] Xu Hong, Wang Jian-hua. Using standard components in automation industry:A study on OPC specification[J]. Computer Standards & Interfaces, 2006, 28(4):386-395.

[9] Liao Guo-fu, Yang Ge-fang, Yang Liu. The research of the integration model for intelligent buildings based on OPC XML[J]. Journal of Huanggang Normal University, 2007(6):103-104. (in Chinese)

[10] Zheng Ke, Xu Yan-qun, Zhang Bin. Research on integration of industrial control system based on FDT and OPC XML[J]. Computer Measurement & Control, 2010, 18(8):1805-1807. (in Chinese)

[11] Subramaniam S,Haw Su-Cheng,Poo Kuan Hoong.s-XML:An efficient mapping scheme to bridge XML and relational database[J]. Knowledge-Based Systems, 2012, 27:369-380.

[12] Lei Xiao-feng. The research of energy consumption analysis and air quality control of variable air volume air-conditioning system[D]. Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology, 2011. (in Chinese)

附中文參考文獻(xiàn)：

[3] 于仲安, 李慧斌. 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)和信息網(wǎng)絡(luò)的集成技術(shù)[J]. 工礦自動(dòng)化, 2008(1):76-78.

[4] 雍靜, 劉利萍, 周健. 基于Web數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的智能建筑中央空調(diào)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)集成[J]. 低壓電器, 2007(6):53-56.

[5] 周路明, 歐陽(yáng)松. 智能建筑管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊的研究和設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化, 2007, 26(4):95-98.

[9] 廖國(guó)富, 楊戈方, 楊柳. 基于OPC XML的建筑智能化系統(tǒng)集成模型研究[J]. 黃岡師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2007(6):103-104.

[10] 鄭珂, 徐艷群, 張斌. 基于FDT與OPC XML的工業(yè)控制系統(tǒng)集成研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制, 2010, 18(8):1805-1807.

[12] 雷曉鳳. 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)能耗分析與空氣品質(zhì)控制研究[D]. 西安:西安建筑科技大學(xué),2011.

BAI Yan,born in 1979,PhD,lecturer,her research interests include environment technology intelligent buildings, and optimization technology of large scale system.

任慶昌(1945-),男,河南湯陰人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)仿真與辨識(shí)、計(jì)算機(jī)過(guò)程控制、智能控制和智能建筑環(huán)境技術(shù)。E-mail:renqch@163.com

REN Qing-chang,born in 1945,professor,PhD supervisor,his research interests include system simulation and identification, computer process control, intelligent control, and environment technology of intelligent buildings.

Research on storage optimization strategy for central air conditioning monitoring system in intelligent buildings

BAI Yan1,2，REN Qing-chang2
(1.School of Science,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055;2.School of Information and Control Engineering,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,China)

With the rapid development of intelligent buildings and the continuous improvement of management requirements, the requirements of real-time information management and rationality of the storage mode design in monitoring system are increased simultaneously. Aiming at the features of the central air-conditioning data management system with a large number of detecting points, large capacity of storage, variety in subsystems and management complexity in intelligent buildings, the data acquisition platform is constructed and the low redundant data storage and query optimization strategy are designed based on OPC XML technology and the relational data model combined with XML database. The experimental and practical results show that the strategy can be used for information management and optimal storage in central air-conditioning monitoring systems, and improve the level and the efficiency of management to some extent.

storage optimization;central air-conditioning;monitoring system;XML database

2012-08-04;

2012-12-19

住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科學(xué)技術(shù)項(xiàng)目(2012-K1-35)；國(guó)家杰出青年科學(xué)基金項(xiàng)目(51325803);陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011JQ8002)

1007-130X(2014)03-0558-08

TP273

A

10.3969/j.issn.1007-130X.2014.03.032

白燕(1979-),女,陜西西安人，博士，講師，研究方向?yàn)橹悄芙ㄖh(huán)境技術(shù)和大系統(tǒng)優(yōu)化技術(shù)研究。E-mail:yb_xauat@126.com

通信地址：710055 陜西省西安市西安建筑科技大學(xué)理學(xué)院

Address:School of Science,Xi’an University of Architecture and Technology,Xi’an 710055,Shaanxi,P.R.China