牛沖麗+王濤

摘 要：運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了大型公共建筑能耗監(jiān)測與節(jié)能服務(wù)系統(tǒng)，可對大型公共管理建筑能耗影響較大的系統(tǒng)及設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。該系統(tǒng)主要包括對建筑照明系統(tǒng)、中央空調(diào)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、電動遮陽設(shè)備等各種對建筑能耗影響較大的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，并通過對海量能耗數(shù)據(jù)的存儲與管理、處理與分析，從能效優(yōu)化角度實(shí)現(xiàn)對建筑整體運(yùn)行的智能在線監(jiān)控及處理，從而大幅提升整個(gè)建筑的運(yùn)營管理水平和能效利用水平。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；大型公共建筑；能耗監(jiān)測；節(jié)能服務(wù)

中圖分類號：TP393.07 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）07-00-03

0 引 言

隨著國家產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，節(jié)能減排的推進(jìn)必將層層落實(shí)。我國建筑耗能在能源總消費(fèi)量中所占的比例已從上世紀(jì)七十年代末的10%，上升到27.45%，而國際上發(fā)達(dá)國家的建筑能耗一般占全國總能耗的33%左右。如此龐大的比重，建筑耗能已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的軟肋，高耗能建筑比例大，加劇了能源危機(jī)[1]。建筑在運(yùn)行使用過程中的能源消耗總和包括了建筑物在使用過程中的照明、制冷設(shè)備、服務(wù)動力設(shè)備、燃?xì)?、水、電梯等的能耗[2]。目前，在相應(yīng)設(shè)備與系統(tǒng)本身的節(jié)能技術(shù)方面，國內(nèi)外已開展了較多工作[3，4]，主要措施包括：（1）新型建筑材料技術(shù)：新型保溫材料、紅外熱反射技術(shù)、節(jié)能玻璃、熱回收裝置等；（2）可再生能源使用：太陽能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物能等。這些節(jié)能技術(shù)能有效降低建筑能耗。然而，在大型公共建筑的節(jié)能中，不僅要強(qiáng)調(diào)節(jié)能技術(shù)，更需要深入挖掘建筑整體能耗的監(jiān)測與管理模式，從而形成建筑能耗的總體節(jié)能方案。而物聯(lián)網(wǎng)以其感知精確、傳輸可靠、數(shù)據(jù)處理智能、精準(zhǔn)控制等特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對于大型公共建筑能耗的有效監(jiān)測與管理[5，6]。

基于物聯(lián)網(wǎng)的大型公共建筑能耗監(jiān)測與節(jié)能服務(wù)平臺可充分運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，例如末端感知層傳感器檢測技術(shù)可形成三維空間大規(guī)模傳感器組網(wǎng)，將對大型公共管理建筑能耗影響較大的系統(tǒng)以及設(shè)備（建筑照明智能控制系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、電動遮陽設(shè)備等）的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲與管理、分析處理和利用，從能效優(yōu)化角度，實(shí)現(xiàn)對建筑整體運(yùn)行的智能在線監(jiān)控、處理以及節(jié)能模型預(yù)測，提供開放性節(jié)能服務(wù)，大幅度提升整個(gè)建筑的運(yùn)營管理水平和能效利用水平。

1 系統(tǒng)體系架構(gòu)

構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的大型公共建筑能耗監(jiān)測與節(jié)能服務(wù)平臺，可準(zhǔn)確獲取大型公共建筑中能源的消耗情況，為其節(jié)能管理系統(tǒng)的建立提供可靠數(shù)據(jù)來源。主要針對大型公共建筑中使用的能源類型、終端使用情況、耗能設(shè)備（其中包括了制冷、供熱、照明，通風(fēng)，遮陽設(shè)備等）的情況，以及各類型能源的使用情況、數(shù)量和能源費(fèi)用，通過一種實(shí)時(shí)自動采集方式實(shí)現(xiàn)對建筑用能進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和變化分析，可為其節(jié)能診斷提供必要的數(shù)據(jù)依據(jù)。該節(jié)能服務(wù)平臺體系架構(gòu)如圖1所示，它主要由信息感知，網(wǎng)絡(luò)傳輸，數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用服務(wù)層四層組成。信息感知層主要采集大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡(luò)傳輸層主要可靠傳輸能耗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理層主要對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，包括數(shù)據(jù)存儲，挖掘，預(yù)測等操作，應(yīng)用服務(wù)層主要提供各種服務(wù)，并實(shí)現(xiàn)對節(jié)能過程的反饋控制，達(dá)到智能控制的目的。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺體系架構(gòu)

2 信息感知

信息感知層通過部署各類傳感器節(jié)點(diǎn)與智能儀表設(shè)備，對大型公共建筑中照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)、熱水系統(tǒng)、室內(nèi)遮陽系統(tǒng)的能耗情況進(jìn)行監(jiān)測，并對建筑內(nèi)部環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等）進(jìn)行實(shí)時(shí)動態(tài)采集，為建筑節(jié)能的智能決策與控制奠定基礎(chǔ)。

以中央空調(diào)系統(tǒng)為例，空調(diào)系統(tǒng)消耗的電能非常大，它的耗能約占大廈總耗能的40%左右。通常中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)的負(fù)荷能隨季節(jié)氣溫變化自動調(diào)節(jié)負(fù)載，而與冷凍主機(jī)相匹配的冷凍泵、冷卻泵卻、空氣處理機(jī)組送風(fēng)機(jī)幾乎長期在100%負(fù)載下運(yùn)行，不能自動調(diào)節(jié)負(fù)載，造成了能量的極大浪費(fèi)，也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。空調(diào)系統(tǒng)的冷凍水系統(tǒng)幾乎長期在大流量、小溫差的狀態(tài)下運(yùn)行，造成了能量的浪費(fèi)。

圖2是一種大型建筑中央空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測功能圖。大型建筑中的空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測主要包含能耗監(jiān)測，環(huán)境參數(shù)監(jiān)測兩部分，其中：

（1）能耗監(jiān)控：其主要作用是監(jiān)測空調(diào)系統(tǒng)的能耗利用情況，它主要由各種壓力表，溫度儀，壓力表，流量表，乙二醇儀表，各種空調(diào)電機(jī)等組成。電表用于測量空調(diào)的電能耗，溫度儀用于測量空調(diào)運(yùn)行溫度，由溫度傳感器測量實(shí)現(xiàn)；壓力表用于測量空調(diào)管道內(nèi)壓力，由壓力傳感器測量實(shí)現(xiàn)；流量計(jì)用于測量空調(diào)冷卻液壓力流量，主要通過流量傳感器測量實(shí)現(xiàn)；乙二醇儀用于測量空調(diào)系統(tǒng)使用過程中乙二醇的消耗情況，它可用于降低空調(diào)溶液的冷凍點(diǎn)，避免結(jié)冰，主要通過乙二醇傳感器來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)主要執(zhí)行操作，完成各種功能。

（2）環(huán)境參數(shù)監(jiān)測：主要作用是根據(jù)采集空調(diào)運(yùn)行環(huán)境中參數(shù)變化進(jìn)行自適應(yīng)變化，實(shí)現(xiàn)智能控制。溫濕度感器可根據(jù)監(jiān)測房間中溫濕度程度進(jìn)行自動調(diào)節(jié)空調(diào)溫濕操作，紅外傳感器可根據(jù)室內(nèi)房間中人數(shù)多少自動調(diào)節(jié)空調(diào)冷風(fēng)流量。

接入模塊的主要作用是對采集到照明監(jiān)測數(shù)據(jù)信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)成特定信號格式，并進(jìn)行簡單預(yù)處理；控制器主要接收上層所發(fā)指令，對各種燈設(shè)備執(zhí)行指令相對應(yīng)的操作。Mesh路由器主要為照明系統(tǒng)中各種監(jiān)測設(shè)備提供多跳的無線網(wǎng)絡(luò)連接網(wǎng)關(guān)，為數(shù)據(jù)通信提供網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換、路由選擇、數(shù)據(jù)交換等功能。

3 網(wǎng)絡(luò)傳輸

網(wǎng)絡(luò)傳輸層通過大尺度無線多跳網(wǎng)絡(luò)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、現(xiàn)場總線等異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多源傳感器節(jié)點(diǎn)隨時(shí)隨地的網(wǎng)絡(luò)接入與互聯(lián)，同時(shí)滿足大規(guī)模異構(gòu)混雜網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)不同業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)特定的QoS傳輸需求，為異構(gòu)傳輸網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下各類感知信息以及上層系統(tǒng)控制命令提供實(shí)時(shí)可靠傳輸服務(wù)。重點(diǎn)需解決大型公共建筑三維空間傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織組網(wǎng)以及實(shí)時(shí)可靠數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。

3.1 大型公共建筑三維空間傳感器網(wǎng)絡(luò)自組織組網(wǎng)技術(shù)

大型公共建筑內(nèi)部的傳感器網(wǎng)絡(luò)由于數(shù)據(jù)采集的范圍較大，或采集的數(shù)據(jù)種類眾多，通常需要部署的傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)和環(huán)境特點(diǎn)，部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可能采用不同的通信機(jī)制。不同的傳感網(wǎng)之間存在異構(gòu)特性。廣泛采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物聯(lián)網(wǎng)支持異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的接入，常用的方法是每種傳感器網(wǎng)絡(luò)采用特定的接入網(wǎng)關(guān)，接入到互聯(lián)網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)大規(guī)模異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，我們可構(gòu)建分級分布式大規(guī)模異構(gòu)無線物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)，該架構(gòu)由傳感器子網(wǎng)、信息匯聚網(wǎng)和傳感接入網(wǎng)構(gòu)成三級組網(wǎng)體系，各級的主要功能如下：

（1）傳感器子網(wǎng)：傳感器子網(wǎng)由現(xiàn)有的各種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，如 ZigBee子網(wǎng)、WiFi子網(wǎng)等，負(fù)責(zé)采集原始的傳感信息。傳感節(jié)點(diǎn)通過一跳或多跳方式將采集到的信息傳給上一級sink節(jié)點(diǎn)。

（2）信息匯聚網(wǎng)：信息匯聚網(wǎng)由若干匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，它是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的核心組成部分。匯聚節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)下層多個(gè)同構(gòu)或異構(gòu)子網(wǎng)的接入，因此信息匯聚網(wǎng)是屏蔽下層子網(wǎng)差異性的關(guān)鍵，信息匯聚節(jié)點(diǎn)通過多信道結(jié)構(gòu)來完成此功能。匯聚節(jié)點(diǎn)之間通過無線通信方式實(shí)現(xiàn)自組織組網(wǎng)，匯聚節(jié)點(diǎn)之間可以通過一跳或多跳方式傳遞信息。由于匯聚節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)相對較少，因此在實(shí)際應(yīng)用中可以考慮采用有線供電或配備大容量電池。

（3）傳感接入網(wǎng)：考慮到傳感器網(wǎng)絡(luò)既可能通過Internet、也有可能通過其它的專網(wǎng)互聯(lián)，為使互聯(lián)具有通用性，可以采用應(yīng)用網(wǎng)關(guān)的形式實(shí)現(xiàn)對外的互聯(lián)。應(yīng)用網(wǎng)關(guān)對外提供的是傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型的抽象和映像、屏蔽內(nèi)部具體的組網(wǎng)技術(shù)細(xì)節(jié)，從而達(dá)到具有通用性的互聯(lián)效果。

3.2 大型公共建筑內(nèi)大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡(luò)的可靠傳輸技術(shù)

由于大型建筑內(nèi)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一些特性限制，路由的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)方面：

①節(jié)省能量：無線傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，路由協(xié)議在保證信息正確傳遞的情況下，應(yīng)盡可能地減少節(jié)點(diǎn)的能量消耗。

②部署靜態(tài)：在室內(nèi)場景，節(jié)點(diǎn)采用手動部署方式，節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大，部署位置固定。

③動態(tài)性：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)的數(shù)目是動態(tài)變化的，良好的路由算法必須能夠適應(yīng)節(jié)點(diǎn)的加入或退出等造成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞淖兓?/p>

④覆蓋性：要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較好的覆蓋性，通過多跳或其他方式使得每個(gè)需要的信息都可以被順利采集，傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)

對于建筑中部分節(jié)點(diǎn)來說，大多節(jié)點(diǎn)地理位置信息都較為重要，獲取其地理位置信息，其采集的數(shù)據(jù)才有意義，地理位置是建筑能耗管理問題定位的重要信息。選擇適用的路由協(xié)議類型后，應(yīng)根據(jù)路由協(xié)議的特點(diǎn)，考慮路由算法。

4 數(shù)據(jù)處理

在建筑能耗監(jiān)測過程中，不同用途的傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)各不相同，數(shù)據(jù)具有異構(gòu)化的特征。隨著各種傳感器的使用和部署，系統(tǒng)將產(chǎn)生大量結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理層對這些異構(gòu)化的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效建模與融合、高效存儲以及分析挖掘，為建筑節(jié)能的智能決策控制與信息服務(wù)奠定基礎(chǔ)。

4.1 異構(gòu)化的傳感器數(shù)據(jù)決策級融合方法

決策級融合是高級別的數(shù)據(jù)融合方法，每個(gè)傳感器首先在本地完成預(yù)處理、特征抽取、識別或判決等基本處理，然后通過關(guān)聯(lián)處理進(jìn)行決策層融合判決并獲得聯(lián)合推斷結(jié)果?？紤]異構(gòu)感知數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系是隱式的、未知的，因此在進(jìn)行決策級融合之前，需要挖掘感知數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并將具備關(guān)聯(lián)關(guān)系的異構(gòu)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。在先驗(yàn)知識和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合獲取的異構(gòu)感知數(shù)據(jù)，利用多變量關(guān)聯(lián)分析算法來計(jì)算各個(gè)感知數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度并構(gòu)建其關(guān)聯(lián)關(guān)系圖模型。以各個(gè)感知數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)度作為融合依據(jù)并進(jìn)行決策層融合判斷與推理。

4.2 海量的大型公共建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲技術(shù)

采用傳統(tǒng)FC SAN（光纖存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)）構(gòu)建PB級容量的存儲系統(tǒng)，建設(shè)費(fèi)用極高，而且在傳輸性能和擴(kuò)展能力方面也難以滿足海量數(shù)據(jù)的處理和傳輸要求，因而需要一種適合海量建筑能耗與環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的分布式存儲架構(gòu)，該存儲架構(gòu)滿足海量數(shù)據(jù)的快速讀寫，并具備良好的彈性，可動態(tài)擴(kuò)展存儲容量及IO傳輸能力，并確保數(shù)據(jù)的冗余和安全。單純的HDFS分布式文件系統(tǒng)不適合實(shí)時(shí)應(yīng)用，但是具備低成本、易擴(kuò)展、高性能、高可靠的特點(diǎn)。而傳統(tǒng)的集中存儲（FC SAN）雖然成本、擴(kuò)展性和傳輸帶寬受到限制，但是非常適合需要低時(shí)延快速讀寫大量小文件的實(shí)時(shí)應(yīng)用。因此，可設(shè)計(jì)一種HDFS和FC SAN相結(jié)合的“在線—?dú)w檔”二級存儲架構(gòu)HMISA（Hybrid Medical Image Storage Architecture）。整個(gè)架構(gòu)分成兩個(gè)層次：底層是數(shù)據(jù)存儲層，上層是文件訪問組件層。

5 應(yīng)用服務(wù)

應(yīng)用服務(wù)層在信息感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸與數(shù)據(jù)處理三個(gè)層次的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)大型公共建筑能耗的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)集中監(jiān)測與智能控制；對建筑能耗組成、變化趨勢、關(guān)鍵耗能設(shè)備、能耗因素等進(jìn)行綜合分析，形成節(jié)能策略與方案；對建筑能耗情況進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測；為政府、公眾提供公開、共享的大型建筑能耗數(shù)據(jù)，大幅提升整個(gè)建筑的運(yùn)營管理水平和能效利用水平，推進(jìn)社會節(jié)能減排工作。各部分應(yīng)用功能簡要介紹如下：

（1）能耗監(jiān)測：對傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能儀表所采集的制冷、供熱、照明，通風(fēng)，遮陽設(shè)備的實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)與建筑內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程集成展示，實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測建筑各類設(shè)備當(dāng)前能耗情況，了解大型公共建筑關(guān)鍵能耗設(shè)備與歷史能耗數(shù)據(jù)變化曲線等。

（2）能耗智能控制：根據(jù)建筑內(nèi)部實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，基于專家知識規(guī)則庫與能耗優(yōu)化模型，對各種耗能設(shè)備進(jìn)行智能控制，如根據(jù)光照情況調(diào)整室內(nèi)燈光；根據(jù)室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度調(diào)整空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)工作狀態(tài)，等等。

（3）節(jié)能分析：能夠多維度（時(shí)間、區(qū)域、建筑類型、能耗分類分項(xiàng)及建筑物等）查詢所需數(shù)據(jù)，分析關(guān)鍵耗能設(shè)備及其耗能特點(diǎn)，對不同的建筑類型、建筑、區(qū)域等用能情況進(jìn)行對比分析，找出某時(shí)段及某區(qū)域的用能高峰，挖掘節(jié)能潛力。

（4）能耗預(yù)測：根據(jù)獲取的大型建筑各類耗能設(shè)備歷史能耗數(shù)據(jù)，對不同建筑類型及其主要耗能設(shè)備的能耗特點(diǎn)進(jìn)行描述建模，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立建筑能耗預(yù)測模型，為制定可持續(xù)的城市能源發(fā)展規(guī)劃提供支持。

6 結(jié) 語

本文研究并提出基于物聯(lián)網(wǎng)的大型公共建筑能耗監(jiān)測與節(jié)能服務(wù)系統(tǒng)平臺，該系統(tǒng)涵蓋大型公共建筑中各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的信息感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用服務(wù)。通過對建筑各類耗能設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的綜合分析與處理，實(shí)現(xiàn)大型公共建筑的能耗監(jiān)測、節(jié)能分析、智能控制、能耗預(yù)測與信息服務(wù)，大幅提升整個(gè)建筑的運(yùn)營管理水平和能效利用水平，從而為建立城市大型公共建筑能耗管理體系、解決能源矛盾和建筑節(jié)能奠定一定基礎(chǔ)。

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