陳克勝（廣東盈嘉科技工程發(fā)展股份有限公司，廣東廣州510075）

能源大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

陳克勝
（廣東盈嘉科技工程發(fā)展股份有限公司，廣東廣州510075）

針對(duì)電信運(yùn)營商自身節(jié)能減排需要和所服務(wù)不同社會(huì)用戶及政府能源管理機(jī)構(gòu)對(duì)能耗信息服務(wù)的不同需求，提出建立電信運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合云計(jì)算的能源大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。首先，概述了課題開發(fā)背景和能源大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)；其次，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹；接著，對(duì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了探討。最后，對(duì)研究做了總結(jié)。

分項(xiàng)計(jì)量；節(jié)能減排；物聯(lián)網(wǎng)；移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)；云計(jì)算；大數(shù)據(jù)

0　前言

集中式的管理和維護(hù)模式秉承樹立綠色、低碳發(fā)展理念，是響應(yīng)國家節(jié)能減排號(hào)召的重要實(shí)踐。建設(shè)基于電信運(yùn)營商物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合云計(jì)算技術(shù)的能源管理系統(tǒng)非常必要，以從機(jī)房/基站數(shù)據(jù)中獲得能夠真正反映設(shè)備運(yùn)行狀況的有效信息，利用在線能耗數(shù)據(jù)挖掘分析結(jié)果，輔助實(shí)現(xiàn)依據(jù)用能設(shè)備的負(fù)荷變化來動(dòng)態(tài)優(yōu)化用能設(shè)備的配電，大幅度減少電能消耗并為優(yōu)化能源管理的決策提供科學(xué)支持，在滿足通信業(yè)務(wù)發(fā)展的前提下盡量節(jié)省資源，以提升通信運(yùn)營商的社會(huì)形象和競爭優(yōu)勢[1]。

1　數(shù)據(jù)感知采集和物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)技術(shù)

（1）數(shù)據(jù)感知采集[2]

本論文采集數(shù)據(jù)包括通信機(jī)房和通信基站兩大類用能場所，具體為列頭柜、機(jī)柜、空調(diào)、照明、辦公插座等設(shè)備的能耗，還可以通過IPMI接口采集服務(wù)器設(shè)備的功率、溫度、CPU使用率、內(nèi)存使用率、風(fēng)扇工作參數(shù)等服務(wù)器狀態(tài)數(shù)據(jù)。具體技術(shù)設(shè)計(jì)思路如下。

①通過利用智能電表、傳感器、變送器、以及物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)等采集設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將機(jī)房/基站內(nèi)空調(diào)、照明、電源、主設(shè)備和辦公插座等子系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)集成到統(tǒng)一的管理平臺(tái)進(jìn)行智能監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和調(diào)度管理。

②構(gòu)建更加全面的傳感網(wǎng)絡(luò)，包括溫濕度傳感網(wǎng)，氣流傳感網(wǎng)，做到對(duì)用能場所的更全面感知?？梢酝ㄟ^傳感器的安裝，相當(dāng)于給機(jī)房裝了一個(gè)很精準(zhǔn)的CT，對(duì)機(jī)房實(shí)現(xiàn)多角度旋轉(zhuǎn)、縮放觀察的虛擬三維清晰圖像，溫濕度怎樣，空調(diào)是否處于合理狀態(tài)，都能夠看得一清二楚。

③對(duì)用能場所內(nèi)的設(shè)備全面采用RFID技術(shù)進(jìn)行識(shí)別和管理，以準(zhǔn)確全面獲取設(shè)備的屬性及與相關(guān)能耗數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系

④主設(shè)備的能耗則是必須要采集到的重要數(shù)據(jù)，以支持能耗的精細(xì)化分析和控制。比如服務(wù)器的能耗數(shù)據(jù)，就需要通過各種合適的途徑獲得。通過ipmi接口可以獲得部分?jǐn)?shù)據(jù)，還可以考慮通過硬件芯片的方式獲得。

圖1　傳感器節(jié)點(diǎn)體系結(jié)構(gòu)示意圖

利用IPMI接口可采集到服務(wù)器的靜態(tài)信息，包括CPU、內(nèi)存、硬盤、光驅(qū)、網(wǎng)卡、顯卡、操作系統(tǒng)、RAID卡、PCI附加卡等信息；采集的動(dòng)態(tài)信息包括機(jī)箱內(nèi)溫度、主板、CPU、SCSI模組、風(fēng)扇板等的溫度、輸入電壓、功率、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、內(nèi)部直流電壓以及CPU利用率、內(nèi)存利用率、硬盤I/O訪問流量等系統(tǒng)資源信息、硬盤驅(qū)盤器（已用空間、剩余空間）、網(wǎng)絡(luò)情況（連接狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)帶寬、入/出流量、入/出實(shí)際帶寬）、平均負(fù)載（指的是在一定觀察時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)內(nèi)總進(jìn)程數(shù)、正在運(yùn)行的進(jìn)程數(shù)平均值）。通過采集到的服務(wù)器的靜態(tài)信息，有利于機(jī)房將來做資源管理的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；而采集服務(wù)器的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，一方面通過服務(wù)器溫度信息來實(shí)現(xiàn)機(jī)房的溫度云場，另一方面通過計(jì)算服務(wù)器的能耗為設(shè)備級(jí)的能耗趨勢分析提供數(shù)據(jù)。

（2）網(wǎng)絡(luò)層和數(shù)據(jù)處理層

數(shù)據(jù)處理服務(wù)系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的預(yù)處理工作。從感知層出來的能耗數(shù)據(jù)，按規(guī)章和策略過濾，能耗數(shù)據(jù)在處理中要進(jìn)行聚合、融合、清洗、壓縮、匯聚，校驗(yàn)等重要工作，對(duì)上層應(yīng)用系統(tǒng)的有效分析和使用提供了重要條件。

通過能耗專用及多功能智能融合網(wǎng)關(guān)能提供統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換與傳輸，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)能耗數(shù)據(jù)的收集/下發(fā)與傳輸。實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的多路分發(fā)。能耗數(shù)據(jù)除了能為中心云平臺(tái)分析使用外，還能為其他系統(tǒng)所用（比如動(dòng)環(huán)監(jiān)控），實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的能耗數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，監(jiān)視管理和控制等作用。

海量能耗數(shù)據(jù)的通信，實(shí)現(xiàn)用能設(shè)備間信息的交換，需實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，即非ip的傳感網(wǎng)和ip傳感網(wǎng)之間，傳感網(wǎng)和ip接入網(wǎng)，ipv4和ipv6協(xié)議之間的互聯(lián)互通，包括應(yīng)用協(xié)議，消息格式的互操作。傳感器網(wǎng)有專門的路由協(xié)議（能量效率路由協(xié)議，在多數(shù)時(shí)間處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)的路由協(xié)議，數(shù)據(jù)知識(shí)路由協(xié)議等[3-4]。

圖2　物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集技術(shù)適用范圍示意圖

在建立用能場所的能耗模型時(shí)，需充分考慮并表達(dá)空調(diào)、照明、電源、主設(shè)備和辦公插座等各用能分量單元個(gè)體之間的關(guān)系特別是直接的關(guān)系，同時(shí)把間接的關(guān)系通過模型的辦法推導(dǎo)出來。各個(gè)用能分量單元除實(shí)時(shí)收集的時(shí)空數(shù)據(jù)之外，還表達(dá)了它們之間的連結(jié)關(guān)系。模型本身有充分的能力來表達(dá)直接關(guān)系，以方便推理間接關(guān)系。按業(yè)務(wù)需求建立模型，模型優(yōu)化方案，提煉模型并驗(yàn)證模型。數(shù)據(jù)挖掘必須與具體的業(yè)務(wù)相結(jié)合進(jìn)行應(yīng)用，并進(jìn)行跟蹤評(píng)估效果，持續(xù)不斷地完善模型，總結(jié)和反饋。本論文中通過耗能點(diǎn)分析、耗能量聚類與預(yù)測，發(fā)現(xiàn)耗能異常的原因及影響能耗的相關(guān)因子，從而找到改善能耗的節(jié)能要素。同時(shí)對(duì)故障設(shè)備進(jìn)行故障原因分析，查找設(shè)備異常的原因，及時(shí)進(jìn)行調(diào)整以達(dá)到節(jié)約成本，提高設(shè)備運(yùn)行效率的目的[5]。

（3）物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)

目前獲取能耗數(shù)據(jù)的主要手段是通過智能計(jì)量采集裝置（智能電水汽表）的計(jì)量及物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)自動(dòng)采集分量計(jì)量能耗數(shù)據(jù)。作為中國移動(dòng)及其他電信運(yùn)營商龐大規(guī)模的能耗采集工程，從工程適用性和投資成本方面考慮，依據(jù)中國移動(dòng)集團(tuán)設(shè)計(jì)院能耗采集規(guī)范制定的專用能耗采集設(shè)備（“智能采集終端”設(shè)備，以下簡稱能耗采集單元ESU），本論文采用廣東盈嘉科技工程發(fā)展股份有限公司的物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)——MP3000智能協(xié)議轉(zhuǎn)換器。如圖3所示，該智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)向多區(qū)域能管中心、省能管中心、國家能管中心同時(shí)分發(fā)報(bào)送數(shù)據(jù)，支持多種工業(yè)協(xié)議的接入、智能儀表的接入、采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換及控制管理，具有存儲(chǔ)1個(gè)月以上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，提供12路數(shù)據(jù)通訊接口，滿足通過公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)、有線或無線發(fā)送數(shù)據(jù)的技術(shù)要求。

主要功能如下：

①邏輯控制功能：邏輯控制是可訂制的業(yè)務(wù)功能，如根據(jù)采集器采集的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行智能控制空調(diào)啟停。一個(gè)DO口的輸出可以根據(jù)多個(gè)AI/ DI輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷后符合輸出條件再輸出。

②支持通過以太網(wǎng)口，將設(shè)備采集的數(shù)據(jù)多路分發(fā)的功能。

③設(shè)備支持采集的數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)，WEB方式配置，具備網(wǎng)管功能；

④支持SNMP協(xié)議；支持遠(yuǎn)程在線升級(jí)功能；支持時(shí)鐘同步功能。

圖3　物聯(lián)網(wǎng)智能網(wǎng)關(guān)采集設(shè)備連接拓?fù)涫疽鈭D

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（1）平臺(tái)總體架構(gòu)

大數(shù)據(jù)能源管理系統(tǒng)采用云計(jì)算模式的設(shè)計(jì)方式[6]?？蓪⑵脚_(tái)按IaaS、PaaS、SaaS分成三層規(guī)劃，分別解決資源共享、平臺(tái)共享、服務(wù)共享的問題。該設(shè)計(jì)模式有利于降低建設(shè)成本、提高系統(tǒng)靈活性，便于數(shù)據(jù)和服務(wù)的管理和共享，如圖4所示。

能耗采集層通過物聯(lián)網(wǎng)智能感知及虛擬化能源管理平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)，提供按需可配的計(jì)算和存儲(chǔ)資源，具備平滑的擴(kuò)展能力。

能源管理云平臺(tái)服務(wù)層提供應(yīng)用部署、管理及云平臺(tái)監(jiān)控功能，考慮到技術(shù)及業(yè)務(wù)未來發(fā)展變化所帶來的平臺(tái)的彈性要求，采用SOA理念設(shè)計(jì)，減少各子系統(tǒng)在技術(shù)上的相互依賴性。

能源管理系統(tǒng)軟件服務(wù)層由能管中心和第三方軟件開發(fā)企業(yè)開發(fā)相應(yīng)的能源管理分析軟件模塊，接入中心能源管理大數(shù)據(jù)云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)快速軟件開發(fā)和部署。該中心軟件主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)、檢索查詢、能耗數(shù)據(jù)圖表生成、數(shù)據(jù)挖掘、聚類分析、能耗模型預(yù)警、能耗數(shù)據(jù)在線監(jiān)測，節(jié)能規(guī)劃業(yè)務(wù)的辦理和流程管理，對(duì)外服務(wù)的數(shù)據(jù)接口，以及包括監(jiān)控管理中心、大屏幕呈現(xiàn)、桌面客戶端、移動(dòng)客戶端、短信、郵件等各類前端軟件的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

云平臺(tái)整體提供數(shù)據(jù)安全管理及用戶管理，由于能耗數(shù)據(jù)一般都有一定的涉密屬性，需要對(duì)能耗數(shù)據(jù)傳輸、存儲(chǔ)、分析、以及使用的過程進(jìn)行全流程安全規(guī)劃和管理，以保證關(guān)鍵數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)接口的安全。平臺(tái)還具備用戶權(quán)限管理及審計(jì)診斷功能。整個(gè)系統(tǒng)以數(shù)據(jù)倉庫為基礎(chǔ)[7]，以云計(jì)算平臺(tái)為支撐，結(jié)合ETL和并行數(shù)據(jù)挖掘開發(fā)套件，打造出高性能，高實(shí)時(shí)性，高靈活性的新一代基于“云”計(jì)算的能源大數(shù)據(jù)綜合管理系統(tǒng)云平臺(tái)。按照技術(shù)發(fā)展趨勢，采用如圖5所示系統(tǒng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流程。

圖4　大數(shù)據(jù)能源管理系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

圖5　系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程示意圖

（2）系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

大數(shù)據(jù)能源管理中心云平臺(tái)的主要功能可以劃分為五個(gè)模塊，包括數(shù)據(jù)采集模塊、能耗綜合管理模塊，大屏幕管理模塊、系統(tǒng)管理模塊和軟件平臺(tái)模塊，功能劃分如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)示意圖

（3）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本論文提出的大數(shù)據(jù)能源管理系統(tǒng)是以個(gè)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)分析的綜合能耗管理系統(tǒng)。

大范圍、多地域、全網(wǎng)同步的數(shù)據(jù)采集匯聚集中上傳需要性能水平極高的云網(wǎng)絡(luò)及云存儲(chǔ)資源，整體系統(tǒng)建設(shè)和運(yùn)維最適合由3大電信運(yùn)營商承擔(dān)，何況要對(duì)不同用能單位建立一一對(duì)應(yīng)的多維度關(guān)聯(lián)能耗排放模型，對(duì)自控可靠的用能單位要通過模型的仿真模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)相關(guān)用能設(shè)備實(shí)施反向開關(guān)待機(jī)操作，實(shí)現(xiàn)用能設(shè)備動(dòng)態(tài)能效優(yōu)化，這又需要極強(qiáng)大的云計(jì)算資源，這樣的操控實(shí)施更應(yīng)掌握在國有主流央企手中，3大運(yùn)營商的云計(jì)算資源基本有保證。電信運(yùn)營商已建設(shè)的網(wǎng)管系統(tǒng)和動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)運(yùn)營商自身能耗數(shù)據(jù)的采集及融合接入，政府發(fā)文強(qiáng)制重點(diǎn)能耗企業(yè)采用標(biāo)準(zhǔn)化物聯(lián)網(wǎng)采集網(wǎng)關(guān)及國標(biāo)智能電表無線接入此系統(tǒng)、或企業(yè)已有系統(tǒng)按統(tǒng)一能耗排放數(shù)據(jù)采集及接口標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范專線轉(zhuǎn)發(fā)接入此運(yùn)營商能源管理云平臺(tái)，運(yùn)營商收流量費(fèi)及功能費(fèi)。如用能戶使用能源審計(jì)診斷功能索取能源使用咨詢報(bào)告可另收咨詢費(fèi)等，政府向運(yùn)營商付財(cái)政補(bǔ)貼、維護(hù)費(fèi)、流量費(fèi)及服務(wù)費(fèi)購買服務(wù)，運(yùn)營商還可收能耗排放源數(shù)據(jù)交易費(fèi)并向政府交管理費(fèi)等。運(yùn)營商向系統(tǒng)技術(shù)供應(yīng)商支付開發(fā)費(fèi)及技術(shù)支撐費(fèi)等。

通信運(yùn)營商能源大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)掌握能耗情況、健全各用能設(shè)備實(shí)時(shí)能耗模型以進(jìn)行能源使用趨勢預(yù)測，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種用能設(shè)備的動(dòng)態(tài)優(yōu)化能耗管理及時(shí)采取調(diào)度措施，提高運(yùn)維部門管理水平，及時(shí)發(fā)現(xiàn)提前預(yù)報(bào)運(yùn)行設(shè)備故障，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，使各用能設(shè)備盡可能運(yùn)行在最佳狀態(tài)，并將對(duì)能耗的影響降到最低，符合國務(wù)院辦公廳十二五節(jié)能減排提出政策導(dǎo)向，履行企業(yè)節(jié)能減排的責(zé)任，為加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)做出貢獻(xiàn)。

能源管理大數(shù)據(jù)云平臺(tái)通過對(duì)大規(guī)模機(jī)房/基站的海量用能數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析、相關(guān)性分析、建立用能場所能耗模型，確立標(biāo)桿機(jī)房/基站。系統(tǒng)通過構(gòu)建能耗分析相關(guān)的理論知識(shí)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、專家經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)的定義、定理等組成知識(shí)庫，在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)、組織、實(shí)現(xiàn)和使用互相聯(lián)系的知識(shí)庫集合，有效地實(shí)現(xiàn)知識(shí)表現(xiàn)和推理，與數(shù)據(jù)挖掘和OLAP緊密結(jié)合，幫助用戶進(jìn)行分析，給出合理的結(jié)論和建議，提高社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[8]。

大數(shù)據(jù)分析采用了多種“ETL、分類、聚類、相關(guān)性分析”等多種數(shù)據(jù)挖掘算法[9]。采用的ETL工具有：OWB(Oracle Warehouse Builder)、ODI(Oracle Data Integrator)、Informatic PowerCent?er、AICloudETL、DataStage和DataSpider等。實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)抽取、清洗、選擇、轉(zhuǎn)換、知識(shí)發(fā)現(xiàn)等功能。ETL數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)方案如圖7所示。基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，項(xiàng)目建立了統(tǒng)一數(shù)據(jù)整合平臺(tái)。

數(shù)據(jù)可視化包括能耗數(shù)據(jù)分析的結(jié)果展示，提供通用和個(gè)性訂制化的數(shù)據(jù)分析服務(wù)，及自定義可視化報(bào)表等；以及用能場所3D場景及CFD溫度及能效云場呈現(xiàn)等。

圖7　ETL數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3　結(jié)束語

本論文設(shè)計(jì)的能源大數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)以物聯(lián)網(wǎng)感知采集能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)為支撐，結(jié)合ETL和并行數(shù)據(jù)挖掘開發(fā)套件，打造出高性能，高實(shí)時(shí)性，高靈活性的新一代基于物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合云計(jì)算技術(shù)的大數(shù)據(jù)能源管理系統(tǒng)。并逐步實(shí)現(xiàn)做為云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的具體應(yīng)用內(nèi)容實(shí)施運(yùn)行，利用云計(jì)算網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的多租戶功能，為通信運(yùn)營商及全社會(huì)其他用能單位，為節(jié)能減排政府管理機(jī)構(gòu)提供能耗分項(xiàng)計(jì)量統(tǒng)計(jì)分析、節(jié)能咨詢等服務(wù)。

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［9］趙法信，劉俊嶺.數(shù)據(jù)流聚類算法研究［J］.通化師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2006（02）：29-32.

(編輯：阮毅)

Implementation of Energy Data Management System

CHEN Ke-sheng
（GuangdongWincom Technology Developing Co.，Ltd.，Guangzhou510075，China）

For the telecom operators in their need for energy conservation and the social service of different users and different needs of government energymanagementmechanism of energy consumption information service，this paper presents the energy datamanagement system for telecom operators Internet based cloud computing.First，summarizes the related technology research and development background of energy data management system，secondly，introduces the system design，and then discusses the system implementation，finally，makesa summary of thisarticle.

submetering；conserveenergy and reduceemissions；Internetof things；mobile Internet；cloud computing；big data

TP3

A

1009－9492(2015)06－0024－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.06.006

2015－03－25

陳克勝，男，1972年生，重慶人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：半導(dǎo)體傳感與微電子、動(dòng)力設(shè)備及環(huán)境監(jiān)控、電信運(yùn)營商綜合能源管理。已發(fā)表論文2篇。