尹祥軍， 馬曉平，2， 吳 鵬， 丁 俊

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

造船企業(yè)能源管理系統(tǒng)總體設(shè)計

尹祥軍1， 馬曉平1，2， 吳 鵬1， 丁 俊1

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003； 2.江蘇現(xiàn)代造船技術(shù)有限公司， 江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對造船企業(yè)對能源管理系統(tǒng)的功能需求，利用PlantUML軟件建立系統(tǒng)用例模型，清晰地描述系統(tǒng)用戶與系統(tǒng)功能之間的關(guān)系。在該用例模型的基礎(chǔ)上，完成能源管理系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)與架構(gòu)設(shè)計。

造船企業(yè)；能源管理系統(tǒng)；總體設(shè)計

0 引 言

造船企業(yè)的能源管理一直是易被忽略的問題，不論是在實際的生產(chǎn)管理中，還是在現(xiàn)場員工的節(jié)能意識等方面?！笆濉币詠?，國家對造船企業(yè)能源問題的重視，以及造船企業(yè)產(chǎn)能嚴(yán)重過剩問題的凸顯，在內(nèi)外雙重壓力影響下，造船企業(yè)紛紛開始重視船舶建造過程中的能源問題。據(jù)不完全統(tǒng)計，單船能源成本在造船企業(yè)的建造成本中占4%左右。因此，如何降低造船企業(yè)的能源消耗、提高能源利用效率，對提高造船企業(yè)的競爭優(yōu)勢具有重要意義。目前，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 2331-2012：能源管理體系要求》[1]，造船企業(yè)基本建立適合自身的能源管理體系，主要采用系統(tǒng)的管理方法來提高造船企業(yè)的能源績效，減少能源浪費(fèi)。但是，隨著造船企業(yè)信息化與工業(yè)化融合的不斷加深，僅僅依靠能源管理體系已經(jīng)不能滿足造船企業(yè)頻繁出現(xiàn)的能源管理問題。如何實現(xiàn)更加高效的能源管理，本文根據(jù)船舶工業(yè)4.0的啟示，提出造船企業(yè)能源信息化管理系統(tǒng)，對該信息化系統(tǒng)進(jìn)行總體設(shè)計，為造船企業(yè)能源管理信息化系統(tǒng)的開發(fā)提供指導(dǎo)。

1 系統(tǒng)需求分析

系統(tǒng)需求分析是系統(tǒng)在開發(fā)和設(shè)計前的準(zhǔn)備工作，明確系統(tǒng)需要實現(xiàn)何種功能。本文結(jié)合用戶對信息化系統(tǒng)的實際需求，對造船企業(yè)能源管理信息化系統(tǒng)提出整體要求[2]。

(1) 系統(tǒng)需要實現(xiàn)能源消耗數(shù)據(jù)自動采集，能耗指標(biāo)和目標(biāo)數(shù)據(jù)的自動計算，以及造船企業(yè)內(nèi)外部能源消耗狀況的需求報告和報表的自動生成；

(2) 針對系統(tǒng)角色的不同職能開放相應(yīng)的權(quán)限和功能；

(3) 系統(tǒng)操作簡便、流程規(guī)范、功能劃分明確、運(yùn)行安全，用戶通過系統(tǒng)實現(xiàn)造船企業(yè)內(nèi)部的信息維護(hù)和共享，以及各部門之間的協(xié)作辦公。

1.1 系統(tǒng)功能需求

系統(tǒng)功能需求是指系統(tǒng)需要實現(xiàn)的軟件功能。由于能源管理系統(tǒng)的最終目標(biāo)是實現(xiàn)造船企業(yè)和經(jīng)信委、節(jié)能監(jiān)察中心對能源使用和能源消耗報告和報表的需求，因此，根據(jù)造船企業(yè)內(nèi)外部報告和報表的需求，即可確定造船企業(yè)對能源管理系統(tǒng)的需求內(nèi)容，進(jìn)一步確定能源管理系統(tǒng)需要實現(xiàn)的功能。

(1) 能耗統(tǒng)計。系統(tǒng)需實現(xiàn)能源消耗量的自動采集和統(tǒng)計，針對各監(jiān)測點進(jìn)行實時能耗數(shù)據(jù)采集，分別按照年、季、月、周的周期進(jìn)行能源消耗量和綜合能耗的統(tǒng)計。

(2) 產(chǎn)量。系統(tǒng)需實現(xiàn)與工程管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接，自動提取各車間船舶產(chǎn)品當(dāng)期產(chǎn)量，進(jìn)而自動統(tǒng)計企業(yè)當(dāng)期的噸鋼量、能源噸鋼量、修正總噸、相對噸鋼量等數(shù)據(jù)。

(3) 能源成本。系統(tǒng)需實現(xiàn)與財務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對接，自動提取當(dāng)期企業(yè)的產(chǎn)值、工業(yè)增加值、綜合能耗成本、利潤、利稅等數(shù)據(jù)。

(4) 能耗指標(biāo)計算。系統(tǒng)需實現(xiàn)企業(yè)級、部門級和車間級的能耗指標(biāo)自動計算，如車間級單位產(chǎn)品綜合能耗、萬元產(chǎn)值綜合能耗等，并對當(dāng)期相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行同比和環(huán)比，主要能耗指標(biāo)和國家及省政府限額標(biāo)準(zhǔn)及先進(jìn)值進(jìn)行比較。

(5) 主要用能設(shè)備管理。系統(tǒng)需實現(xiàn)對造船企業(yè)主要用能設(shè)備臺賬信息的管理，同時對主要用能設(shè)備節(jié)能監(jiān)測的結(jié)果進(jìn)行分析及管理。

(6) 能源計量器具管理。系統(tǒng)需實現(xiàn)對造船企業(yè)的計量器具配備情況、計量器具狀態(tài)、計量器具檢測、計量器具臺賬以及計量器具網(wǎng)絡(luò)圖電子文檔等的管理。

(7) 節(jié)能技改項目管理。系統(tǒng)需實現(xiàn)對節(jié)能技改項目的管理，制定節(jié)能技改項目的實施計劃，對實施中的項目填寫執(zhí)行情況和后續(xù)進(jìn)度計劃。

(8) 報告和報表管理。根據(jù)內(nèi)外部報表和報告的內(nèi)容，制定系統(tǒng)報表和報告的模塊，在系統(tǒng)內(nèi)部將能耗指標(biāo)及其他的動態(tài)數(shù)據(jù)對接，實現(xiàn)報告和報表的自動生成。

1.2 系統(tǒng)需求模型

能源管理系統(tǒng)的需求模型是在初始需求分析的基礎(chǔ)上建立的功能模型，即建立用例模型。用例模型用PlantUML的用例圖描述。PlantUML是一個開源軟件，支持快速繪制時序圖、用例圖、組件圖等。

(1) 用戶挖掘。系統(tǒng)用戶是系統(tǒng)的直接參與者，系統(tǒng)用戶可以實現(xiàn)企業(yè)對系統(tǒng)的需求功能。根據(jù)需求功能的分析，能源管理系統(tǒng)的用戶分為：系統(tǒng)管理員、系統(tǒng)報告和報表維護(hù)員、系統(tǒng)報告和報表審核員、能源統(tǒng)計員、能源設(shè)備管理員、技改項目管理員和查詢用戶。

(2) 用戶分析。系統(tǒng)管理員系統(tǒng)是一個站在全局角度的角色，通常需維護(hù)系統(tǒng)正常有效運(yùn)行，分配系統(tǒng)權(quán)限。在能源管理系統(tǒng)中，系統(tǒng)管理員執(zhí)行的操作為2種：一是基礎(chǔ)設(shè)置，包含能源部門設(shè)置、能源種類設(shè)置；二是權(quán)限設(shè)置，包含用戶設(shè)置、角色管理和權(quán)限管理。

報告和報表維護(hù)員的權(quán)限是對系統(tǒng)的報告和報表模板進(jìn)行維護(hù)，對生成的報告和報表進(jìn)行編寫，并對審核不合格被退回的報告和報表進(jìn)行修改。

報告和報表審核員的權(quán)限是對系統(tǒng)生成的報告和報表進(jìn)行審核及審批，同時提供不合格報告和報表的修改意見。

能源統(tǒng)計員的權(quán)限是維護(hù)系統(tǒng)中各車間、主要用能設(shè)備及各能源的統(tǒng)計數(shù)據(jù)全面和準(zhǔn)確，同時核對能源指標(biāo)匯總的正確性和全面性。

能源設(shè)備管理員的權(quán)限是主要用能設(shè)備管理、能源計量器具管理。主要用能設(shè)備管理的執(zhí)行操作為主要用能設(shè)備的節(jié)能監(jiān)測結(jié)果及分析管理、主要用能設(shè)備臺賬管理；能源計量器具管理的執(zhí)行操作為計量器具配置管理、計量器具監(jiān)測管理和計量器具臺賬管理。

技改項目管理員的權(quán)限是維護(hù)節(jié)能技改項目的臺賬管理，制定節(jié)能技改項目的實施計劃，對實施中的項目填寫執(zhí)行情況和后續(xù)進(jìn)度計劃。

系統(tǒng)中有些用戶具有查詢功能，查詢的主要功能是報告和報表的查詢。

(3) 描述用例圖。根據(jù)用戶挖掘和用戶分析，利用PlantUML軟件進(jìn)行系統(tǒng)用例圖的繪制，該圖較清晰地描述系統(tǒng)用戶和系統(tǒng)功能之間的關(guān)系，如圖1所示。

圖1 能源管理系統(tǒng)用例圖

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 總體設(shè)計思路

能源管理系統(tǒng)總體設(shè)計以實現(xiàn)造船企業(yè)內(nèi)外部需求的報告和報表自動生成為核心。首先，系統(tǒng)自動實時采集造船企業(yè)各智能計量表監(jiān)測點的能耗數(shù)據(jù)，系統(tǒng)按區(qū)域車間和各能源總消耗分別進(jìn)行統(tǒng)計。其次，基于Matlab計算模型，根據(jù)不同接口提供的數(shù)據(jù)，計算出企業(yè)需要的能源指標(biāo)數(shù)據(jù)。最后，根據(jù)造船企業(yè)內(nèi)外部報表和報告的要求，自動在系統(tǒng)中提取需要的動態(tài)數(shù)據(jù)，形成企業(yè)報告和報表的自動輸出。

根據(jù)該設(shè)計理念設(shè)計的能源管理系統(tǒng)具有以下特點：

(1) 采集方式。該系統(tǒng)采用智能表計量，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的時間間隔自動實時采集各監(jiān)測點的能源消耗量，保證系統(tǒng)能源基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

(2) 能源指標(biāo)計算。該系統(tǒng)的所有數(shù)據(jù)計算都基于Matlab的計算模型，減少由于人工計算過程中造成的數(shù)據(jù)錯誤，計算方便快捷、準(zhǔn)確，且降低人工成本的投入。

(3) 報表和報告自動生成。自動生成造船企業(yè)需求的報告和報表，不僅減少人員的投入、降低管理成本，同時提高企業(yè)能源管理效率，增加管理人員的有效時間。

(4) 數(shù)據(jù)共享。所有在能源管理系統(tǒng)里的數(shù)據(jù)都可共享，企業(yè)能源管理者可以實時了解企業(yè)的能源消耗情況及主要用能設(shè)備和計量器具的使用狀況等，可為企業(yè)管理者在制定生產(chǎn)計劃和決策時提供依據(jù)。

(5) 系統(tǒng)操作。系統(tǒng)采用GUI操作界面，所有操作簡單快捷、易用，通過簡單培訓(xùn)就可熟練使用。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

能源管理系統(tǒng)是一個系統(tǒng)的工作，同船舶建造一樣，系統(tǒng)涉及多部門、多方面的工作。因此，有必要進(jìn)行系統(tǒng)功能模塊劃分，明確各模塊的功能。根據(jù)系統(tǒng)的功能需求，將系統(tǒng)功能劃分為能源統(tǒng)計、能源指標(biāo)匯總、報告和報表、能源管理、基礎(chǔ)管理等模塊，如圖2所示。

圖2 能源管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

能源管理系統(tǒng)功能模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下：

能源統(tǒng)計模塊的主要功能是自動統(tǒng)計企業(yè)各能源消耗、車間各能源消耗和主要設(shè)備能耗，同時可查詢周、月、季、年的能源消耗[3]。

能源指標(biāo)匯總模塊的主要功能是匯總企業(yè)級和車間級的能源指標(biāo)，為報告和報表需要的指標(biāo)數(shù)據(jù)提供支撐。

報告和報表模塊為該系統(tǒng)的核心模塊，也是該系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)的最終目標(biāo)。該模塊主要實現(xiàn)的功能有兩部分：一是自動生成企業(yè)內(nèi)部需求的報告和報表；二是自動生成企業(yè)外部需求的報告和報表。系統(tǒng)報告和報表審核員對生成的報告和報表進(jìn)行審批，然后發(fā)布，不合格的則被退回，系統(tǒng)報告和報表維護(hù)員對其進(jìn)行修改，然后再審核。系統(tǒng)報告和報表維護(hù)員對該模塊有編制、修改和查看的操作權(quán)限，查詢用戶只有查詢和瀏覽的權(quán)限，其業(yè)務(wù)流程的時序圖如圖3所示。

圖3 報告和報表模塊流程

能源管理模塊是維護(hù)系統(tǒng)中的主要用能設(shè)備、能源計量器具、管理落后淘汰設(shè)備和節(jié)能技改項目。能源設(shè)備管理員主要執(zhí)行的是編制主要用能設(shè)備的節(jié)能監(jiān)測的結(jié)果及分析，維護(hù)主要用能設(shè)備的臺賬，維護(hù)落后淘汰設(shè)備相關(guān)的法律法規(guī)及其他要求，在檢索時，設(shè)置參數(shù)條件，管理檢索結(jié)果。同時，根據(jù)造船企業(yè)能源計量器具的實際情況維護(hù)系統(tǒng)中計量器具的配置情況、計量器具的監(jiān)測、計量器具的臺賬。技改項目管理員主要執(zhí)行的是維護(hù)節(jié)能技改項目，制定技能技改項目計劃，編制實施中項目的執(zhí)行情況及項目后續(xù)進(jìn)度的計劃。能源設(shè)備管理員和技改項目管理員對相應(yīng)的信息資源具有增、刪、改、查的操作權(quán)限。

基礎(chǔ)管理模塊分為兩部分：一是基礎(chǔ)設(shè)置；二是權(quán)限設(shè)置?；A(chǔ)設(shè)置執(zhí)行的操作是能源部門的設(shè)置和能源種類的設(shè)置。權(quán)限設(shè)置主要執(zhí)行的是用戶設(shè)置、角色管理和權(quán)限管理。系統(tǒng)作為造船企業(yè)的信息化工作平臺，面對的是企業(yè)所有員工，由于每個員工的職能不同，必然系統(tǒng)所允許的權(quán)限不同，因此，此系統(tǒng)采用RBAC的系統(tǒng)角色授權(quán)模型，該模型的特點是采用“用戶-角色-權(quán)限”的系統(tǒng)角色管理模式，具有方便擴(kuò)展性和便捷性。根據(jù)該授權(quán)模型，每個系統(tǒng)用戶根據(jù)各自的職能分配相應(yīng)的系統(tǒng)角色，相應(yīng)的角色被授予不同的系統(tǒng)操作功能，每個系統(tǒng)用戶所能訪問到的內(nèi)容與各自的角色所授予的權(quán)限相關(guān)。

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)采用的架構(gòu)模式為分層架構(gòu)，該種架構(gòu)模式能實現(xiàn)問題的局部化，因此很多應(yīng)用程序系統(tǒng)均采用分層架構(gòu)。其優(yōu)點在于：由于問題作為一個整體具有復(fù)雜性，可將這個整體分別封裝在不同的層中，每層所使用的技術(shù)大致相同，所要解決的功能也具有類似性和相關(guān)性，這樣化整為零，使復(fù)雜問題層次化、靈活化進(jìn)而簡單化，提高系統(tǒng)功能的擴(kuò)展性和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可維護(hù)性。

依據(jù)本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模塊的劃分，職責(zé)的不同和系統(tǒng)的交互功能，對該系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)層次架構(gòu)，依次為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)訪問層，如圖4所示。

圖4 能源管理系統(tǒng)的層式結(jié)構(gòu)

由圖4可知，系統(tǒng)數(shù)據(jù)流是從表現(xiàn)層到業(yè)務(wù)層，再到數(shù)據(jù)訪問層，然后到達(dá)數(shù)據(jù)庫。

其中，表現(xiàn)層充當(dāng)系統(tǒng)的界面呈現(xiàn)以及用戶界面(User Interface, UI)邏輯的角色，通常UI屬于表現(xiàn)層。但是，在實際生產(chǎn)過程中，為了節(jié)省后置隱藏代碼，把對于UI的控制邏輯(服務(wù)器控件的讀取、設(shè)置、事件等)寫在頁面的后置隱藏代碼中，并且依賴業(yè)務(wù)邏輯層。因此，將表現(xiàn)層分為UI用戶界面以及UI邏輯。UI用戶界面的職責(zé)只是作為系統(tǒng)用戶的交互，系統(tǒng)用戶將請求命令輸入并傳給后臺，系統(tǒng)后臺處理后展示給用戶輸出結(jié)果。UI邏輯的職責(zé)是負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)邏輯層以及UI用戶界面之間的數(shù)據(jù)交互，并且盡可能地讓UI邏輯不依賴于UI技術(shù)[4]。

業(yè)務(wù)層是系統(tǒng)按業(yè)務(wù)的過程處理從表現(xiàn)層傳來的數(shù)據(jù)，并與下層的數(shù)據(jù)訪問層交互。業(yè)務(wù)層關(guān)注的是業(yè)務(wù)實體建模的對象模型，表達(dá)系統(tǒng)需求的業(yè)務(wù)規(guī)則等，因此，業(yè)務(wù)層也叫領(lǐng)域?qū)印?/p>

數(shù)據(jù)訪問層直接操作數(shù)據(jù)庫，主要作為數(shù)據(jù)的讀取和寫入，另外還包含事務(wù)處理、并發(fā)控制等，同時提供外部系統(tǒng)的各種接口。

圖5為造船企業(yè)能源管理系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)圖。

圖5 能源管理系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)圖

3 結(jié) 論

本文從提高造船企業(yè)能源管理效率出發(fā)，對能源管理系統(tǒng)的功能進(jìn)行需求分析，然后利用PlantUML建立需求功能模型，依據(jù)該功能模型，完成能源管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和架構(gòu)設(shè)計。該能源管理系統(tǒng)總體設(shè)計不僅為造船企業(yè)能源信息化管理系統(tǒng)的開發(fā)提供指導(dǎo)，也為其他行業(yè)在能源管理信息化系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.能源管理體系要求:GB/T 23331-2012[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2012.

[2] 王宇. 企業(yè)信息管理系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D]. 上海：東華大學(xué), 2014.

[3] 楊悅. 選礦生產(chǎn)過程能源管理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[D]. 沈陽：東北大學(xué), 2007.

[4] 李曉智. 基于經(jīng)費(fèi)管理的分布式快速開發(fā)框架研究[J]. 信息系統(tǒng)工程, 2015(8):114.

GeneralDesignofEnergyManagementSysteminShipbuildingEnterprise

YIN Xiangjun1， MA Xiaoping1,2， WU Peng1， DING Jun1

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China; 2.Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co., Ltd., Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)

The functional requirements of energy management system in shipbuilding enterprise are analyzed. A system case model is established by PlantUML software, which describes the relationship between the user and system function clearly. Based on the case model, the function structure and schema design of energy management system are completed.

shipbuilding enterprise; energy management system; general design

尹祥軍(1991-)，男，碩士研究生，研究方向為船舶制造

1000-3878(2017)06-0082-06

U673

A