石 磊,王英明,程子清,寧群儀,黃嘉華

1(深圳市賽為智能股份有限公司 大數(shù)據(jù)研究院,深圳 518052)

2(安徽工業(yè)大學(xué) 工商學(xué)院 大數(shù)據(jù)實(shí)驗室,馬鞍山 243100)

1 需求分析

目前,我國每年竣工建筑面積約為20億m2,其中公共建筑約有4億m2.2萬m2以上的大型公共建筑面積占城鎮(zhèn)建筑面積的比例不到4%,但是能耗卻占到建筑能耗的20%以上,其中單位面積耗電量更是普通民宅的10到15倍.在公共建筑(特別是大型商場、高檔旅館酒店、高檔辦公樓等)的全年能耗中,大約50%～60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng),20%～30%用于照明.

在我國現(xiàn)有的約430億m2建筑中,只有4%采取了能源效率措施,單位建筑面積采暖能耗為發(fā)達(dá)國家新建建筑的3倍以上.根據(jù)測算,如果不采取有力措施,到2020年中國建筑能耗是現(xiàn)在的3倍以上.因此,做好大型公共建筑的節(jié)能管理工作,對實(shí)現(xiàn)“十一五”建筑節(jié)能規(guī)劃目標(biāo)具有重要意義[1-3].

2 系統(tǒng)總體框架

本系統(tǒng)將采用Webx框架進(jìn)行構(gòu)建[4],Webx是基于經(jīng)典MVC設(shè)計模式的Web框架,推崇頁面驅(qū)動和約定勝于配置的理念.Webx也是一個基于Spring的組件框架.組件是一個軟件包,它可以被其它組件擴(kuò)展,也可以擴(kuò)展其它組件.利用這些特性,Webx不僅能夠用來開發(fā)高度可定制的Web應(yīng)用,也能夠用來幫助你開發(fā)高度可擴(kuò)展的非Web的應(yīng)用.

將系統(tǒng)化的、嚴(yán)格約束的、可量化的方法應(yīng)用于軟件的開發(fā)、運(yùn)行和維護(hù),即將工程化應(yīng)用于軟件,借助科學(xué)軟件來管理軟件開發(fā)流程管理[5].

采集服務(wù)器的作用負(fù)責(zé)從采集器或集中器獲取能耗數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫服務(wù)器,Web服務(wù)器則負(fù)責(zé)系統(tǒng)的維護(hù)、分析等Web頁面實(shí)現(xiàn).

系統(tǒng)的采集部分采用兩種方式實(shí)現(xiàn),針對屏蔽較強(qiáng)的大樓,且具有合適的IP網(wǎng)絡(luò),盡量采用有線的方式實(shí)現(xiàn).對于不具備有線網(wǎng)絡(luò),施工難度大周期長的建筑物,同時沒有特別的屏蔽限制,可以考慮采用無線的方式實(shí)現(xiàn),無線采集的方式的優(yōu)點(diǎn)是可以大大降低施工難度和縮短實(shí)施工期,從而可以降低整個系統(tǒng)的總成本,但無線組網(wǎng)的無線集中器通過有線的方式與采集服務(wù)器相連從而保證集中器與采集服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸可靠性,這是因為無線集中器與采集服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)傳輸比較頻繁和數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于一個無線終端與集中器之間的數(shù)據(jù)量.

系統(tǒng)提供B/S訪問模式,任何地方只要有一臺可以上網(wǎng)的電腦即可訪問服務(wù)器,做到了真正的跨網(wǎng)絡(luò)、跨平臺訪問.能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)物理架構(gòu)圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)物理架構(gòu)圖

3 系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)

建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)是一個不斷在發(fā)展和完善的系統(tǒng),同時考慮的研發(fā)進(jìn)度及降低研發(fā)風(fēng)險,該系統(tǒng)的開發(fā)擬分成多個版本進(jìn)行迭代式開發(fā),不同版本必須確保是一個獨(dú)立可完整部署的系統(tǒng),每個升級版本需要涉及到重大功能或特性的提升.本系統(tǒng)的軟件架構(gòu)示意圖如圖2.系統(tǒng)分為3個模塊:能耗采集子系統(tǒng),業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)同步模塊.

3.1 能耗采集子系統(tǒng)

能耗采集子系統(tǒng)負(fù)責(zé)能耗數(shù)據(jù)的采集,支持通過有線或無線的方式采集能耗數(shù)據(jù),并將采集到的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng).采集子系統(tǒng)示意圖如圖3所示.

圖2 軟件架構(gòu)示意圖

圖3 采集子系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)解決方案以太網(wǎng)為主干網(wǎng),水電氣熱等現(xiàn)場表計具備RS485串行通訊接口,接入數(shù)據(jù)采集終端,數(shù)據(jù)采集終端連接就近的交換機(jī),分配相應(yīng)的IP地址,通過現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)即可將數(shù)據(jù)傳輸至抄表系統(tǒng)(可通過寬帶接入云服務(wù)器[6]),服務(wù)器端無需再安裝數(shù)據(jù)采集終端或集中器.

采集程序通過與串口服務(wù)器網(wǎng)絡(luò)連接,串口服務(wù)器再通過串口方式與終端設(shè)備連接,實(shí)時從串口服務(wù)器讀取終端設(shè)備上的各種參數(shù)數(shù)據(jù).其中所采集的數(shù)據(jù)需要通過算法轉(zhuǎn)換,再轉(zhuǎn)存到MySQL集群服務(wù)器中[7].其中主要的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換算法代碼如下:

采集子系統(tǒng)以Go開發(fā)語言REVEL WEB開發(fā)框架[8],Go語言是一種新的語言,一種高并發(fā)的、帶垃圾回收的、快速編譯的語言.因為采集程序?qū)Σl(fā)與穩(wěn)定要求比較高,所以當(dāng)初選擇技術(shù)架構(gòu)時,最終討論結(jié)果還是以Go語言為基礎(chǔ)架構(gòu).

3.2 業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)

業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)負(fù)責(zé)對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,同時支持無法自動采集的能耗數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)人工輸入能耗數(shù)據(jù).業(yè)務(wù)應(yīng)用子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對各種建筑物的資源管理、能耗預(yù)算模型配置、能耗預(yù)算、節(jié)能效果評估、能耗指標(biāo)分析、能耗預(yù)警、報表自定義、建筑物GIS能耗信息展示、統(tǒng)計及報警等功能.

業(yè)務(wù)子系統(tǒng)采用的技術(shù)為基于J2EE架構(gòu)的SSM免費(fèi)開源框架(Spring+Struts+MyBatis),實(shí)現(xiàn)的是免客戶端的B/S架構(gòu),數(shù)據(jù)庫選用MySQL或Oracle數(shù)據(jù)庫,開發(fā)工具采用Eclipse或MyEclipse,應(yīng)用服務(wù)器一般采用Tomcat (免費(fèi))或WebSphere、WebLogic (針對大規(guī)模項目可采用),操作系統(tǒng)可部署在Windows、Unix或Linux上.

3.3 數(shù)據(jù)同步模塊

數(shù)據(jù)同步模塊實(shí)現(xiàn)將本系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)上報至其他系統(tǒng),支持FTP、數(shù)據(jù)庫以及WebService等多種接口方式實(shí)現(xiàn)同步,并支持根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際的要求靈活定制.同步的間隔時間可配置.本模塊可根據(jù)具體項目進(jìn)行定制化開發(fā).

3.4 關(guān)鍵技術(shù)分析

采集程序:以Go語言技術(shù)開發(fā),通過協(xié)議讀取串口服務(wù)器再與RS485串口連接的終端設(shè)備.

數(shù)據(jù)儲存:終端設(shè)備點(diǎn)多,所需要采集的參數(shù)也很多,尤其是電表相關(guān)參數(shù),所以數(shù)據(jù)存儲是個關(guān)鍵技術(shù),本系統(tǒng)采用MySQL集群方式[9,10],通過MyCAT數(shù)據(jù)庫中間件,再結(jié)合HAProxy框架技術(shù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與讀取.數(shù)據(jù)庫集群架構(gòu)示意圖如圖4所示.

圖4 MySQL集群示意圖

MyCAT技術(shù):一個徹底開源的,面向企業(yè)應(yīng)用開發(fā)的大數(shù)據(jù)庫集群,支持事務(wù)、ACID、可以替代MySQL的加強(qiáng)版數(shù)據(jù)庫.用來替代昂貴的Oracle集群,融合了內(nèi)存緩存技術(shù)、NoSQL技術(shù)、HDFS大數(shù)據(jù)的新型SQL Server.結(jié)合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和新型分布式數(shù)據(jù)倉庫的新一代企業(yè)級數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品.其中的分區(qū)規(guī)則以時間、設(shè)備編號等.提高設(shè)備的查詢速度.

HAProxy技術(shù):HAProxy是一個使用C語言編寫的自由及開放源代碼軟件,其提供高可用性、負(fù)載均衡,以及基于TCP和HTTP的應(yīng)用程序代理.實(shí)現(xiàn)了一種事件驅(qū)動,單一進(jìn)程模型,此模型支持非常大的并發(fā)連接數(shù).HAProxy負(fù)責(zé)將請求分發(fā)到MyCAT上,起到負(fù)載均衡的作用,同時HAProxy也能檢測到MyCAT是否存活,HAProxy只會將請求轉(zhuǎn)發(fā)到存活的MyCATl上.如果一臺MyCAT服務(wù)器宕機(jī),HAPorxy轉(zhuǎn)發(fā)請求時不會轉(zhuǎn)發(fā)到宕機(jī)的MyCAT上,所以MyCAT依然可用.

3.5 技術(shù)對比

建設(shè)此系統(tǒng)方案同時參考以往的很多類似設(shè)計方案[11-14],在原基礎(chǔ)上不斷的改進(jìn)升級.使系統(tǒng)更加符合當(dāng)前需求及性能要求.從技術(shù)選型上選擇跨平臺易上手Java、Go等語言為基礎(chǔ).以往系統(tǒng)很多選擇ASP.NET語言局限在微軟平臺上運(yùn)行.數(shù)據(jù)庫存儲方便選擇開源免費(fèi)的MySQL集群方式,即保證大數(shù)據(jù)的存儲要求,又能降低成本.采集子系統(tǒng)采用模塊化開發(fā),降低系統(tǒng)耦合度,同時使系統(tǒng)更加易擴(kuò)展,后期有其它數(shù)據(jù)需要接入,同樣適用.依賴采集數(shù)據(jù)的積累,不僅僅只做統(tǒng)計分析功能,更進(jìn)一步為節(jié)能改造提供有力依據(jù).達(dá)到綠色低能耗建筑目標(biāo).

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)采用Java語言,在Webx框架下完成具體的系統(tǒng)功能,服務(wù)器采用Linux+Tomcat,數(shù)據(jù)庫采用MySQL.整體系統(tǒng)為B/S模式,客戶端為各種瀏覽器,方便跨平臺的用戶的使用.

本系統(tǒng)已成功在賽為智能大廈投入使用,通過本系統(tǒng)很方便的統(tǒng)計每日的用能情況,并可以通過不同的維度(樓層或部門)分別統(tǒng)計展示出各樓層或部門的能耗使用情況.

詳細(xì)系統(tǒng)使用情況及展示部分功能效果圖如圖5所示.

圖5 系統(tǒng)功用界面

建筑能耗系統(tǒng)從2017年在賽為智能大廈安裝運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 水電用量統(tǒng)計對比表

通過其中的水、電采集數(shù)據(jù)在同期兩個年度的對比發(fā)現(xiàn),整體能耗在下降的趨勢,主要依靠系統(tǒng)能夠?qū)崟r了解到當(dāng)前的能耗用量,能夠及時發(fā)現(xiàn)不必要的浪費(fèi)現(xiàn)象.通過技術(shù)加管理手段,初步達(dá)到一定的節(jié)能成效.下一步會根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對比分析出比較耗能環(huán)節(jié),再針對性的增加改造設(shè)備,達(dá)到節(jié)能減排效果.

5 結(jié)語

通過建筑能耗監(jiān)測管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r有效的采集到能耗數(shù)據(jù),并按各種分項維度統(tǒng)計分析各項用能情況和實(shí)時掌握建筑設(shè)施的實(shí)時運(yùn)行狀態(tài),及時發(fā)現(xiàn)問題,調(diào)整設(shè)備參數(shù).根據(jù)數(shù)據(jù)積累的統(tǒng)計值,進(jìn)行比對,找出設(shè)施的故障和資源消耗的異常,實(shí)施節(jié)能改造升級方案,提升建筑物的能效.