賈政方,賈宏俊

(山東科技大學(xué)泰安校區(qū) 資源與土木工程系,山東 泰安 271000)

0 引 言

工業(yè)化進(jìn)程的加快和城市文明的深化使得建筑能耗量逐年增加,對(duì)能源持續(xù)供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生了巨大阻力[1]。據(jù)估計(jì),截至2020年末,我國(guó)新增建筑面積將達(dá)到300 億m2,增加量為目前城鎮(zhèn)建筑面積的四分之三,快速增加的建筑面積將導(dǎo)致建筑耗能的激增。在這一背景下,實(shí)施建筑能耗監(jiān)測(cè)、統(tǒng)計(jì)和管理成為緩解社會(huì)發(fā)展與能源短缺矛盾的有效措施之一。對(duì)建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),能夠?qū)崟r(shí)統(tǒng)計(jì)建筑用能情況，發(fā)現(xiàn)建筑使用過程存在的問題,及時(shí)改善能耗設(shè)備的運(yùn)行狀況，有效提高能源利用率,對(duì)保證建筑能耗系統(tǒng)的平穩(wěn)、高效運(yùn)行具有重要意義[2]。

文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了一種基于決策樹方法的建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng),將決策樹方法與C4.5算法相結(jié)合,通過學(xué)習(xí)信息熵建立決策樹,利用關(guān)聯(lián)信息對(duì)大量建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種基于傳感器的建筑能耗智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),結(jié)合LM算法,通過全局尋優(yōu)過程實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗信息的智能監(jiān)測(cè),為建筑能耗控制提供數(shù)據(jù)支持。文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種基于RIA技術(shù)的建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng),利用Wed技術(shù)和X3D技術(shù)對(duì)大型公共建筑能耗信息進(jìn)行三維可視化采集,實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑節(jié)能監(jiān)控信息的管理。然而上述系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,對(duì)監(jiān)測(cè)指令的傳輸周期較長(zhǎng),導(dǎo)致監(jiān)測(cè)時(shí)效性較差。

文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一種建筑能耗數(shù)據(jù)分項(xiàng)監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng),將原本的總控方法轉(zhuǎn)變?yōu)閷ｍ?xiàng)能耗控制,在建筑內(nèi)設(shè)置分項(xiàng)能耗計(jì)量裝置,為實(shí)現(xiàn)能源消費(fèi)強(qiáng)度和消費(fèi)總量雙控制提供數(shù)據(jù)參考。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種公共建筑能耗特征采集監(jiān)測(cè)模型,選取溫度系數(shù)、人口稀疏和能源消費(fèi)彈性系數(shù)等指標(biāo)作為解釋變量,結(jié)合多元線性回歸分析法建立建筑能耗監(jiān)測(cè)模型。文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了一種利用BIM模型的建筑能耗靜態(tài)數(shù)據(jù)提取監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過擴(kuò)展BIM模型中的IFC標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建基于IFC標(biāo)準(zhǔn)的建筑能耗監(jiān)測(cè)靜態(tài)數(shù)據(jù)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗靜態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。然而上述系統(tǒng)對(duì)建筑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連接的精準(zhǔn)性較差,在對(duì)多項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的過程中易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、監(jiān)測(cè)不全面的現(xiàn)象。

文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了基于Wifi的建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用模塊組織,通過全橋電路實(shí)現(xiàn)能耗信息采集,并將信息傳輸至智能監(jiān)測(cè)分析模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。模塊間通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互通,完成對(duì)能耗信息的有效監(jiān)控。文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)了基于遺傳優(yōu)化決策樹的建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng),采用遺傳算法優(yōu)化梯度提高決策樹子樹的生成質(zhì)量,構(gòu)建線性回歸模型,利用決策樹獲取各狀態(tài)節(jié)點(diǎn)的能耗數(shù)據(jù),從而達(dá)到對(duì)建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的目的。然而上述系統(tǒng)同樣也存在數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性差的問題,且數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮臅r(shí)較長(zhǎng),導(dǎo)致整體監(jiān)測(cè)效率較低。

由于離散型布谷鳥算法涉及到的參數(shù)量較少,對(duì)隨機(jī)搜索路徑和新解的尋優(yōu)能力強(qiáng),因此,離散型布谷鳥算法在工程優(yōu)化、信息調(diào)度和數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域得以廣泛應(yīng)用[11-12]。為此,針對(duì)傳統(tǒng)建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的監(jiān)測(cè)指令傳輸周期長(zhǎng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性差的問題,引入離散型布谷鳥算法,設(shè)計(jì)一種新的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由離散拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集器、控制傳輸端3部分構(gòu)成,具體搭建方法如下。

1.1 離散型監(jiān)測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

離散型監(jiān)測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制中心、檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸層、監(jiān)測(cè)設(shè)備控制層和設(shè)備元件層4部分構(gòu)成,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 離散型監(jiān)測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖1中,建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制中心含有多種控制元件,可按照監(jiān)測(cè)投影設(shè)備中建筑耗能的變化情況更改控制局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸形式。監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)下屬的建筑監(jiān)測(cè)終端通過對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)備的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備元件層反饋信息的整合,并生成獨(dú)立的智能化建筑能耗數(shù)據(jù),按照監(jiān)測(cè)控制機(jī)的監(jiān)測(cè)部署標(biāo)準(zhǔn)將智能化建筑能耗數(shù)據(jù)逐級(jí)傳輸回監(jiān)測(cè)控制中心,進(jìn)而生成監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所需的監(jiān)測(cè)執(zhí)行指令。

1.2 建筑能耗數(shù)據(jù)采集器設(shè)計(jì)

在上述離散型監(jiān)測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,根據(jù)其連接需求布置建筑能耗數(shù)據(jù)采集器并設(shè)計(jì)智能傳輸端結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)硬件環(huán)境的搭建。

建筑能耗數(shù)據(jù)采集器以Campbell Scientific CR6芯片為核心設(shè)計(jì)元件,是離散型監(jiān)測(cè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的下屬裝置設(shè)備。利用RS485采集模塊連接智能控制傳輸端與核心指揮控制中心[13],并通過監(jiān)測(cè)端接口將監(jiān)測(cè)到的建筑能耗數(shù)據(jù)信息及時(shí)傳輸至各級(jí)應(yīng)用設(shè)備。其中的智能化模擬器可直接控制數(shù)據(jù)開關(guān)的“閉合”與“斷開”狀態(tài),并借助信息分析器消耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中與建筑能耗設(shè)備相關(guān)的信息記錄,利用數(shù)據(jù)接入節(jié)點(diǎn)建立與系統(tǒng)下一層應(yīng)用設(shè)備的物理連接[14-15]。

1.3 能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能傳輸端設(shè)計(jì)

能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)智能傳輸端由NEC D720200F1芯片、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、數(shù)據(jù)智能存儲(chǔ)模塊3部分構(gòu)成。其中,NEC D720200F1芯片負(fù)責(zé)與建筑能耗數(shù)據(jù)采集器建立物理連接,并將采集到的能耗數(shù)據(jù)信息整合成可獨(dú)立存儲(chǔ)的物理結(jié)構(gòu),以達(dá)到縮短監(jiān)測(cè)指令傳輸周期的目的。數(shù)據(jù)傳輸控制模塊與建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制中心的核心計(jì)算機(jī)相連,可通過直接調(diào)取監(jiān)測(cè)指令信息的方式對(duì)整個(gè)建筑能耗設(shè)備實(shí)施目的性監(jiān)測(cè),進(jìn)而提升系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過程數(shù)據(jù)連接的精準(zhǔn)性。數(shù)據(jù)智能存儲(chǔ)模塊與系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)相連,但因受到容量額度條件的限制,該設(shè)備結(jié)構(gòu)只能存儲(chǔ)可供智能控制傳輸端利用的數(shù)據(jù)信息[16-17],并在接收到系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指令后釋放信息參量,以保證系統(tǒng)監(jiān)測(cè)行為無障礙實(shí)施。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在上述硬件執(zhí)行環(huán)境的支持下,按照建筑能耗數(shù)據(jù)解碼、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)搭建、智能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)配置的流程實(shí)現(xiàn)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建,將軟、硬件執(zhí)行環(huán)節(jié)相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)對(duì)離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。

2.1 建筑能耗數(shù)據(jù)解碼

建筑能耗數(shù)據(jù)解碼過程需按照離散布谷鳥算法對(duì)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行拆卸處理,在最大化保留建筑能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)完整性的同時(shí),在監(jiān)測(cè)指令信息的指導(dǎo)下通過分項(xiàng)設(shè)計(jì)的方式設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。

引入離散布谷鳥算法,假設(shè)β0和β分別代表建筑能耗數(shù)據(jù)的原始序列和解碼后的序列,y代表離散布谷鳥算法的偏移權(quán)重。聯(lián)立上述變量,將離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)解碼過程表示為

(1)

式中:f代表監(jiān)測(cè)指令實(shí)施系數(shù),取值范圍為[0,1];P代表離散布谷鳥算法下監(jiān)測(cè)指令寄生巢選擇概率的實(shí)際偏移量;χ代表各指令信號(hào)的頻率分量;μ代表序列長(zhǎng)度。

由于原始建筑能耗數(shù)據(jù)與解碼后建筑控制數(shù)據(jù)具有不同的序列形式,因此,建筑能耗數(shù)據(jù)信息在智能化通信節(jié)點(diǎn)中可自由傳輸,故監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)行為不會(huì)隨數(shù)據(jù)序列形式的改變而產(chǎn)生變化[18-19]。即利用離散布谷鳥算法對(duì)建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼僅會(huì)影響監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的趨近行為,并不會(huì)引起數(shù)據(jù)序列形式內(nèi)容的變化。

2.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的搭建

建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)由本地存儲(chǔ)、集中式存儲(chǔ)、分布共享式存儲(chǔ)3種模式構(gòu)成,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中,本地存儲(chǔ)主要面向系統(tǒng)中的建筑能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)指令,可承接由傳輸控制端反饋回來的建筑能耗信息[21]。集中式存儲(chǔ)主要針對(duì)系統(tǒng)中的建筑能耗解碼數(shù)據(jù)與解碼過程占用的信息節(jié)點(diǎn),可按照系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)控制需求具體安排其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所處的位置,以此增強(qiáng)建筑能耗數(shù)據(jù)在硬件結(jié)構(gòu)間傳輸過程連接的精準(zhǔn)性。分布共享式存儲(chǔ)主要針對(duì)系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)指令執(zhí)行元件,可在離散式布谷鳥算法的支持下實(shí)施建筑能耗數(shù)據(jù)信息的計(jì)算處理,進(jìn)而求取到滿足連接標(biāo)準(zhǔn)的傳輸應(yīng)用指令[21-23]。

圖 2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成圖

2.3 智能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的配置

智能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的配置是基于離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程的末尾環(huán)節(jié),可根據(jù)智能傳輸控制端內(nèi)建筑能耗數(shù)據(jù)的傳輸情況選取局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的就近節(jié)點(diǎn)組織,并按需分配給相關(guān)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)。未被分配的節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)暫存于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中,同時(shí),也可根據(jù)監(jiān)測(cè)指令的上行答復(fù)與下行通知結(jié)果，將暫時(shí)保持傳輸狀態(tài)的建筑能耗數(shù)據(jù)推送至數(shù)據(jù)采集器內(nèi),再聯(lián)合系統(tǒng)內(nèi)部所有處于空閑狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)組織,完成由建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)控制中心計(jì)算機(jī)生成的監(jiān)測(cè)指令,實(shí)現(xiàn)一次完整的智能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)配置處理[24-25]。智能監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)配置的詳細(xì)操作過程如圖3所示。

圖 3 智能監(jiān)測(cè)控制節(jié)點(diǎn)配置過程示意圖

綜上所述,完成所有軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的設(shè)置,實(shí)現(xiàn)離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 檢測(cè)與分析

為突出說明所提的離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性,將文獻(xiàn)[5]的基于RIA技術(shù)的建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)、文獻(xiàn)[8]的利用BIM模型的建筑能耗靜態(tài)數(shù)據(jù)提取監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、文獻(xiàn)[10]的基于遺傳優(yōu)化決策樹的建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為對(duì)照,從監(jiān)測(cè)指令傳輸周期和數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性2個(gè)角度,將3種傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進(jìn)行性能對(duì)比。

3.1 環(huán)境搭建

實(shí)驗(yàn)在Microsoft Visual環(huán)境下進(jìn)行,硬件環(huán)境為3.54 GHz CPU,5.00 Byte RAM,通過串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)參數(shù)修改及數(shù)據(jù)讀取統(tǒng)計(jì)等功能。監(jiān)測(cè)過程中的建筑能耗數(shù)據(jù)可通過云環(huán)境反饋至核心主機(jī),并根據(jù)一定的整合分析標(biāo)準(zhǔn)生成所需的指標(biāo)變化曲線及表格。

3.2 監(jiān)測(cè)指令傳輸周期

監(jiān)測(cè)指令傳輸周期的長(zhǎng)短可影響整個(gè)監(jiān)測(cè)過程的耗時(shí),可用于判斷監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)效性。測(cè)試在建筑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)總量不斷增加的情況下,統(tǒng)計(jì)不同系統(tǒng)監(jiān)測(cè)指令傳輸周期的變化情況,結(jié)果如表1所示。

表 1 監(jiān)測(cè)指令傳輸周期統(tǒng)計(jì)對(duì)比結(jié)果

從表1可知,文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[10]系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指令傳輸周期較接近,基本維持在11.2～13.7 s之間,相比之下,文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指令傳輸周期較長(zhǎng),最短的傳輸周期也達(dá)到了14.6 s,在隨后的測(cè)試中，傳輸周期持續(xù)上升。而本文系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)指令傳輸周期在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì),但在中間出現(xiàn)小范圍的穩(wěn)定,監(jiān)測(cè)指令傳輸周期平均值為8.2 s,全局最大監(jiān)測(cè)指令傳輸周期僅達(dá)到8.8 s,明顯少于這3種傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。綜上可知,本文系統(tǒng)的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有縮短監(jiān)測(cè)指令傳輸周期的能力,有效提高了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的時(shí)效性。

3.3 數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性

對(duì)建筑能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行精準(zhǔn)連接，能夠有效避免監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、監(jiān)測(cè)不全面的現(xiàn)象。為此,測(cè)試在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不斷增加的情況下,不同系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性,結(jié)果如圖4所示。

圖 4 數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性對(duì)比結(jié)果

如圖4所示,隨時(shí)間的不斷增加,不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性也在不斷變化。文獻(xiàn)[5]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性較穩(wěn)定,基本保持在85.0%～87.5%之間,相比之下,文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[10]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性較低。而本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接精準(zhǔn)性先呈現(xiàn)小幅度的下降,隨后逐步上升,在第60 min時(shí),達(dá)到最大值92%,明顯高于這3種傳統(tǒng)系統(tǒng)。綜上可知,應(yīng)用本文系統(tǒng)的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠提升檢測(cè)數(shù)據(jù)連接的精準(zhǔn)性,有效避免了在監(jiān)測(cè)過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、監(jiān)測(cè)不全面的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語(yǔ)

在研究中發(fā)現(xiàn),在芯片與能耗數(shù)據(jù)采集器之間建立物理連接,并將數(shù)據(jù)信息整合成可獨(dú)立存儲(chǔ)的形式可有效縮短監(jiān)測(cè)指令的傳輸周期;通過直接調(diào)取監(jiān)測(cè)指令的方式可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)建筑能耗設(shè)備的分項(xiàng)監(jiān)測(cè),同時(shí),若結(jié)合監(jiān)測(cè)需求具體安排監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存位置,可使得系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)連接的精準(zhǔn)性大大提升。此外,為提高系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過程的無障礙性,應(yīng)及時(shí)在系統(tǒng)接收監(jiān)測(cè)指令后釋放信息參量,保證數(shù)據(jù)庫(kù)容量充足。然而,本文系統(tǒng)目前僅能對(duì)建筑能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行有效采集監(jiān)測(cè),難以完成對(duì)建筑能耗設(shè)備的調(diào)節(jié)和控制。因此,在未來的研究階段,將進(jìn)一步對(duì)本文系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化,以期實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑能耗的監(jiān)測(cè)和調(diào)控,有效改建筑善能耗設(shè)備的運(yùn)行狀況,提高能源利用率。