劉晏然

（安百拓（南京）建筑礦山設(shè)備有限公司,江蘇 南京 210000）

1 引言

移動通信基站運轉(zhuǎn)消耗大量電能，基站的節(jié)能降耗問題長期困擾通信運營商，隨著5G 時代的到來，該問題日益突出。據(jù)測算，5G 基站密度更大，且能耗是4G 基站的3 倍左右[1]，5G 網(wǎng)絡(luò)的基站經(jīng)營成本將大幅提高，通信運營商均在尋求多種途徑推動基站節(jié)能降耗。

其中，電池管理系統(tǒng)（BMS）是一種能夠有效輔助基站節(jié)能降耗的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)手段，也逐漸成為基站建設(shè)的主要配套設(shè)施。基站BMS 監(jiān)控機房內(nèi)的空調(diào)及多種設(shè)備的工作狀態(tài)、溫濕度及電池的電壓＼電流等數(shù)據(jù)，結(jié)合峰谷平周期及電費等參量，通過人工智能算法生成最優(yōu)化的電池調(diào)度策略，可有效降低基站的電費支出[2]。

5G 基站密度更大，掛載的設(shè)備種類和數(shù)量更多，同時，近年來基于云計算技術(shù)的分布式基站BMS 發(fā)展迅速，通過大范圍的基站規(guī)?；悄軈f(xié)同工作可進一步降耗[3]，這就需要基站BMS 的承載能力及與不同類型終端快速適配能力更強。而目前多數(shù)BMS 系統(tǒng)為封閉或半封閉狀態(tài)，不同廠家之間的終端類型、通信協(xié)議和數(shù)據(jù)存儲格式難以統(tǒng)一標準，單個系統(tǒng)的承載和可擴容能力有限，當(dāng)終端數(shù)量和類型出現(xiàn)爆發(fā)式增長時，系統(tǒng)擴容升級成本急劇增加，該問題隨著5G 基站的規(guī)模建設(shè)日益突出。

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺可承載海量物聯(lián)網(wǎng)終端接入，并向開發(fā)者提供IaaS、PaaS 等多個層面的服務(wù)，還支持多種開發(fā)方式和開發(fā)工具，可助力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用快速構(gòu)建和高效運營，能夠有效解決上述問題，逐漸成為市場上新興的信息基礎(chǔ)設(shè)施，各大通信運營商及互聯(lián)網(wǎng)頭部企業(yè)、創(chuàng)新型企業(yè)均推出了此類平臺。國內(nèi)市場影響力較大的有亞馬遜IoT、阿里L(fēng)ink、中國電信的CTWing 和中國移動的OneNet等；國際市場中，AT&T 和愛立信推出了SEP 平臺，德國電信發(fā)布了Cumulocity 服務(wù)物聯(lián)網(wǎng)和智慧城市，SK Telecom 與DaliWorks 聯(lián)合推出了ThingPlug，提供物聯(lián)公共服務(wù)。Verizon 自主研發(fā)了ThingSpace 平臺來簡化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)部署。

2 研究

采用運營商的物聯(lián)網(wǎng)使能平臺，并研究基于該平臺構(gòu)建通信基站BMS 的技術(shù)路徑和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一套適用于基站蓄電池管理的BMS 系統(tǒng)用于實際項目，并對比了采用物聯(lián)網(wǎng)使能平臺開發(fā)BMS與傳統(tǒng)開發(fā)模式之間的差異。

2.1 物聯(lián)網(wǎng)使能平臺關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺可提供以數(shù)據(jù)存儲和應(yīng)用開發(fā)為基礎(chǔ)的PaaS 服務(wù)能力，能夠有效降低物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)難度，縮短應(yīng)用開發(fā)時間，降低應(yīng)用開發(fā)、測試和運行整體成本[4]，并可增加系統(tǒng)整合敏捷度。同時能夠基于云基礎(chǔ)設(shè)施實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用占用資源的彈性伸縮、動態(tài)調(diào)度、優(yōu)化資源利用率[5]。

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺具備的關(guān)鍵能力，見表1。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺的基站BMS

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺發(fā)揮了終端與應(yīng)用系統(tǒng)之間的中間件作用，實現(xiàn)了終端與應(yīng)用的解耦，文中通過平臺提供的SDK 進行終端與平臺的對接，并采用平臺標準化接口開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，實現(xiàn)了基站BMS 系統(tǒng)，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺的基站BMS 結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 終端對接

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺針對常見的通信協(xié)議，提供了相應(yīng)的終端開發(fā)SDK，文中的物聯(lián)網(wǎng)終端主要采用LWM2M、ModBus 兩種協(xié)議進行對接，其中空調(diào)、溫濕度監(jiān)控以及消防監(jiān)控、門禁等終端產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較小，數(shù)據(jù)上報頻率低且時延不敏感，可通過窄帶NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)上報數(shù)據(jù)。供電監(jiān)控、天線監(jiān)控等終端數(shù)據(jù)實時性要求較高，采用串口通信并通過以太網(wǎng)與平臺進行對接，見表2。

表2 基站BMS 常見終端通信方式及協(xié)議

2.2.2 應(yīng)用開發(fā)

采用物聯(lián)網(wǎng)使能平臺開放的標準API 進行終端數(shù)據(jù)的獲取，工作指令的下發(fā)等操作，并基于平臺提供的地圖、AI、數(shù)據(jù)分析等API 實現(xiàn)應(yīng)用的功能。應(yīng)用系統(tǒng)使用Java 語言開發(fā)，包括后端Web 服務(wù)，前端Web 用戶界面以及手機App 應(yīng)用等。

2.2.3 系統(tǒng)部署

應(yīng)用系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)使能平臺提供的托管服務(wù)進行部署，運行在平臺提供的云容器內(nèi)，通過平臺提供的工具，能夠較快速實現(xiàn)應(yīng)用程序包上傳、部署、運行并實時監(jiān)控應(yīng)用的工作狀態(tài)。

2.2.4 模式比較

基于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺進行基站BMS 的搭建，由于平臺提供了標準化的接口進行終端適配，并提供終端模擬工具輔助應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)，因此終端的適配和應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)可以同步進行。在終端與平臺適配后，即在平臺中自動進行數(shù)字化建模，形成終端物模型，復(fù)合物模型的同類型終端接入平臺不需要重復(fù)聯(lián)調(diào)即可正常工作，開發(fā)效率得到提升。當(dāng)升級系統(tǒng)功能時，僅需將相關(guān)的接口以及物模型的參數(shù)進行調(diào)整，即可快速迭代功能。

在應(yīng)用系統(tǒng)的部署方面，使用了物聯(lián)網(wǎng)使能平臺提供的云化容器，可實時監(jiān)控應(yīng)用的工作狀態(tài)，并可根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)的負載需要，動態(tài)化調(diào)整占用的云資源，平臺可進行全天候的應(yīng)用系統(tǒng)智能化托管，系統(tǒng)的整體運維時間和人工成本大幅降低。

在開發(fā)人工智能等技術(shù)門檻較高的功能方面，物聯(lián)網(wǎng)使能平臺提供了標準化能力接口，經(jīng)過樣本訓(xùn)練，可輔助BMS 應(yīng)用系統(tǒng)在較短時間內(nèi)形成智能化工作機制，根據(jù)基站工作的時空分布差異和網(wǎng)絡(luò)負荷變化，采用智能化的調(diào)度策略，盡可能降低能耗成本[6]，（見表3）。

表3 兩種BMS 開發(fā)模式對比

3 案例

某大型電池商采用基于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺開發(fā)的BMS 用于基站合同能源管理，如圖2 所示。第一步根據(jù)商用模型，選擇小批量基站試點運行，通過樣本訓(xùn)練系統(tǒng)，逐步優(yōu)化用電峰段、谷段的充放電切換閾值、蓄電池組的放電深度等方案，基于峰谷電價智能化調(diào)節(jié)降低電費；并可通過智能化調(diào)節(jié)基站空調(diào)的運轉(zhuǎn)模式，進一步降低基站的能耗。預(yù)計該基站BMS 系統(tǒng)需接入全國范圍內(nèi)約11.54 萬座基站的數(shù)據(jù)，考慮冗余量，模擬了20 萬個基站接入BMS 的壓力測試，系統(tǒng)可依托物聯(lián)網(wǎng)使能平臺動態(tài)擴容，運行良好。

圖2 基站機房電池監(jiān)控效果

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺將物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)過程中常見的比較煩瑣、機械重復(fù)但又非常耗費開發(fā)成本的一些操作（如設(shè)備管理和數(shù)據(jù)處理）等進行了提煉和封裝，形成了通用性的服務(wù)能力，開發(fā)者可以使用這些能力高效地實現(xiàn)設(shè)備的適配、管理以及數(shù)據(jù)的清洗、流轉(zhuǎn)、存儲等動作，可有效降低開發(fā)難度。

基于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺進行通信基站BMS 開發(fā)，經(jīng)實測，開發(fā)周期從平均約90d 縮短到了約60d，時間成本降低了約30%。同時，基于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺的通信基站BMS 在運行時，系統(tǒng)開銷可根據(jù)終端數(shù)量動態(tài)伸縮，接入的基站數(shù)量大規(guī)模增加時僅需應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)的配置，無需額外的開發(fā)工作，系統(tǒng)的運行成本大幅降低，基于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺進行通信基站BMS 的開發(fā)，是一種較為經(jīng)濟的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)開發(fā)模式。