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(dòng)通信基站運(yùn)轉(zhuǎn)消耗大量電能，基站的節(jié)能降耗問題長(zhǎng)期困擾通信運(yùn)營(yíng)商，隨著5G 時(shí)代的到來，該問題日益突出。據(jù)測(cè)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(yíng)成本將大幅提高，通信運(yùn)營(yíng)商均在尋求多種途徑推動(dòng)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?；綛MS 監(jiān)控機(jī)房?jī)?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(fèi)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(fèi)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(shí)，近年來基于云計(jì)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)模化智能協(xié)同工作可進(jìn)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(qiáng)。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(chǔ)格式難以統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，單個(gè)系統(tǒng)的承載和可擴(kuò)容能力有限，當(dāng)終端數(shù)量和類型出現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)擴(kuò)容升級(jí)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(tái)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(gè)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(yùn)營(yíng)，能夠有效解決上述問題，逐漸成為市場(chǎng)上新興的信息基礎(chǔ)設(shè)施，各大通信運(yùn)營(yíng)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(tái)。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)影響力較大的有亞馬遜IoT、阿里L(fēng)ink、中國(guó)電信的CTWing 和中國(guó)移動(dòng)的OneNet等；國(guó)際市場(chǎng)中，AT&T 和愛立信推出了SEP 平臺(tái)，德國(guó)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(tái)來簡(jiǎn)化物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的開發(fā)部署。

2 研究

采用運(yùn)營(yíng)商的物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)，并研究基于該平臺(tái)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(shí)際項(xiàng)目，并對(duì)比了采用物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)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(tái)關(guān)鍵技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)可提供以數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)間，降低應(yīng)用開發(fā)、測(cè)試和運(yùn)行整體成本[4]，并可增加系統(tǒng)整合敏捷度。同時(shí)能夠基于云基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用占用資源的彈性伸縮、動(dòng)態(tài)調(diào)度、優(yōu)化資源利用率[5]。

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)具備的關(guān)鍵能力，見表1。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)的基站BMS

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)發(fā)揮了終端與應(yīng)用系統(tǒng)之間的中間件作用，實(shí)現(xiàn)了終端與應(yīng)用的解耦，文中通過平臺(tái)提供的SDK 進(jìn)行終端與平臺(tái)的對(duì)接，并采用平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)化接口開發(fā)應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)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(tái)的基站BMS 結(jié)構(gòu)圖

2.2.1 終端對(duì)接

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)針對(duì)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(jìn)行對(duì)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(bào)頻率低且時(shí)延不敏感，可通過窄帶NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)上報(bào)數(shù)據(jù)。供電監(jiān)控、天線監(jiān)控等終端數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性要求較高，采用串口通信并通過以太網(wǎng)與平臺(tái)進(jìn)行對(duì)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(tái)開放的標(biāo)準(zhǔn)API 進(jìn)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(tái)提供的地圖、AI、數(shù)據(jù)分析等API 實(shí)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(jī)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(tái)提供的托管服務(wù)進(jìn)行部署，運(yùn)行在平臺(tái)提供的云容器內(nèi)，通過平臺(tái)提供的工具，能夠較快速實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序包上傳、部署、運(yùn)行并實(shí)時(shí)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(tái)進(jìn)行基站BMS 的搭建，由于平臺(tái)提供了標(biāo)準(zhǔn)化的接口進(jìn)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(jìn)行。在終端與平臺(tái)適配后，即在平臺(tái)中自動(dòng)進(jìn)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(tái)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(jí)系統(tǒng)功能時(shí)，僅需將相關(guān)的接口以及物模型的參數(shù)進(jìn)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(tái)提供的云化容器，可實(shí)時(shí)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(fù)載需要，動(dòng)態(tài)化調(diào)整占用的云資源，平臺(tái)可進(jìn)行全天候的應(yīng)用系統(tǒng)智能化托管，系統(tǒng)的整體運(yùn)維時(shí)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(tái)提供了標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間內(nèi)形成智能化工作機(jī)制，根據(jù)基站工作的時(shí)空分布差異和網(wǎng)絡(luò)負(fù)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(duì)比

3 案例

某大型電池商采用基于物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)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(diǎn)運(yùn)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(jià)智能化調(diào)節(jié)降低電費(fèi)；并可通過智能化調(diào)節(jié)基站空調(diào)的運(yùn)轉(zhuǎn)模式，進(jìn)一步降低基站的能耗。預(yù)計(jì)該基站BMS 系統(tǒng)需接入全國(guó)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(gè)基站接入BMS 的壓力測(cè)試，系統(tǒng)可依托物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)動(dòng)態(tài)擴(kuò)容，運(yùn)行良好。

圖2 基站機(jī)房電池監(jiān)控效果

4 結(jié)論

物聯(lián)網(wǎng)使能平臺(tái)將物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)過程中常見的比較煩瑣、機(jī)械重復(fù)但又非常耗費(fèi)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(jìn)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(shí)現(xiàn)設(shè)備的適配、管理以及數(shù)據(jù)的清洗、流轉(zhuǎn)、存儲(chǔ)等動(dòng)作，可有效降低開發(fā)難度。

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