黃 宇

（廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530007）

0 引 言

建筑電氣設(shè)備能耗問(wèn)題對(duì)于建筑工程的建設(shè)發(fā)展至關(guān)重要，直接影響建筑工程建設(shè)的質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益[1]。當(dāng)前，我國(guó)建筑工程建設(shè)中，電氣設(shè)備節(jié)能減排的形勢(shì)相對(duì)嚴(yán)峻，能耗監(jiān)控任務(wù)較艱巨，難度較大[2]。建筑電氣設(shè)備能源使用效率相對(duì)較低，在能源管理方面缺乏合理的監(jiān)控方式，導(dǎo)致設(shè)備能源消耗的數(shù)目較多、范圍較廣泛，大量消耗了我國(guó)現(xiàn)有的建筑資源，不利于建筑工程行業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的發(fā)展目標(biāo)[3]。

現(xiàn)階段，我國(guó)在建筑電氣設(shè)備能源消耗方面的研究逐漸趨于成熟，然而針對(duì)高效監(jiān)控建筑電氣設(shè)備能耗方面的研究仍然不夠完善，主要體現(xiàn)在不能準(zhǔn)確地評(píng)估電氣設(shè)備運(yùn)行周期內(nèi)的能耗變化情況，能耗監(jiān)控結(jié)果的精度較低[4]。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)能夠有效改善這一問(wèn)題，通過(guò)設(shè)置相關(guān)的能耗閾值，對(duì)建筑電氣設(shè)備能源變化進(jìn)行全方位的監(jiān)控，使監(jiān)控結(jié)果的精度得到顯著提升[5]。

基于此，本文在傳統(tǒng)建筑電氣設(shè)備能耗監(jiān)控方法的基礎(chǔ)上，引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，提出了一種新的能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法，為建筑工程實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)作出貢獻(xiàn)。

1 建筑電氣設(shè)備能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法設(shè)計(jì)

1.1 建立電氣設(shè)備能耗異常監(jiān)控模型

本文設(shè)計(jì)的建筑電氣設(shè)備能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法中，能耗異常監(jiān)控模型作為遠(yuǎn)程監(jiān)控方法中的重要組成部分，對(duì)能耗的遠(yuǎn)程監(jiān)控具有較大影響。首先對(duì)建筑電氣設(shè)備運(yùn)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行全方位分析，獲取運(yùn)行中存在異常的部分。通常情況下，建筑電氣設(shè)備的能耗異常主要包括3種類型，即電氣設(shè)備空置異常、能耗規(guī)律變化異常、高能耗異常[6]?；跀?shù)據(jù)挖掘技術(shù)的原理，對(duì)3種類型的能耗異常情況進(jìn)行分析。

設(shè)備空置異常的表現(xiàn)形式為電氣設(shè)備運(yùn)行中能耗一直處于較低的情況，不容易被發(fā)現(xiàn)，引起這一現(xiàn)象的原因通常為建筑電氣設(shè)備使用后沒(méi)有及時(shí)關(guān)閉[7]。設(shè)備高能耗異常表現(xiàn)為能耗量在某一時(shí)刻急劇升高，超過(guò)監(jiān)控閾值且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)[8]。設(shè)備能耗變化規(guī)律異常較另外兩種能耗異常相比，整體能耗量數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)明顯，數(shù)據(jù)分析處理的難度較大。在獲取設(shè)備能耗異常類型的基礎(chǔ)上，提取能耗數(shù)據(jù)特征，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類[9]。

將電氣設(shè)備能耗量數(shù)據(jù)的表現(xiàn)形式轉(zhuǎn)換為具有一維時(shí)間序列的數(shù)據(jù)集，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，獲取設(shè)備低能耗量的判別表達(dá)式：

式中：E(i)表示建筑電氣設(shè)備能耗時(shí)間序列；Emin表示設(shè)備低能耗最小閾值；Emax表示設(shè)備低能耗最大閾值。在獲取低能耗判別表達(dá)式后，計(jì)算電氣設(shè)備能耗時(shí)間比，公式為：

式中：X表示建筑電氣設(shè)備能耗時(shí)間比；N表示建筑電氣設(shè)備能耗序列長(zhǎng)度。

通過(guò)計(jì)算獲取建筑電氣設(shè)備能耗時(shí)間比結(jié)果，將能耗時(shí)間比結(jié)果輸入到電氣設(shè)備能耗異常監(jiān)控模型中，為后續(xù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控提供基礎(chǔ)保障。

1.2 分析設(shè)備能耗數(shù)據(jù)離群點(diǎn)

基于上述電氣設(shè)備能耗異常監(jiān)控模型，依據(jù)模型中得到的設(shè)備能耗時(shí)間比，結(jié)合離群點(diǎn)檢測(cè)的原理分析建筑電氣設(shè)備數(shù)據(jù)離群點(diǎn)，遠(yuǎn)程判斷能耗數(shù)據(jù)是否處于正常范圍內(nèi)。

遠(yuǎn)程獲取建筑電氣設(shè)備的數(shù)學(xué)分布規(guī)律，設(shè)置數(shù)據(jù)識(shí)別異常點(diǎn)，控制能耗數(shù)據(jù)的分布密度[10]。采用局部密度式離群點(diǎn)檢測(cè)的原理，分析建筑電氣設(shè)備能耗數(shù)據(jù)密度分散的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算能耗數(shù)據(jù)局部離群因子，公式為：

式中：Fk(p)表示建筑電氣設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的能耗數(shù)據(jù)局部離群因子；lrdk(o)表示離群點(diǎn)o的離群程度；lrdk(p)表示離群點(diǎn)p的離群程度；Nk(p)表示離群點(diǎn)局部可達(dá)密度。

通過(guò)計(jì)算得出建筑電氣設(shè)備能耗數(shù)據(jù)局部離群因子，離群因子的數(shù)值越大，表明能耗數(shù)據(jù)異常的可能性越大，通過(guò)離群因子數(shù)值的大小遠(yuǎn)程判斷建筑電氣設(shè)備能耗異常的程度。

1.3 基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控能耗數(shù)據(jù)

在建筑電氣設(shè)備能耗數(shù)據(jù)離群點(diǎn)分析結(jié)束后，基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備能耗數(shù)據(jù)的變化情況。利用傳感器采集建筑電氣設(shè)備的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)作為遠(yuǎn)程監(jiān)控的項(xiàng)目指標(biāo)，如表1所示。

表1 能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控項(xiàng)目指標(biāo)

在此基礎(chǔ)上，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)設(shè)置能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控的閾值，閾值計(jì)算公式為：

式中：T(n)表示建筑電氣設(shè)備能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控閾值；P表示能耗節(jié)點(diǎn)異常的概率；r表示監(jiān)控周期。

根據(jù)上述計(jì)算獲取能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控的閾值，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控建筑電氣設(shè)備能耗數(shù)據(jù)與閾值之間的差異，實(shí)現(xiàn)建筑電氣設(shè)備能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控的目標(biāo)。

2 案例分析

2.1 案例實(shí)施準(zhǔn)備

為了對(duì)基于數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的建筑電氣設(shè)備能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法的可行性進(jìn)一步客觀分析，2019—2020年在某醫(yī)院綜合大樓進(jìn)行了改造，即所有用電設(shè)備上加裝測(cè)量能耗設(shè)備。

2.2 實(shí)施對(duì)象用電設(shè)備分析

實(shí)施對(duì)象系某醫(yī)院的綜合大樓，該大樓地面上有7層建筑，地下有2層。地下一層：車庫(kù)；地下二層：緊急時(shí)是人防中心醫(yī)院，平時(shí)就作為設(shè)備用房和部分車庫(kù)。地面一層：靜脈注射配置、急診、藥劑科、影像科、服務(wù)用房；地面二層：超聲配置檢查科、門(mén)診手術(shù)、窺鏡以及功能檢查室；地面三層：血透科和手術(shù)中心；地面四層：會(huì)議中心、病案室、醫(yī)療器材供應(yīng)中心以及信息中心；五層：婦產(chǎn)科；六、七層：住院病房。

該綜合大樓用電設(shè)備多樣復(fù)雜，不同設(shè)備使用環(huán)境及要求有很大差異，在此進(jìn)行實(shí)施方案具有廣泛應(yīng)用性。在《醫(yī)療建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ312—2013）的規(guī)定當(dāng)中：一級(jí)負(fù)荷、二級(jí)負(fù)荷均采用雙電源供電，同時(shí)還應(yīng)當(dāng)配備自投裝置；三級(jí)負(fù)荷則可用單電源供電。

該大樓涉及患者生命安全的場(chǎng)所，其照明及醫(yī)療設(shè)備為一級(jí)負(fù)荷當(dāng)中特別重要的負(fù)荷，包括術(shù)前準(zhǔn)備室、麻醉室、手術(shù)室、術(shù)后恢復(fù)室、血液透析室、重癥監(jiān)護(hù)室以及產(chǎn)房。影像科的診療設(shè)備及照明用電和以上場(chǎng)所的其他負(fù)荷為一級(jí)負(fù)荷；電梯、血庫(kù)、恒溫箱、潛污泵、病理、生活水泵、主要通道照明以及培養(yǎng)箱等用電為一級(jí)負(fù)荷；中心供應(yīng)、電子顯微鏡、影像科診斷設(shè)備以及凈化空調(diào)等用電為二級(jí)負(fù)荷；其他用電負(fù)荷則為三級(jí)負(fù)荷。

2.3 數(shù)據(jù)集獲取方式

醫(yī)院設(shè)備中的一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷是雙電源，雙電源處均應(yīng)加裝電流互感器配合單片微處理器芯片和專用的電能計(jì)量芯片得出總的能耗數(shù)據(jù)。同樣的，所有個(gè)體一級(jí)以及二級(jí)負(fù)荷設(shè)備均在其電源處采用此類獲取方式。

對(duì)于其他用電負(fù)荷類型為三級(jí)負(fù)荷的設(shè)備，在其插頭處采用定時(shí)計(jì)量插座，以此得出三級(jí)負(fù)荷設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)。

以此得出該醫(yī)院綜合病房大樓 2019—2020年使用電氣設(shè)備能耗量數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集中包括建筑電氣設(shè)備能耗日期、設(shè)備編號(hào)、每小時(shí)設(shè)備的能耗量以及設(shè)備能耗量經(jīng)過(guò)放大處理后的比率。

2.4 能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法的應(yīng)用

將本文設(shè)計(jì)的能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法應(yīng)用到該醫(yī)院建筑電氣設(shè)備中。建立該醫(yī)院電氣設(shè)備能耗異常監(jiān)控模型，在模型中輸入電氣設(shè)備能耗序列的初始數(shù)據(jù)，通過(guò)模型的轉(zhuǎn)換作用，對(duì)能耗初始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并從中提取能耗數(shù)據(jù)集的相關(guān)特征信息?；谀芎臄?shù)據(jù)集的特征信息，識(shí)別該醫(yī)院電氣設(shè)備能耗異常結(jié)果，不斷調(diào)整能耗監(jiān)控的相關(guān)參數(shù)，避免能耗監(jiān)控中存在參數(shù)缺失或錯(cuò)誤等情況。由于醫(yī)院的電氣設(shè)備的能耗受到運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行周期、使用頻率等因素的影響，為了提高能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控的準(zhǔn)確率，應(yīng)當(dāng)實(shí)時(shí)記錄能耗的差值平均量與能耗時(shí)間比，根據(jù)能耗波動(dòng)的幅度，設(shè)置閾值上限與下限，固定高能耗時(shí)閾值。設(shè)定遠(yuǎn)程監(jiān)控的準(zhǔn)確率、召回率作為建筑電氣設(shè)備能耗監(jiān)控的定量指標(biāo)，結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的相關(guān)原理，計(jì)算該醫(yī)院電氣設(shè)備能耗數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的準(zhǔn)確率，公式為：

式中：TP表示數(shù)據(jù)集監(jiān)控結(jié)果實(shí)際為正類的個(gè)數(shù)；TN表示數(shù)據(jù)集監(jiān)控結(jié)果實(shí)際為負(fù)類的個(gè)數(shù)；N表示數(shù)據(jù)集遠(yuǎn)程監(jiān)控總數(shù)。

該醫(yī)院的電氣設(shè)備能耗數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控的召回率計(jì)算公式為：

式中：FN表示數(shù)據(jù)集監(jiān)控結(jié)果預(yù)測(cè)為負(fù)類、實(shí)際為正類的個(gè)數(shù)。通過(guò)上述公式，獲取醫(yī)院電氣設(shè)備能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)果的定量指標(biāo)。

2.5 案例結(jié)果分析

為了驗(yàn)證本文提出的能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法的可行性，本案例采用對(duì)比分析的方法，將本文提出的能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法，與傳統(tǒng)的基于無(wú)線傳感網(wǎng)（Wireless Sensor Network，WSN）的電氣設(shè)備能耗監(jiān)控方法進(jìn)行對(duì)比，選取5組建筑電氣設(shè)備能耗數(shù)據(jù)集，分別對(duì)比兩種方法監(jiān)控結(jié)果的準(zhǔn)確率與召回率，結(jié)果如表2所示。

表2 兩種方法監(jiān)控結(jié)果準(zhǔn)確率與召回率對(duì)比

根據(jù)表 2 的實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，在兩種不同的電氣設(shè)備能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法中，本文設(shè)計(jì)的監(jiān)控方法遠(yuǎn)程監(jiān)控結(jié)果的準(zhǔn)確率均在95.02% 以上、召回率在93.16% 以上，與傳統(tǒng)方法相比更具有優(yōu)勢(shì)，可行性更高。

3 結(jié) 論

綜上所述，為了改善當(dāng)前電氣設(shè)備能源消耗量較大，不利于實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展、節(jié)能減排目標(biāo)的問(wèn)題，本文在傳統(tǒng)能耗監(jiān)控方法的基礎(chǔ)上引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，提出了一種新的電氣設(shè)備能耗遠(yuǎn)程監(jiān)控方法。通過(guò)本文的研究，有效提升了能耗監(jiān)控結(jié)果的準(zhǔn)確率與召回率，為建筑工程能源節(jié)約、提高建筑資源使用率提供了一定的保障。