江浩

（1.上海電器科學研究所（集團）有限公司；2.上海電器科學研究院；3.上海市智能電網(wǎng)需求響應(yīng)重點實驗室國家能源智能電網(wǎng)用戶端電氣設(shè)備研發(fā)（實驗）中心，上海 200063）

基于標準化處理單元的新型分布式智能控制架構(gòu)實現(xiàn)了群智能控制的效果，以CPN作為區(qū)域控制網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)了分布式的集成管理。在控制空間中，各個組件擁有著相同的硬件，運行著相同的程序，并且在進行數(shù)據(jù)的綜合集成中具有著相同的數(shù)據(jù)架構(gòu)，每個CPN和相鄰的CPN進行數(shù)據(jù)交換，使得整體的聯(lián)動效率和控制效果得到了顯著的提升。在局部空間中，CPN能夠自動識別并發(fā)現(xiàn)空間內(nèi)的空調(diào)設(shè)備和傳感器硬件，實現(xiàn)了設(shè)備信息和數(shù)據(jù)的綜合集成，并且在網(wǎng)絡(luò)化的位置中儲存了相關(guān)的位置信息和連接關(guān)系，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的模式實現(xiàn)了全局智能的控制效果。因此整個控制系統(tǒng)不是中央集成控制，而是通過分布式智能控制的方式實現(xiàn)了系統(tǒng)的自組織和自操作。

1 群智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)樓控系統(tǒng)對比

群智能系統(tǒng)結(jié)合著分布式的標準化計算單元開展控制活動，節(jié)點之間進行并行協(xié)作式的工作能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)不同層級的控制目標，進而最大限度的滿足室內(nèi)人居環(huán)境的熱舒適需求。相比較于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)來說，其核心的特點在于控制對象的不同，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)參照著的是工業(yè)控制的樹形控制結(jié)構(gòu)，僅僅實現(xiàn)了單一控制流。而群控制的對象主要是建筑空間和整個建筑區(qū)域，每一個CPN能夠服務(wù)一個特定空間的所有機電設(shè)備和各類傳輸器，進而實現(xiàn)了自動辨識的效果，并且通過自動獲取的數(shù)據(jù)和先驗知識能夠準確的配置控制邏輯，最終生成相關(guān)的控制程序。

傳統(tǒng)的集中式控制存在著諸多問題，原有的自動監(jiān)控系統(tǒng)存在節(jié)點數(shù)量多調(diào)控工況策略復(fù)雜的問題，系統(tǒng)的設(shè)計往往缺乏標準化措施，算法的設(shè)計僅僅著眼于局部，導(dǎo)致通用性差，各個專業(yè)之間的架構(gòu)不夠統(tǒng)一，因此也導(dǎo)致信息的共享機制無法建立起來。同時控制策略無法充分的滿足運行的實際需求，導(dǎo)致運行管理人員無法根據(jù)現(xiàn)場的實際情況對控制策略進行優(yōu)化調(diào)整，更無法深度的系統(tǒng)進行綜合升級和改造。不同廠商之間的產(chǎn)品很難做到兼容，導(dǎo)致自動系統(tǒng)的設(shè)計難。

群智能技術(shù)作為暖通空調(diào)系統(tǒng)輸配的拓撲，這個過程中不需要對全局的網(wǎng)絡(luò)方程組進行構(gòu)建，每個節(jié)點中所運行的程序與系統(tǒng)架構(gòu)無關(guān)，因此標準化的程序可以預(yù)先進行開發(fā)，并且儲存在相關(guān)的智能節(jié)點里，無需工程師對具體項目進行編程和配置，有效的降低了配置系統(tǒng)的參數(shù)辨識難度。即便是系統(tǒng)端出現(xiàn)末端參數(shù)變化時，只要相關(guān)的CPN節(jié)點被正確的安裝和銜接，則相關(guān)程序可以不被重新編寫即可實現(xiàn)自動更新，有效的體現(xiàn)了自適應(yīng)和自集成的特點。

2 群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)原則

在算法優(yōu)化上，群智能做到了每個CPN算法都完全相同，同時對于系統(tǒng)的植入過程來說，每一個計算單元也可以被稱之為是“算子”，在不同的CPN結(jié)構(gòu)網(wǎng)格當中，CPN參照著“算子”的既定機制不斷的自組織系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個“算子”當中運行的都是相同的算法，這是群智能算法設(shè)計的關(guān)鍵所在。

因此在應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制過程中時，其主要參照的描述性原則如下：（1）CPN代表的是空間區(qū)域，連接所有控制設(shè)備、傳感設(shè)備以及機電設(shè)備；（2）相鄰CPN之間的連接映射關(guān)系代表物理空間中真實的幾何位置關(guān)系；（3）每個CPN只能獲取相鄰CPN的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并且以分布式的存儲形式存儲在智能網(wǎng)絡(luò)當中；（4）所有CPN并行計算中都采用相同的控制邏輯進行計算。為了更好的展示智能設(shè)備之間的銜接模式，其設(shè)備之間的組織模式可以借鑒管道之間的物理連接進行銜接，這樣的連接模式充分反映了機電設(shè)備本身的功能需求和設(shè)備間各個功能的配合需求，通過介質(zhì)流動的方向明確了能量流的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 輸配系統(tǒng)“流量-壓力”關(guān)系

為了更好的維持室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性，最大限度的降低輸配系統(tǒng)的能源消耗，對輸配系統(tǒng)的流量和壓力的優(yōu)化至關(guān)重要。對于群智能建筑的流量調(diào)節(jié)來說，通過基于流體網(wǎng)絡(luò)的方程分析能夠促進智能調(diào)控得以實現(xiàn)，在進行壓力和流量的辨識過程中，其控制方成應(yīng)該遵從設(shè)備運行的基本原理，在CPN的結(jié)構(gòu)硬件上也同樣預(yù)存了相同的計算方程，其控制方程為：

式中，QN為節(jié)點位置流向外部環(huán)境的流量，m3/h；Qi為從節(jié)點Ni向節(jié)點N的流量，m3/h；n是節(jié)點之間相鄰節(jié)點的數(shù)量，描述的是節(jié)點位置上的質(zhì)量守恒關(guān)系。

其中能量的平衡關(guān)系為：

式中，PN是節(jié)點位置處的壓力值，Pa；Pi是Ni的壓力值，Pa；Si是Ni和N之間的管道鏈接阻力參數(shù)。

CPN和相鄰之間的節(jié)點之間直接進行數(shù)據(jù)交換，各個節(jié)點之間不斷的進行數(shù)據(jù)更新，直到所有節(jié)點的控制方程收斂。

4 群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)

群智能的思路構(gòu)建來自于自然界中昆蟲群體的觀察，在群居動物中通過協(xié)作表現(xiàn)能夠展示出智能的特征被稱之為群智能。在底層架構(gòu)中綜合借鑒了群智能控制中較為先進的多Agent系統(tǒng)（MAS，Multiple Agent System），所有的Agent節(jié)點最終根據(jù)設(shè)備布局的空間關(guān)系形成了智能控制網(wǎng)絡(luò)，每個Agent來綜合的收集和處理各個空間內(nèi)的設(shè)備信息，并依據(jù)著建筑室內(nèi)環(huán)境的參數(shù)要求來反作用于本地控制設(shè)備。群智能控制的內(nèi)容要義里將建筑空間和各個專業(yè)機電系統(tǒng)劃分成了若干基本單元，并且為各個基礎(chǔ)單元都設(shè)置了一個“計算節(jié)點”CPN（Computing Process Node），實現(xiàn)了在空間單元內(nèi)的本地控制器的聯(lián)動控制，而后各個DCU都能夠與各自的CPN進行直接的數(shù)據(jù)銜接，參照著空間關(guān)系和設(shè)備的拓撲關(guān)系共同鏈接成了基礎(chǔ)的信息網(wǎng)絡(luò)，通過并行計算的形式完成了所有的計算任務(wù)，因此群智能平臺實現(xiàn)了即插即用和互聯(lián)互通的設(shè)備交互效果。

目前暖通空調(diào)系統(tǒng)的分布式控制優(yōu)化需要有協(xié)調(diào)器進行代理，需要將計算任務(wù)進行自定義分配，進而實現(xiàn)良好的分布式計算。而群智能的控制過程里無需要協(xié)調(diào)器，各個節(jié)點都能夠自組織和自協(xié)調(diào)的實現(xiàn)分布式計算，其智能控制節(jié)點如圖1所示。

圖1 CPN節(jié)點結(jié)構(gòu)

其中節(jié)點結(jié)構(gòu)上涵蓋數(shù)據(jù)處理器、存儲器以及通信接口，每個CPN內(nèi)都嵌入一個微型處理器，其子空間和設(shè)備的全部性能參數(shù)信息都可以直接的映射到對應(yīng)的CPN當中，并且為其直接預(yù)留了數(shù)據(jù)接口，各個CPN之間通過數(shù)據(jù)線之間進行數(shù)據(jù)交互。同時每個CPN還設(shè)置有相關(guān)的驅(qū)動單元DCU（Drive Control Unit），其中CPN和DCU之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信可以支持多種數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，實現(xiàn)了良好的交互。

5 群智能的信息流動參數(shù)布局

CPN的嵌入式操作系統(tǒng)明確了CPN之間的通信協(xié)議和計算模式等參數(shù)要求，其求解的過程里需要將任務(wù)進行逐級的分解，解析成一個按照特定執(zhí)行順序事件，最終形成穩(wěn)定的控制邏輯。其內(nèi)置的機電設(shè)備標準信息模型定義了各個基本單元的控制管理特性，實現(xiàn)了與智能設(shè)備的即插即用的效果。所有的CPN共同構(gòu)成了群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，進而代替了傳統(tǒng)集中式控制中的中央計算機的計算模式，使其分布式的計算過程更加靈活和更加強大。

從信息流的信息流動來說，系統(tǒng)的整體體現(xiàn)的是一種中央集成管理而分布式控制的信息流動架構(gòu)，底層節(jié)點之間實現(xiàn)了通訊連接，但是沒有進行自發(fā)的信息交互，各個節(jié)點彼此之間是獨立的狀態(tài)。即便是出現(xiàn)節(jié)點之間的決策信息矛盾時，則需要由上一級的節(jié)點進行處理，并且逐級進行上傳。參照著各個節(jié)點之間的功能劃分需求，節(jié)點之間的信息交互也不是完全通用的，因此需要在每個物理空間內(nèi)都設(shè)置一個智能硬件節(jié)點CPN，因此CPN也就成為了所在區(qū)域物理空間的“代理”，不僅能夠負責本地空間內(nèi)所有設(shè)備的智能控制，同時也實現(xiàn)了相鄰CPN空間的交互與協(xié)作，綜合的完成了局部空間內(nèi)被控系統(tǒng)和被控環(huán)境的分析和計算。由于每個CPN之前都與鄰居進行協(xié)作，因此整個系統(tǒng)構(gòu)成了區(qū)域計算的核心網(wǎng)絡(luò)，局部位置上的協(xié)作也可以實現(xiàn)整體的優(yōu)化，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)出的是扁平化和無中心化的特點，每個CPN的節(jié)點之間是平等的，能夠隨著建筑規(guī)模的變化而靈活的進行增減，實現(xiàn)了即插即用的功能效果。

6 群智能建筑機電系統(tǒng)的應(yīng)用核心

冷站是建筑制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，同時也是開展群智能硬件發(fā)展策略的關(guān)鍵硬件載體，冷凍站的運行標準已經(jīng)從保證設(shè)備穩(wěn)定運行、滿足終端設(shè)備用能需求轉(zhuǎn)變?yōu)閷崿F(xiàn)高效、節(jié)能、安全的發(fā)展要義。但是目前冷凍站目前采用的仍舊是集中式的發(fā)展架構(gòu)，具有著實用效果差以及通用效果差的特點，因此為了重點解決好這個問題，群智能建筑網(wǎng)絡(luò)平臺通過CPN的智能計算的單元實現(xiàn)了統(tǒng)一接口的運行模式。這個過程中，每一個智能設(shè)備都是平等獨立的個體，設(shè)備之間通過自組織和自識別的方法完成了整個冷站的優(yōu)化任務(wù)。

群智能系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)架構(gòu)，其功能要義上需要將建筑和機電系統(tǒng)劃分成為基本的建筑空間單元和機電單元，各個單元之間通過計算節(jié)點CPN來實現(xiàn)相互的協(xié)作，運行系統(tǒng)中的APP能夠自組織的實現(xiàn)各類控制功能。整個建筑及其機電系統(tǒng)可以被視作是建筑空間單元和機電設(shè)備單元共同耦合而成的，每個空間內(nèi)都安裝有CPN能夠有效的集成管理空間內(nèi)所有機電設(shè)備的各類參數(shù)信息，促進其形成具有拓撲關(guān)系的自連接網(wǎng)絡(luò)。通過APP的協(xié)同管理還能夠完善和優(yōu)化控制內(nèi)部發(fā)展邏輯，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各類機電設(shè)備的綜合控制管理。最終為建筑和城市管理控制提供了多元并且靈活開放的多元化信息平臺，滿足使用者和運維管理人員不同層次的使用需求。

7 結(jié)語

組合不同專業(yè)系統(tǒng)之間的海量信息，便于更好的對機電系統(tǒng)進行管理，使其能夠從傳統(tǒng)單一的縱向管理功能面向跨專業(yè)、多設(shè)備融合的方向上轉(zhuǎn)變，建筑內(nèi)部不同專業(yè)之間的信息共享已經(jīng)成為了現(xiàn)代建筑運行管理的必然趨勢，這是實現(xiàn)自動化和智能化發(fā)展要義的必然所在。其次在群智能的發(fā)展要義中，實現(xiàn)了即插即用的數(shù)據(jù)傳輸效果，能夠顯著的降低了現(xiàn)場的工作量，同時也便于后續(xù)的空間變更和二次裝修的需求。群智能的樓控軟件具有極強的自識別和自組網(wǎng)的能力，有利于設(shè)備硬件之間的高效協(xié)同，強化了各類信息數(shù)據(jù)輸入和輸出質(zhì)量，使得樓宇自控能夠更加具有集成和信息自識別的能力，促進了高效協(xié)同的工作。

未來的建筑機電智能控制需要有更加扁平化的系統(tǒng)架構(gòu)作為基礎(chǔ)，平等化、標準化以及網(wǎng)絡(luò)化的連接使其具有了更好的協(xié)同能力和信息存儲能力，在此基礎(chǔ)上只有CPN、主體設(shè)備、傳感器、執(zhí)行機構(gòu)等復(fù)合構(gòu)件能夠滿足其功能需求，各個智能設(shè)備之間通過CPN進行連接，實現(xiàn)了機電設(shè)備的即插即用和組網(wǎng)，在顯著提升系統(tǒng)運行效率的基礎(chǔ)上降低了能源消耗。