淺談大數(shù)據(jù)在公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用與實踐

劉丹

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了解決當(dāng)前公共建筑能耗居高不下的突出問題，借助當(dāng)前信息化技術(shù)手段，圍繞公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)應(yīng)用，從監(jiān)測系統(tǒng)的總設(shè)計框架入手，分別就物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)采集器設(shè)計方式、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)庫部署方式分別進(jìn)行了深入研究，同時又從安全領(lǐng)域?qū)诖髷?shù)據(jù)的公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用保障做出了探究，結(jié)果表明在建立一套科學(xué)完備的公共建筑能耗監(jiān)測體系時以上各部分，且意義非凡。

關(guān)鍵詞：大數(shù)據(jù)；公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計

引言

       隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰飛，帶動著各行各業(yè)都發(fā)展的如火如荼．尤其是在能源行業(yè)方面，生活水平的 進(jìn)步促使著我國企業(yè)和居民的能源需求越來越高， 但這同樣也給能源供應(yīng)方面造成了相當(dāng)大的壓力， 所以節(jié)能減排勢在必行．而我國公共建筑的能耗問 題十分突出，并且公共建筑內(nèi)的檢測系統(tǒng)不夠完善，無法對公共建筑的能耗數(shù)據(jù)做出深度總結(jié)，致使節(jié)能工作困難重重．另一方面，大數(shù)據(jù)作為信息技術(shù)的前沿方向，越來越多地受到國內(nèi)研究者們的關(guān)注，本文正是將公共建筑能耗監(jiān)測與大數(shù)據(jù)技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)建出一套科學(xué)完備的檢測系統(tǒng)用以公共建筑的節(jié)能減排。

一、公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中的大數(shù)據(jù)

       公共建筑內(nèi)的能耗監(jiān)測大數(shù)據(jù)共分為兩類：一類是基于能耗監(jiān)測系統(tǒng)本身所采集的內(nèi)部數(shù)據(jù)； 另一類是來自公共服務(wù)部門、地理信息系統(tǒng)、氣象信息系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)的外部數(shù)據(jù)．這兩類數(shù)據(jù)看似不相干，實則彼此影響，比如地形條件、氣象條件都會 影響公共建筑的能源使用情況．所以基于大數(shù)據(jù)的公共建筑能耗檢測系統(tǒng)就需要將這兩類信息存儲、解析、挖掘和融合，最終變成可視化的數(shù)據(jù)，讓管理者能夠直觀的接收信息。

       同時公共建筑耗能巨大，傳統(tǒng)的能耗監(jiān)測涉及到大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)，這時候就需要大數(shù)據(jù)技術(shù)對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)橫向縱向的對比。對公共建筑耗能數(shù)據(jù)從建筑作用、建筑區(qū)域、建筑收益等多維度來展開能耗情況統(tǒng)計分析，提取其他建筑能耗指數(shù)和相應(yīng)的社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，分析能耗增長和相應(yīng)社會經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的聯(lián)系，歸納總結(jié)相關(guān)指標(biāo)的規(guī)律，并提供未來的能耗水平預(yù)測，為就能源供給方面的調(diào)整提供依據(jù)。

二、基于大數(shù)的公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1.系統(tǒng)設(shè)計框架

       基于大數(shù)據(jù)的能耗監(jiān)測系統(tǒng)采用的ROLAP結(jié)構(gòu)模式，即關(guān)系型聯(lián)機(jī)分析處理結(jié)構(gòu)，原理就是根據(jù)應(yīng)用的需要，有選擇地定義一批實視圖作為表也存儲在關(guān)系數(shù)據(jù)庫中，不必要將每一個SQT查詢都作為實視圖保存，只定義那些應(yīng)用頻率比較高，計算工作量比較大的查詢作為實視圖。要實現(xiàn)大數(shù)據(jù)的功能，就需要構(gòu)建一個數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲的關(guān)系型聯(lián)機(jī)分析處理結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)庫，并且依照該數(shù)據(jù)庫進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、分析和融合，從而實現(xiàn)能耗監(jiān)測系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)化。

       本系統(tǒng)以相關(guān)規(guī)章為基礎(chǔ)，以安全和節(jié)能減排為導(dǎo)向，大致的模塊分為表現(xiàn)層、應(yīng)用層、信息資源與數(shù)據(jù)層和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施層。網(wǎng)絡(luò)設(shè)施基礎(chǔ)層包括各種網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的硬件設(shè)施，它們共同構(gòu)建了監(jiān)測系統(tǒng)的物理層，以保證實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?；信息資源與數(shù)據(jù)層里包括了各類數(shù)據(jù)存儲庫，是數(shù)據(jù)信息通訊與存儲的基礎(chǔ)；應(yīng)用層是該系統(tǒng)的主體，主要是對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析、模型計算，最后通過表現(xiàn)層對用戶根據(jù)需求進(jìn)行恰當(dāng)表達(dá)。

2.數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計

       數(shù)據(jù)采集器是能耗監(jiān)測系統(tǒng)的物理層基礎(chǔ)，擁有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、系統(tǒng)配置和異常處理等功能。在本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集器主 要表現(xiàn)為：水表、電表、氣表、溫度傳感器等設(shè)備，同時也需要在公共建筑的各個耗能設(shè)備的接線處加裝傳感器，對比兩類數(shù)據(jù)的差別，以此對數(shù)據(jù)誤差 有準(zhǔn)確的了解．在采集到相關(guān)信息后，利用決策樹 來對這些信息進(jìn)行重構(gòu)和融合，對這些數(shù)據(jù)中的空間特征組合進(jìn)行重組，對其中的基向量進(jìn)行重構(gòu)，構(gòu)建能耗信息的決策樹模型，為所采集數(shù)據(jù)信息的進(jìn)一步分析打下基礎(chǔ)。

3.數(shù)據(jù)庫設(shè)計

       數(shù)據(jù)庫作為能耗大數(shù)據(jù)的存儲和處理平臺，是能耗監(jiān)測系統(tǒng)是否成功的關(guān)鍵．本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫包括數(shù)據(jù)中心及建筑部分基本情況數(shù)據(jù)庫、分類分項部分的能耗數(shù)據(jù)庫、設(shè)計安裝部分的數(shù)據(jù)庫和計量表部分的原始數(shù)值數(shù)據(jù)庫．監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫部分依托于MySQL、MongoBD等成熟技術(shù)，支持多用戶、大事務(wù)量的事務(wù)處理，保證數(shù)據(jù)安全性和完整性控制，支持分布式數(shù)據(jù)處理，具有可移植性，保證了數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和其他系統(tǒng)的高效運(yùn)行；并引入了一系列輔助軟件來加快數(shù)據(jù)庫內(nèi)數(shù)據(jù)開發(fā)的速度。

       數(shù)據(jù)庫架構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵是是否有一個清晰明確的數(shù)據(jù)庫概念模型。該模型需要明確各數(shù)據(jù)對象之間的關(guān)系，根據(jù)實際研究方向，詳細(xì)的列舉出需求涉及的所有對象屬性，并且在不考慮如何實現(xiàn)的前提下滿足用戶的各種信息需求．然后是基于數(shù)據(jù)庫的概念模型對客戶的需求進(jìn)行調(diào)查、整理和分析，明確客戶對于數(shù)據(jù)庫的需求主要集中在哪些方面，并以此開展數(shù)據(jù)庫的邏輯模型設(shè)計和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)類型的設(shè)計．通過不斷地與用戶進(jìn)行探討、修訂和迭代，最終建立起數(shù)據(jù)庫的各表和基礎(chǔ)輔助數(shù)據(jù)。

4.通訊部分設(shè)計

       數(shù)據(jù)采集器采集到的能耗信息需要通過對應(yīng)的通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而構(gòu)建了整個軟件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)通信主要包括了數(shù)據(jù)信息管理、數(shù)據(jù)文件合并、數(shù)據(jù)文件加載和數(shù)據(jù)文件上傳。這些不同的模塊構(gòu)成數(shù)據(jù)通信層任務(wù)調(diào)度模塊，從而保證數(shù)據(jù)信息能夠得到地處理。本系統(tǒng)設(shè)計的數(shù)據(jù)通訊傳輸是基于TCP／IP 協(xié)議展開的，兩者通過該協(xié)議建立數(shù)據(jù)通信聯(lián)系．采集器具有數(shù)據(jù)定時上傳功能，發(fā)送周期根據(jù)系統(tǒng)實際需求進(jìn)行設(shè)定，通過數(shù)據(jù)采集器定時向數(shù)據(jù)中心發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

5.應(yīng)用部分設(shè)計

       公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用設(shè)計應(yīng)該包含以下方面：系統(tǒng)監(jiān)測功能、數(shù)據(jù)采集軟件功能、數(shù)據(jù) 處理功能、數(shù)據(jù)上報與接收功能、消息管理功能、信息維護(hù)功能、數(shù)據(jù)分析展示功能和公眾服務(wù)功能.應(yīng)用部分采用了Ｂ／Ｓ系統(tǒng)的架構(gòu)模式，統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用．查詢?nèi)藛T可以通 過網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)發(fā)出查詢指令，系統(tǒng)根據(jù)用戶的相應(yīng)權(quán)限來將數(shù)據(jù)發(fā)送給用戶，方便查詢?nèi)藛T進(jìn)行隨時的查詢，確保系統(tǒng)能夠?qū)δ芎膰?yán)重的問題進(jìn)行及時 反饋．同時建立能耗預(yù)警管理系統(tǒng)，各節(jié)點設(shè)定閾值，對出現(xiàn)問題的設(shè)備進(jìn)行自動告警、快速定位，應(yīng)對能耗嚴(yán)重問題，提高能耗監(jiān)測系統(tǒng)的檢測效率。應(yīng)用部分也是數(shù)據(jù)挖掘和融合的過程，利用這些數(shù)據(jù)所具有的互補(bǔ)性和冗余性，就能對公共建筑內(nèi)部的能耗情況有一個連續(xù)、宏觀、實時的把握，有助于幫助公共建筑實現(xiàn)節(jié)能減耗。

6.安全部分設(shè)計

       安全部分主要分為監(jiān)測系統(tǒng)的安全和相關(guān)設(shè)備的安全：系統(tǒng)的安全防護(hù)主要從３個方面來體現(xiàn)，分別是主機(jī)安全、應(yīng)用安全和網(wǎng)絡(luò)安全．首先是主機(jī)安全，主機(jī)安全對訪問者的等級權(quán)限嚴(yán)格控制，對沒有達(dá)到訪問權(quán)限的訪問者進(jìn)行限制，同時對管理員身份進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)識與排查，對非法登錄進(jìn)行迅速處理．與此同時，還要警惕病毒對主機(jī)的攻擊，定期使用安全掃描排查隱患和漏洞，并進(jìn)行及時的更新和修補(bǔ)；其次是應(yīng)用安全，在系統(tǒng)應(yīng)用中需要把用戶登錄設(shè)為登錄方式，嚴(yán)格對用戶的信息進(jìn)行管理。同時依照用戶權(quán)限對用戶所能訪問到的等級進(jìn)行分級；最后是網(wǎng)絡(luò)安全，網(wǎng)絡(luò)安全是設(shè)置防火墻和安全網(wǎng)關(guān)，通過雙重保護(hù)來保護(hù)操作系統(tǒng)，避免漏洞受到入侵和木馬攻擊，對網(wǎng)絡(luò)安全做出保障。

       設(shè)備的安全主要是防止有人通過偷接管接線路等方式來對能源進(jìn)行竊?。O(jiān)測部門可以通過水電氣的量值差動越限、（水、電、氣）表蓋開蓋實踐、異常警告信息、斷相等數(shù)據(jù)的分析，通過這些大數(shù)據(jù)建立竊取能源行為的模型，對可能存在的能源竊取行為進(jìn)行預(yù)警．同時通過相關(guān)流動數(shù)據(jù)的融合來確定能源竊取行為的發(fā)生地點，比如竊電行為就可以通過比較公共建筑的負(fù)荷曲線、電壓功率因數(shù)、電表電流和變壓器負(fù)載，結(jié)合公共建筑電力運(yùn)行的數(shù)據(jù)，來實現(xiàn)具體線路的線損日結(jié)算，從而確定線損的具體線路。

三、建筑能耗分析系統(tǒng)

1.概述

       Acrel-5000web建筑能耗分析系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進(jìn)行細(xì)分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習(xí)慣，節(jié)約能源，為用戶進(jìn)一步節(jié)能改造或設(shè)備升級提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐。用戶可按照有關(guān)規(guī)定實施能源計算，分析現(xiàn)狀，查找問題，挖掘節(jié)能潛力，提出切實可行的節(jié)能措施，并向縣級以上管理節(jié)能工作的部門報送能源計算報告。

2.應(yīng)用場所

       適用于公共建筑、集團(tuán)公司、工業(yè)園區(qū)、大型物業(yè)、學(xué)校、醫(yī)院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監(jiān)測與管理的系統(tǒng)設(shè)計、施工和運(yùn)行維護(hù)。

3.系統(tǒng)組網(wǎng)圖

四、系統(tǒng)功能

1.系統(tǒng)概況

       平臺運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)月能耗折算、地圖導(dǎo)航，各能耗逐時、逐月曲線，當(dāng)日，當(dāng)月能耗同比分析滾動顯示。

2.用能概況

       對建筑、部門、區(qū)域、支路、分類分項等用能進(jìn)行對比，支持當(dāng)日逐時趨勢、當(dāng)月逐日趨勢曲線、分時段能耗統(tǒng)計對比、總能耗 同環(huán)比對比。

3.用能統(tǒng)計

       對建筑、區(qū)域、分項、支路等結(jié)構(gòu)按日、月、年報表的形式統(tǒng)計對分類能源用能進(jìn)行統(tǒng)計，支持報表數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL，支持選擇建筑數(shù)據(jù)進(jìn)行生成柱狀圖。

4.復(fù)費(fèi)率統(tǒng)計

       復(fù)費(fèi)率報表按日、月、年統(tǒng)計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計分析。支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出到EXCEL。

5.同比分析

       對建筑、分項、區(qū)域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結(jié)合的方式進(jìn)行用能數(shù)據(jù)同比分析。

6.能源流向圖

       能源流向圖展示單棟建筑時段內(nèi)各類能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標(biāo)值查看。

7.夜間能耗分析

       夜間能耗以表格、曲線、餅圖等形式對選擇支路分類能源在時段工作時間與非工作時間用能統(tǒng)計對比，支持導(dǎo)出報表。

8.設(shè)備管理

       設(shè)備管理包括，設(shè)備類型、設(shè)備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶合理管理設(shè)備，確保設(shè)備的運(yùn)行。

9.用戶報告

       用戶報告針對選定的建筑自動統(tǒng)計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡單的能耗分析結(jié)果，針對用電提供單獨(dú)的復(fù)費(fèi)率用能分析，報告可編輯。

五、系統(tǒng)硬件配置

六、結(jié)論

       總而言之，將大數(shù)據(jù)應(yīng)用到公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)中能夠大大提高系統(tǒng)的工作效率．一方面，隨著監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)，越來越多的數(shù)據(jù)開始被記錄下來，如何高效利用這些數(shù)據(jù)正是每一個從業(yè)人員都面臨的問題；另一方面，將大數(shù)據(jù)引用到監(jiān)測系統(tǒng)中，不僅能夠充分對監(jiān)測系統(tǒng)本身的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘利用，還能夠利用到外部數(shù)據(jù)來提升監(jiān)測系統(tǒng)的水平，從而建立起一個科學(xué)完備的公共建筑能耗監(jiān)測體系。

參考文獻(xiàn)：

[1]程學(xué)旗，靳小龍，王元卓，等.大數(shù)據(jù)系統(tǒng)和分析技術(shù)綜述［Ｊ］．軟件學(xué)報，2014，25（９）：1889-1908．

[2]張東霞，苗新，劉麗平，等.智能電網(wǎng)大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)展研究［Ｊ］．中國電機(jī)工程學(xué)報，2015，35（1）：2-12．

[3]楊石，羅淑湘，鐘衍，等．大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺存在問題及其初步解決方案［Ｊ］．建筑技術(shù)，2014.45（8）：714-718．

[4]李安增．基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［Ｄ］．中國科學(xué)院研究生院（沈陽計算技術(shù)研究所），2015.

[5]曹敏．公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［Ｄ］．電子科技大學(xué)，2018．

[6]吳兆立，張琴.基于大數(shù)據(jù)的公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)研究與應(yīng)用.

[7]安科瑞 企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計與應(yīng)用手冊. 2022.05版