大數據在公共建筑能耗監測系統中的應用與實(shí)踐分析

 安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801

摘要：為了解決當前公共建筑能耗居高不下的突出問(wèn)題，借助當前信息化技術(shù)手段，圍繞公共建筑能耗監測系統中的大數據應用，從監測系統的總設計框架入手，分別就物聯(lián)網(wǎng)中數據采集器設計方式、數據傳輸技術(shù)、數據庫部署方式分別進(jìn)行了深入研究，同時(shí)又從安全領(lǐng)域對基于大數據 的公共建筑能耗監測系統的應用保障做出了探究，結果表明在建立一套科學(xué)完備的公共建筑能耗監測體系時(shí)以上各部分不可缺失，且意義非凡。

關(guān)鍵詞：大數據；公共建筑能耗監測系統；系統設計

引言

隨著(zhù)我國經(jīng)濟的騰飛，帶動(dòng)著(zhù)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(zhù)我國企業(yè)和居民的能源需求越來(lái)越高， 但這同樣也給能源供應方面造成了相當大的壓力， 所以節能減排勢在必行．而我國公共建筑的能耗問(wèn) 題十分突出，并且公共建筑內的檢測系統不夠完善，無(wú)法對公共建筑的能耗數據做出深度總結，致使節能工作困難重重．另一方面，大數據作為信息技術(shù)的前沿方向，越來(lái)越多地受到國內研究者們的關(guān)注，本文正是將公共建筑能耗監測與大數據技術(shù)相結合，構建出一套科學(xué)完備的檢測系統用以公共建筑的節能減排。

一、公共建筑能耗監測系統中的大數據

公共建筑內的能耗監測大數據共分為兩類(lèi)：一類(lèi)是基于能耗監測系統本身所采集的內部數據； 另一類(lèi)是來(lái)自公共服務(wù)部門(mén)、地理信息系統、氣象信息系統和互聯(lián)網(wǎng)的外部數據．這兩類(lèi)數據看似不相干，實(shí)則彼此影響，比如地形條件、氣象條件都會(huì ) 影響公共建筑的能源使用情況．所以基于大數據的公共建筑能耗檢測系統就需要將這兩類(lèi)信息存儲、解析、挖掘和融合，最終變成可視化的數據，讓管理者能夠直觀(guān)的接收信息。

同時(shí)公共建筑耗能巨大，傳統的能耗監測涉及到大量復雜的數據，這時(shí)候就需要大數據技術(shù)對這些數據進(jìn)行處理，實(shí)現能耗數據橫向縱向的對比。對公共建筑耗能數據從建筑作用、建筑區域、建筑收益等多維度來(lái)展開(kāi)能耗情況統計分析，提取其他建筑能耗指數和相應的社會(huì )經(jīng)濟指標，分析能耗增長(cháng)和相應社會(huì )經(jīng)濟指標的聯(lián)系，歸納總結相關(guān)指標的規律，并提供未來(lái)的能耗水平預測，為政府就能源供給方面的調整提供依據。

二、基于大數的公共建筑能耗監測系統設計

1.系統設計框架

基于大數據的能耗監測系統采用的ROLAP結構模式，即關(guān)系型聯(lián)機分析處理結構，原理就是根據應用的需要，有選擇地定義一批實(shí)視圖作為表也存儲在關(guān)系數據庫中，不必要將每一個(gè)SQT查詢(xún)都作為實(shí)視圖保存，只定義那些應用頻率比較高，計算工作量比較大的查詢(xún)作為實(shí)視圖。要實(shí)現大數據的功能，就需要構建一個(gè)數據采集和數據存儲的關(guān)系型聯(lián)機分析處理結構的數據庫，并且依照該數據庫進(jìn)行數據挖掘、分析和融合，從而實(shí)現能耗監測系統的大數據化。

本系統以國家相關(guān)規章為基礎，以安全和節能減排為導向，大致的模塊分為表現層、應用層、信息資源與數據層和網(wǎng)絡(luò )基礎設施層。網(wǎng)絡(luò )設施基礎層包括各種網(wǎng)絡(luò )和相應的硬件設施，它們共同構建了監測系統的物理層，以保證實(shí)時(shí)數據傳輸的有效性；信息資源與數據層里包括了各類(lèi)數據存儲庫，是數據信息通訊與存儲的基礎；應用層是該系統的主體，主要是對數據進(jìn)行處理分析、模型計算，最后通過(guò)表現層對用戶(hù)根據需求進(jìn)行恰當表達。

2.數據采集器的設計

數據采集器是能耗監測系統的物理層基礎，擁有數據采集、數據處理、數據存儲、數據遠傳、系統配置和異常處理等功能。在本系統中數據采集器主 要表現為：水表、電表、氣表、溫度傳感器等設備，同時(shí)也需要在公共建筑的各個(gè)耗能設備的接線(xiàn)處加裝傳感器，對比兩類(lèi)數據的差別，以此對數據誤差 有準確的了解．在采集到相關(guān)信息后，利用決策樹(shù) 來(lái)對這些信息進(jìn)行重構和融合，對這些數據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，構建能耗信息的決策樹(shù)模型，為所采集數據信息的進(jìn)一步分析打下基礎。

3.數據庫設計

數據庫作為能耗大數據的存儲和處理平臺，是能耗監測系統是否成功的關(guān)鍵．本系統的數據庫包括數據中心及建筑部分基本情況數據庫、分類(lèi)分項部分的能耗數據庫、設計安裝部分的數據庫和計量表部分的原始數值數據庫．監測系統的數據庫部分依托于MySQL、MongoBD等成熟技術(shù)，支持多用戶(hù)、大事務(wù)量的事務(wù)處理，保證數據安全性和完整性控制，支持分布式數據處理，具有可移植性，保證了數據庫系統和其他系統的高效運行；并引入了一系列輔助軟件來(lái)加快數據庫內數據開(kāi)發(fā)的速度。

數據庫架構設計的關(guān)鍵是是否有一個(gè)清晰明確的數據庫概念模型。該模型需要明確各數據對象之間的關(guān)系，根據實(shí)際研究方向，詳細的列舉出需求涉及的所有對象屬性，并且在不考慮如何實(shí)現的前提下滿(mǎn)足用戶(hù)的各種信息需求．然后是基于數據庫的概念模型對客戶(hù)的需求進(jìn)行調查、整理和分析，明確客戶(hù)對于數據庫的需求主要集中在哪些方面，并以此開(kāi)展數據庫的邏輯模型設計和數據庫管理系統進(jìn)行數據類(lèi)型的設計．通過(guò)不斷地與用戶(hù)進(jìn)行探討、修訂和迭代，最終建立起數據庫的各表和基礎輔助數據。

4.安全部分設計

安全部分主要分為監測系統的安全和相關(guān)設備的安全：系統的安全防護主要從３個(gè)方面來(lái)體現，分別是主機安全、應用安全和網(wǎng)絡(luò )安全．首先是主機安全，主機安全對訪(fǎng)問(wèn)者的等級權限嚴格控制，對沒(méi)有達到訪(fǎng)問(wèn)權限的訪(fǎng)問(wèn)者進(jìn)行限制，同時(shí)對管理員身份進(jìn)行嚴格的標識與排查，對非法登錄進(jìn)行迅速處理．與此同時(shí)，還要警惕病毒對主機的攻擊，定期使用安全掃描排查隱患和漏洞，并進(jìn)行及時(shí)的更新和修補；其次是應用安全，在系統應用中需要把用戶(hù)登錄設為登錄方式，嚴格對用戶(hù)的信息進(jìn)行管理。同時(shí)依照用戶(hù)權限對用戶(hù)所能訪(fǎng)問(wèn)到的等級進(jìn)行分級；最后是網(wǎng)絡(luò )安全，網(wǎng)絡(luò )安全是設置防火墻和安全網(wǎng)關(guān)，通過(guò)雙重保護來(lái)保護操作系統，避免漏洞受到入侵和木馬攻擊，對網(wǎng)絡(luò )安全做出保障。

設備的安全主要是防止有人通過(guò)偷接管接線(xiàn)路等方式來(lái)對國家能源進(jìn)行竊?。O測部門(mén)可以通過(guò)水電氣的量值差動(dòng)越限、（水、電、氣）表蓋開(kāi)蓋實(shí)踐、異常警告信息、斷相等數據的分析，通過(guò)這些大數據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)行預警．同時(shí)通過(guò)相關(guān)流動(dòng)數據的融合來(lái)確定能源竊取行為的發(fā)生地點(diǎn)，比如竊電行為就可以通過(guò)比較公共建筑的負荷曲線(xiàn)、電壓功率因數、電表電流和變壓器負載，結合公共建筑電力運行的數據，來(lái)實(shí)現具體線(xiàn)路的線(xiàn)損日結算，從而確定線(xiàn)損的具體線(xiàn)路。

5.應用部分設計

公共建筑能耗監測系統的應用設計應該包含以下方面：系統監測功能、數據采集軟件功能、數據 處理功能、數據上報與接收功能、消息管理功能、信息維護功能、數據分析展示功能和公眾服務(wù)功能.應用部分采用了Ｂ／Ｓ系統的架構模式，統一了客戶(hù)端，將系統功能實(shí)現的核心部分集中到服務(wù)器上，簡(jiǎn)化了系統的開(kāi)發(fā)、維護和使用．查詢(xún)人員可以通 過(guò)網(wǎng)絡(luò )向系統發(fā)出查詢(xún)指令，系統根據用戶(hù)的相應權限來(lái)將數據發(fā)送給用戶(hù)，方便查詢(xún)人員進(jìn)行隨時(shí)的查詢(xún)，確保系統能夠對能耗嚴重的問(wèn)題進(jìn)行及時(shí) 反饋．同時(shí)建立能耗預警管理系統，各節點(diǎn)設定閾值，對出現問(wèn)題的設備進(jìn)行自動(dòng)告警、快速定位，應對能耗嚴重問(wèn)題，提高能耗監測系統的檢測效率。應用部分也是數據挖掘和融合的過(guò)程，利用這些數據所具有的互補性和冗余性，就能對公共建筑內部的能耗情況有一個(gè)連續、宏觀(guān)、實(shí)時(shí)的把握，有助于幫助公共建筑實(shí)現節能減耗。

6.通訊部分設計

數據采集器采集到的能耗信息需要通過(guò)對應的通訊網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸，從而構建了整個(gè)軟件系統的數據庫。數據通信主要包括了數據信息管理、數據文件合并、數據文件加載和數據文件上傳。這些不同的模塊構成數據通信層任務(wù)調度模塊，從而保證數據信息能夠得到有效地處理。本系統設計的數據通訊傳輸是基于TCP／IP 協(xié)議展開(kāi)的，兩者通過(guò)該協(xié)議建立數據通信聯(lián)系．采集器具有數據定時(shí)上傳功能，發(fā)送周期根據系統實(shí)際需求進(jìn)行設定，通過(guò)數據采集器定時(shí)向數據中心發(fā)送監測數據來(lái)實(shí)現數據采集。

三、建筑能耗分析系統

1.概述

Acrel-5000web建筑能耗分析系統是用戶(hù)端能源管理分析系統，在電能管理系統的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過(guò)對用戶(hù)端所有能耗進(jìn)行細分和統計，以直觀(guān)的數據和圖表向管理人員或決策層展示各類(lèi)能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點(diǎn)或不合理的耗能習慣，有效節約能源，為用戶(hù)進(jìn)一步節能改造或設備升級提供準確的數據支撐。用戶(hù)可按照國家有關(guān)規定實(shí)施能源計算，分析現狀，查找問(wèn)題，挖掘節能潛力，提出切實(shí)可行的節能措施，并向縣級以上管理節能工作的部門(mén)報送能源計算報告。

2.應用場(chǎng)所

適用于公共建筑、集團公司、工業(yè)園區、大型物業(yè)、學(xué)校、醫院、企業(yè)等不同行業(yè)的能耗監測與管理的系統設計、施工和運行維護。

3.系統組網(wǎng)圖

四、系統功能

1.系統概況

平臺運行狀態(tài)，當月能耗折算、地圖導航，各能耗逐時(shí)、逐月曲線(xiàn)，當日，當月能耗同比分析滾動(dòng)顯示。

2.用能概況

對建筑、部門(mén)、區域、支路、分類(lèi)分項等用能進(jìn)行對比，支持當日逐時(shí)趨勢、當月逐日趨勢曲線(xiàn)、分時(shí)段能耗統計對比、總能耗 同環(huán)比對比。

3.用能統計

  對建筑、區域、分項、支路等結構按日、月、年報表的形式統計對分類(lèi)能源用能進(jìn)行統計，支持報表數據導出EXCEL，支持選擇建筑數據進(jìn)行生成柱狀圖。

4.復費率統計

復費率報表按日、月、年統計對單棟建筑下不同支路的尖、峰、平、谷用電量及成本費用進(jìn)行統計分析。支持數據導出到EXCEL。

5.同比分析

對建筑、分項、區域、支路等用能按日、月、年以圖形和報表結合的方式進(jìn)行用能數據同比分析。

6.能源流向圖

能源流向圖展示單棟建筑規定時(shí)段內各類(lèi)能源從源頭到末端的的能源流向，支持按原始值和折標值查看。

7.夜間能耗分析

  夜間能耗以表格、曲線(xiàn)、餅圖等形式對選擇支路分類(lèi)能源在規定時(shí)段工作時(shí)間與非工作時(shí)間用能統計對比，支持導出報表。

8.設備管理

設備管理包括，設備類(lèi)型、設備臺賬、維保記錄等功能。輔助用戶(hù)合理管理設備，確保設備的運行。

9.用戶(hù)報告

用戶(hù)報告針對選定的建筑自動(dòng)統計各能源的月使用的同環(huán)比趨勢，并提供簡(jiǎn)單的能耗分析結果，針對用電提供單獨的復費率用能分析，報告可編輯。

五、系統硬件配置

六、結論

總而言之，將大數據應用到公共建筑能耗監測系統中能夠大大提高系統的工作效率．一方面，隨著(zhù)監測系統的建設，越來(lái)越多的數據開(kāi)始被記錄下來(lái)，如何高效利用這些數據正是每一個(gè)從業(yè)人員都面臨的問(wèn)題；另一方面，將大數據引用到監測系統中，不僅能夠充分對監測系統本身的數據進(jìn)行挖掘利用，還能夠利用到外部數據來(lái)提升監測系統的水平，從而建立起一個(gè)科學(xué)完備的公共建筑能耗監測體系。

參考文獻：

[1]程學(xué)旗，靳小龍，王元卓，等.大數據系統和分析技術(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)大數據技術(shù)發(fā)展研究［Ｊ］．中國電機工程學(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測平臺存在問(wèn)題及其初步解決方案［Ｊ］．建筑技術(shù)，2014.45（8）：714-718．

[4]李安增．基于大數據技術(shù)的環(huán)境質(zhì)量監測系統的設計與實(shí)現［Ｄ］．中國科學(xué)院研究生院（沈陽(yáng)計算技術(shù)研究所），2015.

[5]曹敏．公共建筑能耗監測系統的設計與實(shí)現［Ｄ］．電子科技大學(xué)，2018．

[6]吳兆立，張琴.基于大數據的公共建筑能耗監測系統研究與應用.

[7]安科瑞 企業(yè)微電網(wǎng)設計與應用手冊. 2022.05版