大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)框架探討

文｜中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所 郭春雨 王良平 楊國(guó)民 徐滿俊 周 斌

大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)框架探討

文｜中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑工程軟件研究所 郭春雨 王良平 楊國(guó)民 徐滿俊 周 斌

本文以大型公建能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)框架設(shè)計(jì)和開發(fā)應(yīng)用為主線，從能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的規(guī)劃建設(shè)出發(fā)，提出能耗監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)的框架設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的處理方法，并針對(duì)北京市能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際建設(shè)應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹。

能耗監(jiān)測(cè) 平臺(tái)框架 雙通道 異步消息中間件 分級(jí)授權(quán)

1 前言

為貫徹落實(shí)《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國(guó)發(fā)[2007]15號(hào)）、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《關(guān)于加強(qiáng)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管理工作的實(shí)施意見》，根據(jù)《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設(shè)實(shí)施方案》要求，逐步建立起全國(guó)聯(lián)網(wǎng)的國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)，對(duì)全國(guó)重點(diǎn)城市重點(diǎn)建筑能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過能耗統(tǒng)計(jì)、能源審計(jì)、能效公示、用能定額和超定額加價(jià)等制度，促使國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運(yùn)行管理水平，培育建筑節(jié)能服務(wù)市場(chǎng)，為高能耗建筑的進(jìn)一步節(jié)能改造準(zhǔn)備條件，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部會(huì)同財(cái)政部選定北京等25個(gè)省市作為建立機(jī)關(guān)和大型公建節(jié)能監(jiān)管體系的示范省市，從2008年開始，啟動(dòng)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)的建設(shè)工作，對(duì)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑進(jìn)行能耗分項(xiàng)計(jì)量和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

本文首先針對(duì)建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的框架，包括系統(tǒng)總體框架、網(wǎng)絡(luò)傳輸框架和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)進(jìn)行介紹，然后提出了能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)的框架設(shè)計(jì)、系統(tǒng)組成和關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)的處理方法，并針對(duì)北京市能耗監(jiān)測(cè)的實(shí)際運(yùn)用進(jìn)行介紹。

2 能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)框架

2.1 系統(tǒng)總體框架

如圖1所示，建筑能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)從能耗數(shù)據(jù)收集和流轉(zhuǎn)上，可以分為樓宇數(shù)據(jù)采集、市級(jí)數(shù)據(jù)中心、省級(jí)數(shù)據(jù)中心和部級(jí)數(shù)據(jù)中心這幾個(gè)層面。數(shù)據(jù)首先從樓宇內(nèi)的采集儀表收集到數(shù)據(jù)采集器，再?gòu)臄?shù)據(jù)采集器通過無線網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到市級(jí)數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。市級(jí)數(shù)據(jù)中心和省級(jí)數(shù)據(jù)中心需要對(duì)其管轄范圍內(nèi)的建筑能耗進(jìn)行監(jiān)測(cè)，生成各種分類匯總數(shù)據(jù)，編制建設(shè)行政主管部門、財(cái)政部門需要的各類管理報(bào)表。另外，市級(jí)數(shù)據(jù)中心還要負(fù)責(zé)將本中心建筑能耗數(shù)據(jù)匯總上報(bào)給省級(jí)數(shù)據(jù)中心，省級(jí)數(shù)據(jù)中心同樣需要匯總能耗數(shù)據(jù)上報(bào)給部級(jí)數(shù)據(jù)中心。

2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸框架

網(wǎng)絡(luò)傳輸框架分為兩個(gè)層次：計(jì)量終端采集網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳網(wǎng)絡(luò)。計(jì)量終端采集網(wǎng)絡(luò)主要指樓宇內(nèi)從計(jì)量裝置到數(shù)據(jù)采集器之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。計(jì)量裝置和數(shù)據(jù)采集器之間應(yīng)采用符合各相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳網(wǎng)絡(luò)即數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)，主要是指從數(shù)據(jù)采集器到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或者數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳應(yīng)使用基于IP協(xié)議的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在傳輸層使用TCP協(xié)議。

2.3 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)可以按照流轉(zhuǎn)方向分為數(shù)據(jù)上行和數(shù)據(jù)下行。

（1）數(shù)據(jù)上行

能耗數(shù)據(jù)由計(jì)量?jī)x表按照給定的采集頻率進(jìn)行采集，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器上傳到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或數(shù)據(jù)中心。上傳到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的數(shù)據(jù)會(huì)被轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心，同時(shí)，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)會(huì)融合其他應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)下行

部級(jí)數(shù)據(jù)中心維護(hù)的各種能耗分類數(shù)據(jù)、能耗分項(xiàng)數(shù)據(jù)和建筑分類數(shù)據(jù)的字典數(shù)據(jù)，省市級(jí)數(shù)據(jù)中心和中轉(zhuǎn)站必須對(duì)此保持同步更新。另外，數(shù)據(jù)采集頻率也是由數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站通過數(shù)據(jù)采集器下達(dá)到計(jì)量?jī)x表。

3 能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)框架設(shè)計(jì)和組成

能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)框架如圖2所示。

能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件平臺(tái)包括七個(gè)組成部分，即基礎(chǔ)信息維護(hù)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理（拆分計(jì)算）系統(tǒng)、能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)、能耗監(jiān)測(cè)工作協(xié)同管理平臺(tái)。

（1）基礎(chǔ)信息維護(hù)系統(tǒng)

基礎(chǔ)信息維護(hù)系統(tǒng)主要進(jìn)行基礎(chǔ)信息維護(hù)和樓宇配置信息維護(hù)。基礎(chǔ)信息包括建筑物基本信息、行政區(qū)域、建筑物類型、分類分項(xiàng)能耗字典及其他數(shù)據(jù)字典等。樓宇配置信息包括建筑物能耗采集器信息、計(jì)量?jī)x表信息，建筑物用電回路拓?fù)潢P(guān)系及各個(gè)回路計(jì)量?jī)x表安裝信息，建筑物分類分項(xiàng)能耗與用電回路之間的關(guān)系等。

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入于樓宇的數(shù)據(jù)采集器中，采集樓宇內(nèi)安裝的所有計(jì)量?jī)x表的信息數(shù)據(jù)，并通過GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)，將這些信息數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)傳輸接收采集器上傳的能耗數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)合法性校驗(yàn)和認(rèn)證后將數(shù)據(jù)分發(fā)給異步消息中間件。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用了雙通道技術(shù)，雙通道指數(shù)據(jù)傳輸通道和信息控制通道。

（4）數(shù)據(jù)處理（拆分計(jì)算）系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理（拆分計(jì)算）系統(tǒng)根據(jù)樓宇方案中用電回路和分項(xiàng)能耗的關(guān)系，采用加法、減法、拆分、百分比預(yù)估等方式，對(duì)原始采集數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分計(jì)算，得到合理的分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)。

（5）能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)

能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)以數(shù)據(jù)報(bào)表和數(shù)據(jù)圖表的方式，將建筑能耗監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)展示給最終用戶。數(shù)據(jù)展示的度量值一般包括能耗（或者總能耗）、單位建筑面積能耗、單位空調(diào)面積能耗或者其他度量值。展示維度一般包括能耗分類、能耗分項(xiàng)、時(shí)間軸（可以細(xì)分為逐年、逐月、逐日、任選時(shí)間段等）、行政區(qū)域、建筑物類型等。

（6）數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)

數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)按照部級(jí)數(shù)據(jù)中心針對(duì)數(shù)據(jù)上傳的內(nèi)容和格式的要求，通過定時(shí)任務(wù)調(diào)度子系統(tǒng)，自動(dòng)從數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫(kù)中提取能耗分類分項(xiàng)數(shù)據(jù)，合并整理打包后發(fā)送到部級(jí)數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)交換格式為XML數(shù)據(jù)包。

（7）能耗監(jiān)測(cè)工作協(xié)同管理平臺(tái)

能耗監(jiān)測(cè)工作協(xié)同管理平臺(tái)是一個(gè)針對(duì)建筑能耗監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行協(xié)同管理的工作平臺(tái)，能夠滿足能耗監(jiān)測(cè)管理單位、能耗監(jiān)測(cè)技術(shù)支撐單位、能耗監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)施工服務(wù)單位、監(jiān)理單位、采集器提供商、計(jì)量?jī)x表提供商等多方進(jìn)行協(xié)同工作的需要。協(xié)作的內(nèi)容包括建筑能耗監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的公告和消息發(fā)布，參建方人員的組織、管理和協(xié)調(diào)，樓宇監(jiān)測(cè)和設(shè)備資產(chǎn)管理、流程（主要指方案審批和竣工驗(yàn)收等規(guī)范化流程）管理，設(shè)備網(wǎng)絡(luò)和計(jì)量?jī)x表的監(jiān)控預(yù)警等。

4 關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)處理

在能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)規(guī)劃和實(shí)際實(shí)施過程中，會(huì)遇到不少關(guān)鍵技術(shù)問題。這些問題通過深入調(diào)研和實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，都能得到比較好的解決。

4.1 數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)的“雙通道”設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用了雙通道技術(shù)。“雙通道”指在一個(gè)物理鏈路上創(chuàng)建的兩個(gè)邏輯通道，即數(shù)據(jù)傳輸通道和信息控制通道。這兩個(gè)通道可以在物理上單獨(dú)部署，數(shù)據(jù)傳輸通道主要用于上傳采集器采集的儀表數(shù)據(jù)，信息控制通道主要用于采集器和數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行雙向的通信。

雙通道技術(shù)主要的優(yōu)點(diǎn)是能夠使系統(tǒng)在完成采集器數(shù)據(jù)上傳的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)控制采集器的采集周期、采集器狀態(tài)等輔助功能，而這恰恰是能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最主要的任務(wù)。隨著系統(tǒng)使用的逐步深入，信息控制部分需要不斷地升級(jí)，而采集數(shù)據(jù)上傳相對(duì)而言比較穩(wěn)定，采用雙通道技術(shù)可使系統(tǒng)在變更信息控制的時(shí)候仍能照常運(yùn)行。

4.2 異步消息中間件

隨著樓宇數(shù)量的不斷增加，服務(wù)器的負(fù)載逐步加大，數(shù)據(jù)庫(kù)的吞吐量可能會(huì)成為系統(tǒng)的瓶頸。針對(duì)這一問題，可以考慮將數(shù)據(jù)通信層直接面對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的形式，改為由消息中間件進(jìn)行緩沖。使用異步消息中間件后，可以將數(shù)據(jù)分發(fā)到不同的目標(biāo)。由此，系統(tǒng)可以隨著需求的變動(dòng)動(dòng)態(tài)擴(kuò)展，且并不需要停止數(shù)據(jù)接收，從而方便了服務(wù)的升級(jí)和調(diào)整以及新服務(wù)的增加。此外，通過消息中間件將數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在邏輯和物理上分離，還能降低耦合系統(tǒng)的邏輯依賴，并可使數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)獲得更大的數(shù)據(jù)吞吐能力。

4.3 擴(kuò)展性、兼容性及分級(jí)授權(quán)

能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)會(huì)面向不同的服務(wù)對(duì)象，比如能耗監(jiān)測(cè)管理單位（省、市級(jí)建設(shè)行政主管部門等）、樓宇甲方、擁有多個(gè)監(jiān)測(cè)樓宇的企業(yè)等，他們的業(yè)務(wù)需求不盡相同，所以能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具有比較好的擴(kuò)展性、兼容性及分級(jí)授權(quán)的功能。

監(jiān)測(cè)平臺(tái)應(yīng)該采用基于服務(wù)的松耦合架構(gòu)，而不是傳統(tǒng)的由一個(gè)獨(dú)立執(zhí)行程序來完成所有任務(wù)的架構(gòu)。基于服務(wù)的框架體系，可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求和用戶的不同，個(gè)性化地?cái)U(kuò)展服務(wù)。數(shù)據(jù)展現(xiàn)UI部分和后臺(tái)的邏輯相互獨(dú)立，通過規(guī)范化的接口進(jìn)行通信。

在分級(jí)授權(quán)方面，軟件平臺(tái)的各個(gè)子系統(tǒng)由統(tǒng)一的授權(quán)中心進(jìn)行權(quán)限驗(yàn)證。權(quán)限需要區(qū)分為功能性權(quán)限和數(shù)據(jù)范圍權(quán)限兩種類型。

5 北京市能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用介紹

北京市建筑能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)（如圖3所示）于2009年4月開始正式投入運(yùn)行，目前可實(shí)現(xiàn)對(duì)北京市96棟政府辦公建筑和大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)程傳輸、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析。

北京市能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共有八個(gè)子系統(tǒng)，除了前文所述的七個(gè)子系統(tǒng)外，還有一個(gè)樓宇能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

樓宇能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要功能是向樓宇甲方或者擁有多個(gè)樓宇的公司提供面向單個(gè)樓宇進(jìn)行能耗監(jiān)測(cè)管理的服務(wù)，使之能夠按照時(shí)間維度對(duì)樓宇能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋材芡ㄟ^系統(tǒng)提供的所在行政區(qū)和北京市的能耗平均數(shù)據(jù)或者所屬建筑分類的能耗平均數(shù)據(jù)，進(jìn)行多個(gè)維度的對(duì)比分析，還能進(jìn)行自身能耗的最高值、最低值及與標(biāo)桿建筑能耗間的對(duì)比分析，從而清楚樓宇本身的耗能定位，及時(shí)發(fā)現(xiàn)差距和不足，以利于節(jié)能改造。此外，系統(tǒng)還能給出本樓宇的月度和年度能耗分析報(bào)表，給用戶以專業(yè)化的指導(dǎo)。

1 《國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國(guó)發(fā)[2007]15號(hào)）

2 《關(guān)于加強(qiáng)國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管理工作的實(shí)施意見》（建科[2007]245號(hào)）

3 《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑及大型公共建筑分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導(dǎo)則》

4 《樓宇計(jì)量裝置技術(shù)導(dǎo)則》

5 《國(guó)家機(jī)關(guān)辦公建筑及大型公共建筑分項(xiàng)能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導(dǎo)則》

6 《數(shù)據(jù)中心建設(shè)與維護(hù)技術(shù)導(dǎo)則》

7 《能耗動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)、驗(yàn)收與運(yùn)行管理規(guī)范》