基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源計量城域管理系統(tǒng)研究

蔡永洪，孫曉輝，黃 鋒，周倫彬，宋 雙

（1.廣州計量檢測技術(shù)研究院，廣東 廣州 510030；2.北京理工大學(xué)珠海學(xué)院機械與汽車學(xué)院，廣東 珠海 519088；3.廣州市歐科地理信息技術(shù)服務(wù)有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

近年來，我國經(jīng)濟發(fā)展與資源環(huán)境的矛盾日趨尖銳。中國能源消耗總量排在世界第二，人均能源占有量卻僅為世界平均水平的40%。提高能源利用率、實現(xiàn)節(jié)能減排已成為我國保障能源安全的重大舉措，其中能源計量是關(guān)鍵。能源計量是指在能源流程中，對各環(huán)節(jié)的數(shù)量、質(zhì)量、性能參數(shù)、相關(guān)的特征參數(shù)等進行檢測、度量和計算。

受技術(shù)水平限制，我國目前無論在能源計量措施或者政府能源計量監(jiān)管方面都以巨大的人力物力為代價，缺乏經(jīng)濟、適用和可靠性高的計量手段，不足以全面全天候地監(jiān)測企業(yè)用能狀況，無法做到動態(tài)采集、即時傳送和提供決策依據(jù)[1-4]。

物聯(lián)網(wǎng)是一個由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層共同構(gòu)成的龐大的社會信息系統(tǒng)，涉及國民經(jīng)濟各行各業(yè)、社會與生活各個領(lǐng)域，連接物品、設(shè)備和人，是一個無比龐大的數(shù)據(jù)庫，采集和存儲著海量信息。通過分析處理決策，完成從信息到知識再到控制指揮的智能演化，實現(xiàn)處理和解決問題的能力。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，人們可以以較低的投資和使用成本實現(xiàn)對能源全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實施優(yōu)化控制，來達到能源計量和節(jié)能降耗的目標。因此，開發(fā)帶有自動數(shù)據(jù)采集和傳輸功能、具有智能和物聯(lián)網(wǎng)功能的能源計量城域監(jiān)測系統(tǒng)十分迫切。

1 系統(tǒng)功能目標

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、高速網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、地理信息技術(shù)等信息采集手段和信息化技術(shù)，將企業(yè)的一次能源、二次能源、載能工質(zhì)等能源信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測系統(tǒng)，進行收集、統(tǒng)計、分析、預(yù)警，及時掌握和處理企業(yè)用能狀況，根據(jù)數(shù)據(jù)的時序變化可分析生產(chǎn)設(shè)備在老化過程中的耗能程度。從而，一方面通過此系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測來督促企業(yè)清潔生產(chǎn)、低碳生產(chǎn)，以常態(tài)化的管理手段來保證節(jié)能降耗長期目標的實現(xiàn)；另一方面對企業(yè)用能狀況的動態(tài)監(jiān)測有利于做出及時預(yù)警和危險告警，使重大能源浪費情況可控，為經(jīng)濟的綠色增長方式筑起堅固的屏障。

2 系統(tǒng)工作流程

監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程如圖1所示。在政府職能部門設(shè)立中心服務(wù)器，采用光纖接入，采用防火墻與外界進行隔離，確保網(wǎng)絡(luò)安全性。在企業(yè)每個需要進行監(jiān)測的能源流程節(jié)點設(shè)置相應(yīng)的智能傳感器和射頻識別監(jiān)測器，包括企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)過程節(jié)點、計量裝備以及耗能的監(jiān)測設(shè)備；通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)將能源流程中監(jiān)測的相關(guān)數(shù)據(jù)信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器，存于海量數(shù)據(jù)倉庫；經(jīng)知識發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)用能單位能源數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、匯總和分析。

圖1 系統(tǒng)工作流程

3 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

整個系統(tǒng)可分為4大子系統(tǒng)，包括設(shè)備單元信息管理系統(tǒng)、工藝流程能源計量系統(tǒng)、節(jié)能指標評判系統(tǒng)、節(jié)能過程反饋系統(tǒng)。

3.1 設(shè)備單元信息管理系統(tǒng)

該子系統(tǒng)將用能單位的基本信息及主要生產(chǎn)設(shè)備、加工工藝、能源計量器具等信息錄入數(shù)據(jù)庫中進行管理。信息應(yīng)包括企業(yè)落實國家強制性標準《用能單位能源計量器具配備和管理通則》的具體指標和計劃，以及企業(yè)能源計量器具的實際配備情況、檢定校準狀態(tài)、使用運行狀況。

3.2 工藝流程能源計量系統(tǒng)

該子系統(tǒng)對生產(chǎn)流程中所消耗的一次、二次能源及載能工質(zhì)進行監(jiān)測，也對能源流程中的設(shè)備單元的耗能量進行監(jiān)測，并結(jié)合設(shè)備管理系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)建立設(shè)備在生產(chǎn)過程中隨時間變化而產(chǎn)生的耗能比率，從而提供一個在機器老化過程中的耗能報表。

3.3 節(jié)能指標評判系統(tǒng)

該子系統(tǒng)錄入了企業(yè)節(jié)能降耗的指標數(shù)據(jù)，包括每年、每季度、每月的目標以及企業(yè)節(jié)能活動和節(jié)能措施，包括日常措施和應(yīng)急措施方案等。系統(tǒng)借助信息技術(shù)對目標和實際工作情況進行管理，對比實際工作與指導(dǎo)性文件的出入，以便于監(jiān)測企業(yè)的能源效率。

3.4 節(jié)能過程反饋系統(tǒng)

基于龐大的企業(yè)用能數(shù)據(jù)倉庫，利用模型知識的基礎(chǔ)和系統(tǒng)控制工程理論，依據(jù)節(jié)能降耗的關(guān)鍵指標參數(shù)，反饋節(jié)能成效。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的信息采集技術(shù)

系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于短距離無線通信技術(shù)（Zigbee技術(shù)）和GSM通信網(wǎng)組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)，它是由大量的無線傳感器節(jié)點（簇）、匯聚節(jié)點（簇頭）和GSM數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的分布式系統(tǒng)，如圖2所示。傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成。其中，傳感器模塊負責(zé)對監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的信息（如壓力、流量、溫度、質(zhì)量、長度等數(shù)據(jù)）感知和A/D轉(zhuǎn)換；無線通信模塊帶有射頻收發(fā)器（RFID），通過Zigbee技術(shù)將數(shù)據(jù)信息傳送給匯聚節(jié)點；數(shù)據(jù)在匯聚節(jié)點進行融合后，再通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳送給中心服務(wù)器，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的實時監(jiān)測與采集。

4.2 數(shù)據(jù)挖掘模型

監(jiān)測過程中，每個時刻都會產(chǎn)生來自傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息，大量的原始數(shù)據(jù)聚集在網(wǎng)絡(luò)中心服務(wù)器，形成超海量的數(shù)據(jù)庫。知識發(fā)現(xiàn)是從數(shù)據(jù)庫中提取潛在有用的信息的過程。知識發(fā)現(xiàn)的過程大致可分為數(shù)據(jù)準備、數(shù)據(jù)選擇、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)縮減或者數(shù)據(jù)變換、確定數(shù)據(jù)挖掘目標、確定知識發(fā)現(xiàn)算法、數(shù)據(jù)挖掘、模式解釋、知識評價等[5]，如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)挖掘是關(guān)鍵。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)和RFID機理，系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)多層數(shù)據(jù)挖掘模型[6-8]，其分為數(shù)據(jù)收集層、數(shù)據(jù)管理層、事件處理層和數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)層4層，如圖4所示。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

圖3 知識發(fā)現(xiàn)的過程

圖4 物聯(lián)網(wǎng)多層數(shù)據(jù)挖掘模型

數(shù)據(jù)收集層通過一些設(shè)備，如RFID閱讀器和接收器等收集各種智能對象的數(shù)據(jù)，分別是RFID流數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)等。在目標識別、數(shù)據(jù)抽象和壓縮后，一系列數(shù)據(jù)被儲存在相應(yīng)數(shù)據(jù)庫或數(shù)據(jù)倉庫中，并記錄成表（如RFID體）。數(shù)據(jù)管理層利用數(shù)據(jù)倉庫去儲存和管理相關(guān)數(shù)據(jù)。例如，基于RFID體，用戶可以方便地在線分析處理RFID數(shù)據(jù)。事件處理層實現(xiàn)基于事件（數(shù)據(jù)、時間和其他因素的整合）的提問分析。將觀察到的原始時間過濾后，就可獲得復(fù)雜事件或用戶關(guān)注的事件。數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)層建立在數(shù)據(jù)管理和事件處理的基礎(chǔ)上。各種基于對象或基于事件的數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)，如分類、預(yù)測、聚類、孤立點檢測、關(guān)聯(lián)分析或類型挖掘等，都提供給應(yīng)用。

5 結(jié)束語

綜上所述，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的能源計量管理系統(tǒng)主要面向政府節(jié)能降耗管理機構(gòu)，作為一種具有城域社會管理功能的平臺，在建設(shè)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的大背景下，將得到政府部門的重要關(guān)注和采用，并為經(jīng)濟社會的和諧發(fā)展發(fā)揮相應(yīng)的作用，具有一定的應(yīng)用前景。

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