校園可視化能耗監控管理平臺研究與開發

曾美霞，陳立定

（華南理工大學 自動化科學與工程學院，廣州 510640）

在全球經濟和科技迅猛發展的背景下，節能減排一直以來都是實踐可持續發展戰略的重要內容。我國的能耗比例構成中，建筑能耗已與工業能耗、交通能耗并列，成為我國能耗的三大“能耗大戶”[5]。而且建筑能耗伴隨著建筑總量的不斷攀升和居住舒適度的提升正呈急劇上揚趨勢。高校校園集教學、生活、科研于一體，建筑面積廣、人數多、規模及能耗量大，它的節能問題也引起了各方面的重視。因此，在高校中建立可視化能耗實時監控與數據管理分析平臺，對于加強校園能源的合理利用與分配，有效地實現節能，具有及其重要的意義。本系統采用VS2008的ASP.NET技術設計出了一個B/S模式的能耗管理系統，實踐證明，本系統安全性高、可操作性強，界面友好，可在大型公共建筑上推廣使用。

1 系統總體架構

校園可視化能耗監測管理分析系統是對校園能耗數據進行分析和管理的大型信息化平臺。系統主要集成能耗監控系統和能源管理分析系統兩大部分。系統的整體架構如圖1所示。

圖1 系統整體架構圖Fig.1 System whole framework

能耗監控端主要是實時顯示校園各棟樓層的能耗數據，一旦數據出現異常或者沒有數據顯示即時發出報警信息給系統操作人員；分析管理端通過各樓層在同一時間段的能耗量或者同一樓層在不同時間段的能耗數據進行分析，總結出校園能耗規律，同時及時采取有效的節能措施改善高能耗樓層的能耗總量。

2 能耗監控管理系統

2.1 用戶權限管理

權限的控制能有效地防止非法用戶訪問系統資源和合法用戶非法使用資源，是實現既定安全策略的系統安全技術。基于角色的權限控制模型目前已作為國際規范被廣泛應用，但是它采用的是集中管理模式，系統權限的所有管理能力都集中在系統管理員身上，管理員必須承擔所有管理責任，同時每當有用戶的調動、加入或者離開，權限的管理都必須通過管理員來實現，這使得訪問控制缺乏靈活性。因此，本系統采用了基于組角色的訪問控制模型（GRBAC），它有效地改善了基于角色的權限控制模型中的不足之處，其模型圖如圖2所示。

圖2 基于組的安全訪問控制模型Fig.2 Security acess control model based on group

GRBAC模型包括五個元素：用戶、用戶組、權限、角色以及會話。在GRBAC中，用戶組是權限的擁有者，一個用戶歸屬于一個用戶組就具有該用戶組的權限。系統管理員具有最高權限，負責建立起初始的權限體系結構。系統管理員建立用戶組，并未用戶組指定權限和建立用戶，同時為用戶組指定具有管理員角色的用戶。訪問控制管理中，一個用戶組可以對應多個用戶，一個用戶只能對應一個用戶組。一個用戶組可以對應多個權限，而一個權限可以對應多個用戶組。在圖中用不同的箭頭表示。需要指出的是，圖2中的用戶組相當于RBAC模型中的角色，圖中的角色特指用戶是否為其權限的管理者。

2.2 能耗監控系統

能耗監控系統主要用于實時監測[3]高校內各樓層的能耗數據以及各設備的運行狀態，包括區域用能監控與報警系統和設備狀態監測與控制系統兩部分。

2.2.1 區域用能監控與警報

實時監測各區域/房間的用能情況，監測界面的背景圖為高校的平面圖，通過點擊樓層對應的圖片就能鏈接到不同的樓層，進而顯示該樓層各個房間的能耗數據以及樓層的總能耗。系統預設能耗報警的條件，當能耗量超過了正常值時系統發出警報，提醒操作人員進行相關操作；同時系統還能對不正常的能耗使用情況進行報警（如下班了未關空調或者照明還開著等），降低能源泄露所造成的浪費。

2.2.2 設備狀態監測與控制

監測設備的實時運行情況，當設備出現故障時即時發出報警信息，降低設備維護成本；通過設定多種控制策略（溫度、時間、人員流量等）根據不同情況及外部環境條件自動控制設備的開啟數量，以此降低能耗，延長設備的壽命。

2.2.3 監控日志

在系統運行過程中，系統能自動生成監控日志，并將相應的信息存入數據庫。通過Gridview控件綁定相應的數據庫，系統管理員就能很方便地在可視化界面查看系統的歷史報警信息、錯誤事件發生的時間、處理方法及處理結果等。

2.3 能源管理系統

2.3.1 用能統計分析

用能統計分析部分主要包括三個子模塊，能耗分類分項對比[4]排名模塊、設備能效比分析模塊以及計費管理模塊。在能耗分類分項對比排名模塊中，用戶可以通過時間、區域、設備類型、統計類型、能耗分類等多種不同的維度對所采集的能耗數據進行統計并對比排名。微軟的Visual Studio開發工具提供了Chart控件，該控件是公開事件的圖表對象，既可以動態地綁定數據，也能應用DataBindings等屬性直接綁定到數據庫[1-2]。此外，Chart控件還可以繪制條形圖、餅狀圖、折線圖等，能非常直觀地展示不同區域設備的能耗比例。圖3是根據用戶自由選取房間號和特定時間段所形成的日耗電量條形對比圖。圖4是與圖3對應的日耗電量折線對比圖。

圖3 電耗量條形對比圖Fig.3 Bar chart of power consumption comparision

圖4 電耗量折線對比圖Fig.4 Polyline of power consumption comparision

設備能效比分析模塊主要是對投入運行的設備能耗量進行統計，并分析歷史能效比的變化，與該設備的標稱能效比進行對比，當兩者之間的差值很大時，根據建筑的外界環境和內部的能耗需求，對設備的選型進行優化。計費管理模塊對區域的各類能耗用量進行統計，按照用戶的需求生成各種形式的報表，并打印賬單，為校園能耗管理制度的執行提供準確依據。

2.3.2 能耗評估審計

輔助執行用能審計與用能評級，分析各棟樓層的能耗情況，對各樓層或課室進行能耗建筑排名，排名依據為

其中：C為加權總能耗量；P為人均能耗量；α為人均能耗量的加權因子；S為面積評級用量；β為對應的加權因子。給予C值小的建筑適當的獎勵，而C值大的建筑則給予通報批評等，從而激勵學生或校園工作人員提高節能意識，間接地在一定程度上實現節能。

2.3.3 自適應的節能優化控制策略

該模塊的主要功能體現在空調系統和照明系統上。系統運用人工智能優化技術，實時采集空調系統的各個運行參數和室外氣象數據，當負荷變化時，自適應地調整空調系統的運行參數，協調控制各空調設備的運行狀態，從而實現冷熱源能量輸出的最優化控制；同時系統利用數字化負荷隨動控制理論，通過采集的空調系統各個設備的多種變化參數，對負荷進行隨動跟蹤，自動、準確、及時地對設備實現了實時優化控制。而本系統中的照明系統利用了市場上流行的智能照明控制裝置（西門子的產品），通過光電感應開關測定工作面的照度，與設定值進行比較來控制照明的開關，最大限度地利用自然光，達到節能的目的。考慮到建筑物內越靠近窗的地方自然光的照度越高，人工照明提供的照度就越低，合成照度應維持在設定照度值，因此還需要解決人工照明的補償問題。但是由于要補償多少會隨著光源的使用、光源的光輸出衰減等而發生變化，這使得控制器很難精確地提供一個控制數值。為此，本系統采用了一個基于遺傳算法的RI模型，通過該模型，系統在使用光電感應器測得室外陽光的垂直照度的條件下直接獲得室內工作點的照度，進而自適應地調整照明設備的數量。

2.3.4 報表管理

報表管理模塊的設計為管理員或其他操作人員查看及導出或者打印歷史能耗數據信息帶來了極大的方便。操作人員可以選擇不同的時間段或不同樓層按年、月、日或者周查詢。圖5是將所選樓層在所選的時間段內的歷史能耗數據導出到Excel表格的結果示意圖。

圖5 報表導出Fig.5 Report export

3 能耗計量系統

本系統的能耗計量部分采用了兩級網絡模式實現數據從計量表末端（水表、電表等）到可視化能耗監控界面的傳遞。

第一級為各計量表與數據采集器之間的數據通過M-Bus總線實現傳輸。M-Bus總線又稱為用戶儀表總線，是一種專門為消耗測量儀器和計數器傳送信息的數據總線設計的。M-Bus總線在建筑物和工業能源消耗數據采集有多方面的應用。M-Bus總線具有布線簡單、拓撲無關、在線供電、抗干擾強等特點，它的提出滿足了公用事業儀表的組網和遠程抄表的需要[6]，同時還能滿足遠程供電系統的特殊要求，可以在幾公里的距離上連接幾百個從設備，應用前景非常廣泛。

系統的第二級網絡為數據集中器與可視化能耗監控平臺的數據通信。由于計量系統的集中器采用了模塊化設計，因此與監控管理平臺可以靈活地采用串口通信方式、無線接入網絡方式、光纖以太網等多種數據傳輸形式。考慮到實際集中器設置焦點且與主站數據采集服務器連接距離較遠，結合數據傳輸穩定性的需要，本系統采用了以太網方式進行第二級的數據通信，實現數據的傳輸。

4 結語

本系統采用B/S結構開發了校園可視化能耗監控管理平臺。B/S結構是對C/S結構的一種改進，在該結構下，本系統的監控界面通過www瀏覽器實現，只有極少部分的事務邏輯是在前端（Browser）實現，大部分事務邏輯都是在服務器端（Server）實現，大大簡化了客戶端電腦載荷以及系統維護和升級的成本和工作量。系統結合DHTML、Javascript、SQL語言等多種技術實現了對實時能耗數據的采集、監測與管理，有效達到了節能目的。同時系統還提供了報警處理，歷史數據存儲，數據報表的導出與打印等多重功能。目前該系統已投入到廣州某高校的能耗監控管理平臺中使用。實踐表明，該系統運行穩定，安全實用可靠，具有廣闊的工程應用前景。

[1]Chris Ullman，Chris Goode.ASP.NET入門經典.C#編程篇[M].北京：清華大學出版社，2002．

[2] 張志強，陳永強.SQL Server 2005 Web應用開發[M].北京：清華大學出版社，2008．

[3] 鮑威爾.Ajax完全手冊[M].北京：電子工業出版社，2009．

[4] 劉洋，楊海濱，馬金星.基于能耗監測系統與建筑分項能耗模型的校園建筑能耗分析[J].中國建設信息，2012（16）：62-67．

[5] 鄭明明，陳碩.建筑能耗監測平臺的研究[J].建筑節能，2009，37（9）：65-66．

[6] 吳海峰，李德敏，鄒劍.基于M-Bus的智能水表數據采集器的設計[J].通信技術，2011，44（10）：97-98，101．