建筑能耗監控分析與管理一體化平臺

鄧璐娟，張圓方，李金萌，董東曉

（鄭州輕工業學院 計算機與通信工程學院，鄭州 450002）

目前，國內的大多數樓宇自動化系統BAS（building automation system）僅僅是監視設備運行，且能耗管理系統（BEMS）、能耗監控系統、能耗統計分析系統各自獨立，難以達到建筑能耗智能化監控管理[1]。針對以上問題，設計了建筑能耗監控管理系統，采用B/S架構，使用SSM集成框架，前臺頁面設計采用CSS+JS+JSON+AJAX+jQuery Easy UI技術[2]和動態圖表生成技術，將能耗管理系統（BEMS）、能耗監控系統、能耗統計分析系統等集成到一個平臺上，實現系統間的信息共享，管控統計分析為一體。實驗證明，該系統界面友好、功能完備、安全實用可靠、可操作性強，達到了建筑能耗智能化監控管理，具有廣闊的工程應用前景，及很好的推廣作用[3]。

1 平臺設計

基于J2EE的應用架構，具有安全性高、擴展性強、負載均衡和高可重用性等特點，且MVC已成為J2EE開發平臺上的一種設計模型[4-5]。因此，本系統基于分層思想，采用SSM集成框架，表現層用Struts框架實現，在每個JSP頁面，通過JS+JSON+AJAX+jQuery Easy UI技 術 、FunsionCharts、Highcharts 等主流技術編寫動態頁面，與用戶進行交互。業務層用Spring框架實現，在該層封裝了業務操作，使表現層與數據層分開，數據層用Mybatis實現，主要用來定義、維護、訪問和更新數據并管理和滿足應用服務對數據的請求。使得系統耦合性低，擴展性強和維護性好。形成SSM集成框架結構原理圖如圖1所示。

圖1 SSM集成框架結構原理Fig.1 SSM integration framework structure principle

1.1 總體架構

建筑能耗監控管理系統分為表現層、業務層、數據層構成[6-8]，表現層主要分4個子系統，分別為能耗管理子系統、報表管理子系統、能耗實時監控子系統、能耗統計分析子系統，主要完成系統管理、數據展示、動態監測控制、統計分析等工作；業務層完成基本信息的管理如建筑基本信息的管理、儀表設備的基本信息管理、能耗數據生成及報表導出、實時監測和儀表設備的控制、能耗統計分析工作；數據層，主要對建筑基本信息、用戶基本信息、儀表設備基本信息、能耗數據等信息的存儲。系統整體架構圖如圖2所示。

1.2 關鍵技術

1.2.1 Easy UI技術

圖2 系統整體架構圖Fig.2 Overall system architecture diagram

Easy UI是一個簡單易用功能強大、可跨瀏覽器的Web前端JavaScript框架，是一組基于jQuery的UI插件集合，它為Web頁面開發提供了功能豐富且美觀的UI界面[8]，通過使用Easy UI，開發者不需要編寫復雜javascript腳本，就可以開發出實用且美觀的界面，使開發與界面設計解耦，這樣開發者只需關注程序邏輯結構及功能的實現。

本系統采用Easy UI的tree組件來實現異步操作樹的頁面加載，不僅支持多種形式的樹模式，還添加了操作功能設計，如各分類儀表設備以目錄樹模式顯示，及從樹狀結構中單選或多選要統計的儀表，從而強化了目錄樹的功能及操作靈活性。

1.2.2 動態圖表生成技術

Highcharts是用純JavaScript編寫的，不像Flash和Java安裝插件才可運行，兼容當今所有瀏覽器，能夠在Web前端網頁上添加交互性圖表，如直線、曲線等[9]。因此，Highcharts是一款開源的、跨語言的、兼容性強、支持多圖表類型的圖表制作框架[10]。

FusionCharts是目前業界流行的圖形軟件，具有跨平臺、跨瀏覽器的flash圖表組件，FusionCharts不需要知道Flash編程的知識，只需要知道所用的編程語言如 ASP.NET，ASP，PHP，JSP 等[11]。

本系統采用動態圖表生成技術，對數據的統計分析用FusionCharts技術，通過插件MSColumn3D.swf、MSLine.swf、AngularGauge.swf插件實現柱狀圖、折線圖、儀表盤圖等。能耗監測控制，用Highcharts技術，可以實時更新折線圖，顯示建筑能耗走勢。通過直觀的圖表，可以縱向、橫向統計分析能耗使用情況[12]。

1.3 數據庫

系統數據庫設計如下：

（1）基本信息表：包括建筑信息表、建筑管理方式表、管理層級表、中央空調風機盤管信息表、中央空調表信息表等23個數據庫表。

（2）實時數據存儲表：包括中央空調數據信息表、電表數據信息表、燃氣表數據信息表等9個數據庫表。

（3）歷史數據存儲表：包括中央空調采集數據表、電表采集數據表、燃氣表采集數據信息表等7個數據庫表。

1.4 實現與功能需求

系統功能模塊設計如圖3所示。

圖3 系統功能模塊圖Fig.3 System function module chart

2 管理與分析

2.1 能耗管理

能耗管理系統（BEMS）主要對基本信息進行管理，如通訊設置、數據備份與還原、能耗指標設置、用戶管理（權限、角色的管理）、基本信息管理包括建筑基本信息管理、對管理方式進行管理、儀表設備管理（各個儀表類型的添加、刪除、編輯、導入導出數據）、能耗數據自動采集時間設置 （采集時間設為24 h之內的一個整點）、按照采集技術導則和數據傳輸技術導則等，對采集上來的能耗數據進行標準化編碼及存儲。

2.2 能耗統計分析

能耗統計主要統計周期范圍內對應對象的能耗情況，統計周期可以選擇以月、季、年為單位的時間周期，也可以自定義時間周期，統計對象可以為分類能耗（電、熱量、冷量、燃氣、其他能源、水）、分項能耗（照明插座、空調用電、動力用電、特殊用電）、總能耗、總電量、空調當量能耗和用時統計等，可將能耗數據以柱狀圖、表盤、列表的形式展現出來。

能耗分析，在統計周期內，可以統計總能耗、總電量、分類、分項能耗情況，對能耗歷史數據進行分析，以折線圖非常直觀地展示能耗使用趨勢情況。圖4為中央空調的高中低檔各個年度總用時，圖5為軟件學院在2013年與2014年各分項用電能耗同比情況。

2.3 能耗實時監控系統

圖4 能耗統計Fig.4 Energy consumption statistics

圖5 能耗分析Fig.5 Energy consumption analysis

實時監測分項能耗、分類選中一類監測對象，比如分項能耗進行監測，如不選擇，將會監測所有分項能耗。點擊監測，實時監測會進行自動監測。點擊停止，將會停止正在進行的自動監測。當自動監測超過2 h后，將會自動停止監測。圖6為分項能耗實時監測。控制管理主要是對空調控制管理、采暖控制管理，主要分為啟停控制、用時控制、時段控制、指定運行、賦值等控制操作，操作人員可遠程控制現場儀表設備的運行情況。

圖6 分項能耗實時監測Fig.6 Real-time monitoring of energy consumption separately

3 結語

經實踐運行，本系統可實現建筑物內中央空調設備、分體空調設備、分類儀表等設備的實時監控和管理，可監控管理3600塊儀表設備，還能對建筑物內的總能耗、總電量、分戶、分類、分項等能耗數據進行統計分析和對建筑物內所有能耗進行橫向、縱向對比分析，以及提供報表生成打印功能，且業務處理時間不大于5 s。該系統實現了集監測、控制、管理為一體的目標，因此對于類似的系統具有一定的參考價值和借鑒意義，同時在推廣各類建筑能耗監控管理系統中，發揮重要作用。

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