智慧供熱的內涵及目標

方修睦, 楊大易, 周志剛, 劉 京

(1.哈爾濱工業大學 建筑學院， 黑龍江 哈爾濱 150006； 2.哈爾濱工業大學 計算機學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

我國的供熱起步于人工運行的分散小鍋爐房。隨著技術進步，供熱規模在逐漸擴大，供熱系統的自動化水平逐步提高，如今已經實現多種形式的熱源共存，部分供熱系統實現了信息化，熱力站無人值守，開始向供熱系統智能化、供熱運行管理智慧化的目標前進。我國在城市智慧供熱方面的研究剛剛起步，對智慧供熱的內涵和外延還缺乏完整的、準確的認識。筆者對此問題談一些粗線的看法，期待能起到拋磚引玉的作用。

1 智慧供熱涉及到的幾個概念

1.1 智慧供熱

智慧供熱是一個新概念，涉及到智能供熱管網、智能供熱等基本概念，不同研究人員有不同的定義，筆者從另一角度，對智慧供熱涉及到的幾個概念進行介紹。

智能供熱管網是由供熱物理設備網(熱源、供熱管網、用戶系統、就地顯示儀表和控制調節設備組成的網絡)、供熱信息物聯網(傳感器、數據采集設備、數據傳輸設備等組成的網絡)和基于智能供熱平臺的智能決策系統組成的新型供熱網絡，簡稱智能熱網。智能供熱是以供熱物理設備網為基礎，以供熱信息物聯網為支撐，通過智能決策系統，為運行管理人員提供輔助決策支持，形成在保證室內舒適度的前提下，降低運行能耗的供熱系統形式[1]。智能供熱概念包含著智能熱網概念，兩者關系為真包含關系。

智能供熱表示供熱系統所達到的智力和所具備的能力,筆者將與物理系統相關的自動實現某種功能的實體或動作(操作)稱作智能。而智慧供熱是比智能供熱更高層次的理念，是充分利用類似于人腦所表現出來的創造性思維活動的形式來解決供熱問題。因此可以認為：智慧供熱是以數字化、網路化、智能化的信息技術與先進供熱技術的深度融合為基礎，以用戶需求為目標，以低碳、舒適、高效為主要特征，以具有自感知、自分析、自診斷、自決策、自學習等為技術特點的現代供熱形式。從物理形態角度看，智慧供熱也是由物理設備網、信息物聯網和智慧供熱平臺三大部分組成。智慧供熱概念包含著智能供熱概念，兩者關系為真包含關系。筆者根據智慧供熱內涵的不同，將其分為廣義智慧供熱和狹義智慧供熱。

1.2 信息-物理系統

傳統的供熱行業包括人與供熱系統兩部分。供熱系統是人建造的，供熱過程是通過人對供熱設備的直接操作控制來實現供熱的，供熱過程中所需要的感知、學習認知、分析決策與控制操作是由人完成的。人們將人與設備構成的系統抽象為“人-物理系統”(Human-Physical Systems，HPS)[2-3]。由于人對供熱運行的學習認知不同、分析決策能力差別，從而導致供熱系統的運行效果差別。如果在人和供熱系統之間引入可以代替人完成部分腦力勞動的信息系統(Cyber Systems)，將人的相當部分的感知、分析、決策功能用信息系統完成，則可以減輕人的工作強度，消除人的決策差別，提高供熱運行效率。信息系統是由軟件和硬件組成的系統，其任務是對輸入的信息進行計算，代替人去控制供熱系統。這一由人-信息系統(Human-Cyber Systems，HCS)和信息-物理系統(Cyber-Physical Systems，CPS)組成的新型系統稱為 “人-信息-物理系統”(Human-Cyber-Physical Systems，HCPS)[4-5]。

人-信息-物理系統(HCPS)是支撐智慧供熱發展的理論基礎，信息-物理系統(CPS)是人-信息-物理系統(HCPS)的重要的組成部分。信息-物理系統(CPS)構建了一套信息空間與物理空間之間基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行、學習提升的閉環賦能(為供熱系統賦予某種能力和能量)體系(2017年，中國信息物理系統發展論壇發布《信息物理系統白皮書》)。

狀態感知是將大量蘊含在供熱系統中的隱性數據(溫度、壓力、流量等)，通過傳感器、物聯網等一些數據采集技術、通信技術，變為顯性數據，使得數據可見。

實時分析是利用先進的數據處理分析技術，將顯性數據轉化成認知的信息，找出供熱系統運行狀態在時空域和邏輯域的內在因果性或關聯性關系，將顯性化的數據進一步轉化為直觀可理解的信息。

科學決策是對不同系統的信息進行處理，使得信息真正地轉變成知識，形成在一定的條件約束下對供熱系統運行調節的最優決策方案，用來對供熱系統實體進行控制。

精準執行是將信息空間產生的決策轉換成控制器、執行器可以執行的命令，輸出更為優化的數據，使得物理空間設備運行更加可靠，資源調度更加合理。

學習提升是以上過程隨著供熱系統的運行不斷地自主循環，供熱系統的數據不斷累積，螺旋上升，不斷產生更為優化的數據，不斷地為供熱系統賦予實現一定范圍內優化的能力，實現供熱企業高效運營，各環節智能協同效果逐步優化。

2 智慧供熱的內涵

2.1 廣義智慧供熱

2.1.1 廣義智慧供熱內涵

廣義而論， 智慧供熱是一個大概念，是新一代信息技術(移動互聯、大數據、云計算、物聯網)、新一代人工智能技術(具備認知和學習的能力、具備生成知識和更好地運用知識的能力)與先進供熱技術的深度融合，貫穿于供熱設備制造、供熱系統規劃設計、供熱系統建造、人才培養、供熱運行維護、供熱服務全壽命的各個環節及相應系統的優化集成，用于解決供熱行業全過程中的復雜性和不確定性問題，提高資源配置效率，實現資源優化。廣義智慧供熱是以人為基礎、以供熱系統為載體、以信息技術為先導，在新一代人工智能技術與先進供熱技術的深度融合基礎上，形成的新一代供熱技術。在智慧供熱的各組成環節中，先進的供熱技術是智慧供熱的主體，智慧運行是主線，用戶需求是智慧供熱的核心。智慧供熱將成為供熱行業革新的推動力。

廣義智慧供熱涉及到設備制造及系統集成企業、設計建造企業和供熱企業。

2.1.2 設備制造企業及系統集成企業

供熱系統是通過管道將分布在城市各個位置的各種設備連接起來的。目前供熱系統中安裝使用的設備大多是按照人工運行時代的要求設計制造的，功能單一，缺少必要的信息，不能滿足智慧供熱的需求。傳統的供熱設備要向智能設備轉化，設備要有供熱系統設計人員需要的設備性能信息、運行人員需要的運行狀態信息、系統集成人員需要的通信、自診斷、自控制功能。只有設備制造業走向智能化，才能構建合理、健康、完全智能化的供熱系統，全面實現智慧供熱。

目前供熱系統使用的傳感器大多為傳統傳感器，測量參數單一，只能傳輸檢測的物理信號，缺少自診斷功能，給系統集成帶來不便。在智慧供熱系統中，傳統的傳感器要向智能化方向發展，要實現同時對多種信號的測量，傳感器要做到價格低、體積小、重量輕、功耗低，要集傳感、采集、處理、傳輸及供電一體化，具有自我補償和自我校準功能。

系統集成企業要將通信系統傳輸的由傳感器提供的顯性數據，通過信息網絡傳輸到數據中心，對傳輸上來的數據進行挖掘和分析, 結合人工智能技術將龐雜的數據轉化為知識模型, 并通過云技術形成云服務, 共享于供熱系統中, 提高供熱系統各個組成部分的協同能力。系統集成中的計算機設備、軟件、傳感器等均需要標準化，需要有統一的通信協議和統一的數據格式要求，實現集成系統智能化。

2.1.3 設計建造企業

設計人員以設計方法學為指導，以人工智能為手段，借助于專家系統在知識處理上的強大功能，結合機器學習等技術，自動采用實踐得到的最優經驗，對所設計的供熱系統進行智能規劃、仿真分析、智能優化設計，智能協同設計；將先進的供熱技術、智能化供熱設備、智能傳感器及智能化集成產品深度融合，形成在保障舒適性的前提下，以經濟性作為配置目標的基于群體智能的智能化供熱系統設計方案[6]。

建造企業根據供熱系統設計方案進行建造。在系統建造環節，采用基于建筑信息模型(BIM)技術的建設活動，利用供熱管網衛星精準定位技術、智能化施工設備，實現施工過程和施工安全智能監管，施工材料及施工機具智能調配，機械作業狀態及作業環境異常自動監測，保障供熱設施施工的高效開展和智能化系統的實現。

2.1.4 供熱企業

供熱企業是智慧供熱的實施主體。建成的供熱系統及智能化平臺，由供熱企業運行維護。智慧供熱的最本質的特點是智慧供熱平臺具備認知和學習的能力，具備生成知識和更好地運用知識的能力。解決復雜系統的參數識別、工況分析、優化決策等關鍵問題，將人的相關運行經驗和知識轉移到智能決策系統中，形成自學習、自感知、自適應、自控制的智能系統。供熱企業利用智慧供熱平臺，實現供熱系統的智能調度、智能調節、智能控制、智能診斷、智能維護、智能管理及智能服務。

智能調度：傳統供熱企業的運行調度依據運行人員的經驗對熱源、供熱管網、熱力站及熱用戶系統進行調度。實現智慧供熱的系統，可以自動分析每棟建筑物熱負荷特性，建立每棟建筑物的熱負荷模型，對熱負荷進行精準預報，進而根據所選定的適合的運行調度模式給出熱源、供熱管網、熱力站、熱用戶的調度方案。

智能調節：與傳統的只有運行人員參與、手工操作的集中調節方法不同，實現智慧供熱的系統，用能可計量，熱用戶是供熱運行的參與者，熱源、供熱管網與熱用戶之間實現雙向互動，熱用戶可以根據自己的需求對室溫進行控制。

智能控制：在智慧供熱系統中，運行調度的控制指令可由上位平臺直接下達到運行設備，而不需要人工操作控制。實現智慧供熱的系統，運行于各熱力站或熱用戶的控制單元可以自主地對所服務供熱區域進行調節控制。

智能診斷：實現智慧供熱的系統，可基于數據挖掘和專家系統等技術手段實現數據診斷引擎，對運行數據進行深入挖掘與分析，診斷供熱系統的運行狀況，檢測異常數據并發出報警，從而及時發現故障并給出合適的處理方案。

智能維護：結合地理信息系統技術和智能處理算法對巡檢、維修、保養等生產維護活動進行智能的排班、路徑規劃、服務質量與考核分析。

智能管理：集成供熱管理信息系統、辦公自動化系統等，智能化地配置不同地域的供熱資源，消除本地域供熱業務管理與執行中的延遲問題，實現最優的管理效率。實現人機結合智能和企業群體智能。

智能服務：將服務延伸至供熱建設的各個環節及全壽命周期。采用自動導航等技術手段的客服中心在精簡客服人員的同時，還能為熱用戶提供更高質便捷的服務。通過對熱用戶室溫數據和服務數據的挖掘分析，為服務質量的評估提供科學的參考指標。

2.1.5 人才培養

供熱行業依靠技術創新和設備升級支撐供熱事業發展，先進的技術設備離不開技術人才和高素質的運行維護隊伍。現有的供熱行業從業人員，無論是設計制造人員、設計建造人員，還是運行管理人員的知識結構及技術水平，尚滿足不了智慧供熱對人才的要求。需要將供熱行業技術培訓與技術人才培養納入行業發展戰略高度，開展不同層次的技術教育，建立健全靈活的人才引進機制、科學的人才選拔使用制度、有效的人才激勵約束機制，為行業技術進步和事業發展提供有力的智力及人才保證。

2.2 狹義智慧供熱

廣義智慧供熱包含以信息技術為先導的狹義智慧供熱，兩者關系為真包含關系。狹義智慧供熱的內涵見圖1。

圖1 狹義智慧供熱的內涵

狹義智慧供熱包括智能運行、智能管理和人才培養三部分。

智能運行是智慧供熱的核心，涉及到運行監督、運行調節、運行控制和運行評價四大部分。運行監督是對熱源、熱力站、供熱管網、熱用戶的運行參數和環境參數(室內溫度、室外溫度)進行監測，獲得供熱系統運行的顯性數據。運行調節是根據顯性數據得出的分析結果形成供熱負荷預報、運行調節優化、熱力工況優化及運行調度的最優決策方案。運行控制是根據最優決策方案進行供熱管網及熱用戶的平衡調節及控制，對能源轉換設備和動力設備進行優化控制。運行評價是根據優化運行結果，對設備及系統性能進行評價。智能運行的目的是實現能源轉換設備的高效運行，能源輸送系統輸送成本最小，保障系統安全。

智能管理的核心是管理環節的智能。是以智能的方式改造現有的管理體系，提高管理系統的智能水平。智能管理是綜合運用現代化信息技術與人工智能技術，通過計劃、組織、激勵、協調、控制等手段，智能地為供熱運行配置資源，建立并維持企業運營秩序，以達成預定的目標。智能管理涉及到供熱業務管理、供熱安全管理、環保及消防管理。供熱業務管理包括：運行管理、設備管理、應急管理、熱費管理及服務管理。供熱安全管理包括：系統安全、人員安全和設備安全。智能管理的目的是實現供熱企業管理中各類硬件和軟件之間高效整合，并與企業中人要素實現“人機協調”，做到人機結合智能和企業群體智能。

智慧供熱對員工能力的需求發生變化，將從單一的設備操作、單一的技能、常規管理能力轉換到人機協同、供熱技術與信息技術融合、數據診斷與應用、技術保障及支持(如智能設備和傳感器的維護與管理)等綜合能力需求。只有培養出滿足智慧供熱需求的運行人才和管理人才，才能保障智慧供熱的健康發展。

2.3 智慧供熱的總體目標

智慧供熱的核心是供熱。智慧供熱與傳統供熱的區別是智慧，是供熱向高效率、高質量、精細化、低成本、人性化發展；是從傳統供熱系統滿足用戶的整體需求，向注重不同用戶群體需求轉變，更加關注供熱服務，將服務延伸至供熱建設的各個環節及全壽命周期，用最低的成本，最高的效率，最大程度滿足熱用戶需求。智慧供熱的總體目標是：用戶舒適滿意、系統安全可靠、能源利用高效、低碳清潔經濟。

3 智慧供熱各組成部分的任務及目標

物理設備網、信息物聯網和智慧供熱平臺是構成智慧供熱的三個物理實體。將智慧供熱的總體目標分解，可得到圖2所示的智慧供熱各組成部分的任務及目標。

3.1 物理設備網

物理設備網的任務是：不斷推進供熱技術進步，實現先進的供熱技術與智能設備、智能傳感器深度融合，構建熱源可調(運行調節)可控(安全控制和鍋爐的經濟運行控制)、供熱管網可調(水力平衡調節)可控(安全控制)、熱力站可調(運行調節、水力平衡調節)可控(安全控制)、熱用戶可調(水力平衡調節)可控(室溫控制)的新型供熱系統。

物理設備網的目標是：供熱系統可控、供熱管網平衡、用戶用熱計量、站點無人值守。不同的供熱技術構成的供熱系統，其節能效果差距較大，供熱節能的關鍵在于供熱技術進步。智慧供熱是用人工智能部分地代替人的勞動，提升的是人的管理水平，消除人工管理的差距和缺陷，減輕人的工作強度，其帶來的節能效果有限，切不可高估智慧供熱的作用。部分企業實施智慧供熱后節能效果較大，是因為通過智慧供熱的實施，投入了原來供熱系統應該裝備而由于某種原因實際沒有裝備的設備，將不合理的供熱系統變得合理。

3.2 信息物聯網

信息物聯網的任務是：實現數據按照統一標準全面采集，統一格式完整傳輸，統一維度儲存，統一標準對齊(各類型數據按照一定的規則在空間上排列，而不是順序地一個接一個地排放)、高效處理，在線辨識數據質量，在線核查傳感器的工作狀態，對存疑的傳感器進行離線檢查，避免傳感器帶病工作。

信息物聯網的目標是：保證數據傳輸穩定、獲得的數據完整可靠。信息物聯網和供熱管網一樣分布在城市的各個部位，熱源的生產過程、熱量的輸送情況、系統調節的狀態、用戶的需求及控制結果都通過信息物聯網連接在一起，通過智能化控制使整個供熱系統運行得以優化。數據是智慧供熱的基礎性支撐，若傳感器測量的上傳數據可信度低，都將影響基于智慧供熱平臺的數據挖掘的結果及運行決策。

3.3 智慧供熱平臺

智慧供熱平臺的任務是：對數據的有效性進行確認，通過數據的預處理工作，使殘缺的數據完整，將錯誤數據糾正、多余的數據去除，進而將所需要的數據挑選出來，并進行數據集成。保證數據的準確性、完整性、一致性、唯一性、適時性、有效性。對有效的數據，通過統計學、人工智能等方法，從海量的數據中挖掘出重要的、且有價值的信息、知識或邏輯，并用挖掘出的知識或經驗(一般認為“數據挖掘”是從海量數據中挖知識，機器學習是從數據中挖經驗)進行下述工作：

① 制定系統運行智能決策方案。挖掘出某特定區域內供熱負荷的特點和趨勢，根據氣象參數，確定下一個調度周期內的供熱需求；根據系統的配置狀況，制定下一個調度周期內設備的運行調節方案，優化系統的熱力工況，優化控制能源轉換設備和動力設備；自動評價系統的運行方案及運行效果。

圖2 智慧供熱各組成部分的任務及目標

② 制定系統安全決策方案。辨識出運行系統的實際特性參數，分析系統的動態特性，評估供熱系統的可靠性，快速診斷并準確預測事故原因，制定出更加合理的事故處理方案和維護管理方法，減少事故發生的次數和事故處理時間及影響范圍，提高系統的安全性。

③ 提升供熱企業智能管理水平。在熱費管理、客服管理、用戶管理、設施管理、檢修管理、人才培養各個環節，實現信息系統的整合，消除信息孤島，實現信息共享、協同發展。為供熱資源優化配置、優化利用，降低供熱成本，滿足用戶需求提供支撐。

智慧供熱平臺的目標是：系統安全，運行智能，運行費低，管理智能，服務周到，用戶滿意。

4 實現目標的途徑及建議

4.1 途徑

傳統供熱經歷了人工運行時代、自動化運行時代、信息化指導運行時代。在新一輪科技革命的浪潮中，供熱運行已經起步向智慧運行時代邁進。

在人工運行時代，鍋爐運行、閥門的開閉和水泵等設備的啟停由人來操作。進入自動化運行時代，單調、重復的操作由自動化裝置代替，鍋爐運行、閥門的開閉、水泵等設備的啟停是根據人的命令來自動啟停或開閉，從而將人從部分體力勞動中解放出來，供熱品質得到保障。供熱信息化，是應用先進的計算機網絡技術去整合供熱運行管理各個部門，提供準確、有效的感知數據信息，避免操作失誤和人的影響，對供熱需求進行快速決策，提高供熱系統的安全性和系統效率。供熱的信息化和自動化，都要將運行操作合理化、標準化，在確定統一的流程的基礎上，實現信息化。

供熱系統的自動化和信息化是供熱系統智能化的基礎。供熱系統的智能化水平可以劃分為3個縱向的層級：初級智能系統、恒定智能系統和開放智能系統。智能化系統的層級及特征見圖3。

圖3 智能化系統的層級及特征

初級智能系統的特征為：具備狀態感知、自動決策、即時執行3個特征。恒定智能系統的特征為：具備狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行4個特征。開放智能系統具備智能的全部特征：狀態感知、實時分析、自主決策、精準執行、學習提升。供熱系統智能化是一個長期奮斗目標，不是短期內能實現的，必須清醒地認識到這一點。用常規方法實現的供熱任務，不應貼上智慧的標簽。

機器學習泰斗Michael I. Jordan教授否認人類現在已經處于人工智能時代，他認為人類正處于計算機科學時代、統計時代、個性化服務和數據時代，或者手機時代、移動時代。Michael I. Jordan教授認為：過去的40 a間真正發生的是智能增強(IA)，包括數據處理、數據分析、搜索引擎、自然語言翻譯、推薦系統等,其實都是智能增強(IA)，而不是人工智能(AI)。

目前我國供熱系統的實際水平是信息化不完善，少部分系統實現了自動化，一些標稱實現智慧供熱的系統，距上述分析的智慧供熱應完成的任務和目標相差甚遠；距智慧供熱系統應具備的自感知、自分析、自診斷、自決策、自學習的能力相差甚遠，供熱系統所達到的智力離初級的智能要求相差很大。

4.2 建議

智慧供熱目標是靠智慧供熱必須完成的任務的落實來實現的。為此建議如下：

① 智慧供熱是一種新型供熱方式，智慧供熱技術還很不完善，推進智慧供熱是一個長期的漸進的過程，各國都在不斷探索中，也都面臨標準、網絡、安全、人才等一系列共性問題和挑戰。要緊緊抓住智慧供熱帶來的歷史性機遇，充分利用物聯網、大數據、人工智能等先進技術，瞄準智慧供熱目標，推進產學研用協同創新，實現供熱技術、設備的創新突破，解決智慧供熱中的智能算法及模型等關鍵理論問題，用創新引領和推動智慧供熱的水平和質量提升，形成從事推廣應用各種共性使能技術(Enabling Technology，是指一項或一系列的、應用面廣、具有多學科特性、為完成任務，從而實現目標的技術)和提供系統解決方案的新興企業集群。

② 智慧供熱建設是一個循序漸進的過程，目標宏偉，不可能一蹴而就。供熱企業應加強頂層設計，認清其所處的位置和擁有的實力，充分考慮技術先進性和技術經濟性的平衡，理清現有條件下可能實現的目標，評估其在通往智慧供熱的道路上要達到的層次。實事求是地根據供熱企業的具體情況，制定出合理的智慧供熱建設方案，分階段、分層級往前推進。

③ 既有系統沒有進行信息化建設的供熱企業，現階段的工作重點要先放在先進供熱技術與信息化、自動化融合上，使得這些供熱企業能夠高質量地完成信息化和自動化的補課；已經實現信息化的供熱企業，在補齊短板基礎上，引進智慧供熱平臺。新建建筑及新建系統，要按照智慧供熱的目標建設。