淺談物聯網在居民智慧供暖中的解決方案

魏可才 宋雪述 李祥偉

摘?要：本文主要介紹通過物聯網、5G、大數據、人工智能等新技術解決居民供暖過程中存在的溫度失衡、資源浪費、安全運營、個性化需求等問題的技術解決方案，建設智慧供暖管理系統。

關鍵詞：5G;物聯網;智慧供暖;解決方案

一、緒論

智慧能源是智慧城市建設的重要基石，隨著智慧城市建設的推進，通過“智慧能源”實現的節能減排經濟效益將占據越來越重要的地位。據統計，北方城鎮供暖能源消耗量占社會能源消費總量的4.4%[1]，因此，如何安全、有效、科學地控制供暖系統成為城市節能減排和智慧建設急需解決的問題。同時，在每年的供暖的過程中，因供暖管道老化、新增供暖區域、非正常失水等原因造成供暖溫度過低或者過高，給用戶消費者造成的不良服務問題突出，既影響用戶感知也導致了供暖資源的浪費。本文智慧供暖方案通過物聯網技術對管網及用戶水壓、水溫及流量等信息的實時監控采集，并利用大數據和AI算法構建供暖平臺模型，實現對流量控制閥實現設備聯動和智能控制，來解決管網的供熱平衡等問題，來提升用戶感知，提升供暖效率，降低供暖成本，同時，通過技術手段預測可能出現的供暖問題，確保冬季供暖安全、高效運營。

二、存在的問題

由于設計、管網老化、設備運營、供熱管理等原因，造成傳統居民供暖管理方面存在以下問題：

（1）熱網溫度失衡問題：熱網的平衡，尤其是二次網的水力平衡難調節，與很多因素相關，比如設計、施工以及管網腐蝕、維修不及時、末端不良操作等，都不同程度地影響著整個熱網的平衡[2]。由于熱網溫度失衡，一方面造成末端用戶供暖溫度過低，達不到承諾的溫度，影響用戶感知，進而引起用戶投訴，另一方面，部分區域由于離供熱企業比較近，供熱水或氣溫度高且流量大，造成部分住戶家中溫度超過24度，甚至更高，引起資源浪費。

（2）管網的智能化控制：傳統的熱力管網中，熱量表的壓力、流量、溫度無法實時監控，并且閥門以手動控制為主，即使可以遠程關開，也無法做到遠程自動調節管網的壓力、流量和溫度，進而影響住戶家的供暖溫度，造成資源浪費和溫度失衡，影響用戶感知。

（3）供熱失水引起的浪費和安全問題：用戶私放供暖管道中的熱水，或者管道老化引起的漏水，突發性失水是造成管道失水的主要原因[3]。這些非正常供熱失水不僅造成供熱成本的增加和能源的浪費，也影響了供熱系統安全和工況的穩定，成為制約供熱行業健康發展的難題。

（4）無法滿足個性化的需求：隨著智慧城市和精細化服務的發展，用戶有按流量計費的個性化的需求，需要由按面積計費向按流量計費的模式轉型和探索[4]。傳統供熱監控和測量手段的，無法獲取終端用戶及管網中的詳細數據，已經無法滿足精細化社會服務的需求。

三、解決方案

本文主要介紹利用5G、云計算、物聯網、大數據、人工智能和移動互聯網等技術建立智慧供暖的解決方案，重點在物聯網技術的應用。方案以安全可靠為前提，對供熱管網的溫度、流量和壓力實現分區域、分時段及時檢測和智能控制，實現智能調溫、節能降耗、提高管理水平等目標。

（一）智慧供暖系統的架構

分為感知層、網絡層、平臺層、應用層（具體見圖1）四層。

其中傳感層主要包括溫度、濕度、壓力、智能流量計等感知終端和溫控電磁閥門等操作控制終端，主要實現數據的采集、設備的操控落地等功能。網絡層主要包括無線網絡（NB、2G/3G/4G/5G、WLAN）、有線網絡（專線、寬帶）、通信模塊/模組/終端等，主要負責數據的傳送。

平臺層主要包括連接管理平臺和設備管理平臺，連接管理平臺負責連接的管理，主要包括資費、自動化規則、API接口等功能，設備管理平臺主要負責終端感知層設備的管理和控制，并提供數據的存儲及處理能力，實現不同海量終端及應用平臺的兼容耦合，并通過云化部署的方式實現了集中、集約化的管理和維護，提升了平臺可靠性，降低了投入成本。

應用層主要包括智慧供暖管理應用云平臺和用戶APP等，其中智慧供暖管理應用云平臺部署在云上，既可以部署在公有云上，也可以部署在私有云上，主要為供暖企業使用。

智慧供暖管理應用云平臺主要功能模塊包括：（1）用戶管理模塊：包括住戶小區名、地址、面積、繳費情況等信息管理;（2）資產管理模塊：包括換熱站的地址、設備清單及詳細信息等資產信息;（3）告警功能模塊：用于溫度異常告警、住戶私自放水或漏水告警、管道漏水告警、管道水壓異常告警;（4）運營管理模塊：包括遠端控制閥門界面、流量計費收費界面、使用燃料預測（根據以往數據）和室溫地圖系統等;（5）能耗評價系統模塊：對各管網、供熱站、供熱設備等能耗進行比較分析，為企業能源運營和設計優化提供依據;（6）智能客服系統模塊：為客戶提供友好服務界面，也為服務提升、設計和運營優化沉淀數據。

APP分為企業運營人員用和住戶用兩類：供用戶用的APP主要包括溫濕度異常告警、私自放水或漏水告警、按流量計費使用數量及繳費額、遠程繳費、遠程關自家供暖閥門等功能;企業人員用APP主要包括所轄管理范圍內設備運行情況、溫濕度異常告警、私自放水或漏水告警、管網異常告警、遠程關閉所轄范圍出現異常管道供暖閥門等功能，相關功能實行分級授權管理。

（二）系統設置和功能運營

本方案系統的關聯功能拓撲圖如圖2。在管網側，通過在主要管道和關鍵管道處，加裝管道壓力傳感器、溫度傳感器和智能流量計，對管網的水溫、壓力和流量數據進行實時監測，進一步對管網供熱情況進行綜合分析，及時發現管網的運行異常狀態，包括是否阻塞、漏水、水溫是否控制到位等。在用戶側，通過每戶的遠程抄的智能流量計、溫濕度檢測終端和出入口壓力檢測終端，及時檢測用戶家中的溫度。在應用平臺側，開發基于管廊溫度、壓力、室內溫度、溫控閥開度多重參數智能管網溫控模型，通過人工智能深度學習，實現閥門開度與供暖溫度精準控制;同時監測經過住戶后管網的壓力情況，及時發現失水問題，進而判斷住戶是否私自放熱水、管道是否漏水。在控制側：通過對溫控閥門的精準控制，既可以實現室內溫度的自動調節，也可以遠程管理未繳費客戶的供暖，還可以突發管道漏水的跑冒滴漏。

同時，通過這些數據的比較分析，進一步判斷供暖管道設計合理情況，為供暖管道優化提供數據。通過對用戶智能流量計的監測實現了按流量計費基礎，為精細化供暖服務轉型提供了支撐。

為解決大多數供熱管網普遍存在的統一溫度供應不同時段、不同區域的能源浪費問題，實現“按需供熱”，分控系統同集控系統相互協同，實現同一個熱源供應下，對每一個供暖支路和冷熱設備，分時段根據不同溫度要求，進行精準控制運行，尤其適用于不同時間不同溫度啟停控制方式、不同溫度的設定要求。

通過管網壓力傳感器、溫度傳感器、換熱站設備運行參數的采集，對換熱站的運行數據進行實時監測，實現了供熱故障的自動預警，有效降低了供熱站設備故障及發生事故的可能性，為供熱良好運營提供高效優質的技術保障。

三、小結

本解決方案所用的關鍵技術主要有基于物聯網的數據采集和設備管控技術、基于大數據的海量數據統計分析、基于人工智能的深度學習智能溫控算法、基于互聯網和移動互聯網的人機界面系統等，當然，也需要移動網、光纖網等傳送網絡和云計算的存儲及算力。通過這些技術的應用，非常高效的解決了供暖過程中存在的溫度失衡、資源浪費、安全運營、個性化需求等方面的問題，為居民供暖插上了智慧的翅膀。

四、展望

隨著技術的發展，物聯網和大數據還將在供暖管道設計優化、供暖機組運營管理、住戶個性化供暖、供熱管道巡檢機器人等方面提供更多的應用支持，實現供暖的安全可靠、高效和個性精細化服務，進一步推動智慧供暖向深層次的發展。

參考文獻：

[1]2017年中國供熱節能行業發展概況、市場容量及未來發展趨勢分析.中國產業信息.http：//www.chyxx.com/industry/201801/602667.html.

[2]燕德全.淺談二次供熱管網的失水問題[J].中國科技縱橫，2013，16（3）：27.

[3]范文強.基于物聯網技術的熱力站在線監測系統[J].節能，2019（4）.

[4]郭克寅，石瑤，王涵北.對集中供熱熱網的變流量調節方法的探討[J].節能，2019（3）.