云技術在建筑能耗管理中的應用研究

林其浪

(中海創科技(福建)集團有限公司 福建福州 350111)

0 引言

人類生活的每一步都或多或少地與能源消耗相關聯。建筑能耗在整個社會能源消耗中占有很大的份額，并隨著經濟的發展，人們生活水平的提高而逐步提高能源消耗能量。其中建筑信息系統、建筑設備(空調、照明、電梯等)、建筑安防系統是建筑能源消耗中的主要部分[1]。然而，據住建部統計數據顯示，我國僅有4%建筑采取了提高能源利用的措施[2]。

當今社會，網絡滲透在我們生活、工作的方方面面。隨著移動互聯網、物聯網、云技術、大數據和智能技術等現代科學技術的發展，建筑能耗管理系統已經形成了現場層、網絡層和管理層等3層結構，具備與物聯網技術相融合的基礎與條件[3]。現代高新技術在能耗管理方面的深入應用，將大幅提高建筑能耗管理水平，降低能源消耗。

當前，我國建筑業企業能耗管理模式主要采用就地局部的管理方式，其主要形式是將所有的建筑能耗數據集中到機房進行統一的數據存儲與管理，以機房作為整棟建筑的能耗管理單元。經調研發現，建筑機房大小差異大，內部安裝的監測設備種類繁多，機房環境各不相同，這些都給機房運維帶來很多的不確定性。另外，為了確保數據中心安全，一般會對數據中心做很多的安全防護策略，以屏蔽外部人員對數據中心的非法訪問。這樣，雖然數據中心都安排人員24小時值班，但由于每個人精通的技術領域不同，并且有的數據中心在全國各地都有機房，使得系統故障無法得到專業人員快速有效處理。因此，急需一個既能解決本地監控、又能集中監控的能耗管理系統，一個將運維工作轉移到數據中心外的系統。

1 構建系統的可行性

1.1 建筑能耗管理制度更加健全

早在1980年，國務院批轉國家經濟委員會、國家計劃委員會《關于加強節約能源工作的報告》和《關于逐步建立綜合能耗考核制度的通知》，將節能作為一項專門工作納入到國家宏觀管理的范疇。近年來，為確保對建筑能耗的具體化、多樣化、準確化監測，國家又出臺了多份文件、條例，包括：2010年5月國務院發布《國務院關于進一步加大工作力度確保實現“十一五”節能減排目標的通知》；2013年1月1日，國務院正式印發能源發展“十二五”規劃，將“全面推進節能提效、加強用能管理”作為重點任務之一[4]；2016年7月修訂了《中華人民共和國節約能源法》(中華人民共和國主席令第77號)；2017年3月14日，住建部官網發布《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》[5]等。這些條例法規對節能標準進一步提高，對公共建筑節能要求不斷提高，對能耗監測系統的設計和能耗監測設備的安裝、驗收進行了規范。

1.2 云技術更成熟

云技術是指在通訊網絡內(廣域網或局域網)將軟硬件、網絡等一系列資源進行統一整合，實現數據的處理(計算、儲存等)與共享的一種托管技術。

云技術具有3個明顯的特點[6-7]：(1)云平臺物理資源被上層功能層屏蔽，平臺硬件要素對用戶來說是透明的，用戶無須關心其底層的硬件配置和使用方法，只關注于邏輯功能的實現，有利于提高工作的效率和系統的穩定性；(2)云平臺中相應的資源動態分配算法，可以實現系統硬件資源的動態分配，同時還可結合實際的應用進行彈性縮放，有效提高硬件系統的利用率；(3)高效的分布式計算，可以對計算資源及數據進行智能的管理和統一的整合，有利于為用戶提供便捷的、共享的和高度集成的數據處理和查詢方式。

云技術自傳入我國以來，得到了快速發展。特別是開源大數據處理平臺Hadoop的技術提升與應用推廣，對大量數據進行分布式處理提供了軟件框架。Hadoop包括分布式文件系統(HDFS)和MapReduce編程框架等眾多基礎架構[8]，是大數據分析工具的底層技術，旨在對Web訪問、系統日志以及其它各類數據流所產生的海量數據進行篩選，在分布式環境下提供海量數據的處理能力[9]。另外，在這幾年全球軟硬件技術飛速發展的大背景下，存儲芯片價格大幅降低，云平臺服務費隨之下降，為云技術的廣泛應用提供可能。

1.3 移動互聯網費用更低

隨著4G的普及流行，以及國家對5G未來的商用規劃，移動互聯網的流量費用迎來歷史性的降費。根據工信部的統計數據，2018年移動流量費用降了63%。又據2019年3月5日的新聞報道，工信部再次喊話，明確將持續推動網絡提速降費的任務。移動網絡流量平均資費再降低20%以上，力爭中小企業今年的寬帶平均資費再降低15%，使降費實實在在、消費者明明白白。

移動互聯網的費用降低了，但建筑能耗監測單元的數據量是固定的，這為系統加入更多、更豐富的監測數據單元提供了可能，使原來只考慮監控幾個重要的數字信號，系統升級把眾多模擬量也加入監控列表。數據源的豐富，使得能耗監控系統更可靠、更全面、更貼近系統實際，為最大限度地挖掘能耗管理開辟了一條廣闊的大路。

2 系統設計實現途徑

2.1 設計原則

為了確保系統的穩定與可持續發展，遵循以下6個原則進行系統的建設與技術方案設計。

2.1.1注重安全性與保密性

系統設計時，要把系統安全放在首位。系統要運用最高級別的加密技術，以防止系統遭到惡意破壞造成不可挽回的損失。同時，對系統訪問設置嚴格的用戶權限，以便對數據進行保密。充分利用健全的備份和恢復策略，提升系統的安全性。

2.1.2立足可擴展性

系統設計前，要對系統的擴容、擴充升級及維護做好充分調研，最大限度提高統計分析的速度和精度及業務處理的響應速度。同時，系統既要兼容建筑存量的其它機房運維系統，又要充分考慮到未來新建機房管理系統的兼容性。

2.1.3致力易維護性

基于系統的服務對象既可能是電力行業、科研單位等專業人員，又可能是商場、辦公樓的普通職員，因此，要使系統的應用效益最大化，系統應操作靈活、簡單，易學易用易維護。

2.1.4保障可靠性

系統的數據要準確可靠，系統設計時，則要充分分析各環節設備的故障與恢復和容錯能力，對系統的復雜環節及系統切換等各個方面各個擊破，建成一個安全可靠、穩定性強、風險降至最低的系統。

2.1.5聚焦經濟性

該系統在設計時，應盡最大限度節省項目投資，堅持以面向實際、注重實效的設計思路，充分合理利用現有信息資源，使系統花最少的費用來最大化實現對海量數據的傳輸與讀取。

2.1.6關注先進性

系統在設計時，前瞻性地預測當今技術發展方向，與時俱進地將先進又成熟的技術手段及標準化方法優化系統，最大限度地開拓系統的長期使用價值，確保系統符合未來的發展趨勢。如：阿里云有著全球領先的云計算和人工智能技術作支撐，為用戶提供高效、可靠、安全的計算和數據分析處理能力，是目前市面上用戶最多、應用范圍最廣的云服務器提供商。該系統以阿里云為系統平臺進行建構。

2.2 設計目標

該系統的應用對象是建筑能耗管理與云技術的高度耦合性和相關性。據此，以建筑能耗信息、用電設備相關屬性信息、建筑能耗系統的診斷信息和數據的可視化分析為基礎，依據國家規定的互聯網數據統一規范及格式，結合移動互聯網、物聯網、大數據、統計學、智能信息處理理論等先進技術，以云技術作為關鍵技術支撐，進行能耗監控系統構建。系統設計的主要目標包括：

(1)建立建筑能耗云管理系統，實現建筑能耗數據的科學、現代化管理。把單要素的數據信息升級為綜合性的多維信息，通過資源整合將分散的數據集中化、系統化、云化，建立一個具有高水準的現代運維管理服務系統。

(2)實現建筑能耗信息的綜合分析。運用云技術對能耗信息、診斷信息的統計分析、云存儲、云查詢和報表云輸出。

(3)為相關機構單位制定節能政策、電力資源高效優化配置提供堅實平臺。

(4)改善設備管理人員的工作環境，體現現代社會以人為本的科學發展理念。設備管理人員不需要在嘈雜的機房里，不需要手動檢查用電設備的當前狀態，不需要花大量時間進行用電設備診斷，不需要在不同用電設備之間、不同樓房之間來回核查或者逐個巡檢，避免檢查診斷過程中的潛在人身危險。

(5)降低斷電事故，提升建筑商業效益。用電設備的狀態能早知道，故障信息能精確地呈現給設備維修人員，以大幅度降低系統的診斷與核查時間，將可能斷電時間降到最低甚至為零，減少建筑因斷電所帶來的經濟損失。

2.3 平臺搭建與實現

2.3.1系統方案

經過前期的調研與分析，結合該應用的系統特點、目標、基本要求等多方面的因素，該系統選擇阿里云作為能耗管理的開發平臺進行系統搭建。對海量數據的分布式處理采用Hadoop架構，使得該系統能在個人電腦上運行，大大節省硬件成本[8]，同時又能夠實現本地機房管理，又能夠兼顧遠程集中監控，以及系統后期的擴展。此外，平臺引用區塊鏈技術的節點授權和物物交易，確保信息特別是操作性命令的可靠性。

基于云技術的建筑能耗管理系統架構初步設計為5個層次：感知層、數據存儲與管理層、數據分析層、運行環境層、前端應用層，如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

(1)感知層

該層借助各種檢測感知設備(如電流、電壓、電阻監測儀器， GPS定位設備，溫度檢測儀器，濕度檢測儀器等)，對建筑能耗設備的運行狀態、能耗狀態的實時監測。

(2)數據存儲與管理層

該層主要功能，包括數據存儲、數據緩存、自定義函數、讀寫數據庫等，利用云計算、云存儲等技術，實現對分散的能耗運行監控數據的高效集中存儲、整合、交換與處理，實現對相關海量數據的分散服務，實現各類能耗檢測設備的基礎信息管理，以及對各種能耗數據與能耗設備的屬性數據的關聯存儲，并建立目錄索引，保障系統可靠穩定的運行，為數據的查詢、管理、交流與分析提供有力支撐。

(3)數據分析層

依托云平臺強大的計算與分析挖掘能力，將海量數據與專家庫(算法庫、模擬庫、知識庫)進行深度融合，實現對能耗監測海量數據的深度分析與挖掘，并將分析結果以多維統計報表、系統日志、分析圖形等展示形式呈現出來，為建筑管理和維護人員的日常管理與維護提供決策支持。

(4)運行環境層

該運行環境是系統可靠運行的保障，是前端應用層與系統數據層的橋梁。

(5)前端應用層

該層主要實現用戶管理、系統設置，是系統使用人員(管理員或維護人員)訪問系統的交互界面。對用戶的管理則需通過限定用戶登陸權限實現。系統用戶分為3類：

超級管理員：可以訪問所有站點信息，具有添加和刪除管理員及售后服務商用戶權限，對服務器具有超級訪問權限。

管理員：可以訪問各自站點信息，不可以添加和刪除用戶，不可以刪除告警記錄和系統運行記錄，不可以訪問遠程升級、產品注冊、產品分類、調試信息等，其界面有所限制。

服務商：其界面只能訪問其自己管理的站點信息，可以添加安裝商用戶，不可以刪除告警記錄和系統運行記錄，不可以訪問遠程升級、產品注冊、產品分類、調試信息等。

2.3.2系統功能

(1)實時數據顯示

圖4 歷史報表界面

實時數據顯示是能耗管理系統的基本功能之一。系統通過TCP/IP、GPRS、WIFI等傳輸方式，實時向能耗監控中心機房或各遠程監控站中的各個監控設備發送采集數據的指令，不同設備的指令及傳輸方式不一樣，系統會對所采集的數據進行分析和計算并進行有效存儲。服務器對接收到的數據進行分析及存儲，并同時記錄設備的狀態，以及實時消息推送。用戶通過客戶端訪問服務器時，系統會將數據庫里的數據讀取到人機界面上，在人機界面上以文字、圖形、表格、動畫等多樣式方式實時顯示各個設備的運行參數、運行狀態和報警數據等，如圖2所示。

(2)實時警告功能

能耗管理系統具有完善的事件及告警機制，當設備運行狀態或者監測數值發生變化、通信出現異常或狀態發生改變時，系統將按用戶預先設定發出指定報警或事件變化通知，即時顯示在人機界面，也可以按時間段進行查詢，如圖3所示。

圖2 實時數據顯示

圖3 實時警告界面

(3)歷史報表功能

監控主機自動將所有有效的監控數據上傳存儲在服務器數據庫中。操作人員可隨時隨地在客戶端查詢任意時間、任意設備的任意參數的歷史數據，并自動生成曲線圖或報表，以供分析，如圖4所示。

3 結語

該應用結合國內某知名房地廠建筑能耗特點，構建了其特有的私有云的能耗管理系統，按照感知層、數據存儲與管理層、數據分析層、運行環境層、前端應用層等5層架構形式進行具體設計。通過該系統的應用，很好地解決了建筑能耗的本地管理、遠程運維管理和平臺維護。其主要應用成果包括：

(1)本地監控能夠給機房管理人員實時推送機房信息，做到第一時間的故障準確定位，高效輔助機房管理人員進行故障診斷與處理。

(2)集中監控能夠使企業更加宏觀地實現資產和設備平臺管理，并隨著數據積累，達到大數據分析和故障預測能力，進一步解放人力和優化資源。

(3)有效應對機房值班人員技術不精的局面，提升企業管理水平，服務質量。系統以WEB或者APP的人機交互界面來管理能耗數據的入口，實現隨時隨地遠程監控，能及時發現機房設備異常，預防故障發生，并能迅速排除故障，降低人力成本，實現無人值守的機房或基站。該系統能有效應對機房設備繁多，分布無序，從而更加合理、高效地分配機房資源。

(4)改善機房管理人員辦公環境。通過該系統可以在遠程迅速提取到機房末端設備的運行情況，為數據機房管理員提供精準的機房設備相關數據，幫助管理員了解整體機房的運行情況，從而使管理員能對數據機房進行全面監測和管理。

(5)提高企業效益。該系統能對系統故障早發現或及時處理，將故障損失降到最低，提升企業形象的同時，間接地提高企業效益。

當前，我國還沒有建立比較完善的國家或地區建筑能耗數據庫，建筑能耗的管理對象還停留在某棟建筑或某集團/企業數棟建筑群，還無法實現對大區域的建筑能耗進行統一的集中管理與分析。該系統的應用，可為相關部門單位及時了解建筑能耗現狀提供便利，為其制定相應的方案策略提供依據，促進城市資源的優化配置與節能減排。同時，可以通過工業互聯網采集設備運行狀態信息，實時監測，并結合采集到的設備故障信息，積累和分析設備運營狀態數據，實現對設備的健康管理和可預測性維護，以較少的投入延長生產設備技術壽命、經濟壽命和使用壽命，為企業產生檢修效益、增產效率和安全效益，幫助企業保持良好的經濟效益。