面向智慧建筑的機電設備數據采集與運行指標分析

田 闖

（中通服咨詢設計研究院有限公司，南京 210019）

0 引言

建筑物中通常會安裝各類建筑機電設備及配套智能化子系統，主要包括空調、水泵、冷卻塔、新風機組、直接數字控制（Direct Digital Control，DDC）設備、電梯、變壓器、照明設備、攝像機、門禁系統等，為能夠實時掌握各類智能化機電設備的運行情況，通常會配套建設智能化集成系統（Intelligent Building Management System，IBMS）或者物聯網（Internet of Things，IoT）系統，用來實現各類機電設備運行指標數據的采集、匯聚和整理，從而為上層的應用提供數據支持。建筑機電設備運行狀態是否正常、能否達到預期的運行效果，直接關系到建筑物能否正常使用。由于建筑機電設備種類繁多、數據采集協議不統一，機電設備運行指標數據的采集及診斷分析十分困難。

1 建筑機電設備的常用數據接口協議

建筑機電設備運行指標數據的采集通常采用Modbus、BACnet、OPC 等接口協議。通常分為以下幾類。

1.1 智能化子系統等軟件的數據采集

對于配套建設了智能化子系統的建筑機電設備的數據采集，通常采用物聯網行業常用的通訊協議，如HTTP、WebSocket、XMPP、CoAP、MQTT、OPC 和BACnet 等，優先采取OPC 協議或BACnet 協議接口通訊。智能化子系統廠商若能提供OPC接口，則該子系統需作為OPC Server 提供數據。若智能化子系統不能提供OPC 協議或BACnet 協議接口，則子系統需要提供開放數據庫互連（Open Database Connectivity，ODBC）數據庫及詳細數據結構說明，通過ETL 定時任務從數據臨時表中抽取數據進行采集。若智能化子系統不能提供OPC 協議或BACnet協議接口，也不能開放數據庫，則子系統廠家需要開發相應的WebService、XML 協議，并且提供詳細的協議和格式說明，實現子系統數據的采集。

1.2 智能化設備的數據采集

通過直接接入建筑機電設備進行數據采集，通常需要機電設備自身有通訊模塊，可以對數據進行遠傳。部分傳感器有國際（或行業）通用的標準傳輸協議，可以通過485 線或無線傳輸的方式，經過現場的數據采集模塊直接上傳到遠端服務器，由對應的數據采集程序對數據包進行解碼并寫入相應的數據庫。這類協議主要包括BACnet、Modbus、Ethernet、2G/3G/4G、WiFi、ZigBee、Bluetooth 和LPWAN 等。

1.3 視頻類子系統的數據采集

對于視頻類子系統的數據采集，需要提供相應的軟件開發工具包（Software Development Kit，SDK）、通訊協議、測試環境等資料，配合集成平臺通過接口傳輸視頻圖像信號。

2 機電設備數據采集及控制

機電設備數據采集及控制數據流向如圖1 所示。

圖1 機電設備數據采集及控制數據流向

2.1 數據采集過程

根據數據采集及控制數據流向圖可以分析出數據采集過程如下。

（1）數據采集服務通過對接各智能化設備專業子系統獲取系統或設備的運行指標數據。

（2）數據采集服務調用數據轉發服務將采集數據推送到消息隊列中。

（3）將設備編碼及設備屬性編碼等靜態信息緩存到Redis中，供后面的數據質量檢查服務使用。

（4）數據質量檢查服務從消息隊列中獲取采集數據，對采集的數據進行質量檢查，主要檢查內容如下。①數據有效性檢查：從原始采集數據中獲取采集數據的設備編碼及屬性編碼，與Redis 中緩存的設備編碼及屬性編碼進行比對，如果在Redis 中能夠找到對應的記錄，說明采集數據中設備及屬性是有效的，否則認為數據無效，即采集數據中所涉及的設備及屬性為新增內容，當前系統中無法匹配。②數據類型檢查：采集的指標數據有各種數據類型，數據類型檢查是對采集的指標數據的類型與配置的數據類型進行比對，類型一致則認為數據有效。

（5）數據解析服務對經過質量檢查的采集數據進行解析。①設備影子數據：根據采集數據中的設備編碼及屬性編碼去Mogodb 歷史庫的設備影子表中查找相關記錄，如果沒有查到，說明系統第一次接收到該設備屬性的采集數據，在設備影子表中新建設備的影子信息；如果查到了，則認為之前接收過該設備屬性的采集數據，而此時接收的數據為最新數據，使用最新的采集數據更新設備影子信息。②歷史數據：每收到一條采集數據都會將該采集數據新增到Mogodb 歷史庫的設備屬性歷史數據表中。③業務數據：當某設備屬性采集指標為告警點時，則該采集數據為告警數據，此時去Mysql 數據庫中的設備屬性告警信息表中進行查找，如果找到了對應的告警信息記錄則更新該告警信息記錄；如果沒有查詢到，則表明是第一個接收到該告警點的告警信息，在Mysql 數據庫中的設備屬性告警信息表中插入該設備屬性的告警信息記錄。

（6）上層應用根據業務的需要訪問相關的數據，如果需要展示設備屬性的最新采集指標，則查詢Mogodb 歷史庫中的設備影子表獲取最新采集指標；如果需要展示設備屬性的歷史數據，則查詢Mogodb 歷史庫中的設備屬性歷史數據表獲取歷史采集數據；設備屬性的告警信息通過查詢業務數據庫獲取。

2.2 設備控制指令下發過程

根據數據采集及控制數據流向圖可以分析出設備控制指令下發過程如下。①上層應用調用數據轉發服務，將控制請求推送到消息隊列中。②設備控制服務從消息隊列中獲取設備控制命令，并下發給智能化設備子系統。在設備控制服務中需要對設備控制命令進行一定的預處理，如在某個時間段內接收到多個同個設備的控制命令，需要對控制命令進行壓縮，取最新一條控制指令進行下發。

3 設備運行分析

3.1 設備分類選取

為了對機電設備的總體運行情況進行分析，選取幾類關鍵設備作為設備總體運行情況分析的主體。表1 為選取的15 類關鍵設備，在項目實施過程中可以根據實際情況進行關鍵設備的調整，選取的關鍵設備越多，對設備總體運行情況的分析越準確。

表1 選取的15 類關鍵設備及子系統

3.2 運行評價指標

為實現對設備運行情況的量化分析，將各類機電設備的描述情況分為日常運行指標、自動化運行指標、設備連通性指標3個方面，每個方面由時間切片統計、時長統計和比率三種指標組成。

3.3 設備運行健康度指標

在取得設備運行評價指標的基礎上，建立設備運行健康度打分體系，給設備運行狀態打分。從設備日常運行指標、自動化運行指標、設備連通性指標三個評價方面按照對健康度評價的貢獻給定權重；每個評價方面再按照系統及設備在本方面或者系統中的重要性，給出其對應指標權重。根據權重和設備運行的指標信息逐層匯總，最終形成設備運行健康度指標。

4 結語

隨著智慧建筑領域不斷發展，建筑物配套安裝的機電設備種類和數量越來越多，如何實時采集和監測各類機電設備的運行指標并準確判斷設備運行狀態顯得尤為重要。本文提出了一種從軟件層面進行數據采集的方法，并在此基礎上提出設備綜合運行健康度指標，用以判斷設備綜合運行情況，但健康度指標的準確度受限于設備種類選取的數量，后面可以考慮結合大數據技術進行健康度指標分析。