基于5G專網的高校智慧能源管理平臺建設研究

徐 偉，王海勇

（1.南京郵電大學信息化建設與管理辦公室；2.南京郵電大學智慧校園研究中心 江蘇南京 210023）

0 引言

教育部印發的《教育部關于建設節約型學校的通知》（教發［2006］3 號）及國家住房和城鄉建設部與教育部聯合印發的《高等學校節約型校園建設管理及技術導則》，為我國高等學校校園建設深入貫徹落實科學發展觀、推進節能減排、保障可持續發展提供指南。

教育資源是社會資源的重要組成部分，建設可持續發展綠色校園是在新時代實現自身全面協調可持續發展的一項系統工程。一些高校已陸續開始嘗試建設校園能耗數據監測平臺，但早期系統大多屬于被動式、粗放型管理模式，能耗采集設備功能相對單一，缺乏詳細的能耗數據監測手段和數據分析方法，無法正確發現用能問題，以致于存在能源浪費現象［1-2］。

2014 年6 月國家住房和城鄉建設部和教育部聯合印發《節約型校園節能監管體系建設示范項目驗收管理辦法（試行）》［3］，2017 年2 月國家住房和城鄉建設部印發《建筑節能與綠色建筑發展“十三五”規劃》，2020 年4 月教育部辦公廳和國家發展改革委辦公廳聯合印發《教育部辦公廳國家發展改革委辦公廳關于印發<綠色學校創建行動方案>的通知》（教發廳函［2020］13 號）［4］。由此可見，政府和教育主管部門對高校節能減排工作的重視，也對高校能源管理平臺建設提出更高要求。

然而，如何在有限的資源條件下高效完成能源管理、監測、分析、統計、公示等工作，是當下各高校亟待解決的重點問題［5］。

本文針對高校能源管理平臺構建問題，利用5G 技術優勢及其應用創新，在傳統校園網基礎上部署基于“5G+邊緣計算”的專屬校園雙域融合網絡。并且，將5G 校園專網和智慧校園建設進行深度融合，創造性地運用該技術對能源管理平臺進行設計，有利于高校建立節能減排工作機制，深化節能校園改革。

1 平臺設計方案

1.1 設計目標

平臺依托的5G 校園專網為江蘇省首個5G 雙域融合專網，也是目前江蘇省內唯一基于“5G+邊緣計算”的專屬校園雙域融合網絡，實現了5G 專網對客戶（to-Customer，2C）業務的全流程貫通，為“5G+智慧校園”建設打造了一個標桿案例。

本文以國家、地方及教育行業相關技術導則為指導思想，根據國家政策法規來構建支持實時采集數據、定時遠程傳輸、智能動態管理的智慧能源管理平臺［6］。

該平臺將為實施校園能耗監測、能耗分析和能耗審計奠定基礎；為評價校園節能功效、完善節能管理機制和制定節能對策提供依據；為建設節約型校園提供數據支撐［7］；為學校能源決策、能源調度、保障健康與舒適環境、提高全校師生節能意識等提供有效手段。

通過建立健全能耗統計和科學能耗監測體系，全面實現在線管理校園能耗、智能管理校園用水用電［8］，以提升校園能源自動化管理水平。

1.2 云—管—端架構

智慧能源管理平臺基于物聯網、大數據、云計算及移動互聯等新興技術，集成網絡、信息、控制、物聯網等前沿應用，各層間相互協調以確保平臺穩定運行。平臺集電力系統監控、綜合能源管理、綜合計費管理、電氣火災監測、宿舍用電安全系統、水務系統、空調系統、智能運維等系統于一體，打通各子系統間的數據交互窗口，為高校打造一個高度集成化和節能化的智慧能源管理平臺。

如圖1 所示，平臺采用云—管—端3 層架構。其中，云為云中心；管為通信層和感知層；端為設備層［9］。首先，通過云中心對數據進行存貯、分析和處理，然后將數據通過感知層、通信層傳輸至指定云平臺，接下來由設備層實現數據采集和運行管理，并通過WEB/APP 界面進行可視化展示。整個平臺采用C/S 架構，用戶登錄不受時間、地點、環境限制，并且能夠實時遠程監控整個平臺的運行情況。

Fig.1 Cloud-pipe-terminal architecture圖1 云—管—端架構

1.2.1 云中心

云中心具有海量、安全、可靠的特點。首先通過域名解析將能耗數據通過感知層、通信層上傳至指定云平臺，然后對設備層采集的各類數據信息進行分析和處理，并以圖表、數顯、視頻等多種方式呈現現場設備的運行狀況。此外，云中心還支持根據用戶需求設置相應的控制邏輯，進行自動化管理和人工干預。

1.2.2 感知層及通信層

配置感知層設備具備5G 功能的通訊網關，利用5G 校園專網進行數據傳輸。管為數據信息傳輸通道，負責傳送設備層上傳的能耗數據信息，同時傳輸云平臺對設備層的各種控制命令。

1.2.3 設備層

設備層包含各個應用系統的數據采集終端，可采用智能化通信接口向云中心上傳現場采集的實時數據，實現各用電回路、各區域電能及各變電所環境信息的采集、監測、通訊和遠程傳輸。端設備具有以下特點：①配置靈活且擴展性強，用戶可根據實際需求增減、更改系統配置，新增設備達到無縫對接原有平臺的效果；②實時采集各種能耗數據和狀態參數，按照計劃將數據自動上傳至云中心；③通過AI 智能控制理論與算法，實現計算機智能控制；④具有自我診斷和恢復功能。

2 平臺網絡架構

5G 開啟萬物互聯新時代，為滿足企業對數據中心、云計算、人工智能等新型基礎設施的應用需求［10］。5G 與各行各業廣泛融合，為經濟社會的創新發展打開了廣闊空間，為智慧校園的發展提供新的方法。

平臺依托5G 大連接、大帶寬、低時延三大特性，結合用戶平面功能（User Plane Function，UPF）下沉與移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）專網。一方面保證涉密科研教學數據的安全性；另一方面保障學生享受優質的校園網絡體驗?；趦炠|網絡基礎資源優化教學新方式，開啟“智慧教育”新模式的網絡架構如圖2所示。

Fig.2 Network architecture圖2 網絡架構

邊緣UPF 設備集分流軟件功能、虛擬化層及硬件于一體，能夠在邊緣節點開展業務，易于部署運維特點的邊緣節點設備［11］，支持UE 業務數據的路由和轉發、數據和業務識別、動作和策略執行等。

MEC 的核心是分布式平臺，為網絡邊緣數據源提供網絡、計算、存儲及應用服務，為移動用戶的網絡邊緣提供IT和云計算能力，并通過開發網絡能力具備高帶寬、低延遲，近端部署等優勢，滿足校園信息化轉型在連接、實時、數據優化、智能和安全方面的需求。MEC 的主要優點如下：

（1）傳輸時延短。數據無需經過中心機房，傳輸路徑變短，時延隨之降低。

（2）減輕網絡傳輸壓力。數據直接本地加載至校園數據中心，節省了回傳網絡帶寬。

（3）安全性高。數據直接發送至本地網絡，傳輸更安全。

通過在邊緣部署MEC 平臺，能夠有效將云計算能力從中心延伸到邊緣，實現業務快速處理和就近轉發，以滿足5G 多樣化的應用場景需求［12］。

5G 校園雙域融合專網借助通信運營商在5G 移動通信領域的優勢，基于專用數據網絡名稱（Data Network Name，DNN）、UPF、上行分類器（Uplink Classifier，ULCL）分流、跟蹤區碼（Tracking Area Code，TAC）精準定位、MEC 等關鍵技術，改善了內網覆蓋范圍不全、校園漫游體驗不佳等問題。

師生可使用5G 終端遠程訪問校園內網，實現5G 移動網絡與校園內網的融合，技術上主要新增校園UPF，實現校園及市域UPF 之間的協同。網絡通過協議數據單元（Protocol Data Unit，PDU）的IP、DNS 識別校園網業務，通過校園UPF 將校內業務數據分流至校園網，其它業務仍從市域UPF 進行公網通信，實現校園內網的全市域訪問。

智慧能源管理平臺通過5G 校園雙域融合專網來傳輸能耗數據，以便于監控全校能耗情況。并且，通過搭載在專網上的監測、反向查詢、智能統計等功能，對大數據進行分析與管理。一旦發現數據異常情況，平臺可及時通過反向查詢功能，精準定位并分析問題原因。以此體現平臺全方位、全時段、高精度、高密度的能耗數據采集與管理能力。

3 平臺應用框架與功能實現

3.1 平臺應用框架

平臺設計根據國家相關標準和學校的客觀現狀，首先遵循“整體托管、分類管理、裝表計量、核定指標、節約獎勵、超標加價”的管理原則。同時，根據學校投資額度及現實情況，逐步作全、作細設計方案，利用平臺強大的管理功能，將校園各類電能耗、計量系統等智能管理系統分階段、分步驟地進行集成，形成一個集數字化、網絡化、智能化于一體的能源監控、檢測、管理、控制、分析節能網絡。

為此，將各種用能設備的運行狀態、電力測量參數、各類報警、操作事件等信息存貯在數據處理中心的實時數據庫中，各工作站通過WEB 瀏覽方式查詢、分析能源管理數據，操作人員通過監控工作站進行系統監視、控制及參數設置。

如圖3 所示，平臺應用框架包括采集層、物聯網平臺、能力層、業務層及展示層。具體的，采集層建設一個感知網絡，將各種需要的感知數據通過5G 校園專網進行采集、上傳至數據網關；數據網關將數據打包傳輸至物聯網平臺；物聯網平臺負責與采集層對接，接收數據網關上報的數據，并對數據進行協議解析、重新封裝，再轉發至應用系統，支持多種設備的數據接入，并且可對接多個應用系統，形成數據處理中心；封裝能力層能夠使應用系統更好地適應應用業務，例如Shiro、Redis、流程引擎、ESB、WebGIS 等；業務層體現了應用系統的具體能力，例如用戶管理、場所管理、設備管理、能耗監測、能耗分析、能耗決策、能耗審計、能耗公示、能耗地圖導航、網格管理、任務管理、日志管理等；展示層通過靜態表格和動態圖表的方式展現能耗數據，例如PC 管理端、安卓客戶端、IOS 客戶端及公共顯示屏幕，并且會根據用戶權限進行菜單和數據管控，對展示層各端口進行分權分域控制。

Fig.3 Platform application framework圖3 平臺應用框架

3.2 功能實現

智慧能源管理平臺可實現場所管理、設備管理、能耗監測、能耗分析、能耗決策、能耗審計、能耗公示及能耗地圖導航八大功能。

（1）場所管理。平臺根據校園樓棟情況進行校區設置、樓棟設置/外場設置、樓層設置、房間設置/樓層非房間設置。初始化每一棟樓宇信息，對樓層和房間進行重命名，所有信息采集點細化到房間，形成數字化模型，為設備和網格提供基礎。

（2）設備管理。平臺統一管理水、電表等設備，記錄每個設備的設備類型、設備位置、設備狀態、設備數據等多項屬性定義。通過設備管理進行設備查詢和管控，并隨業務實際情況持續擴展數據記錄類型，并支持手工添加設備數據。

（3）能耗監測。按照場所、部門、支路等多維度進行能耗查詢，對用能情況、設備運行、能耗平衡情況進行實時監測。同時，平臺能夠實時展示計量表的設置參數、運行狀態參數及控制命令的執行情況。

（4）能耗分析。平臺通過比較設備之間的數據，能夠實時了解能耗分布和用能趨勢。目前，對數據的分析方式包括同比分析和環比分析、同設備不同時間比較、同時間不同設備比較、同類型機構比較等。具體的，相同設備不同時間比較一臺設備或一個建筑在選擇時間段或時間點的用能統計和費用統計，以及在該時間段或時間點的最高用能時間、最低用能時間和平均用能；不同設備同時間比較多臺設備、多個建筑、多臺設備與多棟建筑在選擇時間點的用能統計和費用統計，以及在該時間點的最高用能設備、最低用能設備和平均用能。

（5）能耗決策。根據能源管理平臺對數據進行分析，以了解定額管理需求。同時，利用平臺能源分析算法對數據進行解析，建立實際能耗計算模型。首先，通過關聯溫度、濕度、風速、天氣特征值、季節等數據，分析模型方案設計，并進行可行性分析。然后，將影響建筑能耗因子參數作為網絡輸入，建筑能耗值作為輸出，構建基于科學算法的建筑能耗分析模型。最后，根據模型得出更加精確的建筑用能定額指標數據，為學校開展節能診斷、定額管理提供數據支撐。

（6）能耗審計。平臺提供多種審計報表，支持查詢用能單位或個人用能系統、設備臺賬的信息，支持審計分類與分項的能耗、人均能耗、單位建筑面積能耗和單位萬元科研產值能耗，以及實時分析單位能源管理水平及用能狀況，以便于排查其中存在的問題和薄弱環節。

（7）能耗公示。平臺門戶系統按照總能耗、人均能耗、單位面積能耗等多種方式對不同場所和部門的能耗進行公示。支持通過多種發布方式向用戶公示各類建筑的能耗情況、能效等級、用能結構、同類建筑的各項能效排名等，公示方式包括列表、趨勢圖、餅圖、柱狀圖等，展示界面和查詢條件可根據用戶需要自行定義。

（8）能耗地圖導航。利用WebGIS 技術實現基于Web-GIS 平臺的GIS 地圖的展現與操作，支持多地圖模式，并在GIS 地圖上展示各種類型的設備數據，可點擊查看任意建筑的當前能耗數據，同時支持放大、縮小、任意拖動等操作。

4 結語

本文提出基于5G 專網的高校智慧能源管理平臺和與之對應的網絡架構和應用框架，構成了完整的物聯網能源管理體系，實現對能源消耗全過程、全參數（能耗、環境參數、燈光狀態等）在線監測。具體操作包括統計和分析各種監測數據，運用可視化能耗圖表、定量化能耗分析手段，全方位、立體化地實現對校園供電、供水、供暖、空調、照明的全局監控、集約管理；通過AI 大腦技術自動輸出最優控制策略，使高校運行最優化，能源利用最大化。

對學校能耗計量的統計和分析，能為學校決策部門提供有效的數據支撐，促進學校推進節能改造，最終建立健全校園節能監管體系，將學校內所有建筑能耗都納入監管范圍。

平臺在實際項目中運行流暢，具有較好的經濟效益，縮減了相關設備檢修、故障排查及人員維護的高額費用，社會效益較好，相關用能管理制度得以完善，校園耗能設備利用效率和能量轉化效率顯著提升，為建設綠色校園提供了有力支撐，對即將開展智慧能源平臺建設的高校具有一定的示范作用。