大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺框架探討

文｜中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所 郭春雨 王良平 楊國民 徐滿俊 周 斌

大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺框架探討

文｜中國建筑科學研究院建筑工程軟件研究所 郭春雨 王良平 楊國民 徐滿俊 周 斌

本文以大型公建能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺框架設計和開發(fā)應用為主線，從能耗監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)劃建設出發(fā)，提出能耗監(jiān)測軟件平臺的框架設計和關鍵技術(shù)點的處理方法，并針對北京市能耗監(jiān)測系統(tǒng)的實際建設應用情況進行了介紹。

能耗監(jiān)測 平臺框架 雙通道 異步消息中間件 分級授權(quán)

1 前言

為貫徹落實《國務院關于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國發(fā)[2007]15號）、住房和城鄉(xiāng)建設部《關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管理工作的實施意見》，根據(jù)《國家機關辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能監(jiān)管體系建設實施方案》要求，逐步建立起全國聯(lián)網(wǎng)的國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺，對全國重點城市重點建筑能耗進行監(jiān)測，并通過能耗統(tǒng)計、能源審計、能效公示、用能定額和超定額加價等制度，促使國家機關辦公建筑和大型公共建筑提高節(jié)能運行管理水平，培育建筑節(jié)能服務市場，為高能耗建筑的進一步節(jié)能改造準備條件，住房和城鄉(xiāng)建設部會同財政部選定北京等25個省市作為建立機關和大型公建節(jié)能監(jiān)管體系的示范省市，從2008年開始，啟動國家機關辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測平臺的建設工作，對國家機關辦公建筑和大型公共建筑進行能耗分項計量和動態(tài)監(jiān)測。

本文首先針對建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的框架，包括系統(tǒng)總體框架、網(wǎng)絡傳輸框架和數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)進行介紹，然后提出了能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺的框架設計、系統(tǒng)組成和關鍵技術(shù)點的處理方法，并針對北京市能耗監(jiān)測的實際運用進行介紹。

2 能耗監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)框架

2.1 系統(tǒng)總體框架

如圖1所示，建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)從能耗數(shù)據(jù)收集和流轉(zhuǎn)上，可以分為樓宇數(shù)據(jù)采集、市級數(shù)據(jù)中心、省級數(shù)據(jù)中心和部級數(shù)據(jù)中心這幾個層面。數(shù)據(jù)首先從樓宇內(nèi)的采集儀表收集到數(shù)據(jù)采集器，再從數(shù)據(jù)采集器通過無線網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到市級數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站。市級數(shù)據(jù)中心和省級數(shù)據(jù)中心需要對其管轄范圍內(nèi)的建筑能耗進行監(jiān)測，生成各種分類匯總數(shù)據(jù)，編制建設行政主管部門、財政部門需要的各類管理報表。另外，市級數(shù)據(jù)中心還要負責將本中心建筑能耗數(shù)據(jù)匯總上報給省級數(shù)據(jù)中心，省級數(shù)據(jù)中心同樣需要匯總能耗數(shù)據(jù)上報給部級數(shù)據(jù)中心。

2.2 網(wǎng)絡傳輸框架

網(wǎng)絡傳輸框架分為兩個層次：計量終端采集網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)遠傳網(wǎng)絡。計量終端采集網(wǎng)絡主要指樓宇內(nèi)從計量裝置到數(shù)據(jù)采集器之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。計量裝置和數(shù)據(jù)采集器之間應采用符合各相關行業(yè)標準的通信協(xié)議。數(shù)據(jù)遠傳網(wǎng)絡即數(shù)據(jù)遠程傳輸網(wǎng)絡，主要是指從數(shù)據(jù)采集器到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或者數(shù)據(jù)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡。數(shù)據(jù)遠傳應使用基于IP協(xié)議的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡，在傳輸層使用TCP協(xié)議。

2.3 數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)

數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)可以按照流轉(zhuǎn)方向分為數(shù)據(jù)上行和數(shù)據(jù)下行。

（1）數(shù)據(jù)上行

能耗數(shù)據(jù)由計量儀表按照給定的采集頻率進行采集，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器上傳到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站或數(shù)據(jù)中心。上傳到數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站的數(shù)據(jù)會被轉(zhuǎn)發(fā)到數(shù)據(jù)中心，同時，數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)會融合其他應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)下行

部級數(shù)據(jù)中心維護的各種能耗分類數(shù)據(jù)、能耗分項數(shù)據(jù)和建筑分類數(shù)據(jù)的字典數(shù)據(jù)，省市級數(shù)據(jù)中心和中轉(zhuǎn)站必須對此保持同步更新。另外，數(shù)據(jù)采集頻率也是由數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站通過數(shù)據(jù)采集器下達到計量儀表。

3 能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺框架設計和組成

能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺框架如圖2所示。

能耗監(jiān)測系統(tǒng)軟件平臺包括七個組成部分，即基礎信息維護系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理（拆分計算）系統(tǒng)、能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)、能耗監(jiān)測工作協(xié)同管理平臺。

（1）基礎信息維護系統(tǒng)

基礎信息維護系統(tǒng)主要進行基礎信息維護和樓宇配置信息維護?；A信息包括建筑物基本信息、行政區(qū)域、建筑物類型、分類分項能耗字典及其他數(shù)據(jù)字典等。樓宇配置信息包括建筑物能耗采集器信息、計量儀表信息，建筑物用電回路拓撲關系及各個回路計量儀表安裝信息，建筑物分類分項能耗與用電回路之間的關系等。

（2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)嵌入于樓宇的數(shù)據(jù)采集器中，采集樓宇內(nèi)安裝的所有計量儀表的信息數(shù)據(jù)，并通過GPRS傳輸網(wǎng)絡，將這些信息數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)。

（3）數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)傳輸接收采集器上傳的能耗數(shù)據(jù)，在完成數(shù)據(jù)合法性校驗和認證后將數(shù)據(jù)分發(fā)給異步消息中間件。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用了雙通道技術(shù)，雙通道指數(shù)據(jù)傳輸通道和信息控制通道。

（4）數(shù)據(jù)處理（拆分計算）系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理（拆分計算）系統(tǒng)根據(jù)樓宇方案中用電回路和分項能耗的關系，采用加法、減法、拆分、百分比預估等方式，對原始采集數(shù)據(jù)進行拆分計算，得到合理的分項能耗數(shù)據(jù)。

（5）能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)

能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)展示系統(tǒng)以數(shù)據(jù)報表和數(shù)據(jù)圖表的方式，將建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)展示給最終用戶。數(shù)據(jù)展示的度量值一般包括能耗（或者總能耗）、單位建筑面積能耗、單位空調(diào)面積能耗或者其他度量值。展示維度一般包括能耗分類、能耗分項、時間軸（可以細分為逐年、逐月、逐日、任選時間段等）、行政區(qū)域、建筑物類型等。

（6）數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)

數(shù)據(jù)上傳系統(tǒng)按照部級數(shù)據(jù)中心針對數(shù)據(jù)上傳的內(nèi)容和格式的要求，通過定時任務調(diào)度子系統(tǒng)，自動從數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)庫中提取能耗分類分項數(shù)據(jù)，合并整理打包后發(fā)送到部級數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)交換格式為XML數(shù)據(jù)包。

（7）能耗監(jiān)測工作協(xié)同管理平臺

能耗監(jiān)測工作協(xié)同管理平臺是一個針對建筑能耗監(jiān)測工作進行協(xié)同管理的工作平臺，能夠滿足能耗監(jiān)測管理單位、能耗監(jiān)測技術(shù)支撐單位、能耗監(jiān)測現(xiàn)場施工服務單位、監(jiān)理單位、采集器提供商、計量儀表提供商等多方進行協(xié)同工作的需要。協(xié)作的內(nèi)容包括建筑能耗監(jiān)測項目的公告和消息發(fā)布，參建方人員的組織、管理和協(xié)調(diào)，樓宇監(jiān)測和設備資產(chǎn)管理、流程（主要指方案審批和竣工驗收等規(guī)范化流程）管理，設備網(wǎng)絡和計量儀表的監(jiān)控預警等。

4 關鍵技術(shù)點處理

在能耗監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)劃和實際實施過程中，會遇到不少關鍵技術(shù)問題。這些問題通過深入調(diào)研和實際運行測試，都能得到比較好的解決。

4.1 數(shù)據(jù)傳輸接收系統(tǒng)的“雙通道”設計

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)采用了雙通道技術(shù)。“雙通道”指在一個物理鏈路上創(chuàng)建的兩個邏輯通道，即數(shù)據(jù)傳輸通道和信息控制通道。這兩個通道可以在物理上單獨部署，數(shù)據(jù)傳輸通道主要用于上傳采集器采集的儀表數(shù)據(jù)，信息控制通道主要用于采集器和數(shù)據(jù)中心服務器進行雙向的通信。

雙通道技術(shù)主要的優(yōu)點是能夠使系統(tǒng)在完成采集器數(shù)據(jù)上傳的同時，實現(xiàn)控制采集器的采集周期、采集器狀態(tài)等輔助功能，而這恰恰是能耗監(jiān)測系統(tǒng)最主要的任務。隨著系統(tǒng)使用的逐步深入，信息控制部分需要不斷地升級，而采集數(shù)據(jù)上傳相對而言比較穩(wěn)定，采用雙通道技術(shù)可使系統(tǒng)在變更信息控制的時候仍能照常運行。

4.2 異步消息中間件

隨著樓宇數(shù)量的不斷增加，服務器的負載逐步加大，數(shù)據(jù)庫的吞吐量可能會成為系統(tǒng)的瓶頸。針對這一問題，可以考慮將數(shù)據(jù)通信層直接面對數(shù)據(jù)庫的形式，改為由消息中間件進行緩沖。使用異步消息中間件后，可以將數(shù)據(jù)分發(fā)到不同的目標。由此，系統(tǒng)可以隨著需求的變動動態(tài)擴展，且并不需要停止數(shù)據(jù)接收，從而方便了服務的升級和調(diào)整以及新服務的增加。此外，通過消息中間件將數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在邏輯和物理上分離，還能降低耦合系統(tǒng)的邏輯依賴，并可使數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)獲得更大的數(shù)據(jù)吞吐能力。

4.3 擴展性、兼容性及分級授權(quán)

能耗監(jiān)測平臺會面向不同的服務對象，比如能耗監(jiān)測管理單位（省、市級建設行政主管部門等）、樓宇甲方、擁有多個監(jiān)測樓宇的企業(yè)等，他們的業(yè)務需求不盡相同，所以能耗監(jiān)測系統(tǒng)應當具有比較好的擴展性、兼容性及分級授權(quán)的功能。

監(jiān)測平臺應該采用基于服務的松耦合架構(gòu)，而不是傳統(tǒng)的由一個獨立執(zhí)行程序來完成所有任務的架構(gòu)?；诜盏目蚣荏w系，可以根據(jù)業(yè)務需求和用戶的不同，個性化地擴展服務。數(shù)據(jù)展現(xiàn)UI部分和后臺的邏輯相互獨立，通過規(guī)范化的接口進行通信。

在分級授權(quán)方面，軟件平臺的各個子系統(tǒng)由統(tǒng)一的授權(quán)中心進行權(quán)限驗證。權(quán)限需要區(qū)分為功能性權(quán)限和數(shù)據(jù)范圍權(quán)限兩種類型。

5 北京市能耗監(jiān)測系統(tǒng)應用介紹

北京市建筑能耗監(jiān)測平臺（如圖3所示）于2009年4月開始正式投入運行，目前可實現(xiàn)對北京市96棟政府辦公建筑和大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)的采集、遠程傳輸、動態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析。

北京市能耗監(jiān)測系統(tǒng)共有八個子系統(tǒng)，除了前文所述的七個子系統(tǒng)外，還有一個樓宇能耗監(jiān)測系統(tǒng)。

樓宇能耗監(jiān)測系統(tǒng)的主要功能是向樓宇甲方或者擁有多個樓宇的公司提供面向單個樓宇進行能耗監(jiān)測管理的服務，使之能夠按照時間維度對樓宇能耗數(shù)據(jù)進行橫向?qū)Ρ?，也能通過系統(tǒng)提供的所在行政區(qū)和北京市的能耗平均數(shù)據(jù)或者所屬建筑分類的能耗平均數(shù)據(jù)，進行多個維度的對比分析，還能進行自身能耗的最高值、最低值及與標桿建筑能耗間的對比分析，從而清楚樓宇本身的耗能定位，及時發(fā)現(xiàn)差距和不足，以利于節(jié)能改造。此外，系統(tǒng)還能給出本樓宇的月度和年度能耗分析報表，給用戶以專業(yè)化的指導。

1 《國務院關于印發(fā)節(jié)能減排綜合性工作方案的通知》（國發(fā)[2007]15號）

2 《關于加強國家機關辦公建筑和大型公共建筑節(jié)能管理工作的實施意見》（建科[2007]245號）

3 《國家機關辦公建筑及大型公共建筑分項能耗數(shù)據(jù)采集技術(shù)導則》

4 《樓宇計量裝置技術(shù)導則》

5 《國家機關辦公建筑及大型公共建筑分項能耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)導則》

6 《數(shù)據(jù)中心建設與維護技術(shù)導則》

7 《能耗動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)建設、驗收與運行管理規(guī)范》