校園可視化能耗監(jiān)控管理平臺研究與開發(fā)

曾美霞，陳立定

（華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640）

在全球經(jīng)濟(jì)和科技迅猛發(fā)展的背景下，節(jié)能減排一直以來都是實(shí)踐可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。我國的能耗比例構(gòu)成中，建筑能耗已與工業(yè)能耗、交通能耗并列，成為我國能耗的三大“能耗大戶”[5]。而且建筑能耗伴隨著建筑總量的不斷攀升和居住舒適度的提升正呈急劇上揚(yáng)趨勢。高校校園集教學(xué)、生活、科研于一體，建筑面積廣、人數(shù)多、規(guī)模及能耗量大，它的節(jié)能問題也引起了各方面的重視。因此，在高校中建立可視化能耗實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)管理分析平臺，對于加強(qiáng)校園能源的合理利用與分配，有效地實(shí)現(xiàn)節(jié)能，具有及其重要的意義。本系統(tǒng)采用VS2008的ASP.NET技術(shù)設(shè)計(jì)出了一個(gè)B/S模式的能耗管理系統(tǒng)，實(shí)踐證明，本系統(tǒng)安全性高、可操作性強(qiáng)，界面友好，可在大型公共建筑上推廣使用。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

校園可視化能耗監(jiān)測管理分析系統(tǒng)是對校園能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和管理的大型信息化平臺。系統(tǒng)主要集成能耗監(jiān)控系統(tǒng)和能源管理分析系統(tǒng)兩大部分。系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖Fig.1 System whole framework

能耗監(jiān)控端主要是實(shí)時(shí)顯示校園各棟樓層的能耗數(shù)據(jù)，一旦數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常或者沒有數(shù)據(jù)顯示即時(shí)發(fā)出報(bào)警信息給系統(tǒng)操作人員；分析管理端通過各樓層在同一時(shí)間段的能耗量或者同一樓層在不同時(shí)間段的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出校園能耗規(guī)律，同時(shí)及時(shí)采取有效的節(jié)能措施改善高能耗樓層的能耗總量。

2 能耗監(jiān)控管理系統(tǒng)

2.1 用戶權(quán)限管理

權(quán)限的控制能有效地防止非法用戶訪問系統(tǒng)資源和合法用戶非法使用資源，是實(shí)現(xiàn)既定安全策略的系統(tǒng)安全技術(shù)?；诮巧臋?quán)限控制模型目前已作為國際規(guī)范被廣泛應(yīng)用，但是它采用的是集中管理模式，系統(tǒng)權(quán)限的所有管理能力都集中在系統(tǒng)管理員身上，管理員必須承擔(dān)所有管理責(zé)任，同時(shí)每當(dāng)有用戶的調(diào)動(dòng)、加入或者離開，權(quán)限的管理都必須通過管理員來實(shí)現(xiàn)，這使得訪問控制缺乏靈活性。因此，本系統(tǒng)采用了基于組角色的訪問控制模型（GRBAC），它有效地改善了基于角色的權(quán)限控制模型中的不足之處，其模型圖如圖2所示。

圖2 基于組的安全訪問控制模型Fig.2 Security acess control model based on group

GRBAC模型包括五個(gè)元素：用戶、用戶組、權(quán)限、角色以及會話。在GRBAC中，用戶組是權(quán)限的擁有者，一個(gè)用戶歸屬于一個(gè)用戶組就具有該用戶組的權(quán)限。系統(tǒng)管理員具有最高權(quán)限，負(fù)責(zé)建立起初始的權(quán)限體系結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)管理員建立用戶組，并未用戶組指定權(quán)限和建立用戶，同時(shí)為用戶組指定具有管理員角色的用戶。訪問控制管理中，一個(gè)用戶組可以對應(yīng)多個(gè)用戶，一個(gè)用戶只能對應(yīng)一個(gè)用戶組。一個(gè)用戶組可以對應(yīng)多個(gè)權(quán)限，而一個(gè)權(quán)限可以對應(yīng)多個(gè)用戶組。在圖中用不同的箭頭表示。需要指出的是，圖2中的用戶組相當(dāng)于RBAC模型中的角色，圖中的角色特指用戶是否為其權(quán)限的管理者。

2.2 能耗監(jiān)控系統(tǒng)

能耗監(jiān)控系統(tǒng)主要用于實(shí)時(shí)監(jiān)測[3]高校內(nèi)各樓層的能耗數(shù)據(jù)以及各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，包括區(qū)域用能監(jiān)控與報(bào)警系統(tǒng)和設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制系統(tǒng)兩部分。

2.2.1 區(qū)域用能監(jiān)控與警報(bào)

實(shí)時(shí)監(jiān)測各區(qū)域/房間的用能情況，監(jiān)測界面的背景圖為高校的平面圖，通過點(diǎn)擊樓層對應(yīng)的圖片就能鏈接到不同的樓層，進(jìn)而顯示該樓層各個(gè)房間的能耗數(shù)據(jù)以及樓層的總能耗。系統(tǒng)預(yù)設(shè)能耗報(bào)警的條件，當(dāng)能耗量超過了正常值時(shí)系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，提醒操作人員進(jìn)行相關(guān)操作；同時(shí)系統(tǒng)還能對不正常的能耗使用情況進(jìn)行報(bào)警（如下班了未關(guān)空調(diào)或者照明還開著等），降低能源泄露所造成的浪費(fèi)。

2.2.2 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制

監(jiān)測設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)即時(shí)發(fā)出報(bào)警信息，降低設(shè)備維護(hù)成本；通過設(shè)定多種控制策略（溫度、時(shí)間、人員流量等）根據(jù)不同情況及外部環(huán)境條件自動(dòng)控制設(shè)備的開啟數(shù)量，以此降低能耗，延長設(shè)備的壽命。

2.2.3 監(jiān)控日志

在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，系統(tǒng)能自動(dòng)生成監(jiān)控日志，并將相應(yīng)的信息存入數(shù)據(jù)庫。通過Gridview控件綁定相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)管理員就能很方便地在可視化界面查看系統(tǒng)的歷史報(bào)警信息、錯(cuò)誤事件發(fā)生的時(shí)間、處理方法及處理結(jié)果等。

2.3 能源管理系統(tǒng)

2.3.1 用能統(tǒng)計(jì)分析

用能統(tǒng)計(jì)分析部分主要包括三個(gè)子模塊，能耗分類分項(xiàng)對比[4]排名模塊、設(shè)備能效比分析模塊以及計(jì)費(fèi)管理模塊。在能耗分類分項(xiàng)對比排名模塊中，用戶可以通過時(shí)間、區(qū)域、設(shè)備類型、統(tǒng)計(jì)類型、能耗分類等多種不同的維度對所采集的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并對比排名。微軟的Visual Studio開發(fā)工具提供了Chart控件，該控件是公開事件的圖表對象，既可以動(dòng)態(tài)地綁定數(shù)據(jù)，也能應(yīng)用DataBindings等屬性直接綁定到數(shù)據(jù)庫[1-2]。此外，Chart控件還可以繪制條形圖、餅狀圖、折線圖等，能非常直觀地展示不同區(qū)域設(shè)備的能耗比例。圖3是根據(jù)用戶自由選取房間號和特定時(shí)間段所形成的日耗電量條形對比圖。圖4是與圖3對應(yīng)的日耗電量折線對比圖。

圖3 電耗量條形對比圖Fig.3 Bar chart of power consumption comparision

圖4 電耗量折線對比圖Fig.4 Polyline of power consumption comparision

設(shè)備能效比分析模塊主要是對投入運(yùn)行的設(shè)備能耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并分析歷史能效比的變化，與該設(shè)備的標(biāo)稱能效比進(jìn)行對比，當(dāng)兩者之間的差值很大時(shí)，根據(jù)建筑的外界環(huán)境和內(nèi)部的能耗需求，對設(shè)備的選型進(jìn)行優(yōu)化。計(jì)費(fèi)管理模塊對區(qū)域的各類能耗用量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，按照用戶的需求生成各種形式的報(bào)表，并打印賬單，為校園能耗管理制度的執(zhí)行提供準(zhǔn)確依據(jù)。

2.3.2 能耗評估審計(jì)

輔助執(zhí)行用能審計(jì)與用能評級，分析各棟樓層的能耗情況，對各樓層或課室進(jìn)行能耗建筑排名，排名依據(jù)為

其中：C為加權(quán)總能耗量；P為人均能耗量；α為人均能耗量的加權(quán)因子；S為面積評級用量；β為對應(yīng)的加權(quán)因子。給予C值小的建筑適當(dāng)?shù)莫?jiǎng)勵(lì)，而C值大的建筑則給予通報(bào)批評等，從而激勵(lì)學(xué)生或校園工作人員提高節(jié)能意識，間接地在一定程度上實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

2.3.3 自適應(yīng)的節(jié)能優(yōu)化控制策略

該模塊的主要功能體現(xiàn)在空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)上。系統(tǒng)運(yùn)用人工智能優(yōu)化技術(shù)，實(shí)時(shí)采集空調(diào)系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)和室外氣象數(shù)據(jù)，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，自適應(yīng)地調(diào)整空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，協(xié)調(diào)控制各空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)冷熱源能量輸出的最優(yōu)化控制；同時(shí)系統(tǒng)利用數(shù)字化負(fù)荷隨動(dòng)控制理論，通過采集的空調(diào)系統(tǒng)各個(gè)設(shè)備的多種變化參數(shù)，對負(fù)荷進(jìn)行隨動(dòng)跟蹤，自動(dòng)、準(zhǔn)確、及時(shí)地對設(shè)備實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)優(yōu)化控制。而本系統(tǒng)中的照明系統(tǒng)利用了市場上流行的智能照明控制裝置（西門子的產(chǎn)品），通過光電感應(yīng)開關(guān)測定工作面的照度，與設(shè)定值進(jìn)行比較來控制照明的開關(guān)，最大限度地利用自然光，達(dá)到節(jié)能的目的?？紤]到建筑物內(nèi)越靠近窗的地方自然光的照度越高，人工照明提供的照度就越低，合成照度應(yīng)維持在設(shè)定照度值，因此還需要解決人工照明的補(bǔ)償問題。但是由于要補(bǔ)償多少會隨著光源的使用、光源的光輸出衰減等而發(fā)生變化，這使得控制器很難精確地提供一個(gè)控制數(shù)值。為此，本系統(tǒng)采用了一個(gè)基于遺傳算法的RI模型，通過該模型，系統(tǒng)在使用光電感應(yīng)器測得室外陽光的垂直照度的條件下直接獲得室內(nèi)工作點(diǎn)的照度，進(jìn)而自適應(yīng)地調(diào)整照明設(shè)備的數(shù)量。

2.3.4 報(bào)表管理

報(bào)表管理模塊的設(shè)計(jì)為管理員或其他操作人員查看及導(dǎo)出或者打印歷史能耗數(shù)據(jù)信息帶來了極大的方便。操作人員可以選擇不同的時(shí)間段或不同樓層按年、月、日或者周查詢。圖5是將所選樓層在所選的時(shí)間段內(nèi)的歷史能耗數(shù)據(jù)導(dǎo)出到Excel表格的結(jié)果示意圖。

圖5 報(bào)表導(dǎo)出Fig.5 Report export

3 能耗計(jì)量系統(tǒng)

本系統(tǒng)的能耗計(jì)量部分采用了兩級網(wǎng)絡(luò)模式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)從計(jì)量表末端（水表、電表等）到可視化能耗監(jiān)控界面的傳遞。

第一級為各計(jì)量表與數(shù)據(jù)采集器之間的數(shù)據(jù)通過M-Bus總線實(shí)現(xiàn)傳輸。M-Bus總線又稱為用戶儀表總線，是一種專門為消耗測量儀器和計(jì)數(shù)器傳送信息的數(shù)據(jù)總線設(shè)計(jì)的。M-Bus總線在建筑物和工業(yè)能源消耗數(shù)據(jù)采集有多方面的應(yīng)用。M-Bus總線具有布線簡單、拓?fù)錈o關(guān)、在線供電、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，它的提出滿足了公用事業(yè)儀表的組網(wǎng)和遠(yuǎn)程抄表的需要[6]，同時(shí)還能滿足遠(yuǎn)程供電系統(tǒng)的特殊要求，可以在幾公里的距離上連接幾百個(gè)從設(shè)備，應(yīng)用前景非常廣泛。

系統(tǒng)的第二級網(wǎng)絡(luò)為數(shù)據(jù)集中器與可視化能耗監(jiān)控平臺的數(shù)據(jù)通信。由于計(jì)量系統(tǒng)的集中器采用了模塊化設(shè)計(jì)，因此與監(jiān)控管理平臺可以靈活地采用串口通信方式、無線接入網(wǎng)絡(luò)方式、光纖以太網(wǎng)等多種數(shù)據(jù)傳輸形式?？紤]到實(shí)際集中器設(shè)置焦點(diǎn)且與主站數(shù)據(jù)采集服務(wù)器連接距離較遠(yuǎn)，結(jié)合數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的需要，本系統(tǒng)采用了以太網(wǎng)方式進(jìn)行第二級的數(shù)據(jù)通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)開發(fā)了校園可視化能耗監(jiān)控管理平臺。B/S結(jié)構(gòu)是對C/S結(jié)構(gòu)的一種改進(jìn)，在該結(jié)構(gòu)下，本系統(tǒng)的監(jiān)控界面通過www瀏覽器實(shí)現(xiàn)，只有極少部分的事務(wù)邏輯是在前端（Browser）實(shí)現(xiàn)，大部分事務(wù)邏輯都是在服務(wù)器端（Server）實(shí)現(xiàn)，大大簡化了客戶端電腦載荷以及系統(tǒng)維護(hù)和升級的成本和工作量。系統(tǒng)結(jié)合DHTML、Javascript、SQL語言等多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對實(shí)時(shí)能耗數(shù)據(jù)的采集、監(jiān)測與管理，有效達(dá)到了節(jié)能目的。同時(shí)系統(tǒng)還提供了報(bào)警處理，歷史數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)報(bào)表的導(dǎo)出與打印等多重功能。目前該系統(tǒng)已投入到廣州某高校的能耗監(jiān)控管理平臺中使用。實(shí)踐表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，安全實(shí)用可靠，具有廣闊的工程應(yīng)用前景。

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