云計算環(huán)境下大型公共建筑能耗監(jiān)測方法的研究與實現(xiàn)

于秋紅

（吉林建筑大學城建學院，吉林 長春 130111）

云計算環(huán)境下大型公共建筑能耗監(jiān)測方法的研究與實現(xiàn)

于秋紅

（吉林建筑大學城建學院，吉林 長春 130111）

文章首先對大型公共建筑能耗的研究現(xiàn)狀以及對其監(jiān)測的研究意義進行了闡述，其次對云計算下其內(nèi)容及其實現(xiàn)的理論依據(jù)進行了論述，最后對其檢測實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)進行了分析探討。旨在對大型公共建筑用能的具體特點及大型公共建筑耗能的統(tǒng)計平臺搭架構(gòu)建進行全面了解，以便為大型公共建筑的節(jié)能運行提供有力的科學依托，強力促進大型公共建筑由耗能向節(jié)能的轉(zhuǎn)變。

云計算；大型公共建筑能耗；ZigBee；監(jiān)測方法

隨著社會的不斷發(fā)展和大型公共建筑的不斷增加，能源消耗問題也在迅速加多，尤其是大型公共建筑的節(jié)能問題有很大的潛力可以通過相應(yīng)工作進行整改?；谠朴嬎悱h(huán)境下對大型公共建筑能耗進行監(jiān)測能夠通過對大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)的分析，全面掌握大型公共建筑在不同時間點、不同設(shè)備下的不同能耗特點，充分挖掘其節(jié)能潛力，為大型公共建筑的節(jié)能運行提供科學的理論依據(jù)，從而有力地促進大型公共建筑節(jié)能潛力向現(xiàn)實節(jié)能的轉(zhuǎn)化。

本文以云計算環(huán)境下大型公共建筑的能耗監(jiān)測為研究對象，對其研究現(xiàn)狀、關(guān)鍵技術(shù)等進行了闡述。

1　大型公共建筑能耗研究現(xiàn)狀及對其實現(xiàn)云計算監(jiān)測的意義

1.1大型公共建筑能耗的研究現(xiàn)狀

大型公共建筑是指單體面積超20 000 m2并采用中央空調(diào)的公用或商用建筑物，醫(yī)院、大型商場、購物超市、辦公寫字樓和公共交通樞紐等都屬于大型公共建筑。這些大型公共建筑因必須配備相應(yīng)的照明、空調(diào)、電梯等，因此除建筑能耗外，能源耗費也極其嚴重。大型公共建筑因國力增強，人民生活水平及經(jīng)濟、文明程度的不斷提高。我國《建設(shè)科技》研究發(fā)現(xiàn)，以北京市為例，從2004—2008年，北京大型公共建筑的建筑面積增長了近一倍［1］。

誠然，不斷增加的大型公共建筑大大提高了為其所在地居民提供生產(chǎn)生活服務(wù)的能力，又間接促進了當?shù)厣鐣?jīng)濟文明的發(fā)展。但是大型公共建筑在發(fā)展過程中因能耗問題給生存環(huán)境帶來的巨大影響也是不容小覷的。有研究曾指出大型公共建筑能耗已經(jīng)占我國總能耗的1/3。我國雖然地大物博，擁有豐富的能源礦產(chǎn)資源，但是人均資源數(shù)量卻依舊相對緊張，這樣巨大的大型公共建筑耗能打不起曠日持久的消耗戰(zhàn)，而且這種做法與我國“可持續(xù)發(fā)展”的理念也是相背離的。但是，我國并沒有建立起全面有效的大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)庫，傳統(tǒng)的依賴于人工調(diào)查、查表等方式來收集大型公共建筑能耗已經(jīng)不能滿足當下大型公共建筑復(fù)雜的能源消耗情況，這樣就難以發(fā)現(xiàn)大型公共建筑中能源運行存在的問題，就會缺少對問題進行原因分析的條件和正確改造的依據(jù)。

因此，自2008年我國政府就結(jié)合現(xiàn)狀發(fā)布了一系列對大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的相應(yīng)文件以及導(dǎo)則，在政府的正確指引下全國大面積開展了針對大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)。

1.2對云計算環(huán)境下大型公共建筑耗能監(jiān)測方法研究的意義

就目前而言，我國的工業(yè)耗能、交通耗能和建筑耗能并列為“三大耗能戶”。而且隨著經(jīng)濟文化的不斷發(fā)展，建筑耗能呈現(xiàn)出“不降反升”的趨勢。

在計算機時代，我們也應(yīng)該運用新技術(shù)于大型公共建筑耗能數(shù)據(jù)監(jiān)測中。這種新興的云計算采用共享基礎(chǔ)架構(gòu)的方法，把巨大的系統(tǒng)池連接在一起來提供各種技術(shù)性服務(wù)，其數(shù)字元器件性能的不斷提升可以對大型公共建筑數(shù)據(jù)庫進行全面的搜索分析，并且其實時數(shù)據(jù)流、信息搜尋、開放協(xié)作、超高的存儲、計算數(shù)據(jù)等功能還能夠滿足對大型公共建筑耗能數(shù)據(jù)庫進行由統(tǒng)一的云進行管理的需求。

2　云計算環(huán)境下對大型公共建筑耗能的監(jiān)測研究內(nèi)容及實現(xiàn)的理論依據(jù)

2.1云計算環(huán)境下對大型公共建筑耗能的監(jiān)測研究內(nèi)容

云計算環(huán)境下對大型公共建筑耗能的監(jiān)測研究主要是通過實時在線對大型公共建筑耗能提供數(shù)據(jù)監(jiān)測、審核、控制和管理等服務(wù)，并通過對監(jiān)測系統(tǒng)整理的數(shù)據(jù)對大型公共建筑耗能進行規(guī)律的查找，來發(fā)現(xiàn)節(jié)約能源的有效途徑，這樣就能夠充分發(fā)揮出云計算的強大計算能力，在巨大的數(shù)據(jù)庫中尋找最優(yōu)解決問題的方法，大大降低節(jié)約大型公共建筑耗能的難度。

2.1.1底層數(shù)據(jù)的采集與傳輸

對大型公共建筑能耗數(shù)據(jù)的采集是整個云計算環(huán)境下對大型公共建筑耗能的監(jiān)測系統(tǒng)中投資最大的板塊。各個采集模塊對大型公共建筑中的若干個電表或者傳感器的數(shù)據(jù)進行采集后把數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)終端。數(shù)據(jù)傳輸是指每棟建筑里由通信模塊和服務(wù)器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€過程。通信模塊可以通過以下兩種方式把數(shù)據(jù)送達服務(wù)器：第一種是直接把數(shù)據(jù)送到服務(wù)器上。第二種是把數(shù)據(jù)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)中，然后通過GPRS的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點—GCSN路由，把數(shù)據(jù)送達服務(wù)器。在采集模塊和數(shù)據(jù)終端組成的網(wǎng)絡(luò)中有總線型網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩種可選。有線安裝費用高，技術(shù)成熟可靠性高。無線簡便，但是ZigBee節(jié)點造價高，技術(shù)也不甚完善。

2.1.2能耗數(shù)據(jù)庫的設(shè)計

能耗監(jiān)測系統(tǒng)需要處理百萬億的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)種類繁多，錯綜復(fù)雜。能耗數(shù)據(jù)庫是大型公共建筑海量能耗數(shù)據(jù)存儲和分析的基礎(chǔ)。由于對這些數(shù)據(jù)的處理不僅是收集那么簡單，還需要進行合理地分析、分類，因此能耗數(shù)據(jù)庫除了全面管理收集到的數(shù)據(jù)，還要對數(shù)據(jù)進行展示、分析?；谶@些需要，能耗數(shù)據(jù)庫依據(jù)云計算技術(shù)為整個大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)提供強有力的技術(shù)支撐，它需要具備4個功能：①搜索分析功能。這個功能可以以圖形顯示各個計量電表的數(shù)據(jù)，顯示的數(shù)據(jù)不光可以被搜索查詢到，還可以導(dǎo)出備份，以便于做其他分析研究。②管理數(shù)據(jù)功能。這個功能的目的是維護大型公共建筑耗能數(shù)據(jù)庫，用于提供表格間數(shù)據(jù)的生成、提供數(shù)據(jù)的導(dǎo)出備份以及對過時數(shù)據(jù)的刪除功能。③數(shù)據(jù)表功能。對數(shù)據(jù)庫中所有表格中的數(shù)據(jù)進行管理。④用戶自定義設(shè)置功能。為用戶提供自定義分項計量接口，使用者可根據(jù)具體需要定義某些監(jiān)測量的數(shù)據(jù)組合，這些定義的量都能在搜索分析功能中查詢顯示。

2.2云計算環(huán)境下對大型公共建筑耗能實現(xiàn)監(jiān)測的理論依據(jù)

云計算技術(shù)體系由4層組成：物理資源層、資源池層、管理中間件層和面向服務(wù)的結(jié)構(gòu)（Service-Oriented Architecture，SOA）構(gòu)建層。物理資源層主要是計算機、存儲器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、數(shù)據(jù)庫和軟件。資源池層主要是把對大型公共建筑耗能監(jiān)測系統(tǒng)中一些類型相同的資源放到一起構(gòu)成資源池，比如大批量相近數(shù)據(jù)可以構(gòu)成數(shù)據(jù)資源池，資源池層還負責對云資源節(jié)點進行均衡使用，若節(jié)點出現(xiàn)故障，還可自行試圖修復(fù)或屏蔽，并且能夠?qū)Y源使用狀況進行監(jiān)視統(tǒng)計，所以資源池層是云計算技術(shù)中最關(guān)鍵的技術(shù)部分之一。管理中間件層主要是對云計算的資源進行相應(yīng)管理，如果有多個任務(wù)也是由管理中間件層進行任務(wù)調(diào)度，使資源能夠高效、安全地為具體應(yīng)用提供服務(wù)。SOA構(gòu)建層可以把云計算能力打包成網(wǎng)站資源節(jié)點服務(wù)，并運用于SOA體系進行服務(wù)注冊、搜索等管理使用，這個功能的完成主要依賴于外部設(shè)施。這種基于云計算環(huán)境下的耗能監(jiān)測，特別適用于建筑內(nèi)的通信應(yīng)用。

3　云計算環(huán)境下對大型公共建筑耗能的監(jiān)測實現(xiàn)過程中關(guān)鍵技術(shù)概述

云計算以數(shù)據(jù)處理為重點，是一種數(shù)據(jù)密集型的新型超級計算方法。云計算作為一種全新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式能夠提供復(fù)雜的數(shù)據(jù)存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)協(xié)作、信息服務(wù)等功能，云計算環(huán)境下對大型公共建筑耗能監(jiān)測實現(xiàn)過程中的關(guān)鍵技術(shù)包括：編程模式、數(shù)據(jù)存儲、管理技術(shù)和虛擬化技術(shù)。

3.1編程模式

越來越簡便的編程模式成為云計算發(fā)展的未來趨勢，目前應(yīng)用最廣的云計算編程模式是Google公司提出的MapReduce編程模式，這個過程主要分為Map過程、Combine過程和Reduce過程，整個過程反映的是映射和規(guī)約的過程。應(yīng)用程序只需要關(guān)注應(yīng)用程序自身，對于集群的處理問題以及可靠性和可擴展性等都由平臺來處理。

3.2數(shù)據(jù)存儲和管理技術(shù)

大型公共建筑耗能監(jiān)測中密集復(fù)雜的數(shù)據(jù)需要高效化的處理，基于云計算的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)主要有兩種，一種是Google公司的GFS，另一種是Hadloop團隊開發(fā)的HDFS。其中HDFS非常適用于商業(yè)硬件的分布式存儲和分布式處理，它有較強的容錯性和可擴展性，在應(yīng)用于大型公建建筑耗能監(jiān)測中只需調(diào)整下資源配置即可。云計算的數(shù)據(jù)管理主要有Google的Bigtable，是較先進的數(shù)據(jù)管理模式，能夠?qū)Υ笮凸ńㄖ哪鼙O(jiān)測中大量的數(shù)據(jù)進行管理、搜尋和分析。

3.3虛擬化技術(shù)

云計算環(huán)境下對大型公共建筑耗能監(jiān)測的實現(xiàn)也離不開云計算的虛擬化技術(shù)。虛擬化技術(shù)能夠同虛擬機平臺運行的應(yīng)用程序同時工作。云計算中的虛擬化技術(shù)還能夠節(jié)約主機資源，可以把多個負載次要的虛擬機節(jié)點合并到一個物理節(jié)點上，能夠最大化地完成負載均衡。虛擬化技術(shù)在大型公共建筑耗能巨大的數(shù)據(jù)庫中能靈活地進行資源管理和分配，能夠大幅度提升云計算資源管理的效率。

4　結(jié)語

我國大型公共建筑耗能相較于西方發(fā)達國家而言還是有點偏高，對能源的利用率也比較低。因此發(fā)展完善基于云計算下的大型公共建筑耗能監(jiān)測的相關(guān)系統(tǒng)，既能夠充分發(fā)揮出信息技術(shù)在節(jié)能減排中的重要作用，又能夠為我國節(jié)能工作提供科學嚴謹?shù)募夹g(shù)支持，對實現(xiàn)資源節(jié)約、環(huán)境友好、人與自然和諧的可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

[1]江億.我國建筑能耗狀況與節(jié)能重點[J].建筑科技，2007（5）：26-29.

[2]李運華，張吉禮.大型公共建筑運行耗能數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)初步開發(fā)及應(yīng)用[J].建筑科學，2007（10）：86-90.

[3]陳梅，張永堅，牛祺飛.公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].電子測量與儀器學報，2009（S1）：167-170.

Research and implementation of large scale public building energy consumption monitoring method in cloud computing environment

Yu Qiuhong
（Urban Construction College of Jilin Jianzhu University, Changchun 130111, China）

This paper firstly discussed the research status of energy consumption of large public buildings and the research significance of its monitoring, then discussed the theoretical basis of the content and implementation of cloud computing, finally analyzed and discussed the key technologies in the process of detection and implementation. Aiming at comprehensive understanding the specific characteristics of large public buildings energy and construction of the frame of statistical platform of consumption of large public buildings, to provide a strong scientific basis for the energy saving operation of the large-scale public building, and strongly promote the transformation of large public buildings from energy consumption to energy saving.

cloud computing; large scale public building energy consumption; ZigBee; monitoring method

于秋紅（1980— ），女，吉林江源，碩士，教師，副教授；研究方向：電氣工程教學。