基于規(guī)則集在智能建筑能源管理系統(tǒng)中的研究

葛晶晶

(太原城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，山西 太原 030027)

0 引言

建筑物是增長(zhǎng)最快的能源供應(yīng)部門之一。據(jù)估計(jì)，歐盟(EU)建筑所消耗的能量達(dá)到總能耗的40%—45%[1]，其中約三分之二用于住宅。目前十年中，第三產(chǎn)業(yè)和住宅部門的能源需求分別每年增長(zhǎng)1.2%和1%[2]。因此，歐盟的上述部門的能源使用大約占溫室氣體(GHG)排放量的50%[2]。

此外，特別是在價(jià)格波動(dòng)、人口快速增長(zhǎng)和技術(shù)發(fā)展的情況下，對(duì)保證必要的熱舒適性、視覺舒適性和室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求也在增加。在這種背景下，目前的工作重點(diǎn)是在滿足能源建筑對(duì)能源需求前提下，通過(guò)盡可能少的能源成本和環(huán)境保護(hù)手段來(lái)確保運(yùn)營(yíng)需求。

以上述需求為目標(biāo)，由于該系統(tǒng)有助于連續(xù)能源管理，因此在節(jié)約能源方面，建筑能源管理系統(tǒng)(BEMS)將起到非常重要作用。建筑能源管理系統(tǒng)普遍采用對(duì)主動(dòng)控制系統(tǒng)，即采暖，通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)(HVAC)的開啟，可以根據(jù)業(yè)主需求決定操作時(shí)間。在上述工作中，建筑能源管理系統(tǒng)將直接影響建筑的能源消耗以及建筑內(nèi)業(yè)主的舒適度。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電信和信息技術(shù)的進(jìn)步，建筑能源系統(tǒng)也有了更新的發(fā)展。在這一背景下，國(guó)際文獻(xiàn)中提出了許多改進(jìn)系統(tǒng)控制的現(xiàn)代技術(shù)和方法。據(jù)我們所知，目前已提出了采暖、通風(fēng)、空調(diào)系統(tǒng)中控制技術(shù)，如極點(diǎn)配置，最優(yōu)調(diào)節(jié)器和自適應(yīng)控制等技術(shù)。并提出了更多的計(jì)算機(jī)化方法，如遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[3]，用于特殊HVAC系統(tǒng)的優(yōu)化控制，以及其他一些優(yōu)化建筑物的系統(tǒng)控制的方法，包括經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、加?quán)語(yǔ)言模糊規(guī)則[3]、模擬優(yōu)化[3]和在線自適應(yīng)控制。針對(duì)室內(nèi)環(huán)境管理已開發(fā)出基于遺傳算法、優(yōu)化模糊控制器的綜合控制系統(tǒng)，及基于信息庫(kù)的占用預(yù)測(cè)系統(tǒng)，并對(duì)這些系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試。

此外，BEMS正在開發(fā)應(yīng)用于智能建筑，并且為現(xiàn)代智能建筑和控制系統(tǒng)提供了大量的研究依據(jù)。在上述研究的基礎(chǔ)上，顯然需要建立一個(gè)集成的“決策支持模型”來(lái)管理典型建筑的日常能源運(yùn)作，該模型需要滿足以下兩個(gè)要求：1)保證所有建筑物內(nèi)房間的生活質(zhì)量水平;2)節(jié)約能源。在這種情況下，智能決策支持模型，可以控制建筑操作數(shù)據(jù)如何偏離設(shè)置，以及進(jìn)行內(nèi)部條件的診斷和優(yōu)化建筑物的能源運(yùn)作。此外，規(guī)則集的方法和技術(shù)是代表BEMS系統(tǒng)中更智能化的一種非常有效的方法。

本文的主要目的是提出一種可在所有相關(guān)的能源建筑的操作管理中使用基于規(guī)則集智能BEMS系統(tǒng)。

1 方法論

決策支持模型的基礎(chǔ)設(shè)施是基于典型的BEMS邏輯的特性。如圖1所示，該模型的理論是基于模型的通用概念，該模型適用于任何已提供區(qū)域及其元素的適當(dāng)“映射”的建筑物規(guī)范要求。

圖1 模型原理圖

模型包括以下組件：

1) 室內(nèi)傳感器：測(cè)量或記錄建筑區(qū)域的溫度、相對(duì)濕度、空氣質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)和亮度的傳感器。

2) 戶外傳感器：用于室外條件的傳感器，如溫度、相對(duì)濕度和亮度等，這對(duì)于EF模型的運(yùn)行是必不可少的。

3) 控制器：該組件包括開關(guān)、膜片、閥門、執(zhí)行器等。

4) 決策單元：?jiǎn)卧▽?shí)時(shí)決策支持，具有以下功能：

◆將專家和智能系統(tǒng)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，以便根據(jù)建筑物的要求選擇合適的內(nèi)徑。

◆與樓宇控制器進(jìn)行溝通，以供決策之用。

◆與傳感器的相互作用，用于診斷建筑物的狀態(tài)，建筑能量的制定。

5) 數(shù)據(jù)庫(kù)：包括建筑能耗特征數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，其中記錄所有必要的信息。更具體地說(shuō)，程序流程如圖2所示。

圖2 模型流程圖

6) 用戶要求：建筑物內(nèi)的用戶對(duì)室內(nèi)條件的要求設(shè)定值來(lái)控制參數(shù)，即溫度、相對(duì)濕度、空氣質(zhì)量和亮度。

7) 參數(shù)比較結(jié)果如下：

◆如果用戶輸入與參數(shù)范圍(NO)之間沒有偏差，則選擇用戶的輸入。

◆如果用戶輸入與參數(shù)范圍之間存在偏差(Y)，則模型如下：

●如果模型狀態(tài)被設(shè)置為“手動(dòng)”，則模型忽略偏差并使用用戶的輸入。

●如果模型狀態(tài)設(shè)置為“自動(dòng)”，該模型將用戶輸入在參數(shù)范圍內(nèi)初始化，并選擇與用戶輸入最小偏差的值。

8) 干預(yù)必要性：在確定用戶需求之后，通過(guò)適當(dāng)?shù)膫鞲衅饔涗洰?dāng)前室內(nèi)條件，并計(jì)算它們之間的偏差。

◆如果在當(dāng)前狀態(tài)和用戶輸入狀態(tài)之間沒有偏差，則控制程序退出而不進(jìn)行干預(yù)。

◆如果發(fā)生偏差，則控制程序進(jìn)行干預(yù)。

9) 干預(yù)選擇：當(dāng)出現(xiàn)干預(yù)選擇時(shí)，該模型將決定適當(dāng)?shù)母深A(yù)方法。通過(guò)邏輯和比較序列，決策單元進(jìn)行干預(yù)，并為建筑物的控制器產(chǎn)生足夠的信號(hào)。特別是，以下數(shù)據(jù)源用于選擇適當(dāng)?shù)母深A(yù)方法。

總之，模型的決策是一系列的信號(hào)和命令，用于控制器和執(zhí)行器，用于模型輸出的應(yīng)用。就上述而言，該模型具有調(diào)節(jié)(借助于規(guī)則)智能干預(yù)的能力，以確保熱舒適性和節(jié)能性，例如：

評(píng)估和比較當(dāng)前的建筑負(fù)荷與理想的負(fù)荷(從歷史數(shù)據(jù))，并在極端能源消耗的情況下，根據(jù)每個(gè)地區(qū)的特殊需要來(lái)減少其中的一些。

通過(guò)使用歷史數(shù)據(jù)計(jì)算熱和空氣質(zhì)量指數(shù)，并確定區(qū)域?qū)?qiáng)加干預(yù)的適應(yīng)能力。

根據(jù)注冊(cè)能源文件，激活適當(dāng)?shù)某绦?，預(yù)熱和關(guān)閉設(shè)備在一定的時(shí)間瞬間。

2 模型建立

決策支持單元采用以下軟件工具和應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)：

1) 利用Access開發(fā)了建筑能耗特征數(shù)據(jù)庫(kù)和知識(shí)庫(kù)。

2) 采用Visual Basic 6.0編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)通過(guò)建筑物的數(shù)據(jù)庫(kù)、傳感器和控制器提供互連性。

3) 采用Clip—特別是在Spring 2002中發(fā)布的版本6.2，嵌入在模型中，以提供模型的規(guī)則處理和對(duì)決策過(guò)程的推理。

在圖3中圖示了所提出的決策單元的體系結(jié)構(gòu)。

圖3 決策單元系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

決策支持單元設(shè)計(jì)的目的是利用由BEMS操作記錄的數(shù)據(jù)改變規(guī)則集。在這一背景下，對(duì)一個(gè)典型的建筑進(jìn)行建模，并對(duì)室內(nèi)條件和建筑的機(jī)電部件進(jìn)行控制，并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)化。其中，參數(shù)被分類如下：

●輸入?yún)?shù)：第一組包括關(guān)于室內(nèi)條件和時(shí)間安排的參數(shù)。

●輸出參數(shù)：第二組參數(shù)涉及模型控制器和執(zhí)行器。

●支持參數(shù)：這套參數(shù)記錄了房間的便利性或控制性。

本文創(chuàng)建了一組規(guī)則集，覆蓋了典型建筑物的所有可能請(qǐng)求。這些規(guī)則結(jié)合輸入和輸出參數(shù)，有以下分類：

1)內(nèi)部舒適條件,2)建筑節(jié)能,3)決策支持單元的兼容性。

基于這些規(guī)則集，決策單元的程序步驟如下：

1) 系統(tǒng)初始化：關(guān)于溫度、相對(duì)濕度和空氣質(zhì)量的輸入變量的規(guī)則允許的范圍，應(yīng)該適用于舒適性和節(jié)能性。

2) 干預(yù)的必要性：為干預(yù)加熱，冷卻，水化，脫水，通風(fēng)和照明規(guī)則確定適當(dāng)?shù)拈撝担?/p>

3) 室內(nèi)條件的偏差縮放：該規(guī)則用于識(shí)別用戶需求與當(dāng)前區(qū)域或房間條件之間的偏差以調(diào)試所有控制參數(shù)。

4) 干預(yù)選擇：規(guī)則的選擇應(yīng)涵蓋所需的干預(yù)動(dòng)作。這些動(dòng)作包括打開/關(guān)閉建筑物的組件，并確定這些組件是否用于調(diào)節(jié)室內(nèi)條件。

5) 干預(yù)強(qiáng)度確定：根據(jù)每個(gè)區(qū)域或房間的指標(biāo)和電子設(shè)備的規(guī)模，規(guī)則確定干預(yù)的強(qiáng)度。

3 結(jié)論

計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的結(jié)合已成為現(xiàn)代的新興技術(shù)，這種中央?yún)f(xié)調(diào)系統(tǒng)能夠監(jiān)測(cè)和控制與建筑物有關(guān)的許多活動(dòng)和服務(wù)。該決策支持系統(tǒng)有助于對(duì)典型建筑物的日常運(yùn)作進(jìn)行持續(xù)的能源管理，從而為建筑物居住者提供舒適居住條件，盡量減少能源消耗和成本。

在上述背景下，所提出的使用規(guī)則集進(jìn)行建筑能源管理的智能模型是一個(gè)具有創(chuàng)新和實(shí)用性的決策支持系統(tǒng)，旨在保障理想的生活質(zhì)量水平以及為環(huán)境保護(hù)節(jié)約能源。該系統(tǒng)通過(guò)將建筑物的能源知識(shí)轉(zhuǎn)化為若干規(guī)則并最終轉(zhuǎn)化為對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的電子指令，實(shí)現(xiàn)了對(duì)建筑物能源消耗的集中監(jiān)控。特別指出，系統(tǒng)利用專家知識(shí)，對(duì)建筑能源提供有力的管理保證，通過(guò)智能監(jiān)控、優(yōu)化的HVAC中央系統(tǒng)和照明控制，可以檢測(cè)和消除“錯(cuò)誤”系統(tǒng)決策。