基于數(shù)據(jù)挖掘的高速公路服務(wù)區(qū)綜合源監(jiān)管系統(tǒng)的研究

丁笑迎，劉林，董淑敏

（1.山東正晨科技股份有限公司，濟(jì)南250101；2.山東建筑大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，濟(jì)南250101）

1 引言

在世界主要發(fā)達(dá)國家和地區(qū)持續(xù)推進(jìn)“能源新政”“綠色技術(shù)”“低碳經(jīng)濟(jì)”“工業(yè)4.0”等發(fā)展戰(zhàn)略的影響下，智慧交通已經(jīng)成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)問題。十九大報(bào)告全面闡述加快生態(tài)文明體制改革、推進(jìn)綠色發(fā)展、建設(shè)美麗中國的戰(zhàn)略部署。交通運(yùn)輸是國家節(jié)能減排和應(yīng)對氣候變化的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。加快發(fā)展綠色交通，是建設(shè)生態(tài)文明的基本要求，是轉(zhuǎn)變交通運(yùn)輸發(fā)展方式的重要途徑，也是實(shí)現(xiàn)交通運(yùn)輸與資源環(huán)境和諧發(fā)展的應(yīng)有之義。

韓丹等[1]提出了利用太陽能光伏發(fā)電技術(shù)進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電和離島型微電網(wǎng)綜合能源互補(bǔ)建。高速服務(wù)區(qū)能源消耗尤其是電能消耗脫離城市綜合能源管網(wǎng)的支持，易造成能源傳輸?shù)牟环€(wěn)定性以及在傳輸過程中的能源浪費(fèi)和環(huán)境破壞。因此，借助高速服務(wù)區(qū)的太陽能等清潔能源進(jìn)行服務(wù)區(qū)建筑物能源補(bǔ)充，通過建筑物光伏一體化設(shè)計(jì)以大數(shù)據(jù)挖掘?yàn)槭侄芜M(jìn)行能耗監(jiān)管實(shí)現(xiàn)節(jié)能應(yīng)用[2]，改善服務(wù)區(qū)環(huán)境狀態(tài)顯得尤為重要。基于此，本文提出了基于“互聯(lián)網(wǎng)+”與數(shù)據(jù)挖掘相結(jié)合的高速服務(wù)區(qū)新能源監(jiān)管技術(shù)的研究。

2 研究目的

圖1 系統(tǒng)功能分類

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”和能源技術(shù)的發(fā)展，在如此常態(tài)下的行業(yè)趨勢變化和特點(diǎn)，以綠色公路新型技術(shù)驅(qū)動交通行業(yè)與能源行業(yè)政策與體制機(jī)制的深度融合，形成行業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)條件下綠色公路建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)模式。高速服務(wù)區(qū)以高速干道為依托廣泛分布，是高速沿線的重要功能性單位，因此也是綠色高速交通建設(shè)中監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。實(shí)現(xiàn)高速服務(wù)區(qū)綜合能源互補(bǔ)，提高服務(wù)區(qū)綜合能源利用率是當(dāng)前的構(gòu)架集約型高速服務(wù)區(qū)的首要任務(wù)，有利于保護(hù)服務(wù)區(qū)周圍環(huán)境，減少能源浪費(fèi)。系統(tǒng)功能如圖1 所示。

高速服務(wù)區(qū)能源監(jiān)控系統(tǒng)平臺可以通過GIS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源動態(tài)監(jiān)測。如圖2 所示，以某一服務(wù)區(qū)為單位，將風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿刃履茉聪到y(tǒng)以及自來水、天然氣、火電等傳統(tǒng)能源系統(tǒng)通過能源信息采集器采集服務(wù)區(qū)監(jiān)控點(diǎn)信息；利用5G技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)快速、有效地遠(yuǎn)傳至監(jiān)控中心。根據(jù)采集上來的數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)挖掘服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘處理，分析該地區(qū)的能源結(jié)構(gòu)，為能源管理人員提供能耗管理與節(jié)能改造的重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

圖2 GIS 能源動態(tài)監(jiān)控

系統(tǒng)主要通過對服務(wù)區(qū)區(qū)域內(nèi)的能源消耗進(jìn)行有效地管控，通過節(jié)能設(shè)施、材料的使用和設(shè)備能耗管控兩個(gè)方面進(jìn)行實(shí)施[3]。實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動化控制，將空調(diào)自控系統(tǒng)、智能照明系統(tǒng)、送排風(fēng)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、變配電系統(tǒng)、燃油燃?xì)夂湍芎臄?shù)據(jù)采集系統(tǒng)納入一套監(jiān)管平臺（系統(tǒng)）進(jìn)行建設(shè)；通過平臺建設(shè)，結(jié)合空調(diào)、照明、風(fēng)機(jī)、水泵等系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析能耗分布，通過系統(tǒng)的自動化控制，做到有效地進(jìn)行持續(xù)的節(jié)能優(yōu)化。

實(shí)現(xiàn)設(shè)備的節(jié)能監(jiān)管、信息化處理，利用分布式測控系統(tǒng)產(chǎn)生的大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)，云平臺系統(tǒng)沉淀大量的設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、設(shè)備養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)、人員出勤數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)挖掘分析生成養(yǎng)護(hù)計(jì)劃報(bào)表，通過預(yù)警的形式實(shí)現(xiàn)對機(jī)電設(shè)備的“主動式”養(yǎng)護(hù)，將設(shè)備即時(shí)的故障信息通過物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)實(shí)時(shí)發(fā)布，通過實(shí)時(shí)報(bào)警的形式支持主動維護(hù)工作。

指標(biāo)化監(jiān)管，通過數(shù)據(jù)挖掘生成能效指標(biāo)數(shù)據(jù)。把能效指標(biāo)數(shù)據(jù)作為節(jié)能監(jiān)控系統(tǒng)考核手段，通過對標(biāo)機(jī)電設(shè)備的能耗評價(jià)機(jī)電設(shè)備的自動化控制水平和管理水平，通過比對多元化的能效數(shù)據(jù)評價(jià)養(yǎng)護(hù)人員的工作績效。

把能效指標(biāo)數(shù)據(jù)作為節(jié)能手段，通過數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在的跑冒滴漏問題和使用中存在的能耗浪費(fèi)問題，持續(xù)改進(jìn)控制工藝、維修系統(tǒng)設(shè)施、完善管理制度，在實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)地可持續(xù)地對機(jī)電設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

3 系統(tǒng)平臺與技術(shù)核心

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

依托HAMDELL BES.C.S200.L4 能耗采集器為核心搭建能耗監(jiān)管一體平臺，主要用于交通部門總控中心對下屬多個(gè)高速服務(wù)區(qū)的能源結(jié)構(gòu)以及消耗狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、遙控和記錄。高速服務(wù)區(qū)能源監(jiān)控平臺可以實(shí)現(xiàn)24 小時(shí)無故障不間斷運(yùn)行，可用ORACAL 數(shù)據(jù)庫保存采集數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)上傳周期延時(shí)小于50s，控制信號至執(zhí)行器傳輸延遲小于5s。數(shù)據(jù)信息主要包括用水量、天然氣、電能、太陽能、地?zé)崮?，依?jù)平臺可以進(jìn)行數(shù)據(jù)上下貫通并留有功能性接口添加子功能模塊。

一體化平臺實(shí)現(xiàn)面對能源企業(yè)、管理單位、政府部門等不同業(yè)務(wù)需求單位可提供具體的數(shù)據(jù)采集和業(yè)務(wù)協(xié)同功能接口服務(wù)[6]。能源監(jiān)管一體化框架如圖3 所示。

圖3 能源監(jiān)管系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 網(wǎng)絡(luò)與邏輯應(yīng)用設(shè)計(jì)

目前針對能源的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，齊魯交通所轄路域內(nèi)采用先進(jìn)的OTN 技術(shù)搭建覆蓋全省的光網(wǎng)絡(luò)平臺，構(gòu)成了“互聯(lián)網(wǎng)+”所必須的基礎(chǔ)通信網(wǎng)絡(luò)；新能源領(lǐng)域分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置、智能微電網(wǎng)等全部納入一體化平臺的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測內(nèi)容。通過新能源管網(wǎng)、能耗設(shè)備、傳統(tǒng)能源管網(wǎng)等各個(gè)功能的交叉融合充分利用依托高速公路的土地、能源、設(shè)施等資源整合為統(tǒng)一的云平臺進(jìn)行管控。

邏輯應(yīng)用設(shè)計(jì)主要分為網(wǎng)絡(luò)傳輸層、數(shù)據(jù)采集層和平臺應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)傳輸層提供信息加密傳輸以及接入認(rèn)證服務(wù)，負(fù)責(zé)將采集到的信息進(jìn)行加密并傳輸?shù)揭惑w化平臺，數(shù)據(jù)采集層利用HAMDELL BES200 現(xiàn)場采集器對數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場處理。組網(wǎng)方式主要分為有線和無線兩種方式，無線通訊方式主要以互聯(lián)網(wǎng)和5G 移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)。

3.3 多元能源管控的智能微電網(wǎng)技術(shù)

研究利用智能微電網(wǎng)將新能源發(fā)電技術(shù)、能源管理和輸配電基礎(chǔ)設(shè)施高度集成，從而提高能源效率、減少電網(wǎng)的電能損耗，并在此基礎(chǔ)上為后期深入開發(fā)建設(shè)微電網(wǎng)、擴(kuò)大分布式電源與可再生能源的大規(guī)模接入奠定基礎(chǔ)[5]。

智能微電網(wǎng)主要包括分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)、綜合監(jiān)控及能量管理平臺，以實(shí)現(xiàn)：①對太陽能光伏所發(fā)電量進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各電源間功率分配平衡，保證電網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并可配置電池管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電池的充放電管理，可以在孤網(wǎng)時(shí)提供標(biāo)準(zhǔn)電源。②通過地源熱泵系統(tǒng)利用淺層地能進(jìn)行供熱制冷，既能為建筑供暖，還可以為建筑提供制冷，一個(gè)年度形成一個(gè)冷熱循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的功能。③通過設(shè)置一套環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)測量本地的氣象條件將數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)記錄環(huán)境數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)庫，可儲存歷史數(shù)據(jù)。④通過對安裝在微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并進(jìn)行處理，分析，實(shí)現(xiàn)對微電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的監(jiān)測。⑤智能微網(wǎng)綜合監(jiān)控及能量管理平臺利用現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)，完成對微網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、控制、協(xié)調(diào)運(yùn)用能量管理策略等。

3.4 基于互聯(lián)網(wǎng)的智慧節(jié)能應(yīng)用

基于能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式智慧供配電技術(shù)。針對傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)中存在的建設(shè)運(yùn)營成本高、管理粗放、智能化水平低、能耗高、設(shè)備壽命短、供電質(zhì)量差、用電不均衡等一系列行業(yè)技術(shù)難題，研究基于能源互聯(lián)網(wǎng)的智慧供配電技術(shù)[4]。通過能源互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)理念，優(yōu)化傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)，降低工程建設(shè)成本、降低能耗、實(shí)現(xiàn)智能化、易運(yùn)維的智慧、節(jié)能供配電系統(tǒng)。能夠滿足高速服務(wù)區(qū)遠(yuǎn)距離供電及隧道供電需求，如圖4所示，服務(wù)區(qū)機(jī)電設(shè)備能源檢測模型。

高速服務(wù)區(qū)外場機(jī)電設(shè)施負(fù)載分布的特點(diǎn)是容量小、距離長，且基本全是單相負(fù)載，為此結(jié)合分布式供電技術(shù)與能源互聯(lián)網(wǎng)理念，研究適用于外場供配電環(huán)境的基于能源互聯(lián)網(wǎng)的分布式智慧供配電系統(tǒng)，為外場機(jī)電設(shè)施提供穩(wěn)定、可靠、高質(zhì)量的電源，保證設(shè)備穩(wěn)定而又可靠的運(yùn)行，同時(shí)智能化的監(jiān)測外場機(jī)電設(shè)備的用電情況，實(shí)現(xiàn)便捷的運(yùn)營養(yǎng)護(hù)。

3.5 基于數(shù)據(jù)挖掘的綜合能耗監(jiān)測技術(shù)

綠色公路體系下，需要對公路的各種能源使用情況進(jìn)行宏觀的統(tǒng)計(jì)分析與評估，為運(yùn)營管理決策層提供有效的數(shù)據(jù)支撐。利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對高速公路各能耗監(jiān)測點(diǎn)采集上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、集成、轉(zhuǎn)換，根據(jù)數(shù)據(jù)信息建立各服務(wù)區(qū)能耗模型。在大數(shù)據(jù)中，將噪聲信號（干擾信息）進(jìn)行濾除，將有用的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲，并將關(guān)鍵信息點(diǎn)進(jìn)行提取進(jìn)行模式評估。由此對能耗情況進(jìn)行統(tǒng)籌監(jiān)測，統(tǒng)一分析，提升電力能耗精細(xì)化感知，獲取有力的數(shù)據(jù)支撐，為管理者提供有效的決策分析，綠色公路體系下的綜合能耗監(jiān)測技術(shù)是對運(yùn)營期生產(chǎn)、生活、管理、服務(wù)等設(shè)備設(shè)施的電力能耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線統(tǒng)計(jì)各種能源消耗數(shù)據(jù)，用真實(shí)、有效的數(shù)據(jù)反映綠色低碳路的成果。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)在上述基礎(chǔ)上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)完成，基于數(shù)據(jù)挖掘的高速服務(wù)區(qū)能源監(jiān)管一體化平臺實(shí)現(xiàn)對煤氣、水、電、地?zé)?、太陽能以及風(fēng)能等的實(shí)時(shí)監(jiān)控管理。用水量、用電量監(jiān)控通過HAMDELL智能水/電表抄送系統(tǒng)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)對當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫存儲，并利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行信息量特征提取，實(shí)現(xiàn)對水資源的消耗與管網(wǎng)故障進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析。風(fēng)光等補(bǔ)充能源主要為風(fēng)電、光電轉(zhuǎn)換，通過對風(fēng)光系統(tǒng)功率輸出、蓄電池儲能系統(tǒng)SOC 檢測并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)光補(bǔ)充能源的利用率及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控如圖4 所示。

圖4 風(fēng)光能源實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

5 結(jié)語

本綜合能源監(jiān)控一體化平臺可直接應(yīng)用于濟(jì)南繞城高速東線南線與機(jī)場高速，實(shí)用性和技術(shù)輻射能力較強(qiáng)，應(yīng)用和推廣程度較高，可廣泛應(yīng)用于不同地區(qū)高速公路的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備供電，提高公路多源數(shù)據(jù)的接入實(shí)時(shí)性和安全性，提高供電設(shè)備的供電質(zhì)量，由此帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。另外，可以解決目前國內(nèi)高速公路內(nèi)的運(yùn)輸線路資源、閑置土地資源、交通數(shù)據(jù)信息資源、通信網(wǎng)絡(luò)資源和運(yùn)維養(yǎng)護(hù)團(tuán)隊(duì)資源等都沒有形成統(tǒng)一的管理和綜合利用的問題，實(shí)現(xiàn)高速公路資源利用的最大化。