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

【摘 要】信息化建設(shè)在構(gòu)建綠色交通中十分必要，因此提出了基于數(shù)據(jù)挖掘的高速服務(wù)區(qū)能源監(jiān)管系統(tǒng)。首先根據(jù)數(shù)據(jù)采集信息運(yùn)用數(shù)據(jù)處理的方法進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)建模，然后根據(jù)能源監(jiān)控系統(tǒng)的功能對(duì)風(fēng)、光、地?zé)岬惹鍧嵞茉匆约懊簹狻⑺?、火電等傳統(tǒng)能源進(jìn)行能耗數(shù)據(jù)采集監(jiān)管，能夠?qū)Ξ惓ＴO(shè)備進(jìn)行報(bào)警、定位，自動(dòng)生成歷史數(shù)據(jù)報(bào)表。本平臺(tái)為高速服務(wù)區(qū)能耗采集以及節(jié)能監(jiān)管提供科學(xué)有效的數(shù)據(jù)支持。

【Abstract】Informatization construction is very necessary in the construction of green transportation， so the energy supervision system of expressway service area based on data mining is proposed. First of all， according to the data acquisition information， the energy structure is modeled by using data processing methods， and then according to the functions of the energy monitoring system， energy consumption data collection and supervision is carried out on clean energy sources such as wind， light and geothermal energy， as well as traditional energy sources such as gas， water， and thermal power. This can alarm and locate abnormal equipment and automatically generate historical data report. This platform provides scientific and effective data support for energy consumption collection and energy conservation supervision in expressway service areas.

【關(guān)鍵詞】能耗監(jiān)管;數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)挖掘;故障定位

【Keywords】energy consumption supervision; data processing and data mining; fault location

【中圖分類號(hào)】U491? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）10-0190-03

1 引言

在世界主要發(fā)達(dá)國(guó)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(wèn)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(guó)的戰(zhàn)略部署。交通運(yùn)輸是國(guó)家節(jié)能減排和應(yīng)對(duì)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(yáng)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(guò)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(yáng)能等清潔能源進(jìn)行服務(wù)區(qū)建筑物能源補(bǔ)充，通過(guò)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?；诖耍疚奶岢隽嘶凇盎ヂ?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

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(shì)變化和特點(diǎn)，以綠色公路新型技術(shù)驅(qū)動(dòng)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(cè)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(tái)可以通過(guò)GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)能源動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。如圖2所示，以某一服務(wù)區(qū)為單位，將風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿刃履茉聪到y(tǒng)以及自來(lái)水、天然氣、火電等傳統(tǒng)能源系統(tǒng)通過(guò)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(lái)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)。

系統(tǒng)主要通過(guò)對(duì)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(guò)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(dòng)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(tái)（系統(tǒng)）進(jìn)行建設(shè);通過(guò)平臺(tái)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(guò)系統(tǒng)的自動(dòng)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(cè)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(tái)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(guò)數(shù)據(jù)挖掘分析生成養(yǎng)護(hù)計(jì)劃報(bào)表，通過(guò)預(yù)警的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備的“主動(dòng)式”養(yǎng)護(hù)，將設(shè)備即時(shí)的故障信息通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)實(shí)時(shí)發(fā)布，通過(guò)實(shí)時(shí)報(bào)警的形式支持主動(dòng)維護(hù)工作。

指標(biāo)化監(jiān)管，通過(guò)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(guò)對(duì)標(biāo)機(jī)電設(shè)備的能耗評(píng)價(jià)機(jī)電設(shè)備的自動(dòng)化控制水平和管理水平，通過(guò)比對(duì)多元化的能效數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)養(yǎng)護(hù)人員的工作績(jī)效。

把能效指標(biāo)數(shù)據(jù)作為節(jié)能手段，通過(guò)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行中存在的跑冒滴漏問(wèn)題和使用中存在的能耗浪費(fèi)問(wèn)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(duì)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(tái)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(tái)，主要用于交通部門總控中心對(duì)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(tái)可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)無(wú)故障不間斷運(yùn)行，可用ORACAL數(shù)據(jù)庫(kù)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(hào)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(yáng)能、地?zé)崮?，依?jù)平臺(tái)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(tái)實(shí)現(xiàn)面對(duì)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。

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

目前針對(duì)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(tái)，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(chǔ)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(tái)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)內(nèi)容。通過(guò)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(tái)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(tái)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(tái)，數(shù)據(jù)采集層利用HAMDELL BES200現(xiàn)場(chǎng)采集器對(duì)數(shù)據(jù)采集和現(xiàn)場(chǎng)處理。組網(wǎng)方式主要分為有線和無(wú)線兩種方式，無(wú)線通訊方式主要以互聯(lián)網(wǎng)和5G移動(dòng)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(chǔ)能系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、微電網(wǎng)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、綜合監(jiān)控及能量管理平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)：①對(duì)太陽(yáng)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(guò)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(guò)設(shè)置一套環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)測(cè)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(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)，可儲(chǔ)存歷史數(shù)據(jù)。④通過(guò)對(duì)安裝在微電網(wǎng)系統(tǒng)并網(wǎng)點(diǎn)的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)收集，并進(jìn)行處理，分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)微電網(wǎng)系統(tǒng)電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。⑤智能微網(wǎng)綜合監(jiān)控及能量管理平臺(tái)利用現(xiàn)場(chǎng)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(duì)微網(wǎng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、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(duì)傳統(tǒng)供配電系統(tǒng)中存在的建設(shè)運(yùn)營(yíng)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(guò)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(cè)模型。

高速服務(wù)區(qū)外場(chǎng)機(jī)電設(shè)施負(fù)載分布的特點(diǎn)是容量小、距離長(zhǎng)，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(chǎng)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(chǎng)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(cè)外場(chǎng)機(jī)電設(shè)備的用電情況，實(shí)現(xiàn)便捷的運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)。

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

綠色公路體系下，需要對(duì)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(píng)估，為運(yùn)營(yíng)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(duì)高速公路各能耗監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集上來(lái)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(hào)（干擾信息）進(jìn)行濾除，將有用的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，并將關(guān)鍵信息點(diǎn)進(jìn)行提取進(jìn)行模式評(píng)估。由此對(duì)能耗情況進(jìn)行統(tǒng)籌監(jiān)測(cè)，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(cè)技術(shù)是對(duì)運(yùn)營(yíng)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(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣、水、電、地?zé)?、太?yáng)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(guò)HAMDELL智能水/電表抄送系統(tǒng)上傳至上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，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(duì)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(guò)對(duì)風(fēng)光系統(tǒng)功率輸出、蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)SOC檢測(cè)并將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)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。

5 結(jié)語(yǔ)

本綜合能源監(jiān)控一體化平臺(tái)可直接應(yīng)用于濟(jì)南繞城高速東線南線與機(jī)場(chǎng)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(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。另外，可以解決目前國(guó)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(méi)有形成統(tǒng)一的管理和綜合利用的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)高速公路資源利用的最大化。

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