離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)

賈政方,賈宏俊

(山東科技大學泰安校區(qū) 資源與土木工程系,山東 泰安 271000)

0 引 言

工業(yè)化進程的加快和城市文明的深化使得建筑能耗量逐年增加,對能源持續(xù)供應和環(huán)境保護產(chǎn)生了巨大阻力[1]。據(jù)估計,截至2020年末,我國新增建筑面積將達到300 億m2,增加量為目前城鎮(zhèn)建筑面積的四分之三,快速增加的建筑面積將導致建筑耗能的激增。在這一背景下,實施建筑能耗監(jiān)測、統(tǒng)計和管理成為緩解社會發(fā)展與能源短缺矛盾的有效措施之一。對建筑能耗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測,能夠?qū)崟r統(tǒng)計建筑用能情況，發(fā)現(xiàn)建筑使用過程存在的問題,及時改善能耗設備的運行狀況，有效提高能源利用率,對保證建筑能耗系統(tǒng)的平穩(wěn)、高效運行具有重要意義[2]。

文獻[3]設計了一種基于決策樹方法的建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測分析系統(tǒng),將決策樹方法與C4.5算法相結(jié)合,通過學習信息熵建立決策樹,利用關(guān)聯(lián)信息對大量建筑能耗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。文獻[4]設計了一種基于傳感器的建筑能耗智能監(jiān)測系統(tǒng),結(jié)合LM算法,通過全局尋優(yōu)過程實現(xiàn)對建筑能耗信息的智能監(jiān)測,為建筑能耗控制提供數(shù)據(jù)支持。文獻[5]設計了一種基于RIA技術(shù)的建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng),利用Wed技術(shù)和X3D技術(shù)對大型公共建筑能耗信息進行三維可視化采集,實現(xiàn)對建筑節(jié)能監(jiān)控信息的管理。然而上述系統(tǒng)在運行過程中,對監(jiān)測指令的傳輸周期較長,導致監(jiān)測時效性較差。

文獻[6]設計了一種建筑能耗數(shù)據(jù)分項監(jiān)測管理系統(tǒng),將原本的總控方法轉(zhuǎn)變?yōu)閷ｍ椖芎目刂?在建筑內(nèi)設置分項能耗計量裝置,為實現(xiàn)能源消費強度和消費總量雙控制提供數(shù)據(jù)參考。文獻[7]設計了一種公共建筑能耗特征采集監(jiān)測模型,選取溫度系數(shù)、人口稀疏和能源消費彈性系數(shù)等指標作為解釋變量,結(jié)合多元線性回歸分析法建立建筑能耗監(jiān)測模型。文獻[8]設計了一種利用BIM模型的建筑能耗靜態(tài)數(shù)據(jù)提取監(jiān)測系統(tǒng),通過擴展BIM模型中的IFC標準構(gòu)建基于IFC標準的建筑能耗監(jiān)測靜態(tài)數(shù)據(jù)模型,實現(xiàn)對建筑能耗靜態(tài)數(shù)據(jù)的監(jiān)測。然而上述系統(tǒng)對建筑監(jiān)測數(shù)據(jù)連接的精準性較差,在對多項能耗數(shù)據(jù)進行監(jiān)測的過程中易出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、監(jiān)測不全面的現(xiàn)象。

文獻[9]設計了基于Wifi的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng),利用模塊組織,通過全橋電路實現(xiàn)能耗信息采集,并將信息傳輸至智能監(jiān)測分析模塊中進行數(shù)據(jù)分析處理。模塊間通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據(jù)互通,完成對能耗信息的有效監(jiān)控。文獻[10]設計了基于遺傳優(yōu)化決策樹的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng),采用遺傳算法優(yōu)化梯度提高決策樹子樹的生成質(zhì)量,構(gòu)建線性回歸模型,利用決策樹獲取各狀態(tài)節(jié)點的能耗數(shù)據(jù),從而達到對建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測的目的。然而上述系統(tǒng)同樣也存在數(shù)據(jù)連接精準性差的問題,且數(shù)據(jù)傳輸?shù)暮臅r較長,導致整體監(jiān)測效率較低。

由于離散型布谷鳥算法涉及到的參數(shù)量較少,對隨機搜索路徑和新解的尋優(yōu)能力強,因此,離散型布谷鳥算法在工程優(yōu)化、信息調(diào)度和數(shù)據(jù)處理領域得以廣泛應用[11-12]。為此,針對傳統(tǒng)建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的監(jiān)測指令傳輸周期長、監(jiān)測數(shù)據(jù)連接精準性差的問題,引入離散型布谷鳥算法,設計一種新的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng),并通過對比實驗證明了該監(jiān)測系統(tǒng)的實用性。

1 系統(tǒng)硬件設計

離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的硬件執(zhí)行環(huán)境由離散拓撲結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)采集器、控制傳輸端3部分構(gòu)成,具體搭建方法如下。

1.1 離散型監(jiān)測拓撲結(jié)構(gòu)設計

離散型監(jiān)測拓撲結(jié)構(gòu)由建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測控制中心、檢測數(shù)據(jù)傳輸層、監(jiān)測設備控制層和設備元件層4部分構(gòu)成,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖 1 離散型監(jiān)測拓撲結(jié)構(gòu)圖

圖1中,建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測控制中心含有多種控制元件,可按照監(jiān)測投影設備中建筑耗能的變化情況更改控制局域網(wǎng)內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸形式。監(jiān)控網(wǎng)絡下屬的建筑監(jiān)測終端通過對監(jiān)測設備的控制,實現(xiàn)對設備元件層反饋信息的整合,并生成獨立的智能化建筑能耗數(shù)據(jù),按照監(jiān)測控制機的監(jiān)測部署標準將智能化建筑能耗數(shù)據(jù)逐級傳輸回監(jiān)測控制中心,進而生成監(jiān)測系統(tǒng)所需的監(jiān)測執(zhí)行指令。

1.2 建筑能耗數(shù)據(jù)采集器設計

在上述離散型監(jiān)測拓撲結(jié)構(gòu)中,根據(jù)其連接需求布置建筑能耗數(shù)據(jù)采集器并設計智能傳輸端結(jié)構(gòu),實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件環(huán)境的搭建。

建筑能耗數(shù)據(jù)采集器以Campbell Scientific CR6芯片為核心設計元件,是離散型監(jiān)測拓撲結(jié)構(gòu)的下屬裝置設備。利用RS485采集模塊連接智能控制傳輸端與核心指揮控制中心[13],并通過監(jiān)測端接口將監(jiān)測到的建筑能耗數(shù)據(jù)信息及時傳輸至各級應用設備。其中的智能化模擬器可直接控制數(shù)據(jù)開關(guān)的“閉合”與“斷開”狀態(tài),并借助信息分析器消耗監(jiān)測系統(tǒng)中與建筑能耗設備相關(guān)的信息記錄,利用數(shù)據(jù)接入節(jié)點建立與系統(tǒng)下一層應用設備的物理連接[14-15]。

1.3 能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)智能傳輸端設計

能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)智能傳輸端由NEC D720200F1芯片、數(shù)據(jù)傳輸控制模塊、數(shù)據(jù)智能存儲模塊3部分構(gòu)成。其中,NEC D720200F1芯片負責與建筑能耗數(shù)據(jù)采集器建立物理連接,并將采集到的能耗數(shù)據(jù)信息整合成可獨立存儲的物理結(jié)構(gòu),以達到縮短監(jiān)測指令傳輸周期的目的。數(shù)據(jù)傳輸控制模塊與建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測控制中心的核心計算機相連,可通過直接調(diào)取監(jiān)測指令信息的方式對整個建筑能耗設備實施目的性監(jiān)測,進而提升系統(tǒng)監(jiān)測過程數(shù)據(jù)連接的精準性。數(shù)據(jù)智能存儲模塊與系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)庫相連,但因受到容量額度條件的限制,該設備結(jié)構(gòu)只能存儲可供智能控制傳輸端利用的數(shù)據(jù)信息[16-17],并在接收到系統(tǒng)監(jiān)測指令后釋放信息參量,以保證系統(tǒng)監(jiān)測行為無障礙實施。

2 系統(tǒng)軟件設計

在上述硬件執(zhí)行環(huán)境的支持下,按照建筑能耗數(shù)據(jù)解碼、監(jiān)測數(shù)據(jù)庫搭建、智能監(jiān)測節(jié)點配置的流程實現(xiàn)軟件執(zhí)行環(huán)境的搭建,將軟、硬件執(zhí)行環(huán)節(jié)相結(jié)合,實現(xiàn)對離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的整體設計。

2.1 建筑能耗數(shù)據(jù)解碼

建筑能耗數(shù)據(jù)解碼過程需按照離散布谷鳥算法對能耗數(shù)據(jù)進行拆卸處理,在最大化保留建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)完整性的同時,在監(jiān)測指令信息的指導下通過分項設計的方式設計監(jiān)測節(jié)點。

引入離散布谷鳥算法,假設β0和β分別代表建筑能耗數(shù)據(jù)的原始序列和解碼后的序列,y代表離散布谷鳥算法的偏移權(quán)重。聯(lián)立上述變量,將離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)解碼過程表示為

(1)

式中:f代表監(jiān)測指令實施系數(shù),取值范圍為[0,1];P代表離散布谷鳥算法下監(jiān)測指令寄生巢選擇概率的實際偏移量;χ代表各指令信號的頻率分量;μ代表序列長度。

由于原始建筑能耗數(shù)據(jù)與解碼后建筑控制數(shù)據(jù)具有不同的序列形式,因此,建筑能耗數(shù)據(jù)信息在智能化通信節(jié)點中可自由傳輸,故監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的存儲行為不會隨數(shù)據(jù)序列形式的改變而產(chǎn)生變化[18-19]。即利用離散布谷鳥算法對建筑能耗數(shù)據(jù)進行解碼僅會影響監(jiān)測節(jié)點的趨近行為,并不會引起數(shù)據(jù)序列形式內(nèi)容的變化。

2.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的搭建

建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫由本地存儲、集中式存儲、分布共享式存儲3種模式構(gòu)成,具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中,本地存儲主要面向系統(tǒng)中的建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測指令,可承接由傳輸控制端反饋回來的建筑能耗信息[21]。集中式存儲主要針對系統(tǒng)中的建筑能耗解碼數(shù)據(jù)與解碼過程占用的信息節(jié)點,可按照系統(tǒng)的監(jiān)測控制需求具體安排其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所處的位置,以此增強建筑能耗數(shù)據(jù)在硬件結(jié)構(gòu)間傳輸過程連接的精準性。分布共享式存儲主要針對系統(tǒng)中的監(jiān)測指令執(zhí)行元件,可在離散式布谷鳥算法的支持下實施建筑能耗數(shù)據(jù)信息的計算處理,進而求取到滿足連接標準的傳輸應用指令[21-23]。

圖 2 監(jiān)測數(shù)據(jù)庫構(gòu)成圖

2.3 智能監(jiān)測節(jié)點的配置

智能監(jiān)測節(jié)點的配置是基于離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)設計過程的末尾環(huán)節(jié),可根據(jù)智能傳輸控制端內(nèi)建筑能耗數(shù)據(jù)的傳輸情況選取局域網(wǎng)絡內(nèi)的就近節(jié)點組織,并按需分配給相關(guān)硬件設備結(jié)構(gòu)。未被分配的節(jié)點結(jié)構(gòu)暫存于監(jiān)測數(shù)據(jù)庫中,同時,也可根據(jù)監(jiān)測指令的上行答復與下行通知結(jié)果，將暫時保持傳輸狀態(tài)的建筑能耗數(shù)據(jù)推送至數(shù)據(jù)采集器內(nèi),再聯(lián)合系統(tǒng)內(nèi)部所有處于空閑狀態(tài)的節(jié)點組織,完成由建筑能耗數(shù)據(jù)監(jiān)測控制中心計算機生成的監(jiān)測指令,實現(xiàn)一次完整的智能監(jiān)測節(jié)點配置處理[24-25]。智能監(jiān)測節(jié)點配置的詳細操作過程如圖3所示。

圖 3 智能監(jiān)測控制節(jié)點配置過程示意圖

綜上所述,完成所有軟、硬件執(zhí)行環(huán)境的設置,實現(xiàn)離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的設計。

3 檢測與分析

為突出說明所提的離散布谷鳥算法的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)的實用性,將文獻[5]的基于RIA技術(shù)的建筑能耗監(jiān)控系統(tǒng)、文獻[8]的利用BIM模型的建筑能耗靜態(tài)數(shù)據(jù)提取監(jiān)測系統(tǒng)、文獻[10]的基于遺傳優(yōu)化決策樹的建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)作為對照,從監(jiān)測指令傳輸周期和數(shù)據(jù)連接精準性2個角度,將3種傳統(tǒng)系統(tǒng)與本文系統(tǒng)進行性能對比。

3.1 環(huán)境搭建

實驗在Microsoft Visual環(huán)境下進行,硬件環(huán)境為3.54 GHz CPU,5.00 Byte RAM,通過串口協(xié)議實現(xiàn)參數(shù)修改及數(shù)據(jù)讀取統(tǒng)計等功能。監(jiān)測過程中的建筑能耗數(shù)據(jù)可通過云環(huán)境反饋至核心主機,并根據(jù)一定的整合分析標準生成所需的指標變化曲線及表格。

3.2 監(jiān)測指令傳輸周期

監(jiān)測指令傳輸周期的長短可影響整個監(jiān)測過程的耗時,可用于判斷監(jiān)測系統(tǒng)的時效性。測試在建筑監(jiān)測數(shù)據(jù)總量不斷增加的情況下,統(tǒng)計不同系統(tǒng)監(jiān)測指令傳輸周期的變化情況,結(jié)果如表1所示。

表 1 監(jiān)測指令傳輸周期統(tǒng)計對比結(jié)果

從表1可知,文獻[8]和文獻[10]系統(tǒng)的監(jiān)測指令傳輸周期較接近,基本維持在11.2～13.7 s之間,相比之下,文獻[5]系統(tǒng)的監(jiān)測指令傳輸周期較長,最短的傳輸周期也達到了14.6 s,在隨后的測試中，傳輸周期持續(xù)上升。而本文系統(tǒng)的監(jiān)測指令傳輸周期在整個實驗過程中整體呈現(xiàn)下降趨勢,但在中間出現(xiàn)小范圍的穩(wěn)定,監(jiān)測指令傳輸周期平均值為8.2 s,全局最大監(jiān)測指令傳輸周期僅達到8.8 s,明顯少于這3種傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)。綜上可知,本文系統(tǒng)的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)具有縮短監(jiān)測指令傳輸周期的能力,有效提高了監(jiān)測系統(tǒng)的時效性。

3.3 數(shù)據(jù)連接精準性

對建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)進行精準連接，能夠有效避免監(jiān)測過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、監(jiān)測不全面的現(xiàn)象。為此,測試在實驗數(shù)據(jù)不斷增加的情況下,不同系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)連接精準性,結(jié)果如圖4所示。

圖 4 數(shù)據(jù)連接精準性對比結(jié)果

如圖4所示,隨時間的不斷增加,不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接精準性也在不斷變化。文獻[5]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接精準性較穩(wěn)定,基本保持在85.0%～87.5%之間,相比之下,文獻[8]和文獻[10]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接精準性較低。而本文系統(tǒng)的數(shù)據(jù)連接精準性先呈現(xiàn)小幅度的下降,隨后逐步上升,在第60 min時,達到最大值92%,明顯高于這3種傳統(tǒng)系統(tǒng)。綜上可知,應用本文系統(tǒng)的建筑能耗數(shù)據(jù)智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠提升檢測數(shù)據(jù)連接的精準性,有效避免了在監(jiān)測過程中出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、監(jiān)測不全面的現(xiàn)象。

4 結(jié) 語

在研究中發(fā)現(xiàn),在芯片與能耗數(shù)據(jù)采集器之間建立物理連接,并將數(shù)據(jù)信息整合成可獨立存儲的形式可有效縮短監(jiān)測指令的傳輸周期;通過直接調(diào)取監(jiān)測指令的方式可實現(xiàn)對整個建筑能耗設備的分項監(jiān)測,同時,若結(jié)合監(jiān)測需求具體安排監(jiān)測數(shù)據(jù)的儲存位置,可使得系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)連接的精準性大大提升。此外,為提高系統(tǒng)監(jiān)測過程的無障礙性,應及時在系統(tǒng)接收監(jiān)測指令后釋放信息參量,保證數(shù)據(jù)庫容量充足。然而,本文系統(tǒng)目前僅能對建筑能耗數(shù)據(jù)進行有效采集監(jiān)測,難以完成對建筑能耗設備的調(diào)節(jié)和控制。因此,在未來的研究階段,將進一步對本文系統(tǒng)進行優(yōu)化,以期實現(xiàn)對建筑能耗的監(jiān)測和調(diào)控,有效改建筑善能耗設備的運行狀況,提高能源利用率。