基于云平臺的城市軌道交通能源管理系統(tǒng)

肖 珊 吳 華

(1.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，610031，成都；2.貴陽市城市軌道交通集團(tuán)有限公司，550081，貴陽 ∥ 第一作者，高級工程師)

目前，各地城市軌道交通的線網(wǎng)級能源管理平臺(以下簡為“線網(wǎng)平臺”)，大多在已建線路級能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上搭建，可匯總各線路的能源管理數(shù)據(jù)，以能耗和能效的統(tǒng)計分析為主要功能；其與線路能源管理系統(tǒng)在業(yè)務(wù)功能方面有一定程度的重合，相應(yīng)也有重復(fù)建設(shè)的部分。一般來說，由不同的承包商承建的各線能源管理系統(tǒng)，其硬件與軟件各不相同，在表計設(shè)置、能源軟件界面、系統(tǒng)功能及能耗報表等各方面都存在較大的差異[1]，故在此基礎(chǔ)上建立的線網(wǎng)平臺較難運(yùn)營維護(hù)。為此，本文基于云平臺技術(shù)提出新的解決思路。

中國城市軌道交通協(xié)會發(fā)布的《智慧城市軌道交通信息技術(shù)架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)安全規(guī)范》提出：軌道交通業(yè)務(wù)管理模式應(yīng)由傳統(tǒng)的線網(wǎng)中心、線路中心、車站三級管理，向中心、車站二級扁平化管理轉(zhuǎn)變。為此，本文通過研究云計算技術(shù)與能源管理系統(tǒng)的特點，提出了基于云平臺的能源管理系統(tǒng)解決方案，為線網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的搭建提供了思路。

1 線網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

1.1 云計算及云平臺

云計算是以虛擬化技術(shù)為基礎(chǔ)，以網(wǎng)絡(luò)為載體的超級計算，其通過基礎(chǔ)架構(gòu)、平臺或軟件等服務(wù)形式，整合了大規(guī)?？蓴U(kuò)展的計算、存儲、數(shù)據(jù)、應(yīng)用等分布式計算資源來進(jìn)行協(xié)同工作[2]。

云計算的服務(wù)模式有IaaS(基礎(chǔ)設(shè)施即服務(wù))、PaaS(平臺即服務(wù))及SaaS(軟件即服務(wù))。其中，IaaS模式主要提供計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)及安全等基本的IT(互聯(lián)網(wǎng)技術(shù))服務(wù)；PaaS模式主要提供應(yīng)用運(yùn)行和開發(fā)環(huán)境、應(yīng)用開發(fā)組件等；SaaS模式提供解決實際業(yè)務(wù)的企業(yè)應(yīng)用，并從應(yīng)用服務(wù)過程中理解需求，不斷完善應(yīng)用解決方案。

針對城市軌道交通特點及安全性需要，各城市大多采用IaaS模式建立線網(wǎng)級的專有城市軌道交通云平臺，以實現(xiàn)多線路、多業(yè)務(wù)資源共享，按需分配資源服務(wù)。PaaS模式提供了針對業(yè)務(wù)的定制化研發(fā)中間件工具，故通過PaaS模式可以更好地搭建上層的SaaS模式應(yīng)用。根據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)用的特點，SaaS模式可以個性化、靈活地利用PaaS平臺開發(fā)多元化應(yīng)用服務(wù)[3]。云計算技術(shù)的使用實現(xiàn)了城市軌道交通運(yùn)營生產(chǎn)、運(yùn)營管理、企業(yè)管理、建設(shè)管理、資源管理等5大領(lǐng)域業(yè)務(wù)的平臺資源按需分配，以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)信息的實時共享。線網(wǎng)能源管理系統(tǒng)作為線網(wǎng)云平臺的一部分，可直接利用相同的IaaS模式，通過虛擬化技術(shù)進(jìn)行平臺建設(shè)。

1.2 線網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

基于云平臺的線網(wǎng)能源管理系統(tǒng)(以下簡為“云平臺能源管理系統(tǒng)”)硬件架構(gòu)可劃分為線網(wǎng)層及車站層兩部分，如圖1所示。

圖1 云平臺能源管理系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

在車站層部分，智能電表、智能水表等能耗采集裝置負(fù)責(zé)具體能耗數(shù)據(jù)的采集、存儲和上傳，綜合監(jiān)控系統(tǒng)和通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置負(fù)責(zé)客流數(shù)據(jù)、車站環(huán)境傳感器數(shù)據(jù)及通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲及上傳，協(xié)議轉(zhuǎn)換器負(fù)責(zé)將車站所有的數(shù)據(jù)打包傳遞給能源管理系統(tǒng)的線網(wǎng)級服務(wù)器。

云平臺能源管理系統(tǒng)在硬件架構(gòu)中取消了傳統(tǒng)的線路級能源管理層級(即線路層)。傳統(tǒng)線路層包括線路能源服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器及線路級數(shù)據(jù)采集設(shè)備等。云平臺能源管理系統(tǒng)的線網(wǎng)層利用虛擬化的數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web服務(wù)器和接口服務(wù)器，統(tǒng)一顯示線網(wǎng)中不同線路、車站的能耗情況，并進(jìn)行能耗、能效分析，進(jìn)而生成線網(wǎng)級分析報告和報表，實現(xiàn)對整個線網(wǎng)用能的全面監(jiān)管。

對于線路的能源管理業(yè)務(wù)，云平臺能源管理系統(tǒng)利用能源管理系統(tǒng)B/S(瀏覽器/服務(wù)器)架構(gòu)特點，在線路各個車站增加能源管理云桌面，通過用戶角色權(quán)限管理和不同的查詢頁面，顯示查詢每個線路或者不同車站的能耗數(shù)據(jù)。

云平臺能源管理系統(tǒng)采用線網(wǎng)-車站二層管理結(jié)構(gòu)，取消了傳統(tǒng)的線路層服務(wù)，使能源數(shù)據(jù)直接接入線網(wǎng)級數(shù)據(jù)庫。大數(shù)據(jù)技術(shù)為這種大量數(shù)據(jù)的匯總和處理提供了可能。此外，云平臺保證了線網(wǎng)級能源管理系統(tǒng)能根據(jù)接入線路的容量需求來對能源進(jìn)行彈性配置。云平臺能源管理系統(tǒng)更好地利用了云計算的優(yōu)勢，實現(xiàn)了集約化建設(shè)和運(yùn)營，降低了能源管理系統(tǒng)的建設(shè)成本。

1.3 線網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

云平臺能源管理系統(tǒng)的軟件包括從現(xiàn)場能耗計量部分到頂層業(yè)務(wù)應(yīng)用部分，可分為感知層、基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層和應(yīng)用層(見圖2)。其中，現(xiàn)場的智能電表、智能水表、環(huán)境傳感器等屬于感知層，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、存儲和上傳。在傳統(tǒng)服務(wù)器和云計算的架構(gòu)中，感知層的組成及作用基本一致。

圖2 云平臺能源管理系統(tǒng)的軟件架構(gòu)

基礎(chǔ)設(shè)施層、平臺層和應(yīng)用層分別采用不同云計算服務(wù)模式的架構(gòu)組成。

基礎(chǔ)設(shè)施層采用IaaS模式，提供基于云平臺的云計算、分布式云存儲、大數(shù)據(jù)計算等基礎(chǔ)性服務(wù)。

平臺層采用PaaS服務(wù)模式所對應(yīng)的中臺服務(wù)概念進(jìn)行構(gòu)建。平臺層包括基礎(chǔ)中臺、數(shù)據(jù)中臺、技術(shù)中臺及業(yè)務(wù)中臺。這些中臺分類是基于綜合監(jiān)控、安防及能源管理等不同業(yè)務(wù)中的通用型業(yè)務(wù)模塊和功能模塊來劃分的?；A(chǔ)中臺為云平臺能源管理系統(tǒng)的底層基礎(chǔ)開發(fā)框架和服務(wù)運(yùn)管管理框架，提供支撐平臺的基礎(chǔ)運(yùn)行環(huán)境，對身份認(rèn)證、同步服務(wù)及數(shù)據(jù)交換接口服務(wù)等進(jìn)行統(tǒng)一管理，通過開放、共享和標(biāo)準(zhǔn)化使不同軌道交通業(yè)務(wù)應(yīng)用可以在同一個平臺上進(jìn)行開發(fā)或者搭建。數(shù)據(jù)中臺包含了能源管理系統(tǒng)所應(yīng)用的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(如數(shù)據(jù)總線處理、Hadoop大數(shù)據(jù)存儲等)，通過數(shù)據(jù)服務(wù)來實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的封裝和開放，從而快速、靈活地滿足上層應(yīng)用的要求[4]。技術(shù)中臺主要指應(yīng)用于云平臺能源管理系統(tǒng)的算法技術(shù)，如回歸算法、聚類分析算法、機(jī)器學(xué)習(xí)算法等。業(yè)務(wù)中臺為針對云平臺能源管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)，利用技術(shù)中臺的算法所開發(fā)的、SaaS模式所需的定制業(yè)務(wù)平臺內(nèi)容。業(yè)務(wù)中臺包括能耗累積量存儲等實時數(shù)據(jù)存儲業(yè)務(wù)、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)DNN技術(shù)的負(fù)荷預(yù)測業(yè)務(wù)、利用聚類分析算法形成的車站聚類業(yè)務(wù)等。

應(yīng)用層是平臺架構(gòu)的最上層，采用SaaS模式，為云平臺能源管理系統(tǒng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，主要包含能耗概覽、能耗實時監(jiān)測、能耗分析、能耗指標(biāo)分析、能耗平衡分析、能耗相關(guān)性分析、電能質(zhì)量監(jiān)測分析、能耗報告、報警及事件管理、用能異常診斷以及節(jié)能優(yōu)化控制等業(yè)務(wù)。

2 SaaS應(yīng)用

由IaaS和PaaS模式進(jìn)行開發(fā)、封裝的，基于能源管理業(yè)務(wù)的SaaS應(yīng)用軟件稱為能源管理系統(tǒng)的SaaS應(yīng)用。不同于傳統(tǒng)軟件的全集成的架構(gòu)方式，每個SaaS應(yīng)用專門處理1個單獨(dú)的業(yè)務(wù)，可作為1個單獨(dú)的模塊來設(shè)置其與外部數(shù)據(jù)的接口，以獲取云平臺提供的共享數(shù)據(jù)，經(jīng)過業(yè)務(wù)處理后的數(shù)據(jù)也會存儲到云平臺中。SaaS應(yīng)用不僅可應(yīng)用于云平臺能源管理系統(tǒng)內(nèi)部，也可用于整個云平臺上的其他業(yè)務(wù)中。在云平臺能源管理系統(tǒng)中，主要有能耗指標(biāo)分析SaaS應(yīng)用、車站耗能聚類分析SaaS應(yīng)用及節(jié)能優(yōu)化控制SaaS應(yīng)用。

2.1 能耗指標(biāo)分析SaaS應(yīng)用

城市軌道交通的能耗指標(biāo)主要為線網(wǎng)、車輛段與綜合基地、線路、車站、控制中心等處建筑物及設(shè)備設(shè)施的能耗指標(biāo)。這些能耗指標(biāo)反映了各處建筑物、設(shè)施和設(shè)備的能效評價指標(biāo)與指標(biāo)體系。地鐵車站能耗分類如圖3所示。

地鐵車站能耗指標(biāo)作為衡量地鐵能耗指標(biāo)的參考數(shù)據(jù)，采用基于客流量的人均能耗。

人均能耗=能耗值/客流量

(1)

圖3 地鐵車站能耗分類

各座車站的客流量不同，車站建筑面積也存在差異。為了更好地反映車站建筑面積的差異，在人均能耗計算中引入了配置指標(biāo)和能效指標(biāo)。配置指標(biāo)指人均建筑面積，其反映車站建設(shè)的利用率，如式(2)所示。能效指標(biāo)指單位面積的耗能情況，反映車站設(shè)備的利用率情況，如式(3)所示。

根據(jù)配置指標(biāo)和能效指標(biāo)的意義，可以將人均能耗指標(biāo)進(jìn)行分解，如式(4)所示。通過分解后的能耗指標(biāo)，可從設(shè)備、車站環(huán)境、客流多個維度來確定地鐵各個系統(tǒng)能耗的情況。

(4)

在能耗指標(biāo)分析中，車站客流量等數(shù)據(jù)來自AFC(自動售檢票)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。相應(yīng)的輸出指標(biāo)結(jié)果可在云平臺能源管理系統(tǒng)中使用，不僅可用于全線網(wǎng)車站間能耗指標(biāo)的比對，評價和考核車站能耗，還可以通過數(shù)據(jù)共享應(yīng)用于線網(wǎng)的統(tǒng)計分析等業(yè)務(wù)，作為線網(wǎng)車站評價和評估的一部分。

2.2 車站聚類分析SaaS應(yīng)用

聚類分析的工作原理是使計算機(jī)模仿人的活動，對數(shù)據(jù)按照某種規(guī)則進(jìn)行分類。聚類識別分析往往用于解釋數(shù)據(jù)中隱含的、某種表面看不出來的規(guī)律和趨勢[5]。

由于車站的結(jié)構(gòu)和形式、所處位置、占地面積、是否為換乘站等因素直接決定了車站能耗的大小，所以運(yùn)用聚類分析的方法將用能規(guī)律相同的車站按同類劃分，進(jìn)而對比分析不同類別車站之間的用能差別,是一種既簡潔又全面的方法。

本文以貴陽地鐵2號線的云平臺能源管理系統(tǒng)為例，對2號線各車站能耗的逐時數(shù)據(jù)聚類分析過程進(jìn)行闡述。首先，從云平臺共享數(shù)據(jù)中獲取發(fā)車對數(shù)、車站維護(hù)結(jié)構(gòu)、客流量等所需信息，并找出用能特點相同的車站；然后，對平均化后的車站逐日能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理，完成車站分類；接著，縱觀各類車站全年逐月的能耗數(shù)據(jù)，進(jìn)行車站能耗數(shù)據(jù)分布分類；隨后，根據(jù)地理位置、車站形式及客流量等因素,對各類車站及其能耗的實測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測算不同車站類型的逐月能耗預(yù)測數(shù)據(jù)；最后，根據(jù)實測數(shù)據(jù)得到未來一年的逐月能耗變化情況，進(jìn)而得知全年變化趨勢。這些聚類分析數(shù)據(jù)能為地鐵后期運(yùn)營提供理論依據(jù)，并能在運(yùn)營中合理地選擇發(fā)車對數(shù)和車站用能控制工藝，在保證安全運(yùn)行及舒適度的情況下減小能耗。

2.3 節(jié)能優(yōu)化控制SaaS應(yīng)用

云平臺能源管理系統(tǒng)中的節(jié)能優(yōu)化控制SaaS應(yīng)用主要是對地鐵通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能控制。地鐵車站空間大，不僅有多個出入口，還有列車運(yùn)行隧道。通風(fēng)空調(diào)提供的多余冷量會通過出入口和運(yùn)行隧道排出，無法通過在站廳站臺堆積來進(jìn)行降溫，因而車站的冷量輸出變化大，而站廳站臺溫度卻變化緩慢。這是一個典型的“大慣性”系統(tǒng)。通過預(yù)測車站的冷負(fù)荷需求，可提前控制通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的冷負(fù)荷輸出，既能克服“大慣性”系統(tǒng)的滯后性，又能保證車站環(huán)境調(diào)控的及時性。

為了準(zhǔn)確進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測，節(jié)能優(yōu)化控制SaaS應(yīng)用采用了技術(shù)中臺的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及機(jī)器學(xué)習(xí)算法等，根據(jù)影響冷負(fù)荷需求的因素(如室外溫濕度、車站客流、通風(fēng)空調(diào)設(shè)備固有參數(shù)、車站固定維護(hù)接口數(shù)據(jù)等)進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測計算。根據(jù)負(fù)荷預(yù)測值，節(jié)能優(yōu)化控制SaaS應(yīng)用通過對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的“風(fēng)水聯(lián)調(diào)”優(yōu)化控制，在滿足車站溫濕度環(huán)境下，實現(xiàn)對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的最優(yōu)控制。

目前，主流的空調(diào)節(jié)能優(yōu)化控制都在車站級進(jìn)行。而在云平臺能源管理系統(tǒng)中，節(jié)能優(yōu)化控制SaaS應(yīng)用可以作為線網(wǎng)級應(yīng)用，從而能利用線網(wǎng)能源大數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，采集更多的數(shù)據(jù)樣本用于節(jié)能優(yōu)化控制應(yīng)用的自學(xué)習(xí)，提高負(fù)荷預(yù)測精度。此外，節(jié)能優(yōu)化控制SaaS應(yīng)用的最終目標(biāo)是按需調(diào)節(jié)車站內(nèi)環(huán)境溫度，即按照車站智能環(huán)境動態(tài)調(diào)控應(yīng)用的要求進(jìn)行溫濕度控制調(diào)節(jié)，為乘客提供舒適的環(huán)境。

3 結(jié)語

云平臺能源管理系統(tǒng)采用線網(wǎng)-車站二層管理模式，有效地結(jié)合了云計算及大數(shù)據(jù)等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)能源管理的高效和彈性部署，可降低線網(wǎng)和線路服務(wù)器等的硬件部署成本和維護(hù)成本，是線網(wǎng)能源管理系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。

能源管理是未來在云平臺上打造的“城軌云腦”主要業(yè)務(wù)領(lǐng)域之一。通過開放的智慧城市軌道交通SaaS生態(tài)，將實現(xiàn)資源、數(shù)據(jù)及算法的開放與共享，助推大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)在能源管理方面的進(jìn)一步應(yīng)用。