數(shù)字中臺體系下智慧校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理的實踐研究

陳 堅

江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京財經(jīng)分院

0 引言

為貫徹落實黨中央、國務(wù)院的工作部署，大力推進(jìn)節(jié)約型校園建設(shè)，根據(jù)發(fā)改委等七部委發(fā)布的《能效“領(lǐng)跑者”制度實施方案》，教育部學(xué)校規(guī)劃建設(shè)發(fā)展中心決定實施“能效領(lǐng)跑者示范建設(shè)”試點，積極推動學(xué)校節(jié)能技術(shù)改造，引導(dǎo)和支持學(xué)校實行能源托管。研究校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理應(yīng)用，對打造綠色示范校園具有積極重要的意義。

校園數(shù)字中臺是一個數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)的調(diào)度與運營中心，所有關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)/流程統(tǒng)一收集、可視化、分析，來實現(xiàn)有機(jī)統(tǒng)一的運營與管理。數(shù)字中臺是對平臺數(shù)字能力的再分工、再沉淀，是平臺的平臺，以抽象、聚合的方式幫助前臺快速匹配所需的能力及資源，進(jìn)而實現(xiàn)更敏捷響應(yīng)、快速變化的業(yè)務(wù)場景。智慧校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理系統(tǒng)是校園數(shù)字中臺的組成部分，采用控、管、維一體化技術(shù)架構(gòu)，實現(xiàn)在遠(yuǎn)程云架構(gòu)下的多客戶端數(shù)據(jù)可視化、信息圖形化、控制智能化，嵌入人工智能巡檢模型軟件與能源專家分析系統(tǒng)，由過去以控制功能為主、人工巡檢方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃邮綌?shù)據(jù)巡檢、預(yù)測性維護(hù)和操作優(yōu)化，事前發(fā)現(xiàn)故障隱患，提前預(yù)防處理，確保能源系統(tǒng)的可靠、安全運行。

1 智慧校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理的綜合設(shè)計

校園智能樓宇管理系統(tǒng)（以下簡稱智能樓宇）提供學(xué)校樓宇照明控制、空調(diào)管理、能源采集以及節(jié)能展示等功能的一體化解決方案，采用B/S架構(gòu)服務(wù)端，可實時運行，提供全天不間斷的控制服務(wù)，不同權(quán)限的用戶通過瀏覽器、手機(jī)App均可實時查看和控制設(shè)備。智能樓宇結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及能源管理，幫助樓宇管理者更高效、更直觀地提高樓宇管理效率，保證提供舒適、安全環(huán)境的同時，提高能源利用率。

校園能源管理系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)校的水、電、氣、熱表等運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，針對不同的設(shè)備定制不同的采集策略和采集頻率；提供節(jié)能模式和非節(jié)能模式的數(shù)據(jù)采集功能；可以采集不同模式下的能源消耗數(shù)據(jù)，提供不同情況下的能耗數(shù)據(jù)對比；實現(xiàn)樓宇的自動控制，結(jié)合各類人體、溫度、濕度、亮度傳感器的使用，可以實現(xiàn)比“人來燈亮、人走燈滅”更為豐富的控制功能，能夠滿足不同場景下的不同控制需求；根據(jù)實際環(huán)境條件自動控制設(shè)備，完全無需人工干預(yù)，真正的人工智能體驗，杜絕空開設(shè)備，更加節(jié)能舒適。

智慧環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對教室環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測及調(diào)節(jié)。通過溫濕度傳感器、空氣質(zhì)量傳感器等，實現(xiàn)對教室溫濕度、空氣質(zhì)量等的實時監(jiān)測，環(huán)境數(shù)據(jù)實時回傳至服務(wù)器、云平臺，通過策略部署、設(shè)備聯(lián)動，開啟新風(fēng)、加濕器、風(fēng)扇等設(shè)備，調(diào)節(jié)教室環(huán)境。實現(xiàn)教室環(huán)境智能化管控，確保教學(xué)環(huán)境處于舒適狀態(tài)。

2 智慧校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理系統(tǒng)的實施

校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理綜合系統(tǒng)，主要包括校園能效綜合平臺、管網(wǎng)配線、教學(xué)樓和辦公樓及宿舍等區(qū)域能源管理、食堂區(qū)域能源管理、多聯(lián)機(jī)空調(diào)能源管理等部分；屬于物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)范疇，是智慧校園應(yīng)用的重要組成部分。智慧校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理系統(tǒng)如圖1所示。

根據(jù)學(xué)校的實際情況，本系統(tǒng)采用東軟載波系統(tǒng)。經(jīng)實地勘測，使用國際先進(jìn)的電力線傳輸方案，免去大規(guī)模布線困難，節(jié)約系統(tǒng)建設(shè)成本，降低能源消耗。對校園內(nèi)的照明、空調(diào)、智慧黑板等教學(xué)設(shè)備進(jìn)行策略管控，有效降低運營成本。以電力線載波通信技術(shù)為基礎(chǔ)，提供包括通信芯片、智能化控制設(shè)備、智慧管理平臺、手機(jī)App軟件、云服務(wù)器等，實現(xiàn)建筑物內(nèi)各種用電設(shè)備的互聯(lián)互通，為建設(shè)具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策能力的智能建筑提供整套完美的解決方案。

圖1 智慧校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理系統(tǒng)

照明系統(tǒng)方面，根據(jù)不同的場景提供不同的照明策略，實時監(jiān)控各區(qū)域照明運行情況?？照{(diào)管理方面，根據(jù)環(huán)境溫度對室內(nèi)空調(diào)溫度進(jìn)行管控或定時開關(guān)機(jī)服務(wù)。能源采集方面，在總配電室及樓層配電室加裝采集設(shè)備，為校園管理者提供精準(zhǔn)的數(shù)字報表及數(shù)據(jù)存儲計量，為制定節(jié)能策略提供數(shù)據(jù)依據(jù)及科學(xué)指導(dǎo)。

2.1 系統(tǒng)優(yōu)勢

（1）利用傳統(tǒng)電力線進(jìn)行信號傳輸，所有設(shè)備具有PLC通信功能，在施工期間無需大規(guī)模布置控制線。眾所周知，物聯(lián)網(wǎng)能效管理系統(tǒng)需要用到的控制線及執(zhí)行器數(shù)量龐大，時間成本、人力成本、材料成本、后期維護(hù)成本非常高。利用電力線傳輸信號，可以極大節(jié)約整個系統(tǒng)建設(shè)成本及時間。

（2）分布式架構(gòu)，各運行設(shè)備之間為平行網(wǎng)絡(luò)，有效保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行，采用本地控制、遠(yuǎn)程控制、定時控制、邏輯自動控制及集中控制等多種控制方式。

（3）安裝便捷：利用學(xué)校原有86盒進(jìn)行安裝。各執(zhí)行器集通信、轉(zhuǎn)發(fā)、執(zhí)行等功能為一體，根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境采用不同的組合方式，以節(jié)約建設(shè)成本。

2.2 施工設(shè)計及要求

2.2.1 系統(tǒng)功能設(shè)計

照明系統(tǒng)：按照預(yù)先設(shè)定的策略，分別對各個區(qū)域間的照明設(shè)備進(jìn)行開關(guān)控制，并可根據(jù)環(huán)境光照度和人員活動情況自動調(diào)節(jié)各房間照明設(shè)備的運行（需增加傳感器設(shè)備）。

空調(diào)系統(tǒng)：按照預(yù)先設(shè)定的策略，根據(jù)時間、溫度、濕度等參數(shù)對中央空調(diào)進(jìn)行監(jiān)視、調(diào)節(jié)和控制?？赏ㄟ^觸摸面板、手機(jī)、PC機(jī)等多種途徑對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行本地、遠(yuǎn)程控制。

2.2.2 校園能源管理系統(tǒng)的建設(shè)

系統(tǒng)平臺可以通過自定義場景模式編程，實現(xiàn)智能遠(yuǎn)程控制和設(shè)備群控。按照預(yù)先設(shè)定的策略，根據(jù)時間、溫度、濕度、人員活動情況等因素，自動控制相應(yīng)設(shè)備的開啟、關(guān)閉，進(jìn)行溫度、工作模式切換操作。

校園能源管理系統(tǒng)實時監(jiān)測指定區(qū)域、線路或點位的用能數(shù)據(jù)和能耗情況。三相智能網(wǎng)關(guān)是智能樓宇控制系統(tǒng)的核心，主要作用是將來自網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為PLC電力載波控制信號，并且將各終端設(shè)備的反饋信號調(diào)制后返回控制器，用戶可隨時隨地通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)對載波設(shè)備的控制和管理，所聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備可以分布在同一個變壓器不同相位的電線上，實現(xiàn)對設(shè)備的跨相位控制。

在各樓宇配置三相智能網(wǎng)關(guān)。教學(xué)樓配置為每層一個，相互通信，搭成樓宇電力載波網(wǎng)，形成全樓電力載波設(shè)備的控制、能源監(jiān)測的基礎(chǔ)。在教學(xué)樓總電表處配備三相智能電表、載波電表通信模塊、電流互感器各一只，監(jiān)測全樓電能消耗數(shù)據(jù)。

配置大功率計量遙控開關(guān)。教學(xué)樓配置為每層一個，具有電參數(shù)計量功能，并支持本地和遠(yuǎn)程情景模式通斷控制、電能表的數(shù)據(jù)采集、計量和傳輸。根據(jù)學(xué)校的要求設(shè)置數(shù)據(jù)采集程序，在某一特定的時間對電能表的用量進(jìn)行自動數(shù)據(jù)采集、計量，并將采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳送給管理系統(tǒng)和云平臺。提示用電安全，當(dāng)電壓波動較大時，可通過告警信息主動提示用戶，并建議用戶斷開用電器。當(dāng)輸入電壓過高時，能夠自動斷電保護(hù)用電器，同時，發(fā)送通知信息告訴用戶。電流、功率發(fā)生越限時，主動告知用戶，做出相應(yīng)處置。

2.2.3 智慧黑板云集控

云集控能夠集中管控電源系統(tǒng)，實現(xiàn)秒速開機(jī)，具有信息推送、在線智能維護(hù)檢查、采集數(shù)據(jù)生成可視化報表、教育資源共享等功能，可完成遠(yuǎn)程備課、教學(xué)管理、智能檢查在線設(shè)備等任務(wù)，對校園設(shè)備和教學(xué)資源進(jìn)行集中控制管理。

3 智慧校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理研究的實踐意義

智慧校園數(shù)字中臺是一個數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)的調(diào)度與運營中心，所有關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)/流程統(tǒng)一收集、可視化、分析，來實現(xiàn)有機(jī)統(tǒng)一的運營與管理。通過全面采集和分析校園內(nèi)的各類信息，實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理和快速決策。

該系統(tǒng)的建設(shè)對學(xué)校的水、電、氣、熱等計量表等運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，可以針對不同的設(shè)備定制不同的采集策略和采集頻率；提供節(jié)能模式和非節(jié)能模式的數(shù)據(jù)采集功能，采集不同模式下的能源消耗數(shù)據(jù)，提供不同情況下的能耗數(shù)據(jù)對比，豐富校園能效管理手段。

云平臺通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對電氣引發(fā)火災(zāi)的主要因素進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計分析，實時發(fā)現(xiàn)電氣線路和用電設(shè)備存在的安全隱患（如：線纜溫度異常、短路、過載、過壓、欠壓及漏電等），通過數(shù)據(jù)挖掘分析，提前發(fā)現(xiàn)隱患，識別隱患類型，洞察隱患發(fā)生發(fā)展的規(guī)律，進(jìn)而預(yù)測隱患發(fā)展趨勢，最終實現(xiàn)大幅降低目標(biāo)區(qū)域的電氣火災(zāi)發(fā)生概率。

4 依托數(shù)據(jù)中臺積累的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行能耗評估和預(yù)測

校園能源管理系統(tǒng)能夠?qū)W(xué)校的水、電、氣、熱表等運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，針對不同的設(shè)備定制不同的采集策略和采集頻率；提供節(jié)能模式和非節(jié)能模式的數(shù)據(jù)采集功能；采集不同模式下的能源消耗數(shù)據(jù)，提供不同情況下的能耗數(shù)據(jù)對比。系統(tǒng)可實時監(jiān)測指定區(qū)域、線路或點位的用能數(shù)據(jù)和能耗情況，為學(xué)校管理者制定節(jié)能方案提供真實的依據(jù)?？梢暬瘓D表能夠清晰地呈現(xiàn)區(qū)域內(nèi)教育裝備及應(yīng)用的使用數(shù)據(jù)，如監(jiān)管設(shè)備數(shù)量、狀態(tài)、使用率、軟件類型及使用時長等，在方便管理者直觀了解各學(xué)校的信息化使用情況的同時，也為當(dāng)?shù)亟逃畔⒒ㄔO(shè)決策提供數(shù)據(jù)支撐。通過用能數(shù)據(jù)的存儲積累，結(jié)合業(yè)務(wù)分析，建立能耗數(shù)據(jù)模型，為制定節(jié)能策略提供精確數(shù)據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建AI模型，基于數(shù)據(jù)中臺積累的能耗和網(wǎng)絡(luò)消耗歷史數(shù)據(jù)，對模型進(jìn)行訓(xùn)練，并利用訓(xùn)練后的模型對未來能耗進(jìn)行預(yù)測分析。模型訓(xùn)練過程中，綜合考慮隱含層數(shù)量、誤差要求、訓(xùn)練次數(shù)和計算函數(shù)等技術(shù)細(xì)節(jié)，以期能夠快速、高效、準(zhǔn)確地完成模型的優(yōu)化與調(diào)整，提高模型的收斂速度，提高能效預(yù)測服務(wù)的水平，助力學(xué)校的高質(zhì)量發(fā)展。

能源系統(tǒng)根據(jù)采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行不同的計算分析，實現(xiàn)對學(xué)校不同區(qū)域、不同類型、不同設(shè)備的能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分部統(tǒng)計分析和對比分析；實時監(jiān)測能耗情況，發(fā)現(xiàn)并糾正不良的用能習(xí)慣，以達(dá)到最佳節(jié)能效果；通過精細(xì)的能源計量和統(tǒng)計，精確預(yù)估負(fù)荷需求，達(dá)到節(jié)約能源的目的。積極依托智慧校園平臺積極探索構(gòu)造能效預(yù)測人工智能模型，依據(jù)數(shù)據(jù)中臺的大數(shù)據(jù)資源，結(jié)合學(xué)校的管理要求，發(fā)揮模型的預(yù)測、預(yù)警功能，為學(xué)校能耗、網(wǎng)絡(luò)流量消耗等決策提供技術(shù)支持。

5 結(jié)束語

智慧校園物聯(lián)網(wǎng)能效管理系統(tǒng)是綠色校園建設(shè)的重要組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)校園安全、節(jié)能降耗和提高效率的整體目標(biāo)。該系統(tǒng)平臺集聚大數(shù)據(jù)優(yōu)勢，將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與全過程能源管理相融合，提供全生命周期的數(shù)字化用能服務(wù)，實現(xiàn)用能的精細(xì)化集約化管理，幫助用戶提高能源利用率，降低用能成本，實現(xiàn)綠色與智慧用能?？?、管、維 一體化，構(gòu)建校園能源管控新時代。輕松實現(xiàn)設(shè)備智控物聯(lián)，遠(yuǎn)程運維托管，為校園構(gòu)建“智慧能源大腦”，給設(shè)備以智能，給服務(wù)以平臺。

建設(shè)全量數(shù)據(jù)中臺是構(gòu)建智慧校園的核心，是實現(xiàn)教育行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。智慧校園的建設(shè)規(guī)劃應(yīng)優(yōu)先考慮數(shù)據(jù)中臺，關(guān)注各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)和功能組件與數(shù)字平臺的連接，以充分共享和利用數(shù)據(jù)的價值，為決策提供參考，提供反饋，實現(xiàn)運營與管理的閉環(huán)。