面向智慧建筑的機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)采集與運(yùn)行指標(biāo)分析

田 闖

（中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，南京 210019）

0 引言

建筑物中通常會(huì)安裝各類建筑機(jī)電設(shè)備及配套智能化子系統(tǒng)，主要包括空調(diào)、水泵、冷卻塔、新風(fēng)機(jī)組、直接數(shù)字控制（Direct Digital Control，DDC）設(shè)備、電梯、變壓器、照明設(shè)備、攝像機(jī)、門禁系統(tǒng)等，為能夠?qū)崟r(shí)掌握各類智能化機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行情況，通常會(huì)配套建設(shè)智能化集成系統(tǒng)（Intelligent Building Management System，IBMS）或者物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）系統(tǒng)，用來實(shí)現(xiàn)各類機(jī)電設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集、匯聚和整理，從而為上層的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。建筑機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)是否正常、能否達(dá)到預(yù)期的運(yùn)行效果，直接關(guān)系到建筑物能否正常使用。由于建筑機(jī)電設(shè)備種類繁多、數(shù)據(jù)采集協(xié)議不統(tǒng)一，機(jī)電設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集及診斷分析十分困難。

1 建筑機(jī)電設(shè)備的常用數(shù)據(jù)接口協(xié)議

建筑機(jī)電設(shè)備運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)的采集通常采用Modbus、BACnet、OPC 等接口協(xié)議。通常分為以下幾類。

1.1 智能化子系統(tǒng)等軟件的數(shù)據(jù)采集

對(duì)于配套建設(shè)了智能化子系統(tǒng)的建筑機(jī)電設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，通常采用物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)常用的通訊協(xié)議，如HTTP、WebSocket、XMPP、CoAP、MQTT、OPC 和BACnet 等，優(yōu)先采取OPC 協(xié)議或BACnet 協(xié)議接口通訊。智能化子系統(tǒng)廠商若能提供OPC接口，則該子系統(tǒng)需作為OPC Server 提供數(shù)據(jù)。若智能化子系統(tǒng)不能提供OPC 協(xié)議或BACnet 協(xié)議接口，則子系統(tǒng)需要提供開放數(shù)據(jù)庫互連（Open Database Connectivity，ODBC）數(shù)據(jù)庫及詳細(xì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)說明，通過ETL 定時(shí)任務(wù)從數(shù)據(jù)臨時(shí)表中抽取數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。若智能化子系統(tǒng)不能提供OPC 協(xié)議或BACnet協(xié)議接口，也不能開放數(shù)據(jù)庫，則子系統(tǒng)廠家需要開發(fā)相應(yīng)的WebService、XML 協(xié)議，并且提供詳細(xì)的協(xié)議和格式說明，實(shí)現(xiàn)子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集。

1.2 智能化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集

通過直接接入建筑機(jī)電設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通常需要機(jī)電設(shè)備自身有通訊模塊，可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)傳。部分傳感器有國(guó)際（或行業(yè)）通用的標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議，可以通過485 線或無線傳輸?shù)姆绞?，?jīng)過現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集模塊直接上傳到遠(yuǎn)端服務(wù)器，由對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集程序?qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行解碼并寫入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。這類協(xié)議主要包括BACnet、Modbus、Ethernet、2G/3G/4G、WiFi、ZigBee、Bluetooth 和LPWAN 等。

1.3 視頻類子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

對(duì)于視頻類子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，需要提供相應(yīng)的軟件開發(fā)工具包（Software Development Kit，SDK）、通訊協(xié)議、測(cè)試環(huán)境等資料，配合集成平臺(tái)通過接口傳輸視頻圖像信號(hào)。

2 機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)采集及控制

機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)采集及控制數(shù)據(jù)流向如圖1 所示。

圖1 機(jī)電設(shè)備數(shù)據(jù)采集及控制數(shù)據(jù)流向

2.1 數(shù)據(jù)采集過程

根據(jù)數(shù)據(jù)采集及控制數(shù)據(jù)流向圖可以分析出數(shù)據(jù)采集過程如下。

（1）數(shù)據(jù)采集服務(wù)通過對(duì)接各智能化設(shè)備專業(yè)子系統(tǒng)獲取系統(tǒng)或設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)采集服務(wù)調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)將采集數(shù)據(jù)推送到消息隊(duì)列中。

（3）將設(shè)備編碼及設(shè)備屬性編碼等靜態(tài)信息緩存到Redis中，供后面的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查服務(wù)使用。

（4）數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查服務(wù)從消息隊(duì)列中獲取采集數(shù)據(jù)，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查，主要檢查內(nèi)容如下。①數(shù)據(jù)有效性檢查：從原始采集數(shù)據(jù)中獲取采集數(shù)據(jù)的設(shè)備編碼及屬性編碼，與Redis 中緩存的設(shè)備編碼及屬性編碼進(jìn)行比對(duì)，如果在Redis 中能夠找到對(duì)應(yīng)的記錄，說明采集數(shù)據(jù)中設(shè)備及屬性是有效的，否則認(rèn)為數(shù)據(jù)無效，即采集數(shù)據(jù)中所涉及的設(shè)備及屬性為新增內(nèi)容，當(dāng)前系統(tǒng)中無法匹配。②數(shù)據(jù)類型檢查：采集的指標(biāo)數(shù)據(jù)有各種數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)類型檢查是對(duì)采集的指標(biāo)數(shù)據(jù)的類型與配置的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行比對(duì)，類型一致則認(rèn)為數(shù)據(jù)有效。

（5）數(shù)據(jù)解析服務(wù)對(duì)經(jīng)過質(zhì)量檢查的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。①設(shè)備影子數(shù)據(jù)：根據(jù)采集數(shù)據(jù)中的設(shè)備編碼及屬性編碼去Mogodb 歷史庫的設(shè)備影子表中查找相關(guān)記錄，如果沒有查到，說明系統(tǒng)第一次接收到該設(shè)備屬性的采集數(shù)據(jù)，在設(shè)備影子表中新建設(shè)備的影子信息；如果查到了，則認(rèn)為之前接收過該設(shè)備屬性的采集數(shù)據(jù)，而此時(shí)接收的數(shù)據(jù)為最新數(shù)據(jù)，使用最新的采集數(shù)據(jù)更新設(shè)備影子信息。②歷史數(shù)據(jù)：每收到一條采集數(shù)據(jù)都會(huì)將該采集數(shù)據(jù)新增到Mogodb 歷史庫的設(shè)備屬性歷史數(shù)據(jù)表中。③業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)：當(dāng)某設(shè)備屬性采集指標(biāo)為告警點(diǎn)時(shí)，則該采集數(shù)據(jù)為告警數(shù)據(jù)，此時(shí)去Mysql 數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備屬性告警信息表中進(jìn)行查找，如果找到了對(duì)應(yīng)的告警信息記錄則更新該告警信息記錄；如果沒有查詢到，則表明是第一個(gè)接收到該告警點(diǎn)的告警信息，在Mysql 數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備屬性告警信息表中插入該設(shè)備屬性的告警信息記錄。

（6）上層應(yīng)用根據(jù)業(yè)務(wù)的需要訪問相關(guān)的數(shù)據(jù)，如果需要展示設(shè)備屬性的最新采集指標(biāo)，則查詢Mogodb 歷史庫中的設(shè)備影子表獲取最新采集指標(biāo)；如果需要展示設(shè)備屬性的歷史數(shù)據(jù)，則查詢Mogodb 歷史庫中的設(shè)備屬性歷史數(shù)據(jù)表獲取歷史采集數(shù)據(jù)；設(shè)備屬性的告警信息通過查詢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫獲取。

2.2 設(shè)備控制指令下發(fā)過程

根據(jù)數(shù)據(jù)采集及控制數(shù)據(jù)流向圖可以分析出設(shè)備控制指令下發(fā)過程如下。①上層應(yīng)用調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，將控制請(qǐng)求推送到消息隊(duì)列中。②設(shè)備控制服務(wù)從消息隊(duì)列中獲取設(shè)備控制命令，并下發(fā)給智能化設(shè)備子系統(tǒng)。在設(shè)備控制服務(wù)中需要對(duì)設(shè)備控制命令進(jìn)行一定的預(yù)處理，如在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)接收到多個(gè)同個(gè)設(shè)備的控制命令，需要對(duì)控制命令進(jìn)行壓縮，取最新一條控制指令進(jìn)行下發(fā)。

3 設(shè)備運(yùn)行分析

3.1 設(shè)備分類選取

為了對(duì)機(jī)電設(shè)備的總體運(yùn)行情況進(jìn)行分析，選取幾類關(guān)鍵設(shè)備作為設(shè)備總體運(yùn)行情況分析的主體。表1 為選取的15 類關(guān)鍵設(shè)備，在項(xiàng)目實(shí)施過程中可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行關(guān)鍵設(shè)備的調(diào)整，選取的關(guān)鍵設(shè)備越多，對(duì)設(shè)備總體運(yùn)行情況的分析越準(zhǔn)確。

表1 選取的15 類關(guān)鍵設(shè)備及子系統(tǒng)

3.2 運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況的量化分析，將各類機(jī)電設(shè)備的描述情況分為日常運(yùn)行指標(biāo)、自動(dòng)化運(yùn)行指標(biāo)、設(shè)備連通性指標(biāo)3個(gè)方面，每個(gè)方面由時(shí)間切片統(tǒng)計(jì)、時(shí)長(zhǎng)統(tǒng)計(jì)和比率三種指標(biāo)組成。

3.3 設(shè)備運(yùn)行健康度指標(biāo)

在取得設(shè)備運(yùn)行評(píng)價(jià)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，建立設(shè)備運(yùn)行健康度打分體系，給設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)打分。從設(shè)備日常運(yùn)行指標(biāo)、自動(dòng)化運(yùn)行指標(biāo)、設(shè)備連通性指標(biāo)三個(gè)評(píng)價(jià)方面按照對(duì)健康度評(píng)價(jià)的貢獻(xiàn)給定權(quán)重；每個(gè)評(píng)價(jià)方面再按照系統(tǒng)及設(shè)備在本方面或者系統(tǒng)中的重要性，給出其對(duì)應(yīng)指標(biāo)權(quán)重。根據(jù)權(quán)重和設(shè)備運(yùn)行的指標(biāo)信息逐層匯總，最終形成設(shè)備運(yùn)行健康度指標(biāo)。

4 結(jié)語

隨著智慧建筑領(lǐng)域不斷發(fā)展，建筑物配套安裝的機(jī)電設(shè)備種類和數(shù)量越來越多，如何實(shí)時(shí)采集和監(jiān)測(cè)各類機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行指標(biāo)并準(zhǔn)確判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯得尤為重要。本文提出了一種從軟件層面進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的方法，并在此基礎(chǔ)上提出設(shè)備綜合運(yùn)行健康度指標(biāo)，用以判斷設(shè)備綜合運(yùn)行情況，但健康度指標(biāo)的準(zhǔn)確度受限于設(shè)備種類選取的數(shù)量，后面可以考慮結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行健康度指標(biāo)分析。