暖通空調(diào)系統(tǒng)群智能協(xié)調(diào)優(yōu)化方法與節(jié)能控制策略研究

江浩

（1.上海電器科學(xué)研究所（集團(tuán)）有限公司；2.上海電器科學(xué)研究院；3.上海市智能電網(wǎng)需求響應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室國家能源智能電網(wǎng)用戶端電氣設(shè)備研發(fā)（實(shí)驗(yàn)）中心，上海 200063）

基于標(biāo)準(zhǔn)化處理單元的新型分布式智能控制架構(gòu)實(shí)現(xiàn)了群智能控制的效果，以CPN作為區(qū)域控制網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)了分布式的集成管理。在控制空間中，各個組件擁有著相同的硬件，運(yùn)行著相同的程序，并且在進(jìn)行數(shù)據(jù)的綜合集成中具有著相同的數(shù)據(jù)架構(gòu)，每個CPN和相鄰的CPN進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，使得整體的聯(lián)動效率和控制效果得到了顯著的提升。在局部空間中，CPN能夠自動識別并發(fā)現(xiàn)空間內(nèi)的空調(diào)設(shè)備和傳感器硬件，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備信息和數(shù)據(jù)的綜合集成，并且在網(wǎng)絡(luò)化的位置中儲存了相關(guān)的位置信息和連接關(guān)系，通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)作的模式實(shí)現(xiàn)了全局智能的控制效果。因此整個控制系統(tǒng)不是中央集成控制，而是通過分布式智能控制的方式實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自組織和自操作。

1 群智能系統(tǒng)與傳統(tǒng)樓控系統(tǒng)對比

群智能系統(tǒng)結(jié)合著分布式的標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算單元開展控制活動，節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行并行協(xié)作式的工作能夠滿足系統(tǒng)內(nèi)不同層級的控制目標(biāo)，進(jìn)而最大限度的滿足室內(nèi)人居環(huán)境的熱舒適需求。相比較于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)來說，其核心的特點(diǎn)在于控制對象的不同，傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)參照著的是工業(yè)控制的樹形控制結(jié)構(gòu)，僅僅實(shí)現(xiàn)了單一控制流。而群控制的對象主要是建筑空間和整個建筑區(qū)域，每一個CPN能夠服務(wù)一個特定空間的所有機(jī)電設(shè)備和各類傳輸器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了自動辨識的效果，并且通過自動獲取的數(shù)據(jù)和先驗(yàn)知識能夠準(zhǔn)確的配置控制邏輯，最終生成相關(guān)的控制程序。

傳統(tǒng)的集中式控制存在著諸多問題，原有的自動監(jiān)控系統(tǒng)存在節(jié)點(diǎn)數(shù)量多調(diào)控工況策略復(fù)雜的問題，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)往往缺乏標(biāo)準(zhǔn)化措施，算法的設(shè)計(jì)僅僅著眼于局部，導(dǎo)致通用性差，各個專業(yè)之間的架構(gòu)不夠統(tǒng)一，因此也導(dǎo)致信息的共享機(jī)制無法建立起來。同時(shí)控制策略無法充分的滿足運(yùn)行的實(shí)際需求，導(dǎo)致運(yùn)行管理人員無法根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況對控制策略進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，更無法深度的系統(tǒng)進(jìn)行綜合升級和改造。不同廠商之間的產(chǎn)品很難做到兼容，導(dǎo)致自動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難。

群智能技術(shù)作為暖通空調(diào)系統(tǒng)輸配的拓?fù)洌@個過程中不需要對全局的網(wǎng)絡(luò)方程組進(jìn)行構(gòu)建，每個節(jié)點(diǎn)中所運(yùn)行的程序與系統(tǒng)架構(gòu)無關(guān)，因此標(biāo)準(zhǔn)化的程序可以預(yù)先進(jìn)行開發(fā)，并且儲存在相關(guān)的智能節(jié)點(diǎn)里，無需工程師對具體項(xiàng)目進(jìn)行編程和配置，有效的降低了配置系統(tǒng)的參數(shù)辨識難度。即便是系統(tǒng)端出現(xiàn)末端參數(shù)變化時(shí)，只要相關(guān)的CPN節(jié)點(diǎn)被正確的安裝和銜接，則相關(guān)程序可以不被重新編寫即可實(shí)現(xiàn)自動更新，有效的體現(xiàn)了自適應(yīng)和自集成的特點(diǎn)。

2 群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)原則

在算法優(yōu)化上，群智能做到了每個CPN算法都完全相同，同時(shí)對于系統(tǒng)的植入過程來說，每一個計(jì)算單元也可以被稱之為是“算子”，在不同的CPN結(jié)構(gòu)網(wǎng)格當(dāng)中，CPN參照著“算子”的既定機(jī)制不斷的自組織系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。每個“算子”當(dāng)中運(yùn)行的都是相同的算法，這是群智能算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。

因此在應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制過程中時(shí)，其主要參照的描述性原則如下：（1）CPN代表的是空間區(qū)域，連接所有控制設(shè)備、傳感設(shè)備以及機(jī)電設(shè)備；（2）相鄰CPN之間的連接映射關(guān)系代表物理空間中真實(shí)的幾何位置關(guān)系；（3）每個CPN只能獲取相鄰CPN的相關(guān)數(shù)據(jù)信息，并且以分布式的存儲形式存儲在智能網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中；（4）所有CPN并行計(jì)算中都采用相同的控制邏輯進(jìn)行計(jì)算。為了更好的展示智能設(shè)備之間的銜接模式，其設(shè)備之間的組織模式可以借鑒管道之間的物理連接進(jìn)行銜接，這樣的連接模式充分反映了機(jī)電設(shè)備本身的功能需求和設(shè)備間各個功能的配合需求，通過介質(zhì)流動的方向明確了能量流的關(guān)聯(lián)關(guān)系。

3 輸配系統(tǒng)“流量-壓力”關(guān)系

為了更好的維持室內(nèi)熱環(huán)境的穩(wěn)定性，最大限度的降低輸配系統(tǒng)的能源消耗，對輸配系統(tǒng)的流量和壓力的優(yōu)化至關(guān)重要。對于群智能建筑的流量調(diào)節(jié)來說，通過基于流體網(wǎng)絡(luò)的方程分析能夠促進(jìn)智能調(diào)控得以實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行壓力和流量的辨識過程中，其控制方成應(yīng)該遵從設(shè)備運(yùn)行的基本原理，在CPN的結(jié)構(gòu)硬件上也同樣預(yù)存了相同的計(jì)算方程，其控制方程為：

式中，QN為節(jié)點(diǎn)位置流向外部環(huán)境的流量，m3/h；Qi為從節(jié)點(diǎn)Ni向節(jié)點(diǎn)N的流量，m3/h；n是節(jié)點(diǎn)之間相鄰節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，描述的是節(jié)點(diǎn)位置上的質(zhì)量守恒關(guān)系。

其中能量的平衡關(guān)系為：

式中，PN是節(jié)點(diǎn)位置處的壓力值，Pa；Pi是Ni的壓力值，Pa；Si是Ni和N之間的管道鏈接阻力參數(shù)。

CPN和相鄰之間的節(jié)點(diǎn)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，各個節(jié)點(diǎn)之間不斷的進(jìn)行數(shù)據(jù)更新，直到所有節(jié)點(diǎn)的控制方程收斂。

4 群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)

群智能的思路構(gòu)建來自于自然界中昆蟲群體的觀察，在群居動物中通過協(xié)作表現(xiàn)能夠展示出智能的特征被稱之為群智能。在底層架構(gòu)中綜合借鑒了群智能控制中較為先進(jìn)的多Agent系統(tǒng)（MAS，Multiple Agent System），所有的Agent節(jié)點(diǎn)最終根據(jù)設(shè)備布局的空間關(guān)系形成了智能控制網(wǎng)絡(luò)，每個Agent來綜合的收集和處理各個空間內(nèi)的設(shè)備信息，并依據(jù)著建筑室內(nèi)環(huán)境的參數(shù)要求來反作用于本地控制設(shè)備。群智能控制的內(nèi)容要義里將建筑空間和各個專業(yè)機(jī)電系統(tǒng)劃分成了若干基本單元，并且為各個基礎(chǔ)單元都設(shè)置了一個“計(jì)算節(jié)點(diǎn)”CPN（Computing Process Node），實(shí)現(xiàn)了在空間單元內(nèi)的本地控制器的聯(lián)動控制，而后各個DCU都能夠與各自的CPN進(jìn)行直接的數(shù)據(jù)銜接，參照著空間關(guān)系和設(shè)備的拓?fù)潢P(guān)系共同鏈接成了基礎(chǔ)的信息網(wǎng)絡(luò)，通過并行計(jì)算的形式完成了所有的計(jì)算任務(wù)，因此群智能平臺實(shí)現(xiàn)了即插即用和互聯(lián)互通的設(shè)備交互效果。

目前暖通空調(diào)系統(tǒng)的分布式控制優(yōu)化需要有協(xié)調(diào)器進(jìn)行代理，需要將計(jì)算任務(wù)進(jìn)行自定義分配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)良好的分布式計(jì)算。而群智能的控制過程里無需要協(xié)調(diào)器，各個節(jié)點(diǎn)都能夠自組織和自協(xié)調(diào)的實(shí)現(xiàn)分布式計(jì)算，其智能控制節(jié)點(diǎn)如圖1所示。

圖1 CPN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

其中節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)上涵蓋數(shù)據(jù)處理器、存儲器以及通信接口，每個CPN內(nèi)都嵌入一個微型處理器，其子空間和設(shè)備的全部性能參數(shù)信息都可以直接的映射到對應(yīng)的CPN當(dāng)中，并且為其直接預(yù)留了數(shù)據(jù)接口，各個CPN之間通過數(shù)據(jù)線之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。同時(shí)每個CPN還設(shè)置有相關(guān)的驅(qū)動單元DCU（Drive Control Unit），其中CPN和DCU之間的數(shù)據(jù)傳輸和通信可以支持多種數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了良好的交互。

5 群智能的信息流動參數(shù)布局

CPN的嵌入式操作系統(tǒng)明確了CPN之間的通信協(xié)議和計(jì)算模式等參數(shù)要求，其求解的過程里需要將任務(wù)進(jìn)行逐級的分解，解析成一個按照特定執(zhí)行順序事件，最終形成穩(wěn)定的控制邏輯。其內(nèi)置的機(jī)電設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)信息模型定義了各個基本單元的控制管理特性，實(shí)現(xiàn)了與智能設(shè)備的即插即用的效果。所有的CPN共同構(gòu)成了群智能系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)，進(jìn)而代替了傳統(tǒng)集中式控制中的中央計(jì)算機(jī)的計(jì)算模式，使其分布式的計(jì)算過程更加靈活和更加強(qiáng)大。

從信息流的信息流動來說，系統(tǒng)的整體體現(xiàn)的是一種中央集成管理而分布式控制的信息流動架構(gòu)，底層節(jié)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)了通訊連接，但是沒有進(jìn)行自發(fā)的信息交互，各個節(jié)點(diǎn)彼此之間是獨(dú)立的狀態(tài)。即便是出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間的決策信息矛盾時(shí)，則需要由上一級的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行處理，并且逐級進(jìn)行上傳。參照著各個節(jié)點(diǎn)之間的功能劃分需求，節(jié)點(diǎn)之間的信息交互也不是完全通用的，因此需要在每個物理空間內(nèi)都設(shè)置一個智能硬件節(jié)點(diǎn)CPN，因此CPN也就成為了所在區(qū)域物理空間的“代理”，不僅能夠負(fù)責(zé)本地空間內(nèi)所有設(shè)備的智能控制，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了相鄰CPN空間的交互與協(xié)作，綜合的完成了局部空間內(nèi)被控系統(tǒng)和被控環(huán)境的分析和計(jì)算。由于每個CPN之前都與鄰居進(jìn)行協(xié)作，因此整個系統(tǒng)構(gòu)成了區(qū)域計(jì)算的核心網(wǎng)絡(luò)，局部位置上的協(xié)作也可以實(shí)現(xiàn)整體的優(yōu)化，整個系統(tǒng)呈現(xiàn)出的是扁平化和無中心化的特點(diǎn)，每個CPN的節(jié)點(diǎn)之間是平等的，能夠隨著建筑規(guī)模的變化而靈活的進(jìn)行增減，實(shí)現(xiàn)了即插即用的功能效果。

6 群智能建筑機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用核心

冷站是建筑制冷系統(tǒng)的關(guān)鍵核心，同時(shí)也是開展群智能硬件發(fā)展策略的關(guān)鍵硬件載體，冷凍站的運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)從保證設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、滿足終端設(shè)備用能需求轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)現(xiàn)高效、節(jié)能、安全的發(fā)展要義。但是目前冷凍站目前采用的仍舊是集中式的發(fā)展架構(gòu)，具有著實(shí)用效果差以及通用效果差的特點(diǎn)，因此為了重點(diǎn)解決好這個問題，群智能建筑網(wǎng)絡(luò)平臺通過CPN的智能計(jì)算的單元實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一接口的運(yùn)行模式。這個過程中，每一個智能設(shè)備都是平等獨(dú)立的個體，設(shè)備之間通過自組織和自識別的方法完成了整個冷站的優(yōu)化任務(wù)。

群智能系統(tǒng)區(qū)別于傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)架構(gòu)，其功能要義上需要將建筑和機(jī)電系統(tǒng)劃分成為基本的建筑空間單元和機(jī)電單元，各個單元之間通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)CPN來實(shí)現(xiàn)相互的協(xié)作，運(yùn)行系統(tǒng)中的APP能夠自組織的實(shí)現(xiàn)各類控制功能。整個建筑及其機(jī)電系統(tǒng)可以被視作是建筑空間單元和機(jī)電設(shè)備單元共同耦合而成的，每個空間內(nèi)都安裝有CPN能夠有效的集成管理空間內(nèi)所有機(jī)電設(shè)備的各類參數(shù)信息，促進(jìn)其形成具有拓?fù)潢P(guān)系的自連接網(wǎng)絡(luò)。通過APP的協(xié)同管理還能夠完善和優(yōu)化控制內(nèi)部發(fā)展邏輯，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)各類機(jī)電設(shè)備的綜合控制管理。最終為建筑和城市管理控制提供了多元并且靈活開放的多元化信息平臺，滿足使用者和運(yùn)維管理人員不同層次的使用需求。

7 結(jié)語

組合不同專業(yè)系統(tǒng)之間的海量信息，便于更好的對機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行管理，使其能夠從傳統(tǒng)單一的縱向管理功能面向跨專業(yè)、多設(shè)備融合的方向上轉(zhuǎn)變，建筑內(nèi)部不同專業(yè)之間的信息共享已經(jīng)成為了現(xiàn)代建筑運(yùn)行管理的必然趨勢，這是實(shí)現(xiàn)自動化和智能化發(fā)展要義的必然所在。其次在群智能的發(fā)展要義中，實(shí)現(xiàn)了即插即用的數(shù)據(jù)傳輸效果，能夠顯著的降低了現(xiàn)場的工作量，同時(shí)也便于后續(xù)的空間變更和二次裝修的需求。群智能的樓控軟件具有極強(qiáng)的自識別和自組網(wǎng)的能力，有利于設(shè)備硬件之間的高效協(xié)同，強(qiáng)化了各類信息數(shù)據(jù)輸入和輸出質(zhì)量，使得樓宇自控能夠更加具有集成和信息自識別的能力，促進(jìn)了高效協(xié)同的工作。

未來的建筑機(jī)電智能控制需要有更加扁平化的系統(tǒng)架構(gòu)作為基礎(chǔ)，平等化、標(biāo)準(zhǔn)化以及網(wǎng)絡(luò)化的連接使其具有了更好的協(xié)同能力和信息存儲能力，在此基礎(chǔ)上只有CPN、主體設(shè)備、傳感器、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等復(fù)合構(gòu)件能夠滿足其功能需求，各個智能設(shè)備之間通過CPN進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了機(jī)電設(shè)備的即插即用和組網(wǎng)，在顯著提升系統(tǒng)運(yùn)行效率的基礎(chǔ)上降低了能源消耗。