一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧園區(qū)能源管理平臺

摘 要：針對園區(qū)能源分布區(qū)域廣、數(shù)字化程度低、管理難度大等問題，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)的智慧園區(qū)能源管理平臺。該平臺通過物聯(lián)網(wǎng)連接園區(qū)各類能源終端，利用人工智能算法實現(xiàn)能源主動預(yù)警和智能預(yù)測，構(gòu)建“云計算”環(huán)境下的園區(qū)能源監(jiān)測、調(diào)度、巡檢、運維和決策于一體的管理平臺，賦能智慧園區(qū)能源管理。經(jīng)驗證，該平臺運行穩(wěn)定、流暢，具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；人工智能；云計算；能源管理；系統(tǒng)集成；能源終端

中圖分類號：TP315 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）08-0-04

0 引 言

園區(qū)是一個特定空間，一般由政府（包括企業(yè)與政府合作）規(guī)劃建設(shè)，通過特定區(qū)位、政策措施和綜合服務(wù)推動園區(qū)產(chǎn)業(yè)集聚和發(fā)展。我國國家級、省部級、市區(qū)級等各類園區(qū)數(shù)量眾多[1]，這些園區(qū)覆蓋區(qū)域廣，房產(chǎn)和設(shè)備數(shù)量多，企業(yè)和人員密集，因此園區(qū)能耗大，能源管理難度大。隨著國家對環(huán)保的重視，以及兌現(xiàn)“碳減排”“碳中和”承諾的舉措，各地越來越追求單位能耗的經(jīng)濟產(chǎn)出，通過對園區(qū)能源進行管理，提升園區(qū)能源利用效率和質(zhì)量及提升單位能耗產(chǎn)出成為園區(qū)管理者關(guān)注的課題。

本文借助物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)，構(gòu)建面向園區(qū)的智慧能源管理平臺，通過遍布園區(qū)的物聯(lián)網(wǎng)感知模塊連接園區(qū)能源設(shè)備設(shè)施，結(jié)合智能監(jiān)測、預(yù)警和分析，提升園區(qū)能源管理的自動化、智能化和智慧化水平，推動智慧園區(qū)建設(shè)[2]。

1 需求分析

智慧園區(qū)能源管理是園區(qū)發(fā)展的現(xiàn)實需要和技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。隨著園區(qū)運營和發(fā)展，園區(qū)能源管理面臨諸多困難[3]：

（1）能源利用效率低：園區(qū)生產(chǎn)、工作和生活過程中消耗大量能源，傳統(tǒng)園區(qū)能源管理以人工為主（一個月抄表一次），缺乏對實時用電、用水、用氣狀態(tài)的監(jiān)控，能源申請和消耗事后統(tǒng)計，能源利用效率低。

（2）能源調(diào)度能力差：園區(qū)管理方根據(jù)區(qū)內(nèi)企業(yè)或其他組織的申請配置能源，無法及時掌握申請容量與實際能耗的偏差，因此難以及時根據(jù)園區(qū)企業(yè)實際能耗進行調(diào)整和調(diào)度。

（3）能源設(shè)備監(jiān)管能力差：由于缺乏數(shù)字化手段，主要通過人工巡查來監(jiān)控能源設(shè)備狀態(tài)，而巡檢次數(shù)和時長是有限的，無法實時了解能源設(shè)備運行情況，無法及時監(jiān)測設(shè)備故障。針對園區(qū)能源覆蓋面廣、數(shù)字化程度低、管理難度大的問題，需要一套以數(shù)據(jù)為核心要素的智慧園區(qū)能源管理平臺，實現(xiàn)園區(qū)用電、用水、用氣等能源數(shù)據(jù)的采集、匯集、加工、處理和呈現(xiàn)，優(yōu)化園區(qū)能源規(guī)劃、建設(shè)、調(diào)度和監(jiān)控，完成數(shù)據(jù)賦能，提升能源管理效能。

物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)快速發(fā)展，成為園區(qū)智慧能源管理的技術(shù)驅(qū)動力。物聯(lián)網(wǎng)通過各類感知設(shè)備獲取環(huán)境、設(shè)備、人員信息并進行自動化數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)人機物融合一體、智能管控的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)[4]。通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)園區(qū)水電氣表具、能源設(shè)備設(shè)施等終端信息的實時采集和匯集，為園區(qū)能源集中管理提供了基礎(chǔ)。云計算可以將存儲、計算、網(wǎng)絡(luò)等資源集中起來，按需為各類應(yīng)用提供軟件、平臺和基礎(chǔ)資源服務(wù)。云計算為園區(qū)能源數(shù)據(jù)的存儲和處理，為園區(qū)能源的集中統(tǒng)一管理提供了載體。人工智能是研究開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)和系統(tǒng)的一門技術(shù)科學(xué)，本質(zhì)是計算機科學(xué)的一個分支。人工智能可以構(gòu)建能源管理模型，為園區(qū)能源管理提供預(yù)警預(yù)測和經(jīng)營決策支撐。本文構(gòu)建的園區(qū)能源管理平臺通過物聯(lián)網(wǎng)連接園區(qū)各類能源終端，應(yīng)用云計算提供存儲和計算服務(wù)，利用能源管理人工智能模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)。

2 平臺總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧園區(qū)能源管理平臺采用B/S（服務(wù)器/瀏覽器）架構(gòu)，開發(fā)環(huán)境為Microsoft Visual Studio 2013，使用Oracle 11g數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存儲和處理。

2.1 平臺總體架構(gòu)

智慧園區(qū)能源管理平臺分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、連接層和應(yīng)用層，具有一定的網(wǎng)絡(luò)防護能力[5]。

（1）感知層：解決信息感知和識別問題，即數(shù)據(jù)獲取。通過遍布在園區(qū)能源設(shè)備設(shè)施上的傳感器對能源信息進行大規(guī)模分布式采集，通過數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)匯集并推送至網(wǎng)絡(luò)層。感知層包括直連設(shè)備、非直連設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備、第三方數(shù)據(jù)等，直連設(shè)備（如園區(qū)電站、水泵房內(nèi)各設(shè)備設(shè)施）的運行狀態(tài)通過傳感器實時感知，非直連設(shè)備（如電表、水表、燃?xì)獗淼龋┑挠嬃啃畔⑼ㄟ^智能模塊采集，通過移動基站傳輸至服務(wù)器，沒有基站信號的區(qū)域通過數(shù)據(jù)網(wǎng)關(guān)采集，如有第三方能源數(shù)據(jù)（如客戶自建的光伏發(fā)電系統(tǒng)），可以通過系統(tǒng)對接方式接入平臺[6]。園區(qū)能源管理平臺總體架構(gòu)如圖1所示。

（2）網(wǎng)絡(luò)層：負(fù)責(zé)傳遞和處理信息，即數(shù)據(jù)傳輸。平臺可以通過互聯(lián)網(wǎng)、廣電網(wǎng)或通信網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與計算，考慮到能源信息高頻低容的特點，平臺提供移動通信網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、WiFi網(wǎng)絡(luò)、園區(qū)有線網(wǎng)絡(luò)等多種接入方式。

（3）連接層：負(fù)責(zé)信息處理，對物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)功能、設(shè)備接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)、運維監(jiān)控、安全管理、數(shù)據(jù)存儲等進行管理，提供多協(xié)議設(shè)備接入、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)存儲等服務(wù)。連接層具備模型管理、設(shè)備管理、規(guī)則引擎、存儲管理、設(shè)備接入管理、用戶權(quán)限管理等功能。

（4）應(yīng)用層：完成信息分析處理和決策，即數(shù)據(jù)應(yīng)用。平臺包括資產(chǎn)管理、運維管理、巡檢管理、用電管理、用水管理、用氣管理、節(jié)能管理、預(yù)警分析等功能模塊。

2.2 平臺功能模塊

智慧園區(qū)能源管理平臺的功能模塊[7-8]見表1。

2.3 平臺網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過傳感器、數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)等方式采集園區(qū)能源相關(guān)設(shè)備設(shè)施、計量器具等運行、故障、維保等信息，通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至云端服務(wù)器，服務(wù)器對數(shù)據(jù)進行存儲、加工和處理，結(jié)合園區(qū)能源管理模型，為平臺提供信息展示、業(yè)務(wù)管理和預(yù)警分析服務(wù)。平臺支持電腦、大屏和移動端訪問。

平臺網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。防火墻是平臺內(nèi)外網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交互通道，能源設(shè)備設(shè)施（如電站設(shè)備、水泵房設(shè)備等）信息由本地數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)匯集并加密傳輸，通過園區(qū)專網(wǎng)傳送至園區(qū)專線交換機，經(jīng)過核心交換機后送達服務(wù)器群組，進行解密和存儲；計量器具（電表、水表、煤氣表等）信息由智能網(wǎng)關(guān)模塊采集加密后，以物聯(lián)網(wǎng)、3G/4G/5G方式到達基站傳輸至防火墻，經(jīng)驗證解密后送達服務(wù)器群組。園區(qū)管理方通過局域網(wǎng)訪問平臺，分支結(jié)構(gòu)通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（Virtual Private Network， VPN）隧道訪問，第三方服務(wù)器通過超文本傳輸協(xié)議（HTTPS）訪問防火墻與平臺進行加密數(shù)據(jù)交互[1]。

2.4 業(yè)務(wù)流程設(shè)計

智慧園區(qū)能源管理平臺涉及報修處置、設(shè)備維保、設(shè)備巡檢、費用申請、預(yù)警處置等多種園區(qū)能源管理業(yè)務(wù)，下面簡述報修處置和設(shè)備巡檢流程。

（1）報修處置流程

園區(qū)能源設(shè)備故障報修可由傳感器自動發(fā)起，經(jīng)專業(yè)人員判斷，若需要維修則發(fā)起維修處置流程。園區(qū)管理方通過電腦或APP發(fā)起維修申請，填寫維修原因、維修設(shè)備等內(nèi)容。如果需要更換料件則查詢調(diào)用料件庫庫存，補充相關(guān)信息后提交，審批通過后維修。若需要更換配件，則需上傳更換前后帶時間戳的對比照片。維修完成后復(fù)位，若測試通過，則借由傳感器感知并推送至平臺，直至維修完成。園區(qū)能源設(shè)備維修處置流程如圖3所示。

（2）能源巡檢流程

園區(qū)管理方根據(jù)巡檢計劃進行園區(qū)能源巡檢，巡檢時若未發(fā)現(xiàn)問題則將巡檢結(jié)果納入園區(qū)巡檢報告，若發(fā)現(xiàn)問題則及時處理問題（如報修處置等），并驗收確認(rèn)直至問題得到解決。園區(qū)能源管理平臺巡檢流程如圖4所示。

3 平臺功能實現(xiàn)

經(jīng)過業(yè)務(wù)一體化平臺功能測試，平臺完成了各項功能開發(fā)，并已在上海自貿(mào)區(qū)應(yīng)用[7]。智慧園區(qū)能源管理平臺功能界面總體按左右兩欄設(shè)計，左側(cè)為快速檢索區(qū)，右側(cè)為列表或詳細(xì)區(qū)，部分功能如圖5、圖6所示。

4 結(jié) 語

針對園區(qū)能源管理區(qū)域范圍大、數(shù)字化程度低、管理難度大等特點，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能等新一代信息技術(shù)，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧園區(qū)能源管理平臺，從平臺總體架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、功能模塊和業(yè)務(wù)流程等方面進行了平臺設(shè)計與功能實現(xiàn)。該平臺可提升園區(qū)能源管理效率和精準(zhǔn)化水平，提升園區(qū)單位能耗經(jīng)濟產(chǎn)出的同時，為園區(qū)客戶提供更個性化的能源服務(wù)，提高客戶滿意度。

園區(qū)能源管理平臺是智慧園區(qū)建設(shè)的重要組成部分，后續(xù)可以與園區(qū)安全管理[3]、經(jīng)營管理、工程管理[8-10]、物業(yè)管理等多系統(tǒng)聯(lián)動，發(fā)揮整體效應(yīng)，建設(shè)智慧園區(qū)[11]，提升園區(qū)管理、服務(wù)和發(fā)展的數(shù)字化水平。

注：本文通訊作者為張雯。

參考文獻

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