周穎
安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：當前各公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)存在服務對象較局限、通用性不足等問題，為了適應能耗大數(shù)據(jù)管理的發(fā)展要求，本文提出構建公共建筑能耗大數(shù)據(jù)管理平臺，并對其功能模型和總體結構進行研究和設計。面向不同氣候區(qū)域、不同規(guī)模的公共建筑用戶群體，該平臺將提供節(jié)能管理以及能源運營托管等服務。
關鍵詞：建筑能源管理；大數(shù)據(jù)
1 引言
隨著全國省市級公共建筑能耗監(jiān)測平臺的建設以及一直在國內推行的公共建筑分項計量及監(jiān)測系統(tǒng)建設，各類系統(tǒng)已經(jīng)積累了大量的公共建筑歷史能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)資源為公共建筑的節(jié)能評價、能耗管理和決策產(chǎn)生不少價值。但是，公共建筑能耗數(shù)據(jù)源在地域上各自相對獨立且分散，各地能耗監(jiān)測系統(tǒng)及其數(shù)據(jù)規(guī)范也不盡相同，沒有統(tǒng)一的組織和管理模式等，這些因素使得建筑能耗數(shù)據(jù)共享困難，且無法獲得同行業(yè)間的能耗橫向對比數(shù)據(jù)，公共建筑能耗數(shù)據(jù)的用戶在節(jié)能管理方面也難以得到更多的定量化認識和指導。
針對當前各公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的服務對象較局限、通用性和開放性不足等問題，適應大數(shù)據(jù)管理的發(fā)展要求，研究構建開放式的公共建筑能耗大數(shù)據(jù)管理平臺（以下簡稱“平臺”），以大數(shù)據(jù)平臺管理關鍵技術為基礎，將數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、應用系統(tǒng)等進行集成整合，面向不同氣候區(qū)域、不同規(guī)模的公共建筑、不同用戶群體的需求，構建能耗數(shù)據(jù)在線云端數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集傳輸、數(shù)據(jù)修復、儲存、展示分析，并實現(xiàn)公共建筑能效評價、能耗預測與診斷等功能。
2 平臺功能模型設計
遵循國家標準、行業(yè)標準和企業(yè)內部標準規(guī)定，平臺需接入計量儀表、環(huán)境傳感和暖通空調等多種類型的底層設備，并通過這些底層設備實現(xiàn)對物理世界的感知和控制操作。
圖 1 平臺功能模型設計示意圖
圖1是平臺功能模型的設計示意圖，該模型在設計時考慮了不同規(guī)�？蛻魯�(shù)據(jù)接入的需要。
對于大型客戶和標桿客戶（比如大型醫(yī)院、商業(yè)綜合體等），客戶通常選擇自行建設硬件基礎設施并在本地安裝部署建筑能耗管理系統(tǒng)，接入數(shù)據(jù)進行處理；
對于中小型客戶（比如單幢建筑），可將前置網(wǎng)關采集的數(shù)據(jù)直接傳至云端通信網(wǎng)關，云端以SaaS方式、采用租戶的形式提供能源管理相關服務。與此同時，企業(yè)級和云端級的數(shù)據(jù)服務部分提供開放接口，可供第三方應用調用和研發(fā)新型應用，為建筑能效評價、能耗預測與診斷等高級功能應用提供方便。
SaaS模式最為顯著的特點就是提供多租戶服務，而多租戶目的則是為了在多用戶環(huán)境下使用同一套程序，且保證用戶間數(shù)據(jù)隔離。面向SaaS多租戶，結合建筑能耗管理的業(yè)務需求，平臺需要提供建筑能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、能耗信息展示等功能�；诖诵枨�，對平臺的多租戶模型進行了設計，如圖2所示，它為接入各地不同的能耗監(jiān)測系統(tǒng)、實現(xiàn)各租戶統(tǒng)一的組織管理及能耗數(shù)據(jù)共享提供前提。
圖 2 平臺多租戶模型設計圖
3 平臺總體結構設計
平臺的總體結構設計如圖3所示，計劃由兩個子系統(tǒng)、共計五個功能部分組成。其中，兩個子系統(tǒng)是指
能耗監(jiān)測子系統(tǒng)和租戶管理子系統(tǒng)，二者是獨立部署的Web系統(tǒng)，前者面向租戶提供能耗數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、分析、告警等業(yè)務功能，后者則完成平臺接入租戶、進行維護等管理功能。
圖 3 平臺結構設計圖
五個功能的組成部分包括：
（1）數(shù)據(jù)存儲。包括應用數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)服務平臺和緩存庫三種，其中應用數(shù)據(jù)庫存儲能耗監(jiān)測子系統(tǒng)所需的應用和配置數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)服務平臺作為能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源；緩存庫則作性能優(yōu)化的用途。
（2）公共框架。用于對數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)服務平臺、緩存庫等數(shù)據(jù)源訪問進行封裝，并為權限管理、日志訪問、頁面公共工具等公共功能提供統(tǒng)一支持。
（3）后臺服務。指需要在后臺進行持續(xù)運行和計算的任務，包括信息推送、診斷分析、告警接收、報告報表的自動生成和推送等。
（4）能耗監(jiān)測頁面。完成能耗監(jiān)測子系統(tǒng)的Web交互功能。WEB頁面交互支持用戶登錄的方式來訪問系統(tǒng)，并根據(jù)用戶的權限進行功能展示和操作。
（5）租戶管理頁面。完成租戶管理子系統(tǒng)的Web交互功能。
3.1 能耗數(shù)據(jù)存儲及服務模塊
能耗數(shù)據(jù)存儲及服務模塊是平臺的底層數(shù)據(jù)源。針對各地建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)的能耗數(shù)據(jù)結構不同、數(shù)據(jù)共享困難的問題，由平臺側設計統(tǒng)一的基礎信息表、采集標準和數(shù)據(jù)接入?yún)f(xié)議，對來自各租戶的接入數(shù)據(jù)進行規(guī)范。在采集數(shù)據(jù)規(guī)范的基礎上，平臺考慮引入OLAP服務引擎技術，來完成能耗數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)分析等數(shù)據(jù)服務。OLAP在線分析處理是一種共享多維信息的快速分析技術，其基本多維分析操作有鉆取、切片和切塊以及旋轉等。Kylin則是分布式分析引擎，它將SQL接口與多維分析機制（OLAP）引入Hadoop，旨在對規(guī)模極為龐大的數(shù)據(jù)集加以支持。在本平臺的設計中，采用Hadoop/Hbase/Hive實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)倉庫功能，并對應地部署 Kylin 提供OLAP查詢分析功能，以達到對動態(tài)能耗數(shù)據(jù)的準實時統(tǒng)計分析。通過研究，平臺KylinOlap查詢分析流程的設計如圖4所示。該流程設計的解釋如下：
（1）數(shù)據(jù)生成模塊FileManager監(jiān)聽二次采樣數(shù)據(jù)，每小時生成一個能耗數(shù)據(jù)文件；
（2）Olap模塊每小時獲取一次能耗數(shù)據(jù)文件并入庫Hive ，然后生成mapReduce任務進行立方創(chuàng)建；
（3）創(chuàng)建完的立方文件入庫 Hbase，當Olap收到查詢請求時查詢Hbase并返回數(shù)據(jù)；
（4）針對手動修復能耗數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)著色的場景，數(shù)據(jù)生成文件模塊提供接口，能夠主動去查詢mysql各個租戶庫中特定時間段內的數(shù)據(jù)，并生成對應的數(shù)據(jù)文件提供給Olap模塊進行重新統(tǒng)計；
圖 4 平臺 KylinOlap 流程
（5）針對數(shù)據(jù)修復，數(shù)據(jù)生成模塊會監(jiān)聽新的主題（topic），實時監(jiān)聽所有需要修復的數(shù)據(jù)。對外部接口傳入的數(shù)據(jù)，每修改一條原數(shù)據(jù)就通知一條，然后在數(shù)據(jù)生成模塊對所有的傳入數(shù)據(jù)進行清洗、保存，后續(xù)傳入的數(shù)據(jù)若已經(jīng)包含在緩存數(shù)據(jù)中，則直接拋棄。到了的周期節(jié)點，將緩存中數(shù)據(jù)進行處理，直接生成對應的數(shù)據(jù)文件，最終由統(tǒng)計模塊對數(shù)據(jù)進行處理，刷新立方；
（6）將整個統(tǒng)計模塊由全量統(tǒng)計修改為增量統(tǒng)計，這樣每次刷新立方就需要帶上時間區(qū)間；另外，數(shù)據(jù)修復后，需要有觸發(fā)機制，觸發(fā)已存在的立方進行重新刷新。
3.2 公共框架模塊
公共框架模塊的功能包括用戶權限校驗、日志管理、數(shù)據(jù)庫訪問、頁面公共工具（如能耗單位換算）等。其中，用戶權限包含功能權限和數(shù)據(jù)權限，功能權限主要使用基于角色的訪問模型控制和按鈕級別的訪問控制，而數(shù)據(jù)權限則主要使用基于能耗分類分項、時間、組織、區(qū)域等維度的訪問控制，管理員給用戶分配相應的維度權限，來控制用戶訪問對應維度標簽的數(shù)據(jù)。
3.3 后臺服務模塊
后臺服務模塊提供了基于Spring框架的多線程調度控制機制。所有后臺任務在創(chuàng)建時，都需要通過注解的方式，向框架任務管理器注冊任務，并由任務管理器根據(jù)系統(tǒng)的實時負載情況，進行統(tǒng)一的并發(fā)控制和調度。后臺服務模塊包括信息推送、告警接收、診斷分析、報告報表服務。同時，它還將執(zhí)行應用服務一些預配置的數(shù)據(jù)計算。
3.4 租戶管理模塊
租戶管理模塊的基本功能包括租戶查詢、添加租戶、租戶資料修改、啟用/禁用租戶、修改密碼、密碼找回等功能。
租戶類型模板根據(jù)租戶類型劃分，每種租戶類型對應一個模板，例如，預定義租戶類型模板可以是醫(yī)療類、商業(yè)建筑類和機場類。每種租戶類型模板分三部分信息：通用信息、基本信息和經(jīng)營信息。
通用信息是指所有租戶類型模板都具備的內容項，包含名稱、別名、租戶類型、總體介紹、地點、位置（坐標）、聯(lián)系方式、與其他租戶關系（上下級）、租期、當前有效狀態(tài)等。
基本信息是指各租戶類型特有的、擴充的基礎內容項，比如醫(yī)療類租戶包含總建筑面積、各院區(qū)面積、醫(yī)院等級、醫(yī)院類別、編制床位數(shù)、開放床位數(shù)。
經(jīng)營信息是指各租戶類型經(jīng)營性內容項，比如醫(yī)療類租戶包含年度/月度/日的門急診人次、平均住院日、年住院床日、年總收入。
3.5 服務中心及應用的頁面交互模塊
服務中心的頁面交互包含用戶注冊、用戶登錄、權限管理、局點/項目管理等。能耗監(jiān)管應用的交互頁面則包含能耗對比、能耗排名、報告報表等。
RESTful Web Services（REST式的Web服務）是一種遵守REST式風格的Web服務。REST式的Web服務是一種ROA（面向資源的架構）的應用。平臺中數(shù)據(jù)服務模塊將通過REST風格的WebService接口實現(xiàn)與能耗監(jiān)管應用的交互，實現(xiàn)各租戶下不同用戶權限設置、消息訂閱設置、對實時數(shù)據(jù)操作、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計、預測/基準數(shù)據(jù)查詢、業(yè)態(tài)對象配置等功能的需求，并通過總線實現(xiàn)與平臺其他模塊的數(shù)據(jù)和消息交互。
4 平臺設計的優(yōu)勢
相較于當前已有的各公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，本平臺架構研究的原則著重在更好的開放性、更強的可擴展性和更利于數(shù)據(jù)集成性這幾個方面。平臺設計的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在如下幾點：
(1)面向大數(shù)據(jù)管理的要求。平臺結構支持大規(guī)模可伸縮，并為上層應用提供統(tǒng)一通用的數(shù)據(jù)/控制服務接口，滿足了大數(shù)據(jù)管理所要求的虛擬、通用和高可用性。
(2)數(shù)據(jù)存儲更易管理�？梢圆捎脭�(shù)據(jù)云的方式統(tǒng)一部署平臺數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的集中管理，更有利于集成和互操作。
(3)運維模式更先進。不同于之前單個項目獨立運營的方式，基于云端數(shù)據(jù)建立集中統(tǒng)一的平臺，不僅有助于提高能源管理效率，而且數(shù)據(jù)維度的增加更有利于能效分析的性和準確性。
(4)服務對象更廣泛。平臺強調在安全的前提下，面向公共建筑的業(yè)主、業(yè)務管理方、運營管理人員，甚至終端客戶和總部管理方提供的數(shù)據(jù)和業(yè)務支持服務。
5 安科瑞能耗在線監(jiān)測系統(tǒng)介紹
5.1 系統(tǒng)概述
Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)是用戶端能源管理分析系統(tǒng)，在電能管理系統(tǒng)的基礎上增加了對水、氣、煤、油、熱(冷)量等集中采集與分析，通過對用戶端所有能耗進行細分和統(tǒng)計，以直觀的數(shù)據(jù)和圖表向管理人員或決策層展示各類能源的使用消耗情況，便于找出高耗能點或不合理的耗能習慣，有效節(jié)約能源，為用戶進一步節(jié)能改造或設備升級提供準確的數(shù)據(jù)支撐。
5.2 應用場所：
（1）辦公建筑（商務辦公、國家機關辦公建筑等）；
（2）商業(yè)建筑（商場、金融機構建筑等）；
（3）旅游建筑（賓館飯店、場所等）；
（4）科教文衛(wèi)建筑（文化、教育、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、體育建筑等）；
（5）通信建筑（郵電、通信、廣播、電視、數(shù)據(jù)中心等）；
（6）交通運輸建筑（機場、車站、碼頭建筑等）。
5.3系統(tǒng)功能
（1）登陸界面
系統(tǒng)可以根據(jù)客戶要求定制個性化的系統(tǒng)登錄界面，登錄界面所用的圖片、 Logo等由用戶提供。
（2）綜合能耗展示
系統(tǒng)登陸成功進入主頁面，主頁面顯示該建筑的建筑圖片，建筑基本信息,建筑當月分項用電餅圖和各種能源的消耗量。
（3）支路能耗概況
系統(tǒng)可以根據(jù)分類能耗的支路名稱查詢用能情況，顯示當日和當月的用能峰值（電能對應需量值）、當日用能、當月用能、當年用能以及昨天同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比較情況。
（4）支路用能
系統(tǒng)可以統(tǒng)計各支路某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。
（5）分項能耗概況
系統(tǒng)可以按照動力、空調、插座等分項進行能耗統(tǒng)計與顯示，支持用能餅圖顯示各分項過去31天的用能占比；堆積圖顯示各分項過去31天的能耗趨勢；分項用能排名圖顯示被選中分項對應能耗值排名前10位的支路。
（6）分項用能
系統(tǒng)可以統(tǒng)計各分項某段時間內逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能（這里的支路須通過基礎數(shù)據(jù)中分類分項的配置。）
（7）部門能耗概況
系統(tǒng)可以按照部門進行能耗統(tǒng)計與顯示，并進行日同比分析圖，餅圖顯示各部門過去31天的用能占比；堆積圖顯示各部門過去31天的能耗趨勢；部門績效考核對比圖顯示實際用能和用能目標值，當實際用能值大于目標值時，實際值標為紅色。
（8）區(qū)域能耗概況
系統(tǒng)可以按照區(qū)域進行能耗統(tǒng)計與顯示，日分項用能同比分析圖顯示不同區(qū)域的當日與昨日能耗柱狀圖；餅圖顯示各區(qū)域過去31天的用能占比；堆積圖顯示各區(qū)域過去31天的能耗趨勢；區(qū)域用能排名圖中顯示被選中區(qū)域對應能耗值排名前10位的支路。
（9）參數(shù)查詢
查詢各回路戓支路某段時間內的參數(shù)，以曲線的形式反映趨勢（具體可以查詢的參數(shù)與安裝的儀表有關，查詢時不能跨月，且繪制曲線時以1分鐘為間隔），電力參數(shù)可以多選。
（10）數(shù)據(jù)檢查
系統(tǒng)可以統(tǒng)計某段時間內各回路與下級支路的用能差值，超過一定百分比后醒目顯示（紅色區(qū)域），確保計量體系的完整性、準確性。
（11）非工作日用能分析
系統(tǒng)可統(tǒng)計各支路工作日與非工作日的能耗情況。此處的工作日和非工作日是在基礎數(shù)據(jù)中非工作日設置中配置的非工作日。
（12）能耗數(shù)據(jù)同比環(huán)比分析
系統(tǒng)可將各種類型（電、水、氣）和各主要耗能設備的能耗與去年同期值和上月值進行同比環(huán)比分析，檢驗節(jié)能效果，根據(jù)分析結果執(zhí)行節(jié)能績效考核，以及節(jié)能目標的修正。
（13）分時段用能統(tǒng)計
在儀表帶有復費率統(tǒng)計功能的前提下，系統(tǒng)可以采集電表內尖、峰、平、谷參數(shù)，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)庫中方便后期查詢。不同時段可以分別設置用電單價，統(tǒng)計報表會呈現(xiàn)出分時段電能值與電費。
（14）日月年報表
系統(tǒng)提供方便的日月年報表統(tǒng)計功能，通過選擇不同回路，報表類型，查詢日期，生成對應報表。選中報表中的某一行數(shù)據(jù)，會自動顯示對應的柱狀圖。
（15）儀表網(wǎng)關斷線報警
系統(tǒng)通過能耗網(wǎng)關采集數(shù)據(jù)時，可以獲得儀表的通訊狀態(tài)。當系統(tǒng)判斷儀表通訊中斷時間大于10分鐘時或網(wǎng)關通訊中斷時間大于20分鐘時，系統(tǒng)會彈窗或者通過鈴鐺報警，顯示當前通訊中斷的儀表或者網(wǎng)關。
（16）圖表導出
系統(tǒng)可將分析統(tǒng)計的曲線、棒圖、報表導出到Excel格式文件，以便于用戶數(shù)據(jù)二次利用。
（17）用戶管理
系統(tǒng)用戶權限管理采用分級模式，為系統(tǒng)管理員、后勤管理人員、設備維護人員三級，進行訪問權限管理，防止未授權的訪問，并對所有操作自動進行帶時標事件記錄，可建立良好的反事故措施。
（18）基礎信息配置與維護
系統(tǒng)可根據(jù)項目實際情況配置每塊智能儀表所屬的能耗類型和分項、歸屬區(qū)域、設備類型，這些數(shù)據(jù)將作為用能分析的基礎信息。
（19）人工錄入數(shù)據(jù)
系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)手工錄入功能，可錄入儀表每天的抄表值與每天的用能值，用于后期報表統(tǒng)計。
（20）遠程訪問功能(C/S模式)
系統(tǒng)采用C/S架構設計，在任意一臺連接廣域網(wǎng)的計算機上安裝Acrel-5000建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)客戶端軟件即可實時訪問該能耗監(jiān)測系統(tǒng)。
5.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡結構
AcrelCloud-5000能耗管理云平臺采用分層組網(wǎng)架構，將系統(tǒng)分為設備層、網(wǎng)絡層、應用層。
設備層：設備層作為平臺數(shù)據(jù)來源的基礎，通過儀表與傳感器對參數(shù)進行監(jiān)測和計量。
網(wǎng)絡層：網(wǎng)絡層通過強大的協(xié)議轉換功能將采集到的設備層的數(shù)據(jù)傳遞到應用層，起到承上啟下的作用。
應用層：應用層對設備層的數(shù)據(jù)進行分類、存儲、統(tǒng)計分析，通過友好的人機界面為用戶提供優(yōu)質的體驗。
圖5 系統(tǒng)結構
5.5 能耗監(jiān)測系統(tǒng)產(chǎn)品選型
6 結論
為了加強公共建筑節(jié)能監(jiān)測工作，國家有關部門已明確提出要建立節(jié)能信息服務及披露機制的要求，并應充分整合公共建筑能耗統(tǒng)計、能源審計及能耗動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，構建面向政府、市場、業(yè)主、金融機構、社會團體等利益相關方的公共建筑節(jié)能信息服務平臺 。
為了落實這些要求，在公共建筑能耗大數(shù)據(jù)管理平臺的設計考慮中，重點強調利用大數(shù)據(jù)技術，并將能耗數(shù)據(jù)中心與具體應用模塊間完全解耦，著力構建面向跨區(qū)域的能效管理數(shù)據(jù)云，以充分滿足綠色建筑能耗管理的應用需求，提供節(jié)能管理、用能安全以及能源運營托管等服務。
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作者簡介：宋兵兵，男，本科，安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向為絕緣監(jiān)測及剩余電流監(jiān)測， QQ：3007723194 手機：13482141563（微信同號）