浅谈基于大数据的公共建筑能耗监测系统研究与应用

　　摘要：为了解决当前公共建筑能耗居高不下的突出问题，借助当前信息化技术手段，围绕公共建筑能耗监测系统中的大数据应用，从监测系统的总设计框架入手，分别就物联网中数据采集器设计方式、数据传输技术、数据库部署方式分别进行了深入研究，同时又从安全领域对基于大数据的公共建筑能耗监测系统的应用保障做出了探究，结果表明在建立一套科学完备的公共建筑能耗监测体系时以上各部分*，且意义非凡.

　　关键词：大数据；公共建筑能耗监测系统；系统设计

　　随着我国经济的腾飞，带动着各行各业都发展的如火如荼。尤其是在能源行业方面，生活水平的进步促使着我国企业和居民的能源需求越来越高，但这同样也给能源供应方面造成了相当大的压力，所以节能减排势在必行。而我国公共建筑的能耗问题十分突出，并且公共建筑内的检测系统不够完善，无法对公共建筑的能耗数据做出概括，致使节能工作困难重重。另一方面，大数据作为信息技术的前沿方向，越来越多地受到国内研究者们的关注，本文正是将公共建筑能耗监测与大数据技术相结合，构建出一套科学完备的检测系统用以公共建筑的节能减排。

　　1公共建筑能耗监测系统中的大数据

　　公共建筑内的能耗监测大数据共分为两类：一类是基于能耗监测系统本身所采集的内部数据；另一类是来自公共服务部门、地理信息系统、气象信息系统和互联网的外部数据．这两类数据看似不相干，实则彼此影响，比如地形条件、气象条件都会影响公共建筑的能源使用情况．所以基于大数据的公共建筑能耗检测系统就需要将这两类信息存储、解析、挖掘，变成可视化的数据，让管理者能够直观的接收信息．

　　同时公共建筑耗能巨大，传统的能耗监测涉及到大量复杂的数据，这时候就需要大数据技术对这些数据进行处理，实现能耗数据横向纵向的对比．对公共建筑耗能数据从建筑作用、建筑区域、建筑收益等多维度来展开能耗情况统计分析，提取其他建筑能耗指数和相应的社会经济指标，分析能耗增长和相应社会经济指标的联系，归纳相关指标的规律，并提供未来的能耗水平预测，为政府就能源供给方面的调整提供依据．

　　2基于大数据的公共建筑能耗监测系统设计

　　2.1系统设计框架

　　基于大数据的能耗监测系统采用的ＲＯＬＡＰ结构模式，即关系型联机分析处理结构，原理就是根据应用的需要，有选择地定义一批实视图作为表也存储在关系数据库中，不必要将每一个ＳＱＬ查询都作为实视图保存，只定义那些应用频率比较高，计算工作量比较大的查询作为实视图．要实现大数据的功能，就需要构建一个数据采集和数据存储的关系型联机分析处理结构的数据库，并且依照该数据库进行数据挖掘、分析，从而实现能耗监测系统的大数据化．

　　本系统以国家相关规章为基础，以安全和节能减排为导向，大致的模块分为表现层、应用层、信息资源与数据层和网络基础设施层．网络设施基础层包括各种网络和相应的硬件设施，它们共同构建了监测系统的物理层，以保证实时数据传输；信息资源与数据层里包括了各类数据存储库，是数据信息通讯与存储的基础；应用层是该系统的主体，主要是对数据进行处理分析、模型计算，通过表现层对用户根据需求进行恰当表达．

　　2.2数据采集器的设计

　　数据采集器是能耗监测系统的物理层基础，拥有数据采集、数据处理、数据存储、数据远传、系统配置和异常处理等功能．在本系统中数据采集器主要表现为：水表、电表、气表、温度传感器等设备，同时也需要在公共建筑的各个耗能设备的接线处加装传感器，对比两类数据的差别，以此对数据误差有准确的了解．在采集到相关信息后，利用决策树来对这些信息进行重构，对这些数据中的空间特征组合进行重组，对其中的基向量进行重构，构建能耗信息的决策树模型，为所采集数据信息的进一步分析打下基础．

　　2.3数据库设计

　　数据库作为能耗大数据的存储和处理平台，是能耗监测系统是否成功的关键．本系统的数据库包括数据中心及建筑部分基本情况数据库、分类分项部分的能耗数据库、设计安装部分的数据库和计量表部分的原始数值数据库．监测系统的数据库部分依托于ＭｙＳＱＬ、ＯＲＡＣＬＥ等成熟技术，支持多用户、大事务量的事务处理，保证数据安全性和完整性控制，支持分布式数据处理，具有可移植性，保证了数据库系统和其他系统的运行；并引入了一系列辅助软件来提高数据库内数据开发的速度．

　　数据库架构设计的关键是是否有一个清晰明确的数据库概念模型．该模型明确各数据对象之间的关系，根据实际研究方向，详细的列举出需求涉及的所有对象属性，并且在不考虑如何实现的前提下满足用户的各种信息需求．然后是基于数据库的概念模型对客户的需求进行调查、整理和分析，明确客户对于数据库的需求主要集中在哪些方面，并以此开展数据库的逻辑模型设计和数据库管理系统进行数据类型的设计．通过不断地与用户进行探讨、修订和迭代，建立起数据库的各表和基础辅助数据．

　　2.4通讯部分设计

　　数据采集器采集到的能耗信息需要通过对应的通讯网络进行数据传输，从而构建了整个软件系统的数据库．数据通信主要包括了数据信息管理、数据文件合并、数据文件加载和数据文件上传．这些不同的模块构成数据通信层任务调度模块，从而保证数据信息能够得到处理．本系统设计的数据通讯传输是利用ＺｉｇＢｅｅ这种技术成熟、成本较低、时延较短、安全可靠的无线数据传输网络，基于ＴＣＰ／ＩＰ协议展开的，两者通过该协议建立数据通信联系．采集器具有数据定时上传功能，发送周期根据系统实际需求进行设定，通过数据采集器定时向数据中心发送监测数据来实现数据采集.

　　2.5应用部分设计

　　公共建筑能耗监测系统的应用设计应该包含以下方面：系统监测功能、数据采集软件功能、数据处理功能、数据上报与接收功能、消息管理功能、信息维护功能、数据分析展示功能和公众服务功能．应用部分采用了B/S系统的架构模式，统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用．查询人员可以通过网络向系统发出查询指令，系统根据用户的相应权限来将数据发送给用户，方便查询人员进行随时的查询，确保系统能够对能耗严重的问题进行及时反馈．同时建立能耗预警管理系统，各节点设定阈值，对出现问题的设备进行自动告警、快速定位，应对能耗严重问题，提高能耗监测系统的检测效率．应用部分也是数据挖掘的过程，利用这些数据所具有的互补性和冗余性，就能对公共建筑内部的能耗情况有一个连续、宏观、实时的把握，有助于帮助公共建筑实现节能减耗．

　　2.6安全部分设计

　　安全部分主要分为监测系统的安全和相关设备的安全：系统的安全防护主要从３个方面来体现，分别是主机安全、应用安全和网络安全．首先是主机安全，主机安全对访问者的等级权限严格控制，对没有达到访问权限的访问者进行限制，同时对管理员身份进行严格的标识与排查，对非法登录进行迅速处理．与此同时，还要警惕对主机的攻击，定期使用安全扫描排查隐患和漏洞，并进行及时的更新和修补；其次是应用安全，在系统应用中需要把用户登录设为登录方式，严格对用户的信息进行管理，同时依照用户权限对用户所能访问到的等级进行分级；网络安全，网络安全是设置防火墙和安全网关，通过双重保护来保护操作系统，避免漏洞受到入侵和木马攻击，对网络安全做出保障．

　　设备的安全主要是防止有人通过偷接管道、偷接线路等方式来对国家能源进行窃取．监测部门可以通过水电气的量值差动越限、（水、电、气）表盖开盖实践、异常警告信息、断相等数据的分析，通过这些大数据建立窃取能源行为的模型，对可能存在的能源窃取行为进行预警．同时通过相关流动数据的结合来确定能源窃取行为的发生地点，比如窃电行为就可以通过比较公共建筑的负荷曲线、电压功率因数、电表电流和变压器负载，结合公共建筑电力运行的数据，来实现具体线路的线损日结算，从而确定线损的具体线路.

　　3. 安科瑞用能单位能耗在线监测系统

　　3.1系统概述

　　工业能耗在线监测系统是一个集成Intranet/Internet网络技术、GPRS无线传输技术、Web Service软件技术、数据库技术等于一体的大型数据综合管理系统。系统为管理者、各级能耗内部用户、浏览者提供了一个访问的网络通道，搭建了一个合理的信息传输平台和管理平台。工业能耗在线监测系统的开发应用为政府管理部门、企业生产管理、计量管理、节能管理提高到一个新的高度，是我们对节能减排、节能降耗实现的一种行之解决方案。

　　能源组成及监测内容：

图1能源组成

图2监测内容

　　用电类：采集采暖、锅炉、空调、制冷、照明、办公、电梯、水泵、风机、通风机等耗电设备的用电信息。主要监测其用电量，对于大耗电设备监测其电流、电压及功率因数等信息。

　　配电类：采集6kv/10kv配电开关设备、变压器，状态信号、电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、电能质量、电能等。

　　用水：自来水和蒸汽；采集具有485通讯功能的智能热量表、蒸汽流量计、水表等；

　　用气：煤气；采集具有485通讯功能燃气表；

　　环境参数：采集具有485通讯功能的温度/湿度计；采暖空调供回水温度；

　　3.2系统框架

图3系统框架

　　(1)能源消费管理系统：该系统可以对用能企业煤、电、油、气、热、水等能源和耗能工质进行定期录入和实时采集，并将收集到的能耗数据进行整理存储，为汇总分析和上报作数据支持。

　　(2)能源利用状况信息报送系统

　　用能企业可通过该系统将企业本年度的《能源利用状况报告》，报送至市节能监察中心，经初审核后，上传至省节能监察总队审核，而后上报国家有关部门。

　　(3)单位能耗水平识别评价系统

　　利用用能单位能耗数据，对企业用能状况进行分析评价，查找问题。为政府节能管理部门掌握、分析信息和研究节能改造并制定相关政策措施提供科学的依据和平台。

　　(4)决策服务和专家咨询服务系统

　　系统提供直观、简明、快捷的数据信息查询和决策支持服务。对用能企业的能耗进行科学、合理的咨询指导，帮助用能企业做出及时、正确、可行解决方案。

　　(5)能耗预测、能源安全预警系统

　　通过系统掌握用能企业能源购置、使用、消耗及生产情况，对企业的用能情况进行综合的评判和分析，对比同期值和限定值，对能耗超标情况予以预警提示。

　　在获取能源使用的基础上，进行数据挖掘分析，实现能耗的预测分析功能，为政府相关部门的宏观决策提供支撑体系。

　　(6)节能监察及信息发布、法律法规知识培训系统：

　　通过该系统平台，可对省耗能企业做节能监察工作；发布节能法律法规标准以及能源基础知识、能源统计知识、节能监测方法等资料；处理日常节能管理工作相关的公文、通知、公告等。

　　3.3系统网络结构

　　系统把数据信息从各个企业的能源监控中心采集到后台的数据库系统，经分析与处理，提供分析预测和预警功能。同时通过门户网站、无线终端等手段为省、市领导以及相关委办局提供了多方位、可视化的便捷服务。

图4系统结构

　　3.4能耗监测系统产品选型

4、结语

　　总而言之，将大数据应用到公共建筑能耗监测系统中能够大大提高系统的工作效率．一方面，随着监测系统的建设，越来越多的数据开始被记录下来，如何利用这些数据正是每一个从业人员都面临的问题；另一方面，将大数据引用到监测系统中，不仅能够充分对监测系统本身的数据进行挖掘利用，还能够利用到外部数据来提升监测系统的水平，从而建立起一个科学完备的公共建筑能耗监测体系．