周颖
安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定 201801
摘要：当前各公共建筑能耗监测系统存在服务对象较局限、通用性不足等问题，为了适应能耗大数据管理的发展要求，本文提出构建公共建筑能耗大数据管理平台，并对其功能模型和总体结构进行研究和设计。面向不同气候区域、不同规模的公共建筑用户群体，该平台将提供节能管理以及能源运营托管等服务。
关键词：建筑能源管理；大数据
1 引言
随着全国省市级公共建筑能耗监测平台的建设以及一直在国内推行的公共建筑分项计量及监测系统建设，各类系统已经积累了大量的公共建筑历史能耗监测数据，这些数据资源为公共建筑的节能评价、能耗管理和决策产生不少价值。但是，公共建筑能耗数据源在地域上各自相对独立且分散，各地能耗监测系统及其数据规范也不尽相同，没有统一的组织和管理模式等，这些因素使得建筑能耗数据共享困难，且无法获得同行业间的能耗横向对比数据，公共建筑能耗数据的用户在节能管理方面也难以得到更多的定量化认识和指导。
针对当前各公共建筑能耗监测系统的服务对象较局限、通用性和开放性不足等问题，适应大数据管理的发展要求，研究构建开放式的公共建筑能耗大数据管理平台（以下简称“平台”），以大数据平台管理关键技术为基础，将数据库系统、应用系统等进行集成整合，面向不同气候区域、不同规模的公共建筑、不同用户群体的需求，构建能耗数据在线云端数据中心，实现能耗监测数据的采集传输、数据修复、储存、展示分析，并实现公共建筑能效评价、能耗预测与诊断等功能。
2 平台功能模型设计
遵循国家标准、行业标准和企业内部标准规定，平台需接入计量仪表、环境传感和暖通空调等多种类型的底层设备，并通过这些底层设备实现对物理世界的感知和控制操作。
图 1 平台功能模型设计示意图
图1是平台功能模型的设计示意图，该模型在设计时考虑了不同规模客户数据接入的需要。
对于大型客户和标杆客户（比如大型医院、商业综合体等），客户通常选择自行建设硬件基础设施并在本地安装部署建筑能耗管理系统，接入数据进行处理；
对于中小型客户（比如单幢建筑），可将前置网关采集的数据直接传至云端通信网关，云端以SaaS方式、采用租户的形式提供能源管理相关服务。与此同时，企业级和云端级的数据服务部分提供开放接口，可供第三方应用开发者调用和研发新型应用，为建筑能效评价、能耗预测与诊断等高级功能应用提供方便。
SaaS模式最为显著的特点就是提供多租户服务，而多租户目的则是为了在多用户环境下使用同一套程序，且保证用户间数据隔离。面向SaaS多租户，结合建筑能耗管理的业务需求，平台需要提供建筑能耗数据统计分析、能耗信息展示等功能。基于此需求，对平台的多租户模型进行了设计，如图2所示，它为接入各地不同的能耗监测系统、实现各租户统一的组织管理及能耗数据共享提供前提。
图 2 平台多租户模型设计图
3 平台总体结构设计
平台的总体结构设计如图3所示，计划由两个子系统、共计五个功能部分组成。其中，两个子系统是指
能耗监测子系统和租户管理子系统，二者是独立部署的Web系统，前者面向租户提供能耗数据采集、监测、分析、告警等业务功能，后者则完成平台接入租户、进行维护等管理功能。
图 3 平台结构设计图
五个功能的组成部分包括：
（1）数据存储。包括应用数据库、数据服务平台和缓存库三种，其中应用数据库存储能耗监测子系统所需的应用和配置数据；数据服务平台作为能耗监测数据的数据源；缓存库则作性能优化的用途。
（2）公共框架。用于对数据库、数据服务平台、缓存库等数据源访问进行封装，并为权限管理、日志访问、页面公共工具等公共功能提供统一支持。
（3）后台服务。指需要在后台进行持续运行和计算的任务，包括信息推送、诊断分析、告警接收、报告报表的自动生成和推送等。
（4）能耗监测页面。完成能耗监测子系统的Web交互功能。WEB页面交互支持用户登录的方式来访问系统，并根据用户的权限进行功能展示和操作。
（5）租户管理页面。完成租户管理子系统的Web交互功能。
3.1 能耗数据存储及服务模块
能耗数据存储及服务模块是平台的底层数据源。针对各地建筑能耗监测系统的能耗数据结构不同、数据共享困难的问题，由平台侧设计统一的基础信息表、采集标准和数据接入协议，对来自各租户的接入数据进行规范。在采集数据规范的基础上，平台考虑引入OLAP服务引擎技术，来完成能耗数据存储、数据统计和数据分析等数据服务。OLAP在线分析处理是一种共享多维信息的快速分析技术，其基本多维分析操作有钻取、切片和切块以及旋转等。Kylin则是分布式分析引擎，它将SQL接口与多维分析机制（OLAP）引入Hadoop，旨在对规模极为庞大的数据集加以支持。在本平台的设计中，采用Hadoop/Hbase/Hive实现能耗数据的数据仓库功能，并对应地部署 Kylin 提供OLAP查询分析功能，以达到对动态能耗数据的准实时统计分析。通过研究，平台KylinOlap查询分析流程的设计如图4所示。该流程设计的解释如下：
（1）数据生成模块FileManager监听二次采样数据，每小时生成一个能耗数据文件；
（2）Olap模块每小时获取一次能耗数据文件并入库Hive ，然后生成mapReduce任务进行立方创建；
（3）创建完的立方文件入库 Hbase，当Olap收到查询请求时查询Hbase并返回数据；
（4）针对手动修复能耗数据和数据着色的场景，数据生成文件模块提供接口，能够主动去查询mysql各个租户库中特定时间段内的数据，并生成对应的数据文件提供给Olap模块进行重新统计；
图 4 平台 KylinOlap 流程
（5）针对数据修复，数据生成模块会监听新的主题（topic），实时监听所有需要修复的数据。对外部接口传入的数据，每修改一条原数据就通知一条，然后在数据生成模块对所有的传入数据进行清洗、保存，后续传入的数据若已经包含在缓存数据中，则直接抛弃。到了指定的周期节点，将缓存中数据进行处理，直接生成对应的数据文件，最终由统计模块对数据进行处理，刷新立方；
（6）将整个统计模块由全量统计修改为增量统计，这样每次刷新立方就需要带上时间区间；另外，数据修复后，需要有触发机制，触发已存在的立方进行重新刷新。
3.2 公共框架模块
公共框架模块的功能包括用户权限校验、日志管理、数据库访问、页面公共工具（如能耗单位换算）等。其中，用户权限包含功能权限和数据权限，功能权限主要使用基于角色的访问模型控制和按钮级别的访问控制，而数据权限则主要使用基于能耗分类分项、时间、组织、区域等维度的访问控制，管理员给用户分配相应的维度权限，来控制用户访问对应维度标签的数据。
3.3 后台服务模块
后台服务模块提供了基于Spring框架的多线程调度控制机制。所有后台任务在创建时，都需要通过注解的方式，向框架任务管理器注册任务，并由任务管理器根据系统的实时负载情况，进行统一的并发控制和调度。后台服务模块包括信息推送、告警接收、诊断分析、报告报表服务。同时，它还将执行应用服务一些预配置的数据计算。
3.4 租户管理模块
租户管理模块的基本功能包括租户查询、添加租户、租户资料修改、启用/禁用租户、修改密码、密码找回等功能。
租户类型模板根据租户类型划分，每种租户类型对应一个模板，例如，预定义租户类型模板可以是医疗类、商业建筑类和机场类。每种租户类型模板分三部分信息：通用信息、基本信息和经营信息。
通用信息是指所有租户类型模板都具备的内容项，包含名称、别名、租户类型、总体介绍、地点、位置（坐标）、联系方式、与其他租户关系（上下级）、租期、当前有效状态等。
基本信息是指各租户类型特有的、扩充的基础内容项，比如医疗类租户包含总建筑面积、各院区面积、医院等级、医院类别、编制床位数、开放床位数。
经营信息是指各租户类型经营性内容项，比如医疗类租户包含年度/月度/日的门急诊人次、平均住院日、年住院床日、年总收入。
3.5 服务中心及应用的页面交互模块
服务中心的页面交互包含用户注册、用户登录、权限管理、局点/项目管理等。能耗监管应用的交互页面则包含能耗对比、能耗排名、报告报表等。
RESTful Web Services（REST式的Web服务）是一种遵守REST式风格的Web服务。REST式的Web服务是一种ROA（面向资源的架构）的应用。平台中数据服务模块将通过REST风格的WebService接口实现与能耗监管应用的交互，实现各租户下不同用户权限设置、消息订阅设置、对实时数据操作、历史数据统计、预测/基准数据查询、业态对象配置等功能的需求，并通过总线实现与平台其他模块的数据和消息交互。
4 平台设计的优势
相较于当前已有的各公共建筑能耗监测系统，本平台架构研究的原则着重在更好的开放性、更强的可扩展性和更利于数据集成性这几个方面。平台设计的优势主要体现在如下几点：
(1)面向大数据管理的要求。平台结构支持大规模可伸缩，并为上层应用提供统一通用的数据/控制服务接口，满足了大数据管理所要求的虚拟、通用和高可用性。
(2)数据存储更易管理。可以采用数据云的方式统一部署平台数据中心，实现数据的集中管理，更有利于集成和互操作。
(3)运维模式更先进。不同于之前单个项目独立运营的方式，基于云端数据建立集中统一的平台，不仅有助于提高能源管理效率，而且数据维度的增加更有利于能效分析的全面性和准确性。
(4)服务对象更广泛。平台强调在安全的前提下，面向公共建筑的业主、业务管理方、运营管理人员，甚至终端客户和总部管理方提供全面的数据和业务支持服务。
5 安科瑞能耗在线监测系统介绍
5.1 系统概述
Acrel-5000建筑能耗监测系统是用户端能源管理分析系统，在电能管理系统的基础上增加了对水、气、煤、油、热(冷)量等集中采集与分析，通过对用户端所有能耗进行细分和统计，以直观的数据和图表向管理人员或决策层展示各类能源的使用消耗情况，便于找出高耗能点或不合理的耗能习惯，有效节约能源，为用户进一步节能改造或设备升级提供准确的数据支撑。
5.2 应用场所：
（1）办公建筑（商务办公、国家机关办公建筑等）；
（2）商业建筑（商场、金融机构建筑等）；
（3）旅游建筑（宾馆饭店、娱乐场所等）；
（4）科教文卫建筑（文化、教育、科研、医疗卫生、体育建筑等）；
（5）通信建筑（邮电、通信、广播、电视、数据中心等）；
（6）交通运输建筑（机场、车站、码头建筑等）。
5.3系统功能
（1）登陆界面
系统可以根据客户要求定制个性化的系统登录界面，登录界面所用的图片、 Logo等由用户提供。
（2）综合能耗展示
系统登陆成功进入主页面，主页面显示该建筑的建筑图片，建筑基本信息,建筑当月分项用电饼图和各种能源的消耗量。
（3）支路能耗概况
系统可以根据分类能耗的支路名称查询用能情况，显示当日和当月的用能峰值（电能对应最大需量值）、当日用能、当月用能、当年用能以及昨天同期用能、上月同期用能、上年同期用能的比较情况。
（4）支路用能
系统可以统计各支路某段时间内逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能。
（5）分项能耗概况
系统可以按照动力、空调、插座等分项进行能耗统计与显示，支持用能饼图显示各分项过去31天的用能占比；堆积图显示各分项过去31天的能耗趋势；分项用能排名图显示被选中分项对应能耗值排名前10位的支路。
（6）分项用能
系统可以统计各分项某段时间内逐日、逐周、逐月、逐季、逐年用能（这里的支路须通过基础数据中分类分项的配置。）
（7）部门能耗概况
系统可以按照部门进行能耗统计与显示，并进行日同比分析图，饼图显示各部门过去31天的用能占比；堆积图显示各部门过去31天的能耗趋势；部门绩效考核对比图显示实际用能和用能目标值，当实际用能值大于目标值时，实际值标为红色。
（8）区域能耗概况
系统可以按照区域进行能耗统计与显示，日分项用能同比分析图显示不同区域的当日与昨日能耗柱状图；饼图显示各区域过去31天的用能占比；堆积图显示各区域过去31天的能耗趋势；区域用能排名图中显示被选中区域对应能耗值排名前10位的支路。
（9）参数查询
查询各回路戓支路某段时间内的参数，以曲线的形式反映趋势（具体可以查询的参数与安装的仪表有关，查询时不能跨月，且绘制曲线时以1分钟为间隔），电力参数可以多选。
（10）数据检查
系统可以统计某段时间内各回路与下级支路的用能差值，超过一定百分比后醒目显示（红色区域），确保计量体系的完整性、准确性。
（11）非工作日用能分析
系统可统计各支路工作日与非工作日的能耗情况。此处的工作日和非工作日是在基础数据中非工作日设置中配置的非工作日。
（12）能耗数据同比环比分析
系统可将各种类型（电、水、气）和各主要耗能设备的能耗与去年同期值和上月值进行同比环比分析，检验节能效果，根据分析结果执行节能绩效考核，以及节能目标的修正。
（13）分时段用能统计
在仪表带有复费率统计功能的前提下，系统可以采集电表内尖、峰、平、谷参数，并将数据存储到数据库中方便后期查询。不同时段可以分别设置用电单价，统计报表会呈现出分时段电能值与电费。
（14）日月年报表
系统提供方便的日月年报表统计功能，通过选择不同回路，报表类型，查询日期，生成对应报表。选中报表中的某一行数据，会自动显示对应的柱状图。
（15）仪表网关断线报警
系统通过能耗网关采集数据时，可以获得仪表的通讯状态。当系统判断仪表通讯中断时间大于10分钟时或网关通讯中断时间大于20分钟时，系统会弹窗或者通过铃铛报警，显示当前通讯中断的仪表或者网关。
（16）图表导出
系统可将分析统计的曲线、棒图、报表导出到Excel格式文件，以便于用户数据二次利用。
（17）用户管理
系统用户权限管理采用分级模式，为系统管理员、后勤管理人员、设备维护人员三级，进行访问权限管理，防止未授权的访问，并对所有操作自动进行带时标事件记录，可建立良好的反事故措施。
（18）基础信息配置与维护
系统可根据项目实际情况配置每块智能仪表所属的能耗类型和分项、归属区域、设备类型，这些数据将作为用能分析的基础信息。
（19）人工录入数据
系统提供数据手工录入功能，可录入仪表每天的抄表值与每天的用能值，用于后期报表统计。
（20）远程访问功能(C/S模式)
系统采用C/S架构设计，在任意一台连接广域网的计算机上安装Acrel-5000建筑能耗监测系统客户端软件即可实时访问该能耗监测系统。
5.4 系统网络结构
AcrelCloud-5000能耗管理云平台采用分层组网架构，将系统分为设备层、网络层、应用层。
设备层：设备层作为平台数据来源的基础，通过仪表与传感器对参数进行监测和计量。
网络层：网络层通过强大的协议转换功能将采集到的设备层的数据传递到应用层，起到承上启下的作用。
应用层：应用层对设备层的数据进行分类、存储、统计分析，通过友好的人机界面为用户提供优质的体验。
图5 系统结构
5.5 能耗监测系统产品选型
6 结论
为了加强公共建筑节能监测工作，国家有关部门已明确提出要建立节能信息服务及披露机制的要求，并应充分整合公共建筑能耗统计、能源审计及能耗动态监测数据信息，构建面向政府、市场、业主、金融机构、社会团体等利益相关方的公共建筑节能信息服务平台 。
为了落实这些要求，在公共建筑能耗大数据管理平台的设计考虑中，重点强调利用大数据技术，并将能耗数据中心与具体应用模块间完全解耦，着力构建面向跨区域的能效管理数据云，以充分满足绿色建筑能耗管理的应用需求，提供节能管理、用能安全以及能源运营托管等服务。
【参考文献】
[1]詹少伟，沈慧强，金宝云.基于云计算的医院能耗管理系统研究 [J].低碳世界 ,2016 （ 34 ） :152-153.
[2]詹少伟,苗升伍. 公共建筑能耗大数据管理平台架构研究.
[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版.
作者简介：周颖，女，本科，现就职于安科瑞电气股份有限公司，主要研究方向为重点用能单位能耗在线监测。邮箱:2880956070@qq.com；手机：18721095851（微信同号）；QQ：2880956070