大型公共建筑能耗监测系统软件平台框架探讨

【摘　要】本文以大型公建能耗监测系统软件平台框架设计和开发应用为主线，从能耗监测系统的规划建设出发，提出能耗监测软件平台的框架设计和关键技术点的处理方法，并针对北京市能耗监测系统的实际建设应用情况进行了介绍。

【关键字】能耗监测 平台框架 双通道 异步消息中间件 分级授权

1 前言

　　为贯彻落实《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》（国发[2007]15号）、住房和城乡建设部《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理的实施意见》，根据《国家机关办公建筑和大型公共建筑节能监管体系建设实施方案》要求，逐步建立起全国联网的国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台，对全国重点城市重点建筑能耗进行监测，并通过能耗统计、能源审计、能效公示、用能定额和超定额加价等制度，促使国家机关办公建筑和大型公共建筑提高节能运行管理水平，培育建筑节能服务市场，为高能耗建筑的进一步节能改造准备条件。建设部会同财政部选定北京等25个省市作为建立机关和大型公建节能监管体系的示范省市，从2008年开始，启动国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测平台的建设工作，对国家机关办公建筑和大型公共建筑进行能耗分项计量和动态监测。

　　本文首先针对建筑能耗监测系统的框架，包括系统总体框架、网络传输框架和数据流转进行介绍，然后提出了能耗监测系统软件平台的框架设计、系统组成和关键技术点的处理方法，并针对北京市能耗监测的实际运用进行了介绍。

2 能耗监测系统技术框架

2.1 系统总体框架

　　如图1所示，建筑能耗监测系统从能耗数据收集和流转上，可以分为楼宇数据采集、市级数据中心（数据中转站）、省级数据中心和部级数据中心等不同层面。数据首先从楼宇内的采集仪表收集到数据采集器，再从数据采集器通过无线网络或互联网发送到市级数据中心或者数据中转站。市级数据中心和省级数据中心需要对其范围内的建筑能耗进行监测，生成各种分类汇总数据，编制建设行政主管部门、财政部门需要的各类管理报表。另外，市级数据中心还要负责将本中心建筑能耗数据汇总上报给省级数据中心，省级数据中心同样需要汇总能耗数据上报给部级数据中心。



图1 能耗监测系统总体构成图
2.2 网络传输框架

　　网络传输框架分为两个层次：计量终端采集网络和数据远传网络。计量终端采集网络主要指楼宇内从计量装置到数据采集器之间的数据传输网络。计量装置和数据采集器之间应采用符合各相关行业标准的通信协议。数据远传网络即数据远程传输网络，主要是指从数据采集器到数据中转站或者数据中心之间的数据传输网络。数据远传应使用基于IP协议的数据网络，在传输层使用TCP协议。

2.3 数据流转

　　数据流转可以按照流转方向分为数据上行和数据下行。

（1）数据上行

　　能耗数据由计量仪表按照给定的采集频率进行采集，然后经过数据采集器上传到数据中转站或者数据中心。上传到数据中转站的数据会被转发到数据中心，同时，数据中心系统中会融合其他应用系统的数据。

（2）数据下行

　　部级数据中心维护的各种能耗分类数据、能耗分项数据和建筑分类数据的字典数据，省市级数据中心和中转站必须对此保持同步更新。另外，数据采集频率也是由数据中心或者数据中转站通过数据采集器下达到计量仪表的。

3 能耗监测系统软件平台框架设计和组成





图2 能耗监测系统软件平台框架设计图
　　能耗监测系统软件平台包括七个组成部分，即基础信息维护系统、数据采集系统、数据传输接收系统、数据处理（拆分计算）系统、能耗监测数据展示系统、数据上传系统、能耗监测工作协同管理平台。

（1）基础信息维护系统

　　基础信息维护系统主要进行基础信息维护和楼宇配置信息维护。基础信息包括建筑物基本信息、行政区域、建筑物类型、分类分项能耗字典及其他数据字典等。楼宇配置信息包括建筑物能耗采集器信息、计量仪表信息，建筑物用电回路拓扑关系及各个回路计量仪表安装信息，建筑物分类分项能耗与用电回路之间的关系等。

（2）数据采集系统

　　数据采集系统嵌入于楼宇的数据采集器中，采集楼宇内安装的所有计量仪表的信息数据，并通过GPRS传输网络，将这些信息数据发送到数据中心的数据传输接收系统。

（3）数据传输接收系统

　　数据传输接收系统传输接收采集器上传的能耗数据，在完成数据合法性校验和认证后将数据分发给异步消息中间件。数据传输系统采用了双通道技术，双通道指数据传输通道和信息控制通道。

（4）数据处理（拆分计算）系统

　　数据处理（拆分计算）系统根据楼宇方案中用电回路和分项能耗的关系，采用加法、减法、拆分、百分比预估等方式，对原始采集数据进行拆分计算，得到合理的分项能耗数据。

（5）能耗监测数据展示系统

　　能耗监测数据展示系统以数据报表和数据图表的方式，将建筑能耗监测数据展示给最终用户。数据展示的度量值一般包括能耗（或者总能耗）、单位建筑面积能耗、单位空调面积能耗或者其他度量值。展示维度一般包括能耗分类、能耗分项、时间轴（可以细分为逐年、逐月、逐日、任选时间段等）、行政区域、建筑物类型等。

（6）数据上传系统

　　数据上传系统按照部级数据中心针对数据上传的内容和格式的要求，通过定时任务调度子系统，自动从数据中心数据库中提取能耗分类分项数据，合并整理打包后发送到部级数据中心。数据交换格式为XML数据包。

（7）能耗监测工作协同管理平台

　　能耗监测工作协同管理平台是一个针对建筑能耗监测工作进行协同管理的工作平台，能够满足能耗监测管理单位、能耗监测技术支撑单位、能耗监测现场施工服务单位、监理单位、采集器提供商、计量仪表提供商等多方进行协同工作的需要。协作的内容包括建筑能耗监测项目的公告和消息发布，参建方人员的组织、管理和协调，楼宇监测和设备资产管理，流程管理（主要指方案审批和竣工验收等规范化流程），设备网络和计量仪表的监控预警等等。

4 关键技术点处理

　　在能耗监测系统规划和实际实施过程中，会遇到不少关键技术问题。这些问题通过深入调研和实际运行测试，都能得到比较好的解决。

4.1 数据传输接收系统的“双通道”设计

　　数据传输系统采用了双通道技术。“双通道”指在一个物理链路上创建的两个逻辑通道，即数据传输通道和信息控制通道。这两个通道可以在物理上单独部署，数据传输通道主要用于上传采集器采集的仪表数据，信息控制通道主要用于采集器和数据中心服务器进行双向的通信。

　　双通道技术主要的优点是能够使系统在完成采集器数据上传的同时，实现控制采集器的采集周期、采集器状态等辅助功能，而这恰恰是能耗监测系统最主要的任务。随着系统使用的逐步深入，信息控制部分需要不断地升级，而采集数据上传相对而言比较稳定，采用双通道技术可使系统在变更信息控制的时候仍能照常运行。

4.2 异步消息中间件

　　随着楼宇数量的不断增加，服务器的负载逐步加大，数据库的吞吐量可能会成为系统的瓶颈。针对这一问题，可以考虑将数据通信层直接面对数据库的形式，改为由消息中间件进行缓冲。使用异步消息中间件后，可以将数据分发到不同的目标。由此，系统可以随着需求的变动动态扩展，且并不需要停止数据接收，从而方便了服务的升级和调整以及新服务的增加。此外，通过消息中间件将数据接收系统与数据处理系统在逻辑和物理上分离，还能降低耦合系统的逻辑依赖，并可使数据接收系统获得更大的数据吞吐能力。

4.3 扩展性、兼容性及分级授权

　　能耗监测平台会面向不同的服务对象，比如能耗监测管理单位（省、市级建设行政主管部门等）、楼宇甲方、拥有多个监测楼宇的企业等，他们的业务需求不尽相同，所以能耗监测系统应当具有比较好的扩展性、兼容性及分级授权的功能。

　　监测平台应该采用基于服务的松耦合架构，而不是传统的由一个独立执行程序来完成所有任务的架构。基于服务的框架体系，可以根据业务需求和用户的不同，个性化地扩展服务。数据展现UI部分和后台的逻辑相互独立，通过规范化的接口进行通信。

　　在分级授权方面，软件平台的各个子系统由统一的授权中心进行权限验证。权限需要区分为功能性权限和数据范围权限两种类型。

5 北京市能耗监测系统应用介绍

　　北京市建筑能耗监测平台（如图3所示）于2009年4月开始正式投入运行，目前可实现对北京市96栋政府办公建筑和大型公共建筑能耗数据的采集、远程传输、动态监测和数据分析。

　　北京市能耗监测系统共有八个子系统，除了前文所述的七个子系统外，还有一个楼宇能耗监测系统。



图3 北京市建筑能耗监测系统界面
　　楼宇能耗监测系统的主要功能是向楼宇甲方或者拥有多个楼宇的公司提供面向单个楼宇进行能耗监测管理的服务，使之能够按照时间维度对楼宇能耗数据进行横向对比，也能通过系统提供的所在行政区和北京市的能耗平均数据或者所属建筑分类的能耗平均数据，进行多个维度的对比分析，还能进行自身能耗的最高值、最低值及与标杆建筑能耗间的对比分析，从而清楚楼宇本身的耗能定位，及时发现差距和不足，以利于节能改造。此外，系统还能给出本楼宇的月度和年度能耗分析报表，给用户以专业化的指导。

参考文献

１ 《国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知》（国发[2007]15号）

２ 《关于加强国家机关办公建筑和大型公共建筑节能管理工作的实施意见》（建科[2007]245号）

３ 《国家机关办公建筑及大型公共建筑分项能耗数据采集技术导则》

４ 《楼宇计量装置技术导则》

５ 《国家机关办公建筑及大型公共建筑分项能耗数据传输技术导则》

６ 《数据中心建设与维护技术导则》

７ 《能耗动态监测系统建设、验收与运行管理规范》