摘 要：在保證建筑使用舒適度的情況下，為對建筑電力能耗情況實(shí)時(shí)監(jiān)測與預(yù)測，本研究探索基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的建筑能耗感知預(yù)測系統(tǒng)的建設(shè)方法，提出系統(tǒng)架構(gòu)及相關(guān)配置情況，闡述系統(tǒng)的典型應(yīng)用，為能耗感知預(yù)測系統(tǒng)的研發(fā)提供思路，助力實(shí)現(xiàn)建筑運(yùn)行過程中節(jié)約能耗、提高能源使用效率的目的，提高現(xiàn)代化城市管理能力。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) ；建筑能耗預(yù)測 ；能耗監(jiān)測系統(tǒng)

1引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與人口數(shù)量的增加，人們對能源的需求也急速增長，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，全國建筑全過程能耗與碳排放變化總體上呈現(xiàn)出一致性的階段性特點(diǎn) ，2005 年~2019 年 ，我國建筑的全過程能耗由9.34億噸標(biāo)準(zhǔn)煤上升22.3億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，年均增長率 6.3%，建筑全過程碳排放由 22.34 億噸二氧化碳增 長 到 49.97 億 噸 二 氧 化 碳 ，年平均增長率為5.92%，其中 ，2019 年建筑運(yùn)行階段碳排放 21.3 億噸，占全國碳排放的21.6%，雖然年均增長率逐漸放緩，但是建筑運(yùn)行過程中能源消耗依然占很大比重，因此，建筑物的能耗監(jiān)測與預(yù)警成為眾多學(xué)者的研究對象。胡瑩堅(jiān)[1] 為避免地下室中布線困難等問題，開發(fā)了基于 LoRa 技術(shù)的建筑物能耗監(jiān)測系統(tǒng)；陳輝[2] 以建筑物耗能特點(diǎn)為研究對象，在建筑物節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)中提取影響能耗的主要因素，并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對建筑物能耗仿真，提高建筑物能耗評估的智能度；侯驍虎[3] 以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)與軟件開發(fā)技術(shù)為實(shí)現(xiàn)手段，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)外高校在能耗監(jiān)測應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用方面所積累的經(jīng)驗(yàn)，為某高校開發(fā)了校園能耗監(jiān)測綜合管理平臺(tái)。開發(fā)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的電力能耗感知預(yù)測系統(tǒng)，對建筑物電力能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測和監(jiān)控，存儲(chǔ)過往歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測用電高峰期與低谷期，實(shí)現(xiàn)電力資源的“削峰填谷”，可以有效提高能源的使用效率，減少能源浪費(fèi)。

2建筑能耗感知預(yù)測系統(tǒng)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)概述

21世紀(jì)以來，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展迅速，已經(jīng)成為我國信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主要通過前端設(shè)備的布置，將采集到的信號(hào)與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，通過有線或者無線方式將信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸[4] ，實(shí)現(xiàn)對物體的有效定位、識(shí)別等功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)主要分為三層，即：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[4] 。感知層依靠安裝布置在物體上的傳感器設(shè)備，對物體信息采集與發(fā)送，網(wǎng)絡(luò)層在接收到信息后，使用互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)將信息傳送到應(yīng)用層，通過應(yīng)用層對信息進(jìn)行智能處理，實(shí)現(xiàn)物體實(shí)時(shí)監(jiān)控或控制的智能化管理體系。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和通信技術(shù)的進(jìn)步加快了我國智慧城市的發(fā)展進(jìn)程，建筑能耗感知與預(yù)測作為智能建筑的重要分支，也將得到更加廣泛的應(yīng)用。

2.2系統(tǒng)架構(gòu)

建筑能耗感知預(yù)測系統(tǒng)主要依托于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及智慧城市管理平臺(tái)（見圖1），整體系統(tǒng)架構(gòu)根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)基本架構(gòu)分為感知層、傳輸層和應(yīng)用層三部分，應(yīng)用層依據(jù)系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用功能分為能耗數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)及能耗預(yù)測子系統(tǒng)兩部分。

本文研究對象為建筑物的電力耗能，能耗管理子系統(tǒng)對建筑物已發(fā)生的耗能進(jìn)行有效記錄與存儲(chǔ)，能耗預(yù)測子系統(tǒng)根據(jù)傳感設(shè)備采集到的預(yù)測指標(biāo)對建筑物能耗進(jìn)行預(yù)測，便于建筑管理人員對能耗進(jìn)行有效把控。

3系統(tǒng)功能

3.1能耗感知模塊

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的本質(zhì)是通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)物與物之間的相互連接，并實(shí)現(xiàn)物與物之間的信息聯(lián)通和交互[5] 。建筑物能耗的實(shí)時(shí)感知依賴互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的布置，能耗數(shù)據(jù)通過傳感器設(shè)備采集后，利用無線通信技術(shù)傳輸?shù)椒?wù)器，服務(wù)器將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，并在能耗管理平臺(tái)展示能耗情況。

傳感裝置用于采集各類數(shù)據(jù)，包括能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)和環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)用于建筑物能耗實(shí)時(shí)感知，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)用于能耗預(yù)測。能耗感知模塊會(huì)對房間的能耗實(shí)時(shí)監(jiān)測對比，當(dāng)房間內(nèi)的耗能超過歷史消耗能耗的高值時(shí)，則會(huì)在系統(tǒng)頁面對建筑管理人員提示，建筑管理人員不僅可以查看能耗實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，還可對歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分類篩選、搜索等操作，便于管理人員的決策。

3.2 能耗預(yù)測模塊

能耗預(yù)測模塊配合能耗管理系統(tǒng)，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對建筑物未來能耗進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測，合理優(yōu)化用電配置，減少建筑用電浪費(fèi)和碳排放。本研究基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集能耗預(yù)測所需指標(biāo) ，構(gòu)建 BP（Back propagation 反向傳播）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行建筑物能耗預(yù)測，其基本流程如圖2所示，通過傳感器采集室外溫度等所需信息，將采集到的信息傳輸?shù)焦芾砥脚_(tái)，將模型數(shù)據(jù)擬合后便得到建筑能耗預(yù)測結(jié)果，將結(jié)果返回用戶界面。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是一種多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，基于下降法進(jìn)行求解[6] ，能夠模擬人的思維模式對機(jī)制進(jìn)行學(xué)習(xí)，被廣泛地應(yīng)用于建筑領(lǐng)域的能耗預(yù)

測。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)包括輸入層、隱含層與輸出層，在本研究當(dāng)中，輸入層指標(biāo)包括建筑面積、室外溫度、空調(diào)維持溫度以及人員密度四個(gè)指標(biāo)，經(jīng)過擬合后得到建筑物耗電量結(jié)果，即輸出層，其神經(jīng)元個(gè)數(shù)為一，而隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)是通過算法訓(xùn)練過程中的不斷調(diào)整達(dá)到優(yōu)的。

本研究中算法的訓(xùn)練數(shù)據(jù)為天津市中新生態(tài)城某幼兒園的歷史數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集溫度覆蓋-8%至32℃，基本滿足全年所有工況。算法訓(xùn)練完成后進(jìn)行封裝，在進(jìn)行能耗預(yù)測時(shí)將建筑面積、室外溫度、空調(diào)維持溫度以及人員密度四個(gè)指標(biāo)輸入算法，算法經(jīng)過擬合計(jì)算后得到建筑能耗預(yù)測結(jié)果，并將結(jié)果返回用戶界面，如圖2結(jié)果輸出部分所示。

4系統(tǒng)典型應(yīng)用

4.1 信息存儲(chǔ)功能

智慧城市管理平臺(tái)后臺(tái)內(nèi)置數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)建筑能耗歷史數(shù)據(jù)，便于管理者查詢使用的同時(shí)，可用于算法訓(xùn)練優(yōu)化迭代。

4.2 信息查詢功能

可以按照時(shí)間段對能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢篩選，同時(shí)，還可以按照能耗量篩選數(shù)據(jù)，便于管理者分析歷史數(shù)據(jù)，合理制定能源使用策略。

4.3 能耗異常預(yù)警功能

系統(tǒng)可對能耗實(shí)時(shí)感知，并與歷史平均數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若出現(xiàn)過高或過低的異常情況，則在管理平臺(tái)中顯示警報(bào)，提示建筑管理人員對該建筑或房間的能耗情況進(jìn)行調(diào)查。

4.4 能耗預(yù)測功能

構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集相關(guān)指標(biāo)，自動(dòng)預(yù)測耗電量，得到某一房間或建筑的預(yù)測耗能，給建筑管理人員的能源分配決策提供指導(dǎo)。

5 Acrel-EIOT能源物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

（1）概述

Acrel-EIoT能源物聯(lián)網(wǎng)開放平臺(tái)是一套基于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中臺(tái)，建立統(tǒng)一的上下行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，為互聯(lián)網(wǎng)用戶提供能源物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的平臺(tái)。用戶僅需購買安科瑞物聯(lián)網(wǎng)傳感器，選配網(wǎng)關(guān)，自行安裝后掃碼即可使用手機(jī)和電腦得到所需的行業(yè)數(shù)據(jù)服務(wù)。

該平臺(tái)提供數(shù)據(jù)駕駛艙、電氣安全監(jiān)測、電能質(zhì)量分析、用電管理、預(yù)付費(fèi)管理、充電樁管理、智能照明管理、異常事件報(bào)警和記錄、運(yùn)維管理等功能，并支持多平臺(tái)、多語言、多終端數(shù)據(jù)訪問。

（2）應(yīng)用場所

本平臺(tái)適用于公寓出租戶、連鎖小超市、小型工廠、樓管系統(tǒng)集成商、小型物業(yè)、智慧城市、變配電站、建筑樓宇、通信基站、工業(yè)能耗、智能燈塔、電力運(yùn)維等領(lǐng)域。

（3）平臺(tái)結(jié)構(gòu)

（4）平臺(tái)功能

電力集抄

電力集抄模塊可以實(shí)現(xiàn)對各種監(jiān)測數(shù)據(jù)的查詢、分析、預(yù)警及綜合展示，以保證配電室的環(huán)境友好。在智能化方面實(shí)現(xiàn)供配電監(jiān)控系統(tǒng)的遙測'、遙信、遙控控制，對系統(tǒng)進(jìn)行綜合檢測和統(tǒng)一管理；在數(shù)據(jù)資源管理方面，可以顯示或查詢供配電室內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行（包括歷史和實(shí)時(shí)參數(shù)，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行日報(bào)、月報(bào)和年報(bào)查詢或打印，提高工作效率，節(jié)約人力資源。

變壓器監(jiān)控

配電圖

能耗分析

能耗分析模塊采用自動(dòng)化、信息化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從能源數(shù)據(jù)采集、過程監(jiān)控、能源介質(zhì)消耗分析、能耗管理等全過程的自動(dòng)化、科學(xué)化管理，使能源管理、能源生產(chǎn)以及使用的全過程有機(jī)結(jié)合起來，運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)，進(jìn)行離線生產(chǎn)分析與管理，實(shí)現(xiàn)全廠能源系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度，優(yōu)化能源介質(zhì)平衡、有效利用能源，提高能源質(zhì)量、降低能源消耗，達(dá)到節(jié)能降耗和提升整體能源管理水平的目的。

能耗概況

預(yù)付費(fèi)管理

1）登陸管理：管理操作員賬戶及權(quán)限分配，查看系統(tǒng)日志等功能；

2）系統(tǒng)配置：對建筑、通訊管理機(jī)、儀表及默認(rèn)參數(shù)進(jìn)行配置；

3）用戶管理：對商鋪用戶執(zhí)行開戶、銷戶、遠(yuǎn)程分合閘、批量操作及記錄查詢等操作；

4）售電管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售電、退電、沖正及記錄查詢等操作；

5）售水管理：對已開戶的表進(jìn)行遠(yuǎn)程售水、退水、記錄查詢等操作；

6）報(bào)表中心：提供售電、售水財(cái)務(wù)報(bào)表、用能報(bào)表、報(bào)警報(bào)表等查詢，本系統(tǒng)所有的報(bào)表及記錄查詢，都支持excel格式導(dǎo)出。

預(yù)付費(fèi)看板

充電樁管理

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時(shí)對各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營的所有功能，包括城市級(jí)大屏、交易管理、財(cái)務(wù)管理、變壓器監(jiān)控、運(yùn)營分析、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理等功能。

智能照明

智能照明通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對安裝在城市各區(qū)域的室內(nèi)照明、城市路燈等照明回路的用電狀態(tài)進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測，也可以實(shí)現(xiàn)定時(shí)開關(guān)策略配置及后臺(tái)遠(yuǎn)程管理和移動(dòng)管理等，降低路燈設(shè)施的維護(hù)難度和成本，提升管理水平，并達(dá)到一定節(jié)能減掛的效果。

監(jiān)控頁面

安全用電

安全用電采用自主研發(fā)的剩余電流互感器、溫度傳感器、電氣火災(zāi)探測器，對引發(fā)電氣火災(zāi)的主要因素（導(dǎo)線溫度、電流和剩余電流）進(jìn)行不間斷的數(shù)據(jù)跟蹤與統(tǒng)計(jì)分析，并將發(fā)現(xiàn)的各種隱患信息及時(shí)推送給企業(yè)管理人員，指導(dǎo)企業(yè)實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間的排查和治理，達(dá)到消除潛在電氣火災(zāi)安全隱患，實(shí)現(xiàn)“防患于未然”的目的。

智慧消防

通過云平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、挖掘和趨勢分析，幫助實(shí)現(xiàn)科學(xué)預(yù)警火災(zāi)、網(wǎng)格化管理、落實(shí)多元責(zé)任監(jiān)管等目標(biāo)。填補(bǔ)了原先針對“九小場所”和危化品生產(chǎn)企業(yè)無法有效監(jiān)控的空白，適應(yīng)于所有公建和民建，實(shí)現(xiàn)了無人化值守智慧消防，實(shí)現(xiàn)智慧消防“自動(dòng)化”、“智能化”、“系統(tǒng)化”、用電管理“精細(xì)化”的實(shí)際需求。

（5）系統(tǒng)硬件配置

6結(jié)論

綜上所述，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)步和智慧城市的發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建建筑物能耗感知預(yù)測系統(tǒng)，可以使建筑物能耗可視化、存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)、賦能城市管理水平、提高建筑管理能力以及能源使用效率。