“十二五”以及即將到來的“十三五”將是我國工業(yè)體系低碳發(fā)展和全面轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵時(shí)期，當(dāng)前霧霾及污染物排放的嚴(yán)峻形勢已嚴(yán)重影響了我國人民的生活及國家形象，為徹底改變這種局面，我們務(wù)必要把“樹立綠色、低碳發(fā)展理念，以節(jié)能減排為重點(diǎn)，健全激勵(lì)和約束機(jī)制，加快構(gòu)建資源節(jié)約、環(huán)境友好的生產(chǎn)方式和消費(fèi)模式，增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展能力”作為“十二五”乃至相當(dāng)一段時(shí)期內(nèi)國家重要發(fā)展戰(zhàn)略之一。
作為全面指導(dǎo)我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)建設(shè)的規(guī)劃綱要，中央強(qiáng)調(diào)堅(jiān)持把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)作為加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的重要著力點(diǎn)，加強(qiáng)資源節(jié)約和管理，落實(shí)節(jié)約優(yōu)先戰(zhàn)略，全面實(shí)行資源利用總量控制、供需雙向調(diào)節(jié)、差別化管理。其中，建立健全重點(diǎn)能耗排放企業(yè)能耗在線監(jiān)測閉環(huán)管控系統(tǒng)是關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)手段之一。
自2009 年工業(yè)和信息化部聯(lián)合財(cái)政部在全國鋼鐵、化工等行業(yè)全面推進(jìn)工業(yè)企業(yè)能源管理中心建設(shè)以來，全國各重點(diǎn)耗能企業(yè)建成了多個(gè)能源管控中心，通過先進(jìn)的自動(dòng)化和信息化技術(shù)手段，各高耗能行業(yè)能源管理工作逐步走向精細(xì)化和規(guī)范化，并取得了一定的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益。但是目前建成的能源管理系統(tǒng)也存在如下問題。
（1）能源管理平臺(tái)作為獨(dú)立的軟件系統(tǒng)存在，關(guān)鍵功能在于展現(xiàn)能耗分類指標(biāo)，未能與生產(chǎn)控制系統(tǒng)結(jié)合起來，難以實(shí)現(xiàn)能耗自動(dòng)化、智能化監(jiān)視及反向控制的目標(biāo)。
（2）能耗平臺(tái)的數(shù)據(jù)主要來源于智能水表、電能表、氣表的數(shù)據(jù)。雖然對(duì)于重點(diǎn)設(shè)備的管理可以獨(dú)立安裝表計(jì)，但是常規(guī)管理還是單個(gè)或單類回路安裝一臺(tái)電能表，所以難以做到檢測每個(gè)用能端的能耗狀況，能耗細(xì)分的顆粒度相對(duì)較粗。
（3）使用單機(jī)版軟件，在獨(dú)立廠區(qū)安裝和使用不太容易出現(xiàn)運(yùn)行故障。但是，當(dāng)按照規(guī)范要求在區(qū)縣、省市、國家部委級(jí)別部署安裝單機(jī)版軟件時(shí)，非常容易出現(xiàn)因數(shù)據(jù)量過大，軟件運(yùn)行和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)困難的問題。
（4）前期能源管理平臺(tái)分散部署，工業(yè)能耗大數(shù)據(jù)沒有得到充分利用，后期該平臺(tái)要求現(xiàn)場級(jí)、區(qū)縣級(jí)、省市級(jí)和部委級(jí)分別部署服務(wù)器，無形中又增加了后臺(tái)投入和維護(hù)成本，特別是現(xiàn)場級(jí)的維護(hù)和管理水平不滿足系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行的需求。
1.物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)
云計(jì)算技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的提出和快速發(fā)展，為解決上述能源管理系統(tǒng)存在的問題提供了全新的思路。
概括地講，云計(jì)算是一種基于信息技術(shù)支持能力（硬件與軟件）、極富彈性（增加與減少的），并通過網(wǎng)絡(luò)以服務(wù)形式提供給客戶的公共設(shè)施。這種模式實(shí)現(xiàn)了計(jì)算資源（主要是指服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)三大資源）的高度集中，即將分布在各地的計(jì)算資源整合為一個(gè)虛擬的統(tǒng)一資源，實(shí)現(xiàn)按需獲取、按量付費(fèi)，就像用電和用自來水一樣方便。因此，云計(jì)算時(shí)代將徹底改變整個(gè)信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的生態(tài)環(huán)境，無論是基礎(chǔ)設(shè)施、計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備制造，還是軟件都將發(fā)生巨大的變化。
“大數(shù)據(jù)”是一個(gè)數(shù)量特別多，數(shù)據(jù)類別特別大的數(shù)據(jù)集。大數(shù)據(jù)技術(shù)是指從各種各樣類型的巨量數(shù)據(jù)中，快速獲得有價(jià)值信息的技術(shù)。目前所說的“大數(shù)據(jù)”不僅指數(shù)據(jù)本身的規(guī)模，也包括采集數(shù)據(jù)的工具、平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。大數(shù)據(jù)研發(fā)目的是發(fā)展大數(shù)據(jù)技術(shù)并將其應(yīng)用到相關(guān)領(lǐng)域，通過解決巨量數(shù)據(jù)處理問題促進(jìn)其突破性發(fā)展。
2005 年，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布了《ITU 互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》，對(duì)“物聯(lián)網(wǎng)”的涵義進(jìn)行了擴(kuò)展。廣義上，物聯(lián)網(wǎng)是通過各種感知設(shè)備和互聯(lián)網(wǎng)，連接物體與物體的，全自動(dòng)、智能化采集、傳輸與處理信息的，實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地和科學(xué)管理的一種網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)化、物聯(lián)化、互聯(lián)化、自動(dòng)化、感知化、智能化是物聯(lián)網(wǎng)的基本特征。
可以將物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)聯(lián)姻，作為一個(gè)新興信息科技的嫁接應(yīng)用在能源管理系統(tǒng)中，運(yùn)用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和基于大數(shù)據(jù)分析的反饋閉環(huán)智能控制技術(shù)，對(duì)高耗能流程工業(yè)企業(yè)的用能設(shè)備進(jìn)行在線實(shí)時(shí)能源監(jiān)控及管理、同時(shí)進(jìn)行海量設(shè)備能耗數(shù)據(jù)挖掘分析，在數(shù)據(jù)采集和分析基礎(chǔ)之上，通過仿真模型和現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行工況，進(jìn)行閉環(huán)反饋能效優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)可視化、達(dá)到能耗排放最優(yōu)化，并為企業(yè)能源管理部門及政府能源管理機(jī)構(gòu)提供節(jié)能減排信息化服務(wù)。
2.構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的能源管理平臺(tái)
2.1 系統(tǒng)架構(gòu)
基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析的工業(yè)企業(yè)能源管理平臺(tái)總體架構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)包含三層：傳感器感知和數(shù)據(jù)采集層、云平臺(tái)與大數(shù)據(jù)分析層、應(yīng)用顯示層。主要內(nèi)容涵蓋了工業(yè)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)及能耗排放的感知層數(shù)據(jù)采集、基于分布式控制系統(tǒng)（DCS）的分布式閉環(huán)控制、云平臺(tái)大數(shù)據(jù)分析、以及相關(guān)的接口/ 協(xié)議/ 標(biāo)準(zhǔn)等。
圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖
系統(tǒng)主要建設(shè)思路基于以下幾點(diǎn)：
（1）能源管理平臺(tái)需要與工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)緊密關(guān)聯(lián)，在成為檢測系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)“檢測、控制、執(zhí)行和反饋”的閉環(huán)邏輯控制，這樣使能耗管理和控制結(jié)合起來，成為能源管理和控制平臺(tái)。
（2）能源管理平臺(tái)軟件采用云計(jì)算技術(shù)架構(gòu)，滿足跨區(qū)域城市級(jí)別工業(yè)現(xiàn)場的管控需求，實(shí)現(xiàn)無限量用戶登陸，后臺(tái)存儲(chǔ)采用云存儲(chǔ)方式滿足隨需增加的無限量后臺(tái)存儲(chǔ)空間，從社會(huì)節(jié)能大角度入手，減少并降低后臺(tái)投入、維護(hù)、管理等成本。
（3）采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)能耗采集和傳輸設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，每臺(tái)設(shè)備具有全球唯一身份識(shí)別的IP 地址碼，便于使被其管理的能耗數(shù)據(jù)具有身份識(shí)別功能。能耗采集和傳輸設(shè)備除具有數(shù)據(jù)發(fā)送和傳輸功能外，還具有數(shù)據(jù)分層存儲(chǔ)、處理和分析功能，便于能源管控平臺(tái)做數(shù)據(jù)校驗(yàn)和核準(zhǔn)，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。
（4）盡可能將能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)顆粒度最小化，爭取監(jiān)測到每個(gè)用能端的能耗數(shù)據(jù)和用能趨勢，這樣才能實(shí)施有針對(duì)性的節(jié)能減排措施。
（5）能源管理平臺(tái)增加第三方監(jiān)測和評(píng)估接口，實(shí)現(xiàn)公平、公正、開放的監(jiān)督體系，使節(jié)能效果和過程透明化。系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程如圖2 所示。
圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程圖
2.2 數(shù)據(jù)感知采集與監(jiān)控系統(tǒng)
數(shù)據(jù)感知與監(jiān)控系統(tǒng)基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)DCS 技術(shù)，同時(shí)支持傳統(tǒng)信號(hào)采集控制網(wǎng)絡(luò)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和電氣信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)集成，形成各個(gè)不同監(jiān)控領(lǐng)域的信息共享。
數(shù)據(jù)感知與監(jiān)控系統(tǒng)主要分為現(xiàn)場層、控制層、監(jiān)控層三個(gè)子層，如圖3 所示。現(xiàn)場層主要由傳統(tǒng)的各種溫濕度儀表、壓力傳感器、流量計(jì)、智能計(jì)量表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、智能電氣保護(hù)裝置等組成。控制層分為三種：傳統(tǒng)儀表信號(hào)采集控制、無線傳感器信息采集和電氣監(jiān)控信息采集。監(jiān)控層主要有工程師站、操作員站、歷史站、數(shù)據(jù)接口站，其中數(shù)據(jù)接口站用于連接能源管理云計(jì)算平臺(tái)與數(shù)據(jù)挖掘中心。
圖3 數(shù)據(jù)感知與監(jiān)控系統(tǒng)圖
系統(tǒng)采用多種IT 和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用來構(gòu)建從現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集網(wǎng)到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和開放式應(yīng)用的完整工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，系統(tǒng)所具有的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)特征包括：①基于多種類型的通用、專用傳感器采集系統(tǒng)；②支持通過現(xiàn)場總線、無線技術(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；③提供大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和開放式的應(yīng)用平臺(tái)；④提供基于多種終端設(shè)備的一致使用體驗(yàn)，包括信息發(fā)布及事務(wù)流程處理等；⑤一體化的安全策略，建立從現(xiàn)場采集端到站控端，一直到遠(yuǎn)程應(yīng)用平臺(tái)、各類終端產(chǎn)品的自上而下完整安全體系，在現(xiàn)場采集端使用了首創(chuàng)的工業(yè)自動(dòng)化安全信息控制器產(chǎn)品，集成了現(xiàn)有工業(yè)控制器和安全網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，有效抵御各種外來和內(nèi)在的現(xiàn)實(shí)和潛在威脅。
同時(shí)，電氣控制信息與過程控制信息采用一體化系統(tǒng)平臺(tái)。從智能工廠的發(fā)展趨勢看，目前電廠、化工、石化、鋼鐵、建材等各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，每個(gè)行業(yè)從設(shè)計(jì)院到工廠用戶，都分為兩個(gè)專業(yè)，電氣和自控系統(tǒng)各自為政，導(dǎo)致電氣自動(dòng)化和過程自動(dòng)化各自獨(dú)立發(fā)展，造成各自動(dòng)化系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，部分功能重復(fù)建設(shè)，不能發(fā)揮自動(dòng)化系統(tǒng)的整體優(yōu)勢。電氣控制系統(tǒng)和生產(chǎn)控制系統(tǒng)的一體化是未來智慧工廠的必然趨勢。電氣控制信息與過程控制信息采用一體化系統(tǒng)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)信息共享，有利于更好的對(duì)工廠的各種生產(chǎn)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、節(jié)能分析、故障預(yù)警、安全隱患分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、遠(yuǎn)程化、高可靠性的智慧工廠。
2.3 數(shù)據(jù)挖掘分析及管理
（1）能耗數(shù)據(jù)分析。
綜合能源管理大數(shù)據(jù)平臺(tái)基于能耗排放數(shù)據(jù)在廣度和深度上的大量采集，通過對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行KPI 相關(guān)性分析、同類用能場所KPI 波動(dòng)規(guī)律發(fā)現(xiàn)、大規(guī)模用能設(shè)備能耗特性聚類分析等數(shù)據(jù)分析手段，輔以友好的數(shù)據(jù)可視化呈現(xiàn)方法，最終建立用能場所能耗模型，確立標(biāo)桿用能單元，總結(jié)用能規(guī)律，發(fā)現(xiàn)節(jié)能空間，提供節(jié)能趨勢引導(dǎo)咨詢信息，最終達(dá)到節(jié)能減排、幫助企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。
（2）數(shù)據(jù)可視化。
能耗數(shù)據(jù)分析的結(jié)果展示， 主要采用Flash、XML、JSON、Ajax、JQuery 等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。提供通用和個(gè)性訂制化的數(shù)據(jù)分析服務(wù)，包括對(duì)可視化數(shù)據(jù)的下鉆、上卷、切片、分塊以及自定義可視化報(bào)表等。
溫度及能效云場以及用能場所用3D 呈現(xiàn)，如圖4 所示。
圖4 用能場所3D 場景及CFD 溫度及能效云場
在呈現(xiàn)端主要通過3D 建模，然后集成3D 引擎，最終封裝在3D 模型并填充數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。溫度及能效云場的構(gòu)建主要基于高密度的溫度及能效數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的梯度云場構(gòu)建算法，最終生成高準(zhǔn)確度的溫度及能效場。
（3）數(shù)據(jù)計(jì)算并行化。
數(shù)據(jù)處理部分采用基于開源的分布式系統(tǒng)架構(gòu)Hadoop 結(jié)合MapReduce，再混搭Oracle RAC 構(gòu)成開放系統(tǒng)架構(gòu)，該架構(gòu)是一個(gè)能夠?qū)Ａ看髷?shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理的軟件框架，能夠?qū)崿F(xiàn)海量大數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)分析計(jì)算的并行化，為用戶提供高效準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析服務(wù)。
（4）多租戶模式構(gòu)建。
通過面向數(shù)據(jù)服務(wù)的SDO 與公共持久化數(shù)據(jù)引擎技術(shù)，統(tǒng)一封裝用能場所能耗及運(yùn)行環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，為不同租戶的個(gè)性化數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)學(xué)習(xí)提供集成數(shù)據(jù)服務(wù)。平臺(tái)的數(shù)據(jù)集成層將基于數(shù)據(jù)中心的云計(jì)算平臺(tái)建成7×24h 的數(shù)據(jù)集成環(huán)境，為社會(huì)租戶及政府能源管理機(jī)構(gòu)提供即時(shí)能耗數(shù)據(jù)服務(wù)，也可為社會(huì)用戶提供其用能場所設(shè)備能耗監(jiān)控信息化服務(wù)支撐。
3.結(jié)束語
該系統(tǒng)將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)分析、工業(yè)DCS智能控制三者有機(jī)融合，充分發(fā)揮各自領(lǐng)域的優(yōu)勢，將包括智能傳感器感知在內(nèi)的多種能耗排放數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚，通過前端DCS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理聯(lián)網(wǎng)上傳，最后從海量能耗排放信息中分析、加工和處理并提供有指導(dǎo)意義的能效控制策略，以達(dá)到對(duì)生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)中眾多用能設(shè)備的能耗排放監(jiān)測、能效動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制、對(duì)海量能耗等KPI 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和挖掘分析的目的，為全國各高耗能工業(yè)企業(yè)及其對(duì)應(yīng)的政府能耗監(jiān)管部門提供實(shí)時(shí)設(shè)備能耗數(shù)據(jù)監(jiān)控管理和能耗分析信息化節(jié)能服務(wù)，是大規(guī)模拓展高耗能工業(yè)領(lǐng)域節(jié)能減排監(jiān)控管理系統(tǒng)平臺(tái)落地應(yīng)用的關(guān)鍵里程碑。
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題：基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的工業(yè)能源管理系統(tǒng)
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