建筑能耗监控分析与管理一体化平台

邓璐娟，张圆方，李金萌，董东晓

（郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院，郑州 450002）

目前，国内的大多数楼宇自动化系统BAS（building automation system）仅仅是监视设备运行，且能耗管理系统（BEMS）、能耗监控系统、能耗统计分析系统各自独立，难以达到建筑能耗智能化监控管理[1]。针对以上问题，设计了建筑能耗监控管理系统，采用B/S架构，使用SSM集成框架，前台页面设计采用CSS+JS+JSON+AJAX+jQuery Easy UI技术[2]和动态图表生成技术，将能耗管理系统（BEMS）、能耗监控系统、能耗统计分析系统等集成到一个平台上，实现系统间的信息共享，管控统计分析为一体。实验证明，该系统界面友好、功能完备、安全实用可靠、可操作性强，达到了建筑能耗智能化监控管理，具有广阔的工程应用前景，及很好的推广作用[3]。

1 平台设计

基于J2EE的应用架构，具有安全性高、扩展性强、负载均衡和高可重用性等特点，且MVC已成为J2EE开发平台上的一种设计模型[4-5]。因此，本系统基于分层思想，采用SSM集成框架，表现层用Struts框架实现，在每个JSP页面，通过JS+JSON+AJAX+jQuery Easy UI技 术 、FunsionCharts、Highcharts 等主流技术编写动态页面，与用户进行交互。业务层用Spring框架实现，在该层封装了业务操作，使表现层与数据层分开，数据层用Mybatis实现，主要用来定义、维护、访问和更新数据并管理和满足应用服务对数据的请求。使得系统耦合性低，扩展性强和维护性好。形成SSM集成框架结构原理图如图1所示。

图1 SSM集成框架结构原理Fig.1 SSM integration framework structure principle

1.1 总体架构

建筑能耗监控管理系统分为表现层、业务层、数据层构成[6-8]，表现层主要分4个子系统，分别为能耗管理子系统、报表管理子系统、能耗实时监控子系统、能耗统计分析子系统，主要完成系统管理、数据展示、动态监测控制、统计分析等工作；业务层完成基本信息的管理如建筑基本信息的管理、仪表设备的基本信息管理、能耗数据生成及报表导出、实时监测和仪表设备的控制、能耗统计分析工作；数据层，主要对建筑基本信息、用户基本信息、仪表设备基本信息、能耗数据等信息的存储。系统整体架构图如图2所示。

1.2 关键技术

1.2.1 Easy UI技术

图2 系统整体架构图Fig.2 Overall system architecture diagram

Easy UI是一个简单易用功能强大、可跨浏览器的Web前端JavaScript框架，是一组基于jQuery的UI插件集合，它为Web页面开发提供了功能丰富且美观的UI界面[8]，通过使用Easy UI，开发者不需要编写复杂javascript脚本，就可以开发出实用且美观的界面，使开发与界面设计解耦，这样开发者只需关注程序逻辑结构及功能的实现。

本系统采用Easy UI的tree组件来实现异步操作树的页面加载，不仅支持多种形式的树模式，还添加了操作功能设计，如各分类仪表设备以目录树模式显示，及从树状结构中单选或多选要统计的仪表，从而强化了目录树的功能及操作灵活性。

1.2.2 动态图表生成技术

Highcharts是用纯JavaScript编写的，不像Flash和Java安装插件才可运行，兼容当今所有浏览器，能够在Web前端网页上添加交互性图表，如直线、曲线等[9]。因此，Highcharts是一款开源的、跨语言的、兼容性强、支持多图表类型的图表制作框架[10]。

FusionCharts是目前业界流行的图形软件，具有跨平台、跨浏览器的flash图表组件，FusionCharts不需要知道Flash编程的知识，只需要知道所用的编程语言如 ASP.NET，ASP，PHP，JSP 等[11]。

本系统采用动态图表生成技术，对数据的统计分析用FusionCharts技术，通过插件MSColumn3D.swf、MSLine.swf、AngularGauge.swf插件实现柱状图、折线图、仪表盘图等。能耗监测控制，用Highcharts技术，可以实时更新折线图，显示建筑能耗走势。通过直观的图表，可以纵向、横向统计分析能耗使用情况[12]。

1.3 数据库

系统数据库设计如下：

（1）基本信息表：包括建筑信息表、建筑管理方式表、管理层级表、中央空调风机盘管信息表、中央空调表信息表等23个数据库表。

（2）实时数据存储表：包括中央空调数据信息表、电表数据信息表、燃气表数据信息表等9个数据库表。

（3）历史数据存储表：包括中央空调采集数据表、电表采集数据表、燃气表采集数据信息表等7个数据库表。

1.4 实现与功能需求

系统功能模块设计如图3所示。

图3 系统功能模块图Fig.3 System function module chart

2 管理与分析

2.1 能耗管理

能耗管理系统（BEMS）主要对基本信息进行管理，如通讯设置、数据备份与还原、能耗指标设置、用户管理（权限、角色的管理）、基本信息管理包括建筑基本信息管理、对管理方式进行管理、仪表设备管理（各个仪表类型的添加、删除、编辑、导入导出数据）、能耗数据自动采集时间设置 （采集时间设为24 h之内的一个整点）、按照采集技术导则和数据传输技术导则等，对采集上来的能耗数据进行标准化编码及存储。

2.2 能耗统计分析

能耗统计主要统计周期范围内对应对象的能耗情况，统计周期可以选择以月、季、年为单位的时间周期，也可以自定义时间周期，统计对象可以为分类能耗（电、热量、冷量、燃气、其他能源、水）、分项能耗（照明插座、空调用电、动力用电、特殊用电）、总能耗、总电量、空调当量能耗和用时统计等，可将能耗数据以柱状图、表盘、列表的形式展现出来。

能耗分析，在统计周期内，可以统计总能耗、总电量、分类、分项能耗情况，对能耗历史数据进行分析，以折线图非常直观地展示能耗使用趋势情况。图4为中央空调的高中低档各个年度总用时，图5为软件学院在2013年与2014年各分项用电能耗同比情况。

2.3 能耗实时监控系统

图4 能耗统计Fig.4 Energy consumption statistics

图5 能耗分析Fig.5 Energy consumption analysis

实时监测分项能耗、分类选中一类监测对象，比如分项能耗进行监测，如不选择，将会监测所有分项能耗。点击监测，实时监测会进行自动监测。点击停止，将会停止正在进行的自动监测。当自动监测超过2 h后，将会自动停止监测。图6为分项能耗实时监测。控制管理主要是对空调控制管理、采暖控制管理，主要分为启停控制、用时控制、时段控制、指定运行、赋值等控制操作，操作人员可远程控制现场仪表设备的运行情况。

图6 分项能耗实时监测Fig.6 Real-time monitoring of energy consumption separately

3 结语

经实践运行，本系统可实现建筑物内中央空调设备、分体空调设备、分类仪表等设备的实时监控和管理，可监控管理3600块仪表设备，还能对建筑物内的总能耗、总电量、分户、分类、分项等能耗数据进行统计分析和对建筑物内所有能耗进行横向、纵向对比分析，以及提供报表生成打印功能，且业务处理时间不大于5 s。该系统实现了集监测、控制、管理为一体的目标，因此对于类似的系统具有一定的参考价值和借鉴意义，同时在推广各类建筑能耗监控管理系统中，发挥重要作用。

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