工业能耗信息化标准体系的研究

孙卫佳， 张 典

（1.长春工业大学 计算机科学与工程学院， 吉林 长春 130012； 2.吉林省节能监察中心， 吉林 长春 130012）

0 引言

2015 年12 月17 日国务院印发的 《国家标准化体系建设发展规划》中提到：“标准是经济活动和社会发展的技术支撑，是国家治理体系和治理能力现代化的基础制度”[1]。在今天这个高度融合的时代，标准体系已成为技术进步、经济繁荣和社会进步的基础条件之一，建设行业标准体系是促进行业转型升级、高质量、良性发展的必经之路。

“节能低碳”是《国家标准化体系建设发展规划》中规划的重点领域之一，作为该领域重要组成部分的工业能耗信息化标准体系，是针对能源消费侧的工业企业能耗数据采集、存储、传输、处理、分析和应用（统称为工业能耗管理）信息化所制定的专业通用标准、产品标准、服务标准、过程标准和管理标准等一系列标准的总称，其目的是为企业能耗信息化、设备能耗数据管理、能耗管理信息系统研发以及能耗信息化服务集成提供统一、规范的标准体系，为工业能耗数据集成创造条件，为企业和社会建立能耗数字资产奠定基础。

2018 年9 月，中华人民共和国国家质量监督检验总局和中国国家标准化管理委员会联合发布了《标准体系构建原则和要求》，用于指导标准体系的建立，是指导标准体系建立的纲领性文件，也是在研究标准体系过程中最重要的参考文献[2]。就能耗信息化相关标准而言， 具有代表性的是由中国电信以及天地互连等中国企业发起制定的IEEE 1888 标准。 该标准定义了一系列的子标准，用于规范能耗监控终端、 多协议泛在网关以及节能分析处理平台等方面的建设。该标准以园区、环境和建筑物能耗监测为监测对象，采用XML 组织和交换数据， 具有广泛的适应性。 但由于采用XML 组织和交换数据，且定义的能耗采集机制较复杂， 使其在性能上还不能满足工业企业能耗信息化的实时性要求。 文献[3]对该标准的产生背景、过程和主要内容进行了描述。 文献[4]定义了工业企业能源计量数据集中采集终端通用技术条件，针对能源数据采集的平台结构、功能、一致性、安全性、 验收方法和验收规则进行了规定。 文献[5] 对能源计量仪表的通用数据接口技术协议进行了定义，详细描述了协议的语法、语义、计量仪表各寄存器以及功能码，但作为协议，缺乏明确时序的定义。文献[6]对能源计量数据公共平台数据传输协议进行了定义， 详细描述了平台结构、协议层次以及通信协议的语法、 语义和时序，同时还描述了差错校验方法和数据机密性保证措施。 文献[4]～[6]从一定意义上为能源计量数据采集的标准性、规范性和统一性奠定了基础，但由于3 个标准均在文献[2]之前定义，因此，在标准的体系结构上还存在有待改进的内容。国家节能中心针对重点用能企业能耗在线监测平台建设推出的12 项标准，涉及了总体架构、基础信息与格式规范、平台接口、传输协议以及安全规范等内容，该系列标准已在各省重点用能企业能耗在线直报平台建设中应用[7]。

事实上，就目前情况而言，有关工业能耗信息化的标准还处在自主建设和发展的阶段， 在工业能耗信息化领域， 还没有相关的标准体系可以遵循，工业能耗数据的采集、表示、传输、处理、分析和应用的多样性和差异性，快速增长和无序性，信息孤岛现象与数据集成需求强烈等问题普遍存在。

1 问题的提出

促进传统制造业升级转型，向数字化、智能化发展是我国工业领域重要的举措。目前，大多数学者和制造业高管认为中国的制造业正处在工业2.0 向工业3.0 迈进的过程中， 在经历了电子化、自动化和信息化之后， 数字化是该过程中的主要评价指标。 在该阶段，数据的采集、存储、传输、分析和应用都会带来企业的数据革命， 数据已成为企业的基础设施， 优质的数字资产已成为企业最具活力的核心资产。

作为工业领域数字化、 智能化的重要组成部分，能耗数据在能源管理、精益能效和节能减排中扮演着重要角色，对“两化”融合、工业互联网以及云工厂等智能制造相关领域具有重要的意义。 为形成高质量工业能耗数字资产， 一个围绕工业能耗的数字生态系统是必不可少的， 而工业能耗数据标准则是该生态系统中处于基础地位的因素之一，决定着工业能耗管理信息化的成败。

由于工业企业发展的长期性以及基础设施的相对稳定性，与能耗相关的设备设施的多样性和异构性普遍存在，这种多样性和异构性致使大规模、及时、准确和完整的能耗数据在线采集和数据集成十分困难，直接影响了能耗管理信息化的规模、及时性、准确性、完整性、成本和工程实施难度。 在工业企业内部，一方面，由于缺乏行业标准，工业能耗管理的个性化特点显著，导致在更大范围、更深层次的能耗数据集成、共享、分析和应用变得困难重重；另一方面，企业在数字化、智能化的进程中，以降低成本、提高效率为目标，针对能源管理、精益能效和节能减排的智能化需求十分强烈，致使针对能耗数字资产需求和工业能耗管理瓶颈的矛盾越来越突出。 从国家工业体系来看，国家发改委早在2014 年就提出了建设工业领域重点用能单位能耗在线监测体系，而实现企业二级和三级计量在线能耗监测却十分困难，直至今日该目标也未能完成。单纯从技术角度出发，可以看出，导致上述问题的根本原因是缺乏工业能耗数据采集、存储、传输、处理、分析和应用的行业标准，致使能耗设备不能提供规范标准的能耗数据采集和集成机制，能源管理系统不能互通互联， 能耗数据分析缺乏统一、标准的评估机制，不能形成有效的能耗数字资产，这直接影响了大数据、知识管理和人工智能在工业能耗领域的应用，制约了“两化”融合、工业互联网以及云工厂等相关领域的发展。 建立工业能耗信息化标准体系，从技术角度彻底解决上述问题是工业能耗管理发展的必经之路。

综上所述，由于工业企业的差异性巨大，目前还没有一个工业能耗信息化标准体系用来指导工业企业能耗信息化建设，这导致能耗在线监测、精益能耗以及基于能耗的大数据、 人工智能等先进技术的应用难以实施或难以取得预期的效果，直接影响了智慧能源、 智能制造和柔性生产等理念的具体落实。因此，建立工业企业能耗信息化标准体系势在必行。

2 基本思想

制定工业能耗信息标准体系既要考虑满足未来的发展要求，也要考虑满足现状的需求；既要保证未来的能耗设备、 能耗管理系统和能耗信息化服务能按照标准提供统一、规范的技术、产品和服务， 又要保证解决目前广泛存在于企业的多样性和差异性带来的能耗数据采集、存储、传输、处理、分析和应用的瓶颈问题。遵循上述原则，在满足工业能耗信息化需求的前提下， 将工业能耗信息化标准体系涉及的专业通用标准、产品标准、服务标准、过程标准、管理标准等5 方面的内容归纳为基础标准、技术标准、安全标准和工作标准4 部分组成，其体系结构见图1。

图1 工业能耗信息化标准体系结构示意图Fig.1 Schematic diagram of industrial energy consumption informatization standard system architecture

（1）基础标准

基础标准的目的是定义工业能耗信息化标准体系结构和通用规范，指导后续技术标准、安全标准和工作标准的制定。在此基础上，提供能耗参数集定义、能耗参数编码规范、能耗参数表示规范和能耗参数分类定义等标准，解决能耗数据统一、规范的问题，为工业能耗管理系统集成、最终形成能耗数字资产奠定基础。

（2）技术标准

技术标准的目的是定义工业能耗管理过程中须遵循的一系列规范，支持工业能耗数据集成，为能耗数字资产的形成创造条件。诸如：数据采集规范、能耗数据接口规范、能耗数据采集网关以及能耗主题数据库规范等。技术标准的建立，为解决工业企业大规模、 异构和快速增长的能耗数据的采集、存储、传输、处理、分析和应用提供技术框架，指导工业企业开展能耗管理活动； 为能耗设备生产厂商生产标准的能耗数据机制提供规范； 支持能耗信息化厂商提供标准的能耗数据接口、 能耗数据网关以及能耗主题数据库， 确保能耗数据的共享，从而形成企业能耗数字资产，为智慧工厂、智能制造和云工厂的建设提供支撑。

（3）安全标准

安全标准针对能耗管理过程中所涉及的机密性、完整性、真实性和不可抵赖性等安全问题提出规范标准，保证安全措施与技术、设备和数据实现系统集成，为能耗管理提供安全保障。 诸如：数据安全规范、访问控制规范和安全隔离规范等。

需要特殊说明的是， 安全标准制定必须伴随基础标准和技术标准同时进行。

（4）工作标准

工作标准针对工业能耗信息化工作过程的规范性、合规性和有效性制定规范，从程序上保证能耗数据采集、存储、处理、分析和应用工作的质量，同时，也保证工业能耗信息化标准的可扩展性、适应性和完整性。 诸如：标准制定机制、标准草案规范和标准更新规范等。

在建立工业能耗信息化标准体系过程中，需要重点考虑以下几个问题。

（1）标准的适应性问题

在这个问题上，可从两个方面考虑。 一方面，标准的制定须充分考虑工业企业能耗设备的多样性和差异性普遍存在， 甚至由于条件所限不能满足常规的能耗数据采集要求的现状。 针对这个问题，在能耗基础标准的约束下，通过能耗数据接口规范和能耗数据采集网关集成多种异构能耗数据采集方法，保证数据采集方法的兼容性。 同时，须要屏蔽工业企业内部能耗数据采集的细节， 适应其内部的能耗设备、生产网络、能耗数据和能耗管理的多样性和异构性， 从而实现能耗数据采集的目标。 能耗数据采集网关、接口以及多样性、异构性的能耗场景关系示意图如图2 所示。

图2 能耗数据采集网关、接口以及多样性、异构性的能耗场景关系示意图Fig.2 Energy consumption data acquisition gateway,interface, and the relationship between diverse and heterogeneous energy consumption scenarios

另一方面，标准的制定须对设备生产厂商、能耗信息化应用系统研发厂商以及能耗信息化集成服务厂商提供统一、规范的指导，从而支撑能耗数据大规模、大范围的集成，为建立能耗数字资产创造条件。

（2）能耗数字资产问题

在建立工业能耗信息化标准体系过程中，要充分考虑目前的发展形势， 满足企业和社会对能耗数字资产的需求。 标准须对企业建立能耗主题数据库提供指导， 支持企业形成高质量的能耗数字资产，进而形成区域、行业乃至全社会的能耗数字资产。 以此为基础，针对精益能效、节能减排以及能效评估展开分析，获得企业能耗知识，指导企业科学能源规划、合理调度、高效用能，为企业增效益、降能耗提供智能化支持，助力传统企业转型升级。

（3）与技术和工作标准并行且深度融合的安全标准问题

安全是工业能耗管理中的重要问题， 为保证与技术和工作标准的集成， 需要在建立技术和工作标准的同时建立安全标准， 使安全标准与技术和工作标准深度融合。就安全标准具体内容而言，须保证能从技术和程序两个方面指导企业在工业能耗管理过程中的安全保证措施的实施，诸如：能耗数据采集网络拓扑的设计、 能耗数据传输过程的机密性、完整性和真实性、能耗数据采集网络与办公网络的安全隔离等。 确保企业能耗管理符合“安可”和“等级保护”的要求，指导企业建设安全的工业互联网。

3 标准建设的技术路线

根据图1， 工业能耗信息化标准体系的制定从4 个方面进行，其中基础标准要优先建设，其他标准将在基础标准的约束下制定。 在制定技术标准的同时，应开展安全标准和工作标准的制定，确保各标准间的兼容，支持系统集成。为保证标准的先进性和适应性， 工业能耗信息化标准应定义标准的修订和更新机制。 工业能耗信息化标准建设技术路线见图3。

图3 工业能耗信息化标准体系建设技术路线示意图Fig.3 Schematic diagram of technical route for the construction of industrial energy consumption informatization standard system

如图3 所示， 工业能耗信息化标准建立过程是一个反馈修正的循环过程。在标准建立之初，首先完成标准体系和通用规范的建设， 作为领域标准体系，指导后续标准的建立。在标准体系和通用规范的约束下， 完成工业能耗参数相关标准的建立，为实现工业能耗数据的统一描述提供指导，是工业能耗管理的基础，上述标准统称为基础标准。确定基础标准后， 完成了工业能耗信息化标准的框架， 在这个框架的约束下， 须并行完成技术标准、安全标准和工作标准，保证技术、安全和工作标准相互兼容、协调和补充，实现工业能耗标准的目标。

4 调查与实践

笔者在参与由国家节能中心主导的吉林省重点用能单位能耗在线监测平台的建设过程中，对山东、 浙江以及重庆等省市的重点用能单位能耗在线监测平台做了深入调研。同时，也对多个工业企业、 能耗管理系统研发厂商以及能耗信息化服务集成商的能耗设备、 能耗管理系统和能耗信息化集成服务进行了全面的了解和深入的研究。 大量的事实证明，工业企业能耗设备、数据和管理的多样性、异构性和稳定性普遍存在，缺乏统一、规范的工业能耗标准体系是影响目前能耗数据采集和能耗数字资产建立的主要技术原因。

为验证能耗数据采集网关的有效性， 笔者在完成神华集团旗下某企业的电能消耗监测系统建设时， 提出了一个能耗数据采集Agent[8]， 利用Agent 解决现场设备多样性和异构性导致的能耗数据采集的兼容性问题，结构见图4。 Agent 涉及了硬件抽象层、 能耗数据业务无关表示以及能耗数据采集字典等技术，在该企业大规模、大范围、多样性和异构性普遍的能耗数据采集过程中发挥了决定性作用。

图4 工业能耗数据采集Agent 结构示意图Fig.4 Schematic diagram of industrial energy consumption data acquisition Agent structure

该企业现场复杂， 既具有遵循标准MODBUS协议的能耗数据接口的设备，也存在遵循OPC 规范的智能设备， 还存在大量不提供数据接口的设备，多样性和异构性十分显著，这给项目的实施带来了巨大困难。在项目实施过程中，为解决数据集成问题，降低项目实施的复杂性，笔者提出了基于四元组（参数名称、类型、长度、值）的业务无关的能耗数据表示方式，配合数据采集字典，很好地解决了能耗数据的统一表示问题。 而硬件抽象层技术的引入，则很好地解决了设备兼容的问题，通过提出设备驱动程序开发规范和数据采集接口的定义，规范异构设备驱动程序的开发，使得异构设备通过符合规范的设备驱动程序和统一的数据采集接口集成到数据采集网络中，实现异构数据采集，解决了项目实施过程中由于能耗设备多样性和异构性导致的施工复杂性问题， 降低了项目实施复杂度和成本。

为验证能耗数字资产建立的可行性， 以上述实践活动为基础， 笔者提出了数据整合平台和数据整合协议，针对工业企业广泛存在的数据、设备和协议的多样性和异构性问题， 以及企业数字资产的形成， 开发了中车集团旗下某轨道客车企业的应用系统，取得了较好的效果。

上述实践证明，通过建立信息化规范，可解决工业企业生产过程中产生的异构数据的集成问题，为企业建立数字资产创造条件。尤其是工业能耗信息化过程中， 一个有效的标准将有效促进企业智能制造、智慧能源和精益能效的建设和研发，助力企业升级转向，降本增效。

5 讨论

工业能耗信息化标准体系的建设是一个复杂的过程，在其准建设过程中应关注以下两个方面的问题，一是要在充分考虑现状和未来发展的前提下，灵活运用折中的原则建设工业能耗信息化标准。工业企业发展的长期性和相对稳定性决定工业企业在采用新技术和新方法时须采用循序渐进的方式，不可能由于采用新方法就全部放弃已经有效运行多年的设备设施，尤其是针对企业的基础设施，这就要求在建立标准的过程中应充分考虑未来的发展和企业的现状，确保发布的标准能满足企业的现实和未来的需求。二是要考虑标准的可操作性，工业企业现场的复杂性要求标准必须具有非常强的可操作性，具体体现在标准的开放性、框架性和可继承性等方面，这就要求在标准制定过程中应充分调研典型企业，广泛收集能耗数据采集、存储、传输、处理、分析和应用的案例，抽象共性和典型差异特性，并在标准中具体体现。