面向智慧建筑的机电设备数据采集与运行指标分析

田 闯

（中通服咨询设计研究院有限公司，南京 210019）

0 引言

建筑物中通常会安装各类建筑机电设备及配套智能化子系统，主要包括空调、水泵、冷却塔、新风机组、直接数字控制（Direct Digital Control，DDC）设备、电梯、变压器、照明设备、摄像机、门禁系统等，为能够实时掌握各类智能化机电设备的运行情况，通常会配套建设智能化集成系统（Intelligent Building Management System，IBMS）或者物联网（Internet of Things，IoT）系统，用来实现各类机电设备运行指标数据的采集、汇聚和整理，从而为上层的应用提供数据支持。建筑机电设备运行状态是否正常、能否达到预期的运行效果，直接关系到建筑物能否正常使用。由于建筑机电设备种类繁多、数据采集协议不统一，机电设备运行指标数据的采集及诊断分析十分困难。

1 建筑机电设备的常用数据接口协议

建筑机电设备运行指标数据的采集通常采用Modbus、BACnet、OPC 等接口协议。通常分为以下几类。

1.1 智能化子系统等软件的数据采集

对于配套建设了智能化子系统的建筑机电设备的数据采集，通常采用物联网行业常用的通讯协议，如HTTP、WebSocket、XMPP、CoAP、MQTT、OPC 和BACnet 等，优先采取OPC 协议或BACnet 协议接口通讯。智能化子系统厂商若能提供OPC接口，则该子系统需作为OPC Server 提供数据。若智能化子系统不能提供OPC 协议或BACnet 协议接口，则子系统需要提供开放数据库互连（Open Database Connectivity，ODBC）数据库及详细数据结构说明，通过ETL 定时任务从数据临时表中抽取数据进行采集。若智能化子系统不能提供OPC 协议或BACnet协议接口，也不能开放数据库，则子系统厂家需要开发相应的WebService、XML 协议，并且提供详细的协议和格式说明，实现子系统数据的采集。

1.2 智能化设备的数据采集

通过直接接入建筑机电设备进行数据采集，通常需要机电设备自身有通讯模块，可以对数据进行远传。部分传感器有国际（或行业）通用的标准传输协议，可以通过485 线或无线传输的方式，经过现场的数据采集模块直接上传到远端服务器，由对应的数据采集程序对数据包进行解码并写入相应的数据库。这类协议主要包括BACnet、Modbus、Ethernet、2G/3G/4G、WiFi、ZigBee、Bluetooth 和LPWAN 等。

1.3 视频类子系统的数据采集

对于视频类子系统的数据采集，需要提供相应的软件开发工具包（Software Development Kit，SDK）、通讯协议、测试环境等资料，配合集成平台通过接口传输视频图像信号。

2 机电设备数据采集及控制

机电设备数据采集及控制数据流向如图1 所示。

图1 机电设备数据采集及控制数据流向

2.1 数据采集过程

根据数据采集及控制数据流向图可以分析出数据采集过程如下。

（1）数据采集服务通过对接各智能化设备专业子系统获取系统或设备的运行指标数据。

（2）数据采集服务调用数据转发服务将采集数据推送到消息队列中。

（3）将设备编码及设备属性编码等静态信息缓存到Redis中，供后面的数据质量检查服务使用。

（4）数据质量检查服务从消息队列中获取采集数据，对采集的数据进行质量检查，主要检查内容如下。①数据有效性检查：从原始采集数据中获取采集数据的设备编码及属性编码，与Redis 中缓存的设备编码及属性编码进行比对，如果在Redis 中能够找到对应的记录，说明采集数据中设备及属性是有效的，否则认为数据无效，即采集数据中所涉及的设备及属性为新增内容，当前系统中无法匹配。②数据类型检查：采集的指标数据有各种数据类型，数据类型检查是对采集的指标数据的类型与配置的数据类型进行比对，类型一致则认为数据有效。

（5）数据解析服务对经过质量检查的采集数据进行解析。①设备影子数据：根据采集数据中的设备编码及属性编码去Mogodb 历史库的设备影子表中查找相关记录，如果没有查到，说明系统第一次接收到该设备属性的采集数据，在设备影子表中新建设备的影子信息；如果查到了，则认为之前接收过该设备属性的采集数据，而此时接收的数据为最新数据，使用最新的采集数据更新设备影子信息。②历史数据：每收到一条采集数据都会将该采集数据新增到Mogodb 历史库的设备属性历史数据表中。③业务数据：当某设备属性采集指标为告警点时，则该采集数据为告警数据，此时去Mysql 数据库中的设备属性告警信息表中进行查找，如果找到了对应的告警信息记录则更新该告警信息记录；如果没有查询到，则表明是第一个接收到该告警点的告警信息，在Mysql 数据库中的设备属性告警信息表中插入该设备属性的告警信息记录。

（6）上层应用根据业务的需要访问相关的数据，如果需要展示设备属性的最新采集指标，则查询Mogodb 历史库中的设备影子表获取最新采集指标；如果需要展示设备属性的历史数据，则查询Mogodb 历史库中的设备属性历史数据表获取历史采集数据；设备属性的告警信息通过查询业务数据库获取。

2.2 设备控制指令下发过程

根据数据采集及控制数据流向图可以分析出设备控制指令下发过程如下。①上层应用调用数据转发服务，将控制请求推送到消息队列中。②设备控制服务从消息队列中获取设备控制命令，并下发给智能化设备子系统。在设备控制服务中需要对设备控制命令进行一定的预处理，如在某个时间段内接收到多个同个设备的控制命令，需要对控制命令进行压缩，取最新一条控制指令进行下发。

3 设备运行分析

3.1 设备分类选取

为了对机电设备的总体运行情况进行分析，选取几类关键设备作为设备总体运行情况分析的主体。表1 为选取的15 类关键设备，在项目实施过程中可以根据实际情况进行关键设备的调整，选取的关键设备越多，对设备总体运行情况的分析越准确。

表1 选取的15 类关键设备及子系统

3.2 运行评价指标

为实现对设备运行情况的量化分析，将各类机电设备的描述情况分为日常运行指标、自动化运行指标、设备连通性指标3个方面，每个方面由时间切片统计、时长统计和比率三种指标组成。

3.3 设备运行健康度指标

在取得设备运行评价指标的基础上，建立设备运行健康度打分体系，给设备运行状态打分。从设备日常运行指标、自动化运行指标、设备连通性指标三个评价方面按照对健康度评价的贡献给定权重；每个评价方面再按照系统及设备在本方面或者系统中的重要性，给出其对应指标权重。根据权重和设备运行的指标信息逐层汇总，最终形成设备运行健康度指标。

4 结语

随着智慧建筑领域不断发展，建筑物配套安装的机电设备种类和数量越来越多，如何实时采集和监测各类机电设备的运行指标并准确判断设备运行状态显得尤为重要。本文提出了一种从软件层面进行数据采集的方法，并在此基础上提出设备综合运行健康度指标，用以判断设备综合运行情况，但健康度指标的准确度受限于设备种类选取的数量，后面可以考虑结合大数据技术进行健康度指标分析。