基于大數(shù)據(jù)分析的企業(yè)能效管理系統(tǒng)

摘要：隨著我國經(jīng)濟(jì)在持續(xù)高速增長，能源緊張和環(huán)境惡化的巨大壓力，使得節(jié)能減排成為多數(shù)企業(yè)不得不面臨的問題。文章結(jié)合節(jié)能減排、節(jié)能降耗的需求，介紹了基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)的企業(yè)能效管理系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成。 證明了企業(yè)能效管理系統(tǒng)在幫助企業(yè)優(yōu)化工藝流程，降低企業(yè)能耗成本，提高企業(yè)綜合競爭力中的作用。

關(guān)鍵詞：J2EE；能效管理；大數(shù)據(jù)；

1 引言

我國經(jīng)濟(jì)在持續(xù)高速增長的同時(shí)也伴隨著能源緊張和環(huán)境惡化的巨大壓力，節(jié)約能源已經(jīng)作為我國建立節(jié)約型社會的基本國策。企業(yè)不應(yīng)該把它僅僅作為約束性指標(biāo)，而是應(yīng)該把節(jié)能減排融入到長遠(yuǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略中去，這對企業(yè)的發(fā)展無疑具有巨大的促進(jìn)作用。面對這一挑戰(zhàn)的最有效和經(jīng)濟(jì)的方法就是建立在高耗能企業(yè)能源管控系統(tǒng)，通過技術(shù)創(chuàng)新提高能源使用效率。幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)的目標(biāo)。這也是工業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化到一定程度的結(jié)果。當(dāng)前，國內(nèi)多數(shù)企業(yè)能源管理工作并不規(guī)范，方法也不科學(xué)，缺少完善的能源信息管理工具，以至于企業(yè)節(jié)能潛力沒有得到充分挖掘。主要表現(xiàn)：計(jì)量表計(jì)配置不全、真實(shí)性差；能源使用數(shù)據(jù)缺乏可靠性、連續(xù)性；沒有準(zhǔn)確的能源統(tǒng)計(jì)方法，能源統(tǒng)計(jì)信息不能準(zhǔn)確與全面統(tǒng)計(jì)，算法不夠合理與完善，缺乏能源數(shù)據(jù)的匯總分析，沒有積累起可用于分析和查詢的能源數(shù)據(jù)庫。企業(yè)能效管理系統(tǒng)簡單的說就是把生產(chǎn)企業(yè)的能源消耗如：水、氣（汽）、風(fēng)，特別是電能的使用過程數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測、實(shí)時(shí)記錄、分析評估和科學(xué)治理的一體化計(jì)算機(jī)信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控能源使用情況，為節(jié)能降耗提供直觀的依據(jù)，為促進(jìn)企業(yè)管理水平的提高及運(yùn)營成本的降低，促使能源合理使用，達(dá)到節(jié)能減排、節(jié)能降耗的目的。

2 系統(tǒng)定位

（1）完善了能效數(shù)據(jù)的采集、存儲、管理和使用，使企業(yè)能源管理水平能夠適應(yīng)企業(yè)的發(fā)展需要。在企業(yè)能效管理系統(tǒng)的指導(dǎo)下，對能源系統(tǒng)采用集中管理和分散控制。

（2）減少能效管理環(huán)節(jié)，優(yōu)化能效管理流程，建立客觀的能效評價(jià)體系。能效管理系統(tǒng)的建設(shè)，可在信息分的析基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)能效監(jiān)控和能效管理的流程優(yōu)化再造，有效實(shí)施以大數(shù)據(jù)為依據(jù)的能效評價(jià)體系，計(jì)效考核，減少能效管理的成本，實(shí)現(xiàn)向能效管理要效益。

（3）減少能效系統(tǒng)管理成本，提高生產(chǎn)率。大型企業(yè)的能源系統(tǒng)規(guī)模較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。傳統(tǒng)維護(hù)管理的成本高、工作量大。能效系統(tǒng)的最終目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，簡化能源運(yùn)行管理，減少日常維護(hù)管理成本，提高勞動生產(chǎn)率。

（4）加快能源系統(tǒng)的異常處理能力，提高企業(yè)對能源事故的反應(yīng)能力。通過能效系統(tǒng)迅速從全局的角度了解運(yùn)行狀況，發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，以便及時(shí)采取措施，降低損失。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

3.1 技術(shù)路線

企業(yè)能效管理系統(tǒng)基于J2EE架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對跨平臺與跨數(shù)據(jù)庫的支持，以面向?qū)ο蟮哪K化方式設(shè)計(jì)，海量數(shù)據(jù)存儲與分析采用Hadoop框架，以大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，使用HBase、Spring、Hibernate、HTML5、JavaScript、WebSocket、事務(wù)處理等成熟技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺的功能。圖形展現(xiàn)使用HTML5、JavaScript技術(shù)，使得系統(tǒng)軟件的頁面更具表現(xiàn)力。

3.2 總體架構(gòu)

企業(yè)能效管理系統(tǒng)由設(shè)備傳感層、采集監(jiān)測層、支撐平臺層、分析決策層四個(gè)層次組成。詳細(xì)架構(gòu)如圖1所示。

設(shè)備傳感層主要由監(jiān)測生產(chǎn)企業(yè)能源消耗的各種儀器儀表、監(jiān)測裝置和治理調(diào)節(jié)控制設(shè)備等組成，采集企業(yè)的能源信息，并根據(jù)監(jiān)測分析情況對企業(yè)能源進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，達(dá)到節(jié)能降耗的效果。

采集監(jiān)測層是采集監(jiān)控設(shè)備傳感層各種儀表、裝置設(shè)備數(shù)據(jù)信息的數(shù)據(jù)交互中心，實(shí)現(xiàn)了對大量實(shí)時(shí)用能數(shù)據(jù)的采集、存儲和下行控制信息的發(fā)送。

支撐平臺中服務(wù)總線提供了一種服務(wù)提供方和使用方之間的快速信息交互機(jī)制，支持服務(wù)的注冊、發(fā)布、請求、訂閱、確認(rèn)、響應(yīng)等功能，以及服務(wù)代理和服務(wù)管理功能，滿足服務(wù)功能在系統(tǒng)范圍內(nèi)的使用和共享。服務(wù)總線的設(shè)計(jì)依據(jù)JBI規(guī)范，在ServiceMix的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。JBI（Java Business Integration，Java業(yè)務(wù)集成）是一個(gè)用于Java應(yīng)用組件進(jìn)行集成的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，其目的在于創(chuàng)建一個(gè)用于各種組件服務(wù)集成運(yùn)行的環(huán)境。JBI規(guī)范及API描述了構(gòu)建基于插件和基于服務(wù)設(shè)計(jì)的企業(yè)級服務(wù)總線系統(tǒng)的平臺。而ServiceMix則是一個(gè)基于SOA架構(gòu)和事件驅(qū)動的企業(yè)服務(wù)總線（ESB），其完全實(shí)現(xiàn)了JBI 標(biāo)準(zhǔn)并開放源碼。它是一個(gè)輕量級的JBI容器，可以作為獨(dú)立的ESB提供者，也可以作為另外ESB的服務(wù)組件。

海量數(shù)據(jù)存儲采用Hadoop框架的HBase，系統(tǒng)使用分布式存儲大量數(shù)據(jù)，然后根據(jù)業(yè)務(wù)對海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式計(jì)算。HBase具有非常高的性能。HHBase為每一列數(shù)據(jù)單獨(dú)維護(hù)了一套索引規(guī)則，對于某一具體條數(shù)據(jù)的查詢可以非?？焖俚耐ㄟ^B+樹定位數(shù)據(jù)存儲的位置并將其取出。HBase通常以集群部署，數(shù)據(jù)被分散到多個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲，當(dāng)客戶端發(fā)起查詢請求時(shí)，集群里面多個(gè)節(jié)點(diǎn)并行的執(zhí)行查詢操作，最后將不同節(jié)點(diǎn)的查詢結(jié)果進(jìn)行合并返回給客戶端。

4 系統(tǒng)功能

企業(yè)能效管理系統(tǒng)包括三大子系統(tǒng)：用能效率分析決策子系統(tǒng)、能效管理支撐平臺子系統(tǒng)和能效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)。

4.1 用能效率分析決策子系統(tǒng)

系統(tǒng)根據(jù)企業(yè)海量用能數(shù)據(jù)，構(gòu)建企業(yè)用能數(shù)據(jù)模型，提供企業(yè)能耗分析、節(jié)能情況分析、企業(yè)電能質(zhì)量分析評估與治理決策、能源消耗統(tǒng)計(jì)臺賬管理、能源成本分析和臺賬管理等能效分析決策功能。

（1）企業(yè)能耗分析

能耗分析是以大數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)，根據(jù)企業(yè)實(shí)時(shí)用能數(shù)據(jù)模型對現(xiàn)場各場景的能源使用和消耗情況進(jìn)行分析，包括：各種能耗指標(biāo)、產(chǎn)品單位產(chǎn)量可比綜合能耗、產(chǎn)品單位產(chǎn)量綜合能耗、單位產(chǎn)值綜合能耗等。

（2）節(jié)能情況分析

系統(tǒng)參照節(jié)能效果測驗(yàn)和驗(yàn)證規(guī)程（IPMVP），實(shí)時(shí)分析節(jié)能行動的效果和完成情況；用戶可以在線分析和統(tǒng)計(jì)本歷年能源消耗情況和同期對比節(jié)能情況。

（3）企業(yè)電能質(zhì)量分析評估與治理決策

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測能源系統(tǒng)中電能質(zhì)量和諧波分量，通過圖表使用戶及時(shí)了解用電環(huán)境，避免諧波危害和電能質(zhì)量問題的產(chǎn)生，降低供電系統(tǒng)中的諧波和無功損耗。系統(tǒng)對電能質(zhì)量數(shù)據(jù)的整理歸納、統(tǒng)計(jì)分析，將電能質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)測、分析決策與綜合治理作為一個(gè)系統(tǒng)工程，把分析軟件、監(jiān)測裝置和治理設(shè)備有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測精確化、分析決策智能化、綜合治理科學(xué)化。

（4）能源消耗統(tǒng)計(jì)臺賬管理

系統(tǒng)提供能源消耗臺帳管理功能，能按照各監(jiān)測點(diǎn)或生產(chǎn)設(shè)備的臺帳，對能源消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；系統(tǒng)提供豐富的管理報(bào)告包括各日報(bào)、旬報(bào)、周報(bào)、月報(bào)、季報(bào)，根據(jù)生產(chǎn)區(qū)域和動力介質(zhì)類型形成報(bào)告；系統(tǒng)提供各種圖形化數(shù)據(jù)查詢報(bào)表。

（5）能源成本分析和賬單管理

系統(tǒng)可以通過財(cái)務(wù)或ERP系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取能源價(jià)格及費(fèi)率信息；依據(jù)能源使用量計(jì)算能源成本；分?jǐn)偤螳@取單位產(chǎn)品和分支單元的能源成本信息；企業(yè)內(nèi)部可橫向/縱向比對能源使用費(fèi)用。在系統(tǒng)中可錄入所有能源數(shù)值（電力、煤氣、蒸汽、水等），結(jié)合獲取的費(fèi)率信息生成關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)的財(cái)務(wù)帳單，使成本可考核與監(jiān)管。

4.2 能效管理支撐平臺子系統(tǒng)

能效管理支撐平臺子系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的用能數(shù)據(jù)分析、計(jì)算和歸納整理的處理中心，包括系統(tǒng)的權(quán)限管理和安全控制、基礎(chǔ)參數(shù)管理、圖形工具、設(shè)備信息臺賬、數(shù)據(jù)存儲、分析技術(shù)和決策計(jì)算管理、報(bào)表服務(wù)等功能。

（1）安全控制及權(quán)限管理

安全控制及權(quán)限管理模塊是軟件平臺的核心基礎(chǔ)模塊之一，主要從安全的角度提供對各業(yè)務(wù)系統(tǒng)資源訪問權(quán)限的通用授權(quán)管理機(jī)制。根據(jù)軟件平臺設(shè)置的安全規(guī)則及安全策略，使用戶可以訪問而且只能訪問被授權(quán)的系統(tǒng)資源。其他應(yīng)用模塊通過與安全控制模塊集成可以實(shí)現(xiàn)身份認(rèn)證、權(quán)限鑒別和資源訪問的安全控制，并通過API方式提供權(quán)限相關(guān)數(shù)據(jù)的查詢。

（2）報(bào)表服務(wù)

報(bào)表模塊為系統(tǒng)中的報(bào)表提供設(shè)計(jì)和運(yùn)行支持。報(bào)表模塊由報(bào)表編輯器、報(bào)表服務(wù)組成。用戶在報(bào)表編輯器中編輯報(bào)表后，可發(fā)布到報(bào)表服務(wù)器上，由報(bào)表服務(wù)器為報(bào)表提供運(yùn)行環(huán)境和提供報(bào)表服務(wù)的支持，利用平臺的集成設(shè)施訪問數(shù)據(jù)，并且可通過報(bào)表統(tǒng)計(jì)服務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。報(bào)表服務(wù)同時(shí)提供監(jiān)控管理功能。

4.3 用能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測子系統(tǒng)

企業(yè)能效數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測子系統(tǒng)是能效管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是用戶配電網(wǎng)絡(luò)與用電設(shè)備電能運(yùn)行數(shù)據(jù)的源泉，也是能效管理可視化的基礎(chǔ)。實(shí)時(shí)監(jiān)測子系統(tǒng)通過多種通信方式，實(shí)現(xiàn)收集分布在各處的企業(yè)能效數(shù)據(jù)，企業(yè)電能質(zhì)量數(shù)據(jù)，生產(chǎn)設(shè)備用能數(shù)據(jù)，企業(yè)水、氣、風(fēng)、溫度和濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)，利用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，把電能監(jiān)測儀、電能質(zhì)量監(jiān)測裝置及各種監(jiān)測儀器儀表的數(shù)據(jù)，以通信服務(wù)器、以太網(wǎng)、RS-485通信網(wǎng)絡(luò)、WIFI網(wǎng)絡(luò)、4G網(wǎng)絡(luò)等通信手段，將企業(yè)用能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到能效管理平臺，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲、分析和展現(xiàn)。

企業(yè)用能數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各種用能表計(jì)、裝置、儀器數(shù)據(jù)的采集、采集任務(wù)調(diào)度、通信信道管理及響應(yīng)其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互請求。

5 結(jié)語

企業(yè)能效管理系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控各種能源的詳細(xì)使用情況，為節(jié)能降耗提供直觀的依據(jù)，為企業(yè)查找能耗情況，促進(jìn)企業(yè)降低運(yùn)營成本提高管理水平，促使能源合理使用，達(dá)到節(jié)能減排、節(jié)能降耗的目的。通過對能效數(shù)據(jù)的分析，可以幫助企業(yè)對主要耗能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)考核，幫助企業(yè)進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，以降低單位能耗成本，提高企業(yè)綜合競爭力。

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（作者單位：南瑞研究院北京研發(fā)中心）

作者簡介：李英吉（1982—），男，遼寧鞍山人，工程碩士，工程師，長期從事電力信息化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)工作。