淺談物聯(lián)網(wǎng)在居民智慧供暖中的解決方案

魏可才 宋雪述 李祥偉

摘?要：本文主要介紹通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)解決居民供暖過(guò)程中存在的溫度失衡、資源浪費(fèi)、安全運(yùn)營(yíng)、個(gè)性化需求等問(wèn)題的技術(shù)解決方案，建設(shè)智慧供暖管理系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：5G;物聯(lián)網(wǎng);智慧供暖;解決方案

一、緒論

智慧能源是智慧城市建設(shè)的重要基石，隨著智慧城市建設(shè)的推進(jìn)，通過(guò)“智慧能源”實(shí)現(xiàn)的節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益將占據(jù)越來(lái)越重要的地位。據(jù)統(tǒng)計(jì)，北方城鎮(zhèn)供暖能源消耗量占社會(huì)能源消費(fèi)總量的4.4%[1]，因此，如何安全、有效、科學(xué)地控制供暖系統(tǒng)成為城市節(jié)能減排和智慧建設(shè)急需解決的問(wèn)題。同時(shí)，在每年的供暖的過(guò)程中，因供暖管道老化、新增供暖區(qū)域、非正常失水等原因造成供暖溫度過(guò)低或者過(guò)高，給用戶消費(fèi)者造成的不良服務(wù)問(wèn)題突出，既影響用戶感知也導(dǎo)致了供暖資源的浪費(fèi)。本文智慧供暖方案通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)管網(wǎng)及用戶水壓、水溫及流量等信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控采集，并利用大數(shù)據(jù)和AI算法構(gòu)建供暖平臺(tái)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量控制閥實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)動(dòng)和智能控制，來(lái)解決管網(wǎng)的供熱平衡等問(wèn)題，來(lái)提升用戶感知，提升供暖效率，降低供暖成本，同時(shí)，通過(guò)技術(shù)手段預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的供暖問(wèn)題，確保冬季供暖安全、高效運(yùn)營(yíng)。

二、存在的問(wèn)題

由于設(shè)計(jì)、管網(wǎng)老化、設(shè)備運(yùn)營(yíng)、供熱管理等原因，造成傳統(tǒng)居民供暖管理方面存在以下問(wèn)題：

（1）熱網(wǎng)溫度失衡問(wèn)題：熱網(wǎng)的平衡，尤其是二次網(wǎng)的水力平衡難調(diào)節(jié)，與很多因素相關(guān)，比如設(shè)計(jì)、施工以及管網(wǎng)腐蝕、維修不及時(shí)、末端不良操作等，都不同程度地影響著整個(gè)熱網(wǎng)的平衡[2]。由于熱網(wǎng)溫度失衡，一方面造成末端用戶供暖溫度過(guò)低，達(dá)不到承諾的溫度，影響用戶感知，進(jìn)而引起用戶投訴，另一方面，部分區(qū)域由于離供熱企業(yè)比較近，供熱水或氣溫度高且流量大，造成部分住戶家中溫度超過(guò)24度，甚至更高，引起資源浪費(fèi)。

（2）管網(wǎng)的智能化控制：傳統(tǒng)的熱力管網(wǎng)中，熱量表的壓力、流量、溫度無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且閥門以手動(dòng)控制為主，即使可以遠(yuǎn)程關(guān)開(kāi)，也無(wú)法做到遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)管網(wǎng)的壓力、流量和溫度，進(jìn)而影響住戶家的供暖溫度，造成資源浪費(fèi)和溫度失衡，影響用戶感知。

（3）供熱失水引起的浪費(fèi)和安全問(wèn)題：用戶私放供暖管道中的熱水，或者管道老化引起的漏水，突發(fā)性失水是造成管道失水的主要原因[3]。這些非正常供熱失水不僅造成供熱成本的增加和能源的浪費(fèi)，也影響了供熱系統(tǒng)安全和工況的穩(wěn)定，成為制約供熱行業(yè)健康發(fā)展的難題。

（4）無(wú)法滿足個(gè)性化的需求：隨著智慧城市和精細(xì)化服務(wù)的發(fā)展，用戶有按流量計(jì)費(fèi)的個(gè)性化的需求，需要由按面積計(jì)費(fèi)向按流量計(jì)費(fèi)的模式轉(zhuǎn)型和探索[4]。傳統(tǒng)供熱監(jiān)控和測(cè)量手段的，無(wú)法獲取終端用戶及管網(wǎng)中的詳細(xì)數(shù)據(jù)，已經(jīng)無(wú)法滿足精細(xì)化社會(huì)服務(wù)的需求。

三、解決方案

本文主要介紹利用5G、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)建立智慧供暖的解決方案，重點(diǎn)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用。方案以安全可靠為前提，對(duì)供熱管網(wǎng)的溫度、流量和壓力實(shí)現(xiàn)分區(qū)域、分時(shí)段及時(shí)檢測(cè)和智能控制，實(shí)現(xiàn)智能調(diào)溫、節(jié)能降耗、提高管理水平等目標(biāo)。

（一）智慧供暖系統(tǒng)的架構(gòu)

分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層、應(yīng)用層（具體見(jiàn)圖1）四層。

其中傳感層主要包括溫度、濕度、壓力、智能流量計(jì)等感知終端和溫控電磁閥門等操作控制終端，主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備的操控落地等功能。網(wǎng)絡(luò)層主要包括無(wú)線網(wǎng)絡(luò)（NB、2G/3G/4G/5G、WLAN）、有線網(wǎng)絡(luò)（專線、寬帶）、通信模塊/模組/終端等，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳送。

平臺(tái)層主要包括連接管理平臺(tái)和設(shè)備管理平臺(tái)，連接管理平臺(tái)負(fù)責(zé)連接的管理，主要包括資費(fèi)、自動(dòng)化規(guī)則、API接口等功能，設(shè)備管理平臺(tái)主要負(fù)責(zé)終端感知層設(shè)備的管理和控制，并提供數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及處理能力，實(shí)現(xiàn)不同海量終端及應(yīng)用平臺(tái)的兼容耦合，并通過(guò)云化部署的方式實(shí)現(xiàn)了集中、集約化的管理和維護(hù)，提升了平臺(tái)可靠性，降低了投入成本。

應(yīng)用層主要包括智慧供暖管理應(yīng)用云平臺(tái)和用戶APP等，其中智慧供暖管理應(yīng)用云平臺(tái)部署在云上，既可以部署在公有云上，也可以部署在私有云上，主要為供暖企業(yè)使用。

智慧供暖管理應(yīng)用云平臺(tái)主要功能模塊包括：（1）用戶管理模塊：包括住戶小區(qū)名、地址、面積、繳費(fèi)情況等信息管理;（2）資產(chǎn)管理模塊：包括換熱站的地址、設(shè)備清單及詳細(xì)信息等資產(chǎn)信息;（3）告警功能模塊：用于溫度異常告警、住戶私自放水或漏水告警、管道漏水告警、管道水壓異常告警;（4）運(yùn)營(yíng)管理模塊：包括遠(yuǎn)端控制閥門界面、流量計(jì)費(fèi)收費(fèi)界面、使用燃料預(yù)測(cè)（根據(jù)以往數(shù)據(jù)）和室溫地圖系統(tǒng)等;（5）能耗評(píng)價(jià)系統(tǒng)模塊：對(duì)各管網(wǎng)、供熱站、供熱設(shè)備等能耗進(jìn)行比較分析，為企業(yè)能源運(yùn)營(yíng)和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù);（6）智能客服系統(tǒng)模塊：為客戶提供友好服務(wù)界面，也為服務(wù)提升、設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化沉淀數(shù)據(jù)。

APP分為企業(yè)運(yùn)營(yíng)人員用和住戶用兩類：供用戶用的APP主要包括溫濕度異常告警、私自放水或漏水告警、按流量計(jì)費(fèi)使用數(shù)量及繳費(fèi)額、遠(yuǎn)程繳費(fèi)、遠(yuǎn)程關(guān)自家供暖閥門等功能;企業(yè)人員用APP主要包括所轄管理范圍內(nèi)設(shè)備運(yùn)行情況、溫濕度異常告警、私自放水或漏水告警、管網(wǎng)異常告警、遠(yuǎn)程關(guān)閉所轄范圍出現(xiàn)異常管道供暖閥門等功能，相關(guān)功能實(shí)行分級(jí)授權(quán)管理。

（二）系統(tǒng)設(shè)置和功能運(yùn)營(yíng)

本方案系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)功能拓?fù)鋱D如圖2。在管網(wǎng)側(cè)，通過(guò)在主要管道和關(guān)鍵管道處，加裝管道壓力傳感器、溫度傳感器和智能流量計(jì)，對(duì)管網(wǎng)的水溫、壓力和流量數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，進(jìn)一步對(duì)管網(wǎng)供熱情況進(jìn)行綜合分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)的運(yùn)行異常狀態(tài)，包括是否阻塞、漏水、水溫是否控制到位等。在用戶側(cè)，通過(guò)每戶的遠(yuǎn)程抄的智能流量計(jì)、溫濕度檢測(cè)終端和出入口壓力檢測(cè)終端，及時(shí)檢測(cè)用戶家中的溫度。在應(yīng)用平臺(tái)側(cè)，開(kāi)發(fā)基于管廊溫度、壓力、室內(nèi)溫度、溫控閥開(kāi)度多重參數(shù)智能管網(wǎng)溫控模型，通過(guò)人工智能深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)閥門開(kāi)度與供暖溫度精準(zhǔn)控制;同時(shí)監(jiān)測(cè)經(jīng)過(guò)住戶后管網(wǎng)的壓力情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)失水問(wèn)題，進(jìn)而判斷住戶是否私自放熱水、管道是否漏水。在控制側(cè)：通過(guò)對(duì)溫控閥門的精準(zhǔn)控制，既可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，也可以遠(yuǎn)程管理未繳費(fèi)客戶的供暖，還可以突發(fā)管道漏水的跑冒滴漏。

同時(shí)，通過(guò)這些數(shù)據(jù)的比較分析，進(jìn)一步判斷供暖管道設(shè)計(jì)合理情況，為供暖管道優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)用戶智能流量計(jì)的監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)了按流量計(jì)費(fèi)基礎(chǔ)，為精細(xì)化供暖服務(wù)轉(zhuǎn)型提供了支撐。

為解決大多數(shù)供熱管網(wǎng)普遍存在的統(tǒng)一溫度供應(yīng)不同時(shí)段、不同區(qū)域的能源浪費(fèi)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)“按需供熱”，分控系統(tǒng)同集控系統(tǒng)相互協(xié)同，實(shí)現(xiàn)同一個(gè)熱源供應(yīng)下，對(duì)每一個(gè)供暖支路和冷熱設(shè)備，分時(shí)段根據(jù)不同溫度要求，進(jìn)行精準(zhǔn)控制運(yùn)行，尤其適用于不同時(shí)間不同溫度啟?？刂品绞?、不同溫度的設(shè)定要求。

通過(guò)管網(wǎng)壓力傳感器、溫度傳感器、換熱站設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的采集，對(duì)換熱站的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了供熱故障的自動(dòng)預(yù)警，有效降低了供熱站設(shè)備故障及發(fā)生事故的可能性，為供熱良好運(yùn)營(yíng)提供高效優(yōu)質(zhì)的技術(shù)保障。

三、小結(jié)

本解決方案所用的關(guān)鍵技術(shù)主要有基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備管控技術(shù)、基于大數(shù)據(jù)的海量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、基于人工智能的深度學(xué)習(xí)智能溫控算法、基于互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的人機(jī)界面系統(tǒng)等，當(dāng)然，也需要移動(dòng)網(wǎng)、光纖網(wǎng)等傳送網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算的存儲(chǔ)及算力。通過(guò)這些技術(shù)的應(yīng)用，非常高效的解決了供暖過(guò)程中存在的溫度失衡、資源浪費(fèi)、安全運(yùn)營(yíng)、個(gè)性化需求等方面的問(wèn)題，為居民供暖插上了智慧的翅膀。

四、展望

隨著技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)還將在供暖管道設(shè)計(jì)優(yōu)化、供暖機(jī)組運(yùn)營(yíng)管理、住戶個(gè)性化供暖、供熱管道巡檢機(jī)器人等方面提供更多的應(yīng)用支持，實(shí)現(xiàn)供暖的安全可靠、高效和個(gè)性精細(xì)化服務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)智慧供暖向深層次的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]2017年中國(guó)供熱節(jié)能行業(yè)發(fā)展概況、市場(chǎng)容量及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)分析.中國(guó)產(chǎn)業(yè)信息.http：//www.chyxx.com/industry/201801/602667.html.

[2]燕德全.淺談二次供熱管網(wǎng)的失水問(wèn)題[J].中國(guó)科技縱橫，2013，16（3）：27.

[3]范文強(qiáng).基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的熱力站在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].節(jié)能，2019（4）.

[4]郭克寅，石瑤，王涵北.對(duì)集中供熱熱網(wǎng)的變流量調(diào)節(jié)方法的探討[J].節(jié)能，2019（3）.