基于移動邊緣計(jì)算的光伏工程項(xiàng)目管控系統(tǒng)研究

李 勇， 趙 江

（中國三峽新能源（集團(tuán)）股份有限公司建設(shè)管理分公司， 北京 100000）

0 引言

光伏工程是隨著環(huán)保、節(jié)能、減排等理念的推行而飛速發(fā)展起來的一項(xiàng)重要產(chǎn)業(yè)。然而，在急速發(fā)展的過程中，光伏工程項(xiàng)目管理也不斷暴露出各種問題[1]。首先其管理手段單一，信息化程度不高，在光伏工程項(xiàng)目管理的過程中，其管理手段比較傳統(tǒng)，主要依靠紙質(zhì)表格及部門間互相溝通實(shí)現(xiàn)管理。這樣的管理方式效率低下，耗費(fèi)人力物力，且很難跟上物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)快速發(fā)展的步伐[2]。其次其數(shù)據(jù)獲取效率低，在光伏工程項(xiàng)目建設(shè)過程中，所涉及的數(shù)據(jù)種類繁多，而這些數(shù)據(jù)來源于多個部門、多種信息系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集十分費(fèi)時費(fèi)力。同時，由于傳統(tǒng)的信息管理機(jī)制，導(dǎo)致大量數(shù)據(jù)相對獨(dú)立，難以進(jìn)行整合分析[3]。這些都給項(xiàng)目管理及決策造成了很大的困擾。同時其數(shù)據(jù)處理水平不高，在現(xiàn)有的信息化環(huán)境下，部門之間缺乏信息和數(shù)據(jù)的共享，導(dǎo)致了信息的孤立和重復(fù)，有可能導(dǎo)致不同部門重復(fù)造輪子，此外，隨著項(xiàng)目復(fù)雜度越來越高，數(shù)據(jù)處理水平的不足，甚至影響到工程的質(zhì)量[4]。最后也是最重要的一點(diǎn)，傳統(tǒng)信息系統(tǒng)無法適應(yīng)業(yè)務(wù)變化，傳統(tǒng)的光伏工程管理系統(tǒng)普及度較低且難以適應(yīng)新的需求和任務(wù)。這些傳統(tǒng)系統(tǒng)需要不斷升級才能適應(yīng)新的標(biāo)準(zhǔn)和工業(yè)變化，而且由于行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)不足，也很難彌補(bǔ)這方面的差距。雖然這些問題不同，但都與管理模式、信息化、數(shù)據(jù)采集和處理、系統(tǒng)的靈活性、以及溝通和協(xié)調(diào)等方面有所關(guān)聯(lián)[5]。

在未來，光伏工程項(xiàng)目管理需要更高效的管理模式和更加智能化的管理系統(tǒng)，以應(yīng)對更為復(fù)雜和需求激烈的市場。同時，加強(qiáng)溝通和協(xié)調(diào)，促進(jìn)部門間的信息共享和數(shù)據(jù)質(zhì)量，在大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的支持下，減少管理成本和風(fēng)險(xiǎn)，提高項(xiàng)目效益。

1 云計(jì)算技術(shù)在光伏工程項(xiàng)目中的應(yīng)用

1.1 云計(jì)算技術(shù)在光伏工程項(xiàng)目中的應(yīng)用優(yōu)勢

當(dāng)前光伏工程產(chǎn)業(yè)持續(xù)迅猛發(fā)展，因此項(xiàng)目建設(shè)過程中，項(xiàng)目的規(guī)模和復(fù)雜度不斷增加，傳統(tǒng)的粗放式管理和單一的信息系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足項(xiàng)目的需求，需要更加高效化的管理方式和數(shù)據(jù)處理方式才能提高企業(yè)競爭力。而云計(jì)算技術(shù)的出現(xiàn)為這些問題提供了解決的途徑。

光伏工程項(xiàng)目建設(shè)涉及的數(shù)據(jù)來源多且分散，各項(xiàng)目施工現(xiàn)場與總部之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問也非常頻繁，因此需要一個支持分布式化的數(shù)據(jù)存儲和計(jì)算平臺。云計(jì)算技術(shù)能夠采用分布式的方式將數(shù)據(jù)存儲在各個云節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行計(jì)算和處理，并快速響應(yīng)不同地區(qū)、不同人群的實(shí)時數(shù)據(jù)訪問請求。這樣可以有效減小傳統(tǒng)云計(jì)算模式下的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷，保證數(shù)據(jù)的安全性和響應(yīng)速度。

此外，光伏工程項(xiàng)目所涉及的數(shù)據(jù)種類繁多，但其管理及協(xié)同管理過程多呈現(xiàn)出較為分散、低效、信息孤島等問題。云計(jì)算技術(shù)通過開放API 接口等技術(shù)，可將不同的數(shù)據(jù)集成在相應(yīng)的云平臺上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、協(xié)同辦公、管理以及智能決策等功能。通過整合、管理和分析相互關(guān)聯(lián)的結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)，可以快速幫助企業(yè)做出精細(xì)化、科學(xué)化的業(yè)務(wù)決策。

1.2 移動邊緣計(jì)算技術(shù)在光伏工程項(xiàng)目中的必要性研究

不過，傳統(tǒng)的云計(jì)算技術(shù)采用中心云模式，需要滿足高帶寬需求，各地項(xiàng)目建設(shè)過程中的大量數(shù)據(jù)處理工作極大地占用網(wǎng)絡(luò)資源，難以滿足超低延時要求。這就需要移動邊緣計(jì)算技術(shù)作為補(bǔ)充。移動邊緣計(jì)算技術(shù)可以將數(shù)據(jù)處理的任務(wù)放在離計(jì)算源近的位置上，從而實(shí)現(xiàn)多方面協(xié)作，提高數(shù)據(jù)處理效率和數(shù)據(jù)傳輸速度。

以光伏工程實(shí)際場景為例，移動邊緣計(jì)算可以更高效地實(shí)現(xiàn)與光伏工程項(xiàng)目相融合。在光伏電站的建設(shè)中，需要對光伏面板的溫度、光照等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)測，并及時處理。采用傳統(tǒng)的云計(jì)算模式，需要將所有的數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行處理，其中需要面對數(shù)據(jù)上傳、傳輸、處理等環(huán)節(jié)中消耗大量的時間和資源。而采用移動邊緣計(jì)算技術(shù)，則可將數(shù)據(jù)處理任務(wù)放在本地進(jìn)行處理，可以快速地將實(shí)時數(shù)據(jù)上傳云端，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測和快速處理。

2 移動邊緣計(jì)算嵌入光伏工程項(xiàng)目管控體系架構(gòu)

移動邊緣計(jì)算技術(shù)相對于傳統(tǒng)的云計(jì)算技術(shù)，在光伏工程項(xiàng)目管理中具有顯著的優(yōu)勢?？梢愿咝У亟鉀Q數(shù)據(jù)分散、處理效率低下、系統(tǒng)穩(wěn)定性差等諸多問題，為光伏工程項(xiàng)目管理打好堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。基于此，嘗試將移動邊緣計(jì)算嵌入光伏工程項(xiàng)目管控體系，即光伏項(xiàng)目管理邊緣云系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 將移動邊緣計(jì)算嵌入光伏工程項(xiàng)目管控體系的架構(gòu)

將移動邊緣計(jì)算嵌入光伏工程項(xiàng)目管控體系中，可以采用3 層級架構(gòu)，其中的現(xiàn)場級、項(xiàng)目級和企業(yè)級，分別承擔(dān)了不同的任務(wù)。

2.1 現(xiàn)場級

現(xiàn)場級是光伏工程項(xiàng)目管理邊緣云架構(gòu)中最基礎(chǔ)的一級，主要負(fù)責(zé)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，包括溫度、光照、電壓等參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測?，F(xiàn)場級通過搭載傳感器、攝像頭等設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，為后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供了實(shí)時數(shù)據(jù)源。同時，現(xiàn)場級也負(fù)責(zé)從邊緣計(jì)算設(shè)備接收數(shù)據(jù)處理指令，完成數(shù)據(jù)處理工作。

現(xiàn)場級設(shè)備通過低功耗、小尺寸、輕量級的設(shè)備進(jìn)行布局位置的選擇，可考慮將現(xiàn)場級設(shè)備集成于光伏電池板上、固定在電站內(nèi)部或安裝在光伏電站周圍?，F(xiàn)場級設(shè)備將采集的新數(shù)據(jù)傳輸至項(xiàng)目級進(jìn)行處理，數(shù)據(jù)傳輸可以通過邊緣計(jì)算設(shè)備中的無線通訊方式，可在現(xiàn)場架設(shè)5G 基站實(shí)現(xiàn)。

2.2 項(xiàng)目級

項(xiàng)目級是光伏工程項(xiàng)目管理邊緣云架構(gòu)中的第二層，主要負(fù)責(zé)通過光伏工程項(xiàng)目管理邊緣計(jì)算處理現(xiàn)場級的信息，并且提煉出有價(jià)值的信息。例如，對現(xiàn)場溫度的實(shí)時監(jiān)測，可以提供對空氣溫度、陽光輻射等天氣因素的分析。項(xiàng)目級具有一定程度的數(shù)據(jù)處理能力，可以對現(xiàn)場所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理和分析，以獲得更具有實(shí)際意義的信息，例如溫度異常的警告信息。

為了提高項(xiàng)目級設(shè)備的數(shù)據(jù)處理能力，可以使用高效的邊緣智能系統(tǒng)。具體而言，在邊緣計(jì)算設(shè)備上安裝針對性較強(qiáng)的邊緣智能系統(tǒng)和算法，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、儲存和傳輸?shù)染C合功能。邊緣計(jì)算設(shè)備同時還應(yīng)該具備高效的決策能力，能夠發(fā)現(xiàn)問題，及時地進(jìn)行處理。

2.3 企業(yè)級

企業(yè)級是光伏工程項(xiàng)目管理邊緣云架構(gòu)中的最高層級，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的整合、分析和維護(hù)。企業(yè)級的云平臺收集邊緣計(jì)算設(shè)備上傳的數(shù)據(jù)，對千百個子項(xiàng)目進(jìn)行數(shù)據(jù)整合和分析，可以實(shí)現(xiàn)對多個光伏電站運(yùn)營展開全方位的數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理，并且為未來的決策提供有力支持，例如，通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)組件的生產(chǎn)不良率與一些特定的原材料相關(guān)便可有效縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期和提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率等。

企業(yè)級應(yīng)該通過云技術(shù)整合邊緣計(jì)算的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)營的集中控制，以便更加方便地與其他部門協(xié)作?；诠夥こ添?xiàng)目管控云計(jì)算平臺，將所有的數(shù)據(jù)信息全部集中進(jìn)行存儲和管理。同時，可以通過人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)分析這些數(shù)據(jù)，提供有效的預(yù)測性分析和優(yōu)化方案，并對多個光伏電站的生產(chǎn)運(yùn)營提供全方位監(jiān)控和實(shí)時調(diào)整服務(wù)。

光伏工程項(xiàng)目管理邊緣云架構(gòu)的各個層級，通過不同的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方式，實(shí)現(xiàn)了一站式的信息采集、處理、儲存和傳輸，使得數(shù)據(jù)能夠在實(shí)時和靜態(tài)兩方面都能得到有效管理。通過不同層級之間的信息互通，可以幫助企業(yè)做出高效的生產(chǎn)決策，達(dá)到智能化運(yùn)營的目的。

3 數(shù)據(jù)分析的兩種實(shí)現(xiàn)路徑

在光伏工程項(xiàng)目管理中，數(shù)據(jù)處理是非常重要的一個環(huán)節(jié)。為了提高數(shù)據(jù)分析和處理的效率，光伏項(xiàng)目管理邊緣云架構(gòu)需要選擇合適的數(shù)據(jù)處理路徑，項(xiàng)目提供了知識庫路徑和數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑。以下分別分析這兩種路徑在光伏項(xiàng)目管理中的具體優(yōu)勢。

3.1 知識庫路徑

知識庫路徑是一種基于專家經(jīng)驗(yàn)和已有數(shù)據(jù)構(gòu)建的數(shù)據(jù)處理方案，這種路徑的核心是建立一個充滿專家經(jīng)驗(yàn)、規(guī)律、規(guī)范等的知識庫，在處理數(shù)據(jù)時可以通過數(shù)據(jù)庫中的規(guī)則和方法，獲得較高的數(shù)據(jù)處理效率和精度。在光伏項(xiàng)目管理中，該路徑適用于含有較多規(guī)律和規(guī)范的項(xiàng)目，比如：

1）光伏工程設(shè)計(jì)評審：在對光伏項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)評審時，需要對電站容量、組串式光伏電池布局、逆變器、匯流箱、交直流端子盒等關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行審查。通過專家數(shù)據(jù)庫中的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)，可以快速地找到問題所在，定位方案和解決方案。

2）光伏工程施工監(jiān)管：在光伏工程的施工階段，需要對現(xiàn)場施工進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控并進(jìn)行專業(yè)技術(shù)監(jiān)管。通過知識庫路徑，監(jiān)管人員可以利用專家數(shù)據(jù)庫中的規(guī)范和方法，進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)的快速分析，從而快速定位和解決問題，保證光伏工程施工的順利進(jìn)行。

3）光伏工程運(yùn)維管理：在光伏工程運(yùn)維管理過程中，需要監(jiān)測發(fā)電效率、溫度、空氣濕度等多種指標(biāo)，并對異常情況進(jìn)行預(yù)警和處理。通過知識庫路徑，可以將專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的經(jīng)驗(yàn)及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析和挖掘，建立有效的預(yù)警體系，提高光伏工程的運(yùn)維效率。

知識庫路徑適合處理光伏項(xiàng)目中具有規(guī)律和規(guī)范的數(shù)據(jù)，能夠通過專家數(shù)據(jù)庫中的規(guī)則和方法，提高數(shù)據(jù)處理效率和精度。

3.2 數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑

數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑是一種基于大數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理方案，通過大量的數(shù)據(jù)與基于算法的分析，建立統(tǒng)計(jì)模型、計(jì)算模型等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。在光伏項(xiàng)目管理中，該路徑適用于分析光伏項(xiàng)目中包含較多復(fù)雜、多維度和隨機(jī)變化的數(shù)據(jù)，例如：

1）光伏電池板功率輸出和溫度情況：在光伏電站的運(yùn)行中，需要對光伏電池板運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，包括光伏電池板的溫度、短路電流、阻抗特性、穩(wěn)定性等數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑，可以對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和建模，從而實(shí)現(xiàn)對光伏電站的性能優(yōu)化。

2）輸電線路的故障情況：監(jiān)測輸電線路是保證光伏電站正常運(yùn)行所必須的環(huán)節(jié)，需要對輸電線路的電流、電壓、功率因素、諧波等進(jìn)行監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑，可以建立線路故障感知模型、數(shù)據(jù)監(jiān)測模型，實(shí)現(xiàn)對輸電線路的實(shí)時監(jiān)控和預(yù)測。

3）光伏電站運(yùn)行的異常情況：在光伏電站的運(yùn)營過程中，需要對電站的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和診斷，發(fā)現(xiàn)和解決異常情況。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑，可以通過建立異常檢測算法、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模型等，實(shí)現(xiàn)逐步優(yōu)化電站的運(yùn)行狀態(tài)。

數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑適合處理光伏項(xiàng)目中較為復(fù)雜、多維度和隨機(jī)變化的數(shù)據(jù)，能夠通過數(shù)據(jù)分析和挖掘，建立有效的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和預(yù)測模型。

3.3 優(yōu)劣勢比較

知識庫路徑適用于處理具有規(guī)律、規(guī)范的數(shù)據(jù)，并且該路徑可以通過專家數(shù)據(jù)庫中的規(guī)則和方法，提高數(shù)據(jù)分析和處理的效率和精度，但是知識庫路徑也存在一定的局限性，無法處理那些規(guī)律和規(guī)范無法準(zhǔn)確描述和統(tǒng)計(jì)的情況。而數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑適用于大量的復(fù)雜、多維度和隨機(jī)變化的數(shù)據(jù)分析，能夠通過數(shù)據(jù)分析和挖掘，建立有效的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和預(yù)測模型，但是需要大量的數(shù)據(jù)分析和挖掘技術(shù)以及處理算法。

從實(shí)際應(yīng)用角度來看，選擇路徑取決于光伏項(xiàng)目的具體情況。對于那些大量、復(fù)雜的數(shù)據(jù)，需要采用數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑；而對于那些規(guī)律、規(guī)范明確且數(shù)據(jù)相對簡單的項(xiàng)目，則可采用知識庫路徑進(jìn)行處理。當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用時，這兩種路徑也可以結(jié)合使用，以提高數(shù)據(jù)分析的精度和效率。

4 結(jié)語

移動邊緣計(jì)算已成為解決大量數(shù)據(jù)處理和網(wǎng)絡(luò)資源占用問題的有效途徑。在光伏工程項(xiàng)目管理中，通過光伏項(xiàng)目管理邊緣云架構(gòu)的設(shè)計(jì)和搭建，可以實(shí)現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型，提高光伏項(xiàng)目管控設(shè)計(jì)、過程管控和運(yùn)維管理的效率和精度。將移動邊緣計(jì)算嵌入光伏工程項(xiàng)目管控體系中，其架構(gòu)分為現(xiàn)場級、項(xiàng)目級和企業(yè)級三個層級，每個層級承擔(dān)不同的職責(zé)。其中，數(shù)據(jù)分析是整個光伏項(xiàng)目管理邊緣云架構(gòu)的核心，因此為光伏工程項(xiàng)目管理提供了知識庫路徑和數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑，來實(shí)現(xiàn)光伏項(xiàng)目管理數(shù)據(jù)的處理。結(jié)果表明，對于具有規(guī)律規(guī)范的數(shù)據(jù)，可以選擇知識庫路徑；對于復(fù)雜多維度隨機(jī)變化的數(shù)據(jù)，可以選擇數(shù)據(jù)驅(qū)動路徑。在實(shí)際應(yīng)用中，這兩種路徑也可以結(jié)合使用，以提高數(shù)據(jù)分析的精度和效率。