绿色建筑大数据平台及管控机制分析

[摘要]本文从大数据平台安全接入与数据质量、大数据高效存储与调用、大数据高效分析及诊断计算与处理等关键核心基础服务出发，研究建筑大数据分析应用集成技术、建筑大数据平台流程与资源管控机制，建立数据来源可溯、流向可追、质量可控、运行高效、扩展性强、应用灵活并符合标准规范的大数据平台管理体系，为绿色建筑大数据管理平台有效应用奠定基础。

[关键词]大数据平台;应用集成技术;管控机制

1背景

自2007年以来，我国节能监管系统的建设工作已近十年，全国已建成大量节能监管平台，其发挥着能耗计量、能耗分析、能耗数据上传的重要作用。政府部门作为节能政策的制定者和践行者，兼顾着公共建筑节能监管体系的建设任务和示范效应作用的双重责任。公共建筑节能监管系统的工作成效显然，但节能监管系统在建设、运行过程中仍然存在技术和管理方面的问题。主要技术问题有：采集数据不准，数据无法准确上传，不能真实反映建筑能耗水平；能源、环境的监测系统相互独立，缺乏有效整合和关联等[1]；主要管理问题有：管理人员的系统概念不清楚、对功能作用认识不够、工作动力不足；后期管理不到位，节能咨询服务较差，系统发挥作用有限。对于节能监管体系而言，建设只是手段而非目的，满足监管部门、建筑用户各层面需求及具备灵活且标准化的接入和数据统一，用节能监管系统进行用能分析、能效管理和节能考核才是核心目标。因此，我国亟需数据驱动的公共建筑能耗在线监测云端信息库，通过集成公共建筑能耗数据分析方法和预测诊断技术，建设集数据采集与汇总、分析与诊断、机制与管理、公示与应用于一体的绿色建筑能耗大数据平台，并建立相应的管控维护机制，提升公共建筑节能运行管理水平[2]。

2绿色建筑大数据平台总体架构

根据绿色建筑大数据平台应用及管控需求特点，平台整体架构设计从数据和业务角度设计有关基础平台和中台，满足在管控机制和标准规范[3]前提下的各类权限用户的高效和灵活应用，平台架构主要分为基础平台，共享服务平台，数据中台，业务中台。2.1基础平台。基础平台为用户提供一个能够快速部署，运行应用系统的软件基础环境，主要包括容器管理、数据存储基础服务，消息队列服务、缓存服务、统一监控等。基础设施层可以屏蔽底层硬件差异，增强系统部署效率与灵活性，以及满足平台各类底层能耗子系统及检测智能终端的高效和规范性接入，以保障数据传输的标准化和统一性要求。2.2共享服务平台。共享服务平台为用户提供一个应用软件开发基础平台，系统软件开发、测试可以在本地配置开发环境，系统支撑层提供了软件开发必要的基础架构，开发者不需要重复构建一些常用的服务，可以在支撑层基础架构之上快速建设新的应用，满足建筑大数据平台长期运行过程中业务和管理机制变化导致的快速调整及应用需求。2.3数据中台。服务支撑层根据业务功能特点，利用微服务、大数据等技术，构建符合业务应用功能需要的业务服务单元。通过数据和业务服务的融合，支撑业务应用层中的相关应用。2.4业务中台。业务中台提供基于行业或领域的智慧应用及应用整合，如能耗监测应用，用能诊断应用，用能评价应用，用能运维应用，综合管理应用等[4]，为建筑业主提供了便捷的信息化运维工具，为管理者提供科学的辅助决策支持依据。

3平台微服务集成技术与治理架构

大数据管理平台使用为满足应用扩展性/可伸缩性、可维护性、低耦合性要求，结合公共建筑的基础信息、能耗监测系统、机电设备、环境监测系统的运行数据，提出了微服务的模式[5]。对平台中的各种应用服务，形成单独的微服务程序，由大数据管理平台进行统一治理与管理，达到对系统资源的综合管控、对资源与服务的实时监控。大数据管理平台业务众多，牵涉到的服务化模块也多，各模块间又存在着千丝万缕的联系。对于这些复杂的模块，根据各自负责的业务，解耦成独立的服务模块，这些服务模块对外提供统一的接口，服务模块包括：配置管理、告警、采样数据、计算服务、日志服务、诊断服务、评价服务、大数据分析服务、故障分析等。大数据管理平台按业务功能拆分成：API网关、数据管理、权限管理、预测、用能诊断、用能评价、策略优化与调控、多维数据分析等，各团队维护各自的应用服务。各服务注册到大数据管理平台，由大数据管理平台对各服务进行统一的管理与治理，协调好各服务间的逻辑关系、数据通信、负载均衡、上线与下线等。大数据平台前端页面和后台程序接口采用前后端分离的Restful架构风格，数据通过JSON格式进行数据交换。后端微服务架构模式将大型的、复杂的的应用程序构建为一组相互配合的服务，使其拥有更高的敏捷性、可伸缩性和可用性，每项服务都可以很容易获得局部改良，同时，微服务之间通过RESTAPI形式的接口或者消息队列进行整合。

4平台管理技术与管控机制

4.1平台数据接入机制及技术。建筑大数据平台的数据接入传输可靠性是保障数据质量及平台业务应用的保障和基础，大数据平台基于TCP通信框架Netty技术，采集接收各类建筑发送的建筑能耗和环境数据，用以快速开发高性能、高可靠性的网络服务器和客户端程序。建筑工程客户端与大数据平台TCP连接建立成功后，向平台服务端发送身份认证请求，大数据平台返回一个随机序列，客户端将本地存储的AES认证密钥和接收到的随机序列组合成一连接串，计算连接串的MD5值并发送给平台，平台服务端会调用Redis服务器接口验证ID和MD5值，用户身份验证通过后，客户端根据秘钥用AES加密算法对数据加密后发送给大数据平台，大数据平台用密钥解密客户端发送的XML数据包，并将数据包保存到文件服务器。大数据平台的通信协议采用TCP协议，消息内容采用XML数据传输格式，确保了数据通信的完整性和可靠性，且XML传输格式具有跨平台性和良好的扩展性，可满足多类型建筑不同底层系统设备的灵活接入。大数据平台数据传输采用MQTT协议，该协议适合于低带宽、不可靠连接、嵌入式设备、CPU内存资源紧张的场景，同时MQTT的“/订阅”模式可支持下行数据的传输，大数据平台可向数据采集器发送控制指令，双向传输可满足管控机制的上下行管理监测。大数据平台数据采集器和平台之间采用JSON格式，同时兼容原有XML格式和通信协议。XML格式通用性强，但不适合海量数据实时传输。JSON是一种轻量级的数据交换格式，具有良好的可读和便于快速编写的特性，可在不同平台之间进行数据交换。JSON比XML更加小巧，其更适用于平台底层网络数据传输。4.2楼宇信息及能源数据配置机制。为满足各建筑类型、各厂家能耗系统及仪表、耗能机电系统的接入并符合能耗模型标准，设计并开发平台端数据配置机制，以保障数据接入和管理的规范性和完整性。（1）面向建筑业主或示范单位开发建筑配置系统，实现各类型建筑基础信息采集、建筑机电系统基本信息采集、公共建筑集中式空调冷源（热源/冷热水输配/末端）及主要设备固定信息采集、公共建筑半集中或分散式空调（供冷和供热）系统主要设备固定信息采集、公共建筑集中式生活热水系统主要设备固定信息采集以及各类型建筑照明系统相对固定信息采集等数据的管控和监测。同时，建立统一的能耗节点同监测仪表对应关系的配置管理系统，动态实现公共建筑用能模型及计算公式的设置与扩展。主要有以下几类配置：1）建筑配置。建筑配置的数据信息主要用于“仪表配置”、“能耗配置”等模块的对应关系，根据建筑信息可对能耗数据进行分析、比较、统计、汇总等操作。公共建筑（办公建筑、饭店建筑、商场建筑、医院建筑）基础信息采集包括建筑名称、建筑简称、所在位研究探讨置、地址、竣工时间、建筑类型、建筑面积、建筑使用人数等基本信息。公共建筑机电系统基本信息采集包括公共建筑机电系统基本信息的录入，如：运行策略、设定温度、空调系统形式、末端控制方式等基本信息。2）仪表配置。仪表基本信息采集包括仪表名称、仪表类型、所在建筑、互比、仪表型号、仪表规格、仪表厂商、仪表来源等基本信息。3）能耗配置。分项配置即根据建筑选项及能耗类型（包括能耗分项类型、能耗表示类型）的选项值配置仪表参数项，即一对多的关系，对已选择仪表参数值后，可根据专业方面设计的需要，对计算方法、参数计算方法、系数作数据调整，随之自动生成计算公式。4）楼层配置。即根据建筑选项，展示出对应的建筑楼层信息，结合楼层分项选项，可以配置仪表参数数据基，即一对多的关系，对已选择仪表参数值后，可根据专业方面设计的需要，对计算方法、参数计算方法、系数作数据调整，随之自动生成计算公式。5）部门配置。即根据建筑选项，展示出对应的部门信息，结合部门分项选择，可以配置仪表参数数据基，即一对多的关系，对已选择仪表参数值后，可根据专业方面设计的需要，对计算方法、参数计算方法、系数作数据调整，随之自动生成计算公式。6）设备配置。即根据建筑选项，展示出该建筑所有设备信息，通过设备选项，可以配置仪表参数数据基，即一对多的关系，对已选择仪表参数值后，可根据专业方面设计的需要，对计算方法、参数计算方法、系数作数据调整，随之自动生成计算公式。（2）为提高示范项目数据接入绿色建筑大数据管理平台传输效率，开发用户申请、楼宇配置及楼宇服务系统通道，开通接入权限和使用权限，接入权限包括用户上传编码、上传密钥、域名和端口号，使用权限包括用户名和密码。（3）通过建立绿色建筑大数据管理平台运行管理规范，形成质量周报、数据月报、行业季报及运行年报机制，实现数据信息流的质量管理与控制。

5结论

通过建立绿色建筑大数据管理平台，充分利用大数据相关技术，平台水平扩展等技术，解决现有公共建筑能耗监测平台服务对象和功能单一，可扩展能力不强，数据不及时、不完备、不准确的问题；通过建立统一平台，系统对既有公共建筑能耗监测数据进行展示、分析，给不同层级用户提供科学的数据支撑，以达到对绿色建筑用能特征进行常态化管控、精细化管理的长效机制，充分发挥平台价值的问题为导向，遵循科学的调研分析。采用现代化的大数据技术，实时监控能源消耗、环境参数，实现项目间进行信息分享，以节能、高效、持续发展为目标，实现数据的综合开发与利用，提升绿色建筑信息化、定量化与精准化管理水平。

参考文献

[1]王清勤.《既有建筑绿色改造评价标准》解读[J].建设科技,2017(02):48-49.

[2]肖筱华,周栋.大数据技术及标准发展研究［J］.信息技术与标准化,2014（4）:35-39.

[3]国家标准《民用建筑能耗标准》实施指南[J].建筑节能,2019,47(01):62.

[4]路宏伟.大型公共建筑能耗监测与信息管理系统研究及应用[J].江苏建筑,2011(5):114-116.

[5]洪华军，吴建波，冷文浩《一种基于微服务架构的业务系统设计与实现》[J].计算机与数字工程，2018（01）:032

作者:丁洪涛 马如明 杨毅 单位:1.住房和城乡建设部科技与产业化发展中心 2.南京天溯自动化控制系统有限公司