基于物聯網的節能減排綜合管理平臺建設研究

神華新疆能源有限責任公司 王洪民 趙連明 李清海

基于物聯網的節能減排綜合管理平臺建設研究

神華新疆能源有限責任公司 王洪民 趙連明 李清海

隨著經濟的不斷發展，能源利用飛速增長，高能耗的經濟增長方式對于能源的浪費以及對環境造成的污染日益嚴重，節能降耗已經成為近幾年政府工作的重點。隨著地理信息技術和物聯網技術的發展，智慧城市的建設逐漸開始應用到生活的各個領域，節能減排也逐漸走向信息化管理，在綜合管理平臺中引入物聯網技術，安裝物聯傳感設備，實現對能耗的實時監控，已經成為未來能耗監管和實現政府考核的重要途徑。本文通過分析當前的節能減排形勢，在分析可用的先進技術手段基礎上，提出基于物聯網技術的節能減排綜合管理平臺的總體設計方案，提出了系統的實現方案和子系統的建設思路等，為節能減排的智慧化管理提供了參考。

節能減排；監控；物聯網；數據管理

1 緒論

隨著經濟的發展和環境的不斷惡化，節能降耗已經成為政府工作的重點，為了實現國家的節能減排目標，幫助企業擺脫持續開展節能減排所承受的經濟負擔，實現產業低碳化、交通清潔化、建筑綠色化、服務集約化、主要污染物減量化、可再生能源利用規模化等等到，促進經濟結構調整和經濟發展方式轉變，促進節能減排工作，需要調控政策機制，調動用能單位節能減排的積極性，實現未來能源、經濟與環境的可持續發展，依靠先進科學的能源管理和決策分析工具開展節能減排工作，將各領域企業及相關單位用能情況的監測數據、宏觀經濟運行數據、與環保相關的污染源排放數據進行有效集成，并將對因能源使用所排放的碳排放（溫室氣體）進行轉化統計及可視化分析，同時，利用物聯網數據采集技術，借助信息系統數據交換集成手段，建立節能減排綜合管理平臺，實現對工業領域、建筑領域、交通領域、環保領域、新能源與可再生能源領域的能耗數據、節能項目效益數據進行采集、匯總、統計分析，對重點行業、重點領域、重點單位的節能減排總體形勢進行全面監測[1]。

節能減排綜合管理平臺一方面實現節能減排的實時監測、數據上報、指標監管以及統計分析等工作的全程數字化，為管理決策層提供輔助決策服務；另一方面，通過預警處理，應對節能減排超標的響應及處理，全面提升節能減排工作“管、督、控”的整體水平，最終形成實時監控、上下聯通、各級聯動、全面管理、預警處置、政策調控的節能減排監測管理功能[2]。確保節能減排管理工作的科學性、規范化和制度化，完成全市節能減排責任目標的動態考核，提高監管部門對所轄企業的能源消耗的監督、管理及決策的水平，實現監管部門能源管理體制創新，推進加快結構調整，轉變發展方式，努力建設資源節約型、環境友好型社會發展進程[3]。

2 應用的主要技術

2.1 地理信息技術

地理信息技術是基于空間位置信息的技術，具有地理、圖形和空間定位功能的空間型數據管理功能，集合計算機科學、地理學、測繪遙感學、環境科學、城市科學、空間科學、信息科學和管理科學，為要管理的要素和內容提供地理位置信息和空間分析，并能夠結合導航，實現車輛、物資、人員的應急統一調度指揮等，是智慧城市管理中不可缺少的位置信息技術[4]。

2.2 物聯網技術

物聯網技術采用傳感器技術、智能終端等核心技術，通過實時采集排水、井蓋的水質、水位、流量、雨量、視頻等信號，提高對安全隱患問題排查的實時性、準確性和可靠性，提高本質安全水平、事故預防與應對能力，提升安全管理的科技支撐能力，完善管網安全應急管理體系，真正實現地下管網安全全方位、全過程、全時段的監管[5]。

2.3 云數據管理技術

云計算是一種全新的計算方式，IT基礎架構可以作為一種全新的可靠的、可隨處獲取的服務向應用提供計算資源，可以將可擴展的、富有彈性的IT功能作為一種服務提供，獲得更好的技術共享，增強的自動化，快速動態的改變，政策驅動及面向服務，減少復雜性以及自動響應[6]。

2.4 智能表單

表單是國際通用的語言，是結構化的信息載體。電子文檔包括非結構化文檔和結構化文檔兩種。由于電子表單更容易在傳統的結構化和非結構化信息之間架起一座橋梁，使用戶能更加方便地自定義電子，表單智能電子表單迅速成為電子政務平臺中一個非常重要的技術。

2.5 數據交換標準XML

XML是指可擴展標記語言(eXtensible Markup Language)，1998年2月，XML1.0成為了萬維網協會（W3C）的推薦標準。XML是一種界定文本數據的簡單而標準的方法。它曾經被人稱作“Web上的ACSII碼”。就好像你可以使用自己喜好的程序設計語言來創建任何一種數據結構，然后同其他人在其他計算平臺上使用的其它語言來共享一樣[7]。2.6 Web Service

當前，Web Service已成為一個主流技術，它是網絡和分布式計算技術的進一步發展，主要目標是跨平臺的互操作性。為了達到這一目標，Web Service 完全基于XML（可擴展標記語言）、XSD（XML Schema）等獨立于平臺、獨立于軟件供應商的標準，是創建可互操作的、分布式應用程序的新平臺。與其它一些技術，如COBRA、DCOM相比，使用Web Service會帶來極大的好處[8]。

2.7 標準消息傳遞架構

面向服務的架構(SOA)從根本上改變了對企業應用的設計、開發和集成的方式。它倡導企業應用的模塊化服務、增量開發、便捷集成和重用。然而SOA也帶來一系列的技術挑戰，如可靠的消息傳遞、服務的虛擬化、服務的發現和調用、策略管理等等。

3 系統總體設計

3.1 建設目標

系統建設結合國內節能減排工作開展現狀，以建立健全工業、建筑、交通等各領域節能減排監測、統計、考核體系為基礎，借助物聯網、云計算、GIS, BI等信息化技術，全面掌握并分析出各領域實際的節能減排情況，為節能減排創新機制提供服務和數據支撐。優化信息系統資源配置，加強信息的共享和交流，為政府各部門及用能單位提供優質、高效、便捷的在線服務，構建“監測、診斷、核查”監察能力體系建設，創新服務及管理模式，促進常態化機制的形成，以云計算信息技術為平臺，以物聯網技術為支撐，大數據采集和挖掘為手段，建設在全國范圍內具有典型示范意義的全社會節能減排綜合信息管理平臺，實現節能減排決策和管理的科學化，同時滿足“智慧城市”、“低碳城市”“綠色交通城市”的應用需要。

3.2 建設內容

圖1 節能減排綜合管理平臺主要建設內容

全社會節能減排綜合管理平臺的建設將集成宏觀經濟、污染物減排指標、能源消費數據指標、新能源與可再生能源利用等數據，建設監測管理中心，建設節能減排綜合監測系統、工業領域節能監測監管子系統、建筑領域（政府辦公與公共機構）節能診斷信息子系統、交通領域能耗監測統計子系統等應用系統，同時，實現碳排放交易（用能權、節能量交易）、公共機構能耗按需定額、重點用能單位能耗限額、交通運輸企業節能績效獎勵機制、節能技術服務與監測平臺第三方合作運營等；建設重點用能單位能耗計量設備改造及能源管理體系（工業企業二級能耗計量改造、大型商超酒店建筑能耗分項計量在線監測、交通運輸營運車輛能耗在線監測、重點用能單位能源管理子系統），覆蓋大型商業、交通運輸企業建立能耗在線監測體系，為重點用能工業企業建設二級能效監測和能源管理體系。

3.3 總體架構

根據節能減排綜合管理平臺及各子系統的建設目標和建設內容，將系統總體架構設計如圖2所示：

3.4 網絡架構

網絡設施是平臺建設的必要基礎，承擔著企業及相關單位的數據采集上傳、政府各部門信息的互聯互通，以及網絡間訪問“樞紐”通道，主要包括以下兩個部分：（1）無線數據采集網絡；（2）公共信息網絡與政務專線網絡。

圖3 節能減排綜合管理平臺網絡框架圖

4 系統功能設計與實現

4.1 節能減排綜合監測系統建設

系統依托現代信息和網絡技術，通過對用能單位地理信息、各地塊信息資源的有序整合，以城市GIS地理信息系統為應用載體，虛擬網格劃分碳排放檢測邏輯區域，建立一套基于GIS的可視化平臺，采用GIS+3D的展示方式，基本實現以地理信息技術為基礎，以遙感、遙測、網絡、多媒體及虛擬仿真為支撐的三維可視化低碳展示平臺，從而使節能減排綜合信息管理平臺的展示更加直觀和智能化，供決策人員更加方便快捷的進行科學評估、綜合分析。

4．1．1 GIS系統功能

主要完成用能單位的位置信息在地圖上進行標記與定位，顯示實時數據集成并生成動態圖表，完成多圖層管理與統計查詢功能，實現區縣關聯統計等。

采用“視角驅動分析”的方式（即：先選定某一個分析視角，然后在視角下選擇指標進行分析），GIS展現方式有點、線、面三種。

系統可以根據企業（單位）的基本信息自動調出企業（單位）的能耗、污染物排放情況，并以彈出框的形式進行展示，例如，在地圖展示區域，選中某一企業（單位）點，則可以查看該企業（單位）的相關信息。

圖4 企業能源環境綜合信息

4．1．2 宏觀指標與綜合信息統計

通過詳盡的指標體系，實時反映全社會、重點企業（單位）的能源、環境、經濟運行狀態，將采集的數據形象化、直觀化、具體化。

圖5 某年分行業綜合能源消費

4．1．3 能效對標與潛力分析

系統可按城市級、區縣級（含工業園、開發區）、企業級（含生產單元、重點能耗設備或系統），對自動監測和常規監測的數據進行統計，并根據能源投入與材料的用量、產出品等數據，通過平臺固化的能效管理模型自動生成能源單耗、材料占比、轉換率、損耗率等數據，分析企業能源利用效率和生產工藝現狀。

圖6 全部行業產值能耗成長性分析圖

4．1．4 能源供需計劃平衡管理

能源供應和能源消耗量直接存在距離，調整復雜，系統在大量歷史數據基礎上，對能源的生產，存儲，混合，輸送和使用各環節集中管理與控制，通過企業能源購入量、消費量、庫存量和能源供需關系，實現能源供需動，精態平衡，得出各種能源政策的分配方案。

4．1．5 節能目標指標預警

目標完成率統計，節能目標分解與考核，重點領域及用能單位能耗預警

4．1．6 碳排放量統計核算

從宏觀角度描述烏魯木齊市二氧化碳排放的狀況。盤查并匯總碳排放總量，查詢碳排放量的組成和變化率，分析單位GDP能耗、單位GDP碳排、人均碳排量、地區均碳排量等碳排放量考核指標。

4．1．7 新能、源與可再生能源監測

對新能源與可再生能源應用進行在線監測，在企業原監測系統基礎上，建立完整的新能源基礎數據庫，結合實時采集監測能耗數據，統計分析光電、光熱等項目的能效，為項目規劃建設，投資運營提供數據支撐。

4．1．8 公共信息移動應用

移動應用平臺為全社會提供節能知識普及、政策公告，實時關注節能減排工作成效，建立節能減排指標公示信息查詢服務。系統通過提供的整合信息發布，被授權的用戶可通過移動平臺APP應用自定義選擇分類信息的訂閱，被選擇的信息將整合推送到相應授權的系統。

4.2 監測管理中心建設

監測管理中心的建設充分考慮資源集約，設置大屏幕顯示，建設操作控制系統，服務器可以采用租用“云”公共服務的形式，采用虛擬化主機服務器集群方式構建數據中心，滿足平臺建設的數據集中管理、存儲擴充，并能夠有效節約投資，提供數據中心托管服務，基于此開展數據中心管理服務，需提供的管理服務包括：監控管理、集群管理、集群資源使用、系統管理和報表管理。

4．2．1 監控管理

管理員可以通過監控管理軟件跟蹤服務器的運行狀態，包括CPU、內存、I/O的使用、網絡使用情況，固件的健康狀態，整體性能實用情況等。

4．2．2 集群資源管理

為管理員提供對集群資源的控制、監控、管理操作功能。實現綜合面板監控，資源定制，查看集群資源，安全組架構，密鑰管理等。

4．2．3 集群資源使用

用戶在集群資源中可以申請需要的節點資源，用戶對申請的節點資源進行使用和管理操作。

4．2．4 系統管理

提供該模塊實現對系統的常用功能設置，如用戶信息的維護，角色信息的維護以及系統權限的設置等。為系統管理員提供對用戶的職位映射或者通過角色映射的方式對用戶進行分組，并按組對用戶進行系統權限的設置。

4．2．5 報表管理

提供功能使用戶可以查詢查看自己的賬單信息和申請的資源信息并為此生成報表，便于管理應用。

4.3 數據管理平臺

4．3．1 統一數據管理

統一數據管理是對整個節能減排綜合管理平臺運行所需要的公共信息數據的統一、集中管理，包括如企業信息、管理業務信息、城市基本信息、監測管理數據等。在總體設計上該平臺是其他平臺運行的基礎，需要通過數據共享交換平臺提供的對外服務，共享基礎數據，架構圖如圖7所示。

4．3．2 統一業務數據庫

為滿足節能減排信息整合業務決策的目標，需要將各種數據源(包括關系型數據庫、多維數據源、系統級應用比如能源監測平臺的數據源等等)采集的數據，通過元數據模型設計工具進行元數據建模，從而生成業務視圖，逐步形成統一的業務數據庫。

圖7 數據管理框架圖

4.4 工業領域節能監測監管子系統建設

工業領域監測系統通過對工業企業能耗數據進行采集、上報、匯總、分析，實現工業能耗動態管理和數據綜合利用，根據節能法規及節能監測標準實施科學咨詢決策，幫助企業科學用能，提供能源利用效率，系統將采用物聯網采集與信息集成技術，對工業能耗企業能源的產出、輸配和消費環節實施集中扁平化的動態監控和數字化管理，改進和優化能源平衡，有效對企業能源的消耗進行全方位的監管與考核。

4．4．1 能耗監測統計分析

系統對重點行業、重點用能企業能源消耗情況進行實時采集、監測、預測、預警，統計，計算企業總耗能及單位產品能耗，查找歷史耗能數據、曲線，分析和比較同行業耗能指標，自動生成相應的統計報表。

4．4．2 能耗限額預警

實時動態顯示監控范圍內地區、行業、企業的各類能源消耗總量的統計數據，可根據每個地區、行業、企業設定的標準限額，超過標準限額的數據進行預警，地區總能耗限額預警可分為四級，分別為藍色預警、黃色預警、橙色預警、紅色預警。可按企業、按地區、按時間段靈活設置預警方式和等級，可以按地區、企業以及預警等級、類型查詢出能耗限額情況和預警記錄。

4．4．3 能效對標系統

為節能專管部門提供能效對標的輔助工具，減輕能效對標的繁雜程式化工作量，幫助樹立行業指標庫，統計分析各產品各工序能耗情況，提高能效對標工作的準確度和工作效率。

4．4．4 能源在線審計系統

根據能源審計的相關標準、規范、工作流程，結合企業能源計量器具檔案系統和企業能源計量數據分析系統，研究出在線能源審計模型，通過自動采集的數據和一些人工錄入的數據，按照能源審計通則的要求實現了能源在線審計功能，通過系統可以實時生成企業用能分析：企業能源消費總量及其構成，企業能源網絡圖，企業能量平衡表，企業能流圖、重點耗能設備監控等能源審計圖表。

4．4．5 節能效益考核審計

主管部門根據能耗情況和節能指標完成情況，對企業進行考核評估，作為獎勵或懲罰的依據。其中節能指標可以事先設置，作為事后的考核依據。

4．4．6 合同能源管理項目監管系統

合同能源管理項目監管系統主要用了節能服務公司申請、審批，節能量審核機能的注冊、審批，對合同能源項目進行登記，設置，核查；以做出對應的節能量及效益分析及趨勢分析。

4．4．7 用能企業在線填報

在線填報管理系統要有企業內部上報審核功能，各區縣節能監察部門負責對企業填報的數據進行催報和核查，無按時提交報表有提醒功能，對異常填報數據進行修正提醒，核查后的數據統計入庫。

4.5 建筑領域節能診斷信息子系統建設

4．5．1 能耗監測

通過原公共建筑能耗在線監測系統采集各建筑分項能耗監測數據，實現對重點建筑能耗的實時動態監測（包括機電設備、暖通、照明等分項能耗監測數據）；對能耗統計、能源審計等基本信息進行匯總分析和信息發布。

4．5．2 能耗統計

對國家機關辦公建筑和大型公共建筑的基本情況、能源消耗（電、水、燃氣、熱量）分時段、月度、季度、年度的調查統計與分析，提供趨勢圖、柱狀圖、餅圖及數據表格等多種方式展示。

4．5．3 能源審計

根據能耗統計結果，輔助節能主管部門，選取各類型建筑中的部分高能耗建筑，或部分具有標桿作用的低能耗建筑進行能源在線審計。

4．5．4 節能診斷

對建筑能耗分項計量數據進行比對分析，實現對能源系統的低效率、故障運行進行監測和診斷，按照用能規律對建筑能耗指標進行量化評價，并提供待機能耗診斷、季節性用能診斷等功能。

4．5．5 能效公示

制訂本市能效公示辦法；制訂本市能耗調查與能源審計管理辦法；建立和完善節能運行管理制度及操作規程，并提供能耗統計和能源審計結果的數據接口進行信息發布和公示。

4．5．6 能耗限額定額管理

通過總體能耗和單位面積能耗等多角度進行能效對標分析，對比完成同類型建筑和不同類型建筑之間的分項能耗對標，并基于此研究建筑能耗定額標準與用能系統運行標準。在能耗統計、能源審計、能耗動態監測工作基礎上，實施能耗定額管理，并對能耗指標異常提供報警功能。

4．5．7 節能項目信息庫

開展建立節能監管體系相關工作，對國家機關辦公建筑和大型公共建筑的建筑面積、使用功能、結構形式、年度能耗總量等基本信息的調查統計。

4.6 交通運輸領域能耗監測統計子系統建設

為掌握交通運輸行業節能降耗演變趨勢，及時了解節能管理工作進展情況，滿足評估節能降耗政策措施執行效果、改進節能降耗管理措施的需要，參考《交通運輸能耗統計監測報表制度》建設交通運輸領域能耗統計系統，填報單位為營運管理企業，包括城市公交企業、出租汽車企業、班線客運站、普通載貨汽車和專業載貨汽車等道路運輸企業。并接入正在建設的城市公共汽電車運營監管平臺和方案二中客運/貨運營運車輛能耗在線監測數據。

4．6．1 出租汽車企業運營效率月度數據管理

從出租汽車計價器管理信息系統中獲取該企業所有運營車輛月度各趟次運營信息，導出SQL-server/ Excel/ Access/ XML/ TXT格式數據，整理、審核后提交到交通能耗監測統計系統中。系統將對以下指標進行統計匯總，通過樣本率估算全市出租汽車企業能耗數據。

4．6．2 典型班線客運企業能耗數據填報

對典型班線客運企業所有實施了油耗考核、并能準確掌握油耗情況的所有載客汽車進行在線數據填報統計。

4．6．3 典型班線客運站數據管理

通過從客運站管理信息系統中導出SQL-server/ Excel/ Access/ XML/ TXT格式數據，整理、審核后上報到交通能耗監測統計系統中。

4．6．4 重點班線客運站數據管理

通過從客運站管理信息系統中導出SQL-server/ Excel/ Access/ XML/ TXT格式數據，整理、審核后上報到交通能耗監測統計系統中。

4．6．5 普通貨物運輸企業數據管理

指定貨物運輸企業，通過選取部分管理較好的普通載貨汽車開展數據調查，并在線填報到系統中，要求2噸以下、2～4（含）噸、4～8（含）噸、8～20（含）噸、20噸以上。

4．6．6 專業載貨運輸企業數據管理

指定貨物運輸企業，通過選取部分管理較好的載貨汽車開展數據調查，并在線填報到系統中。

4．6．7 車輛能耗與運營數據監測集成

對接入實時能耗數據的公共交通和通過試點安裝油耗監測設備的車輛進行在線實時油（氣）耗監測、統計分析、能耗對標、能耗預測預警等應用功能。

4．6．8 樣本油耗數據統計與測算

根據統計上報和試點車輛在線監測的數據，分析并測算各營運類型車輛的總能耗。

5 結論

全社會節能減排綜合管理平臺及其子系統是一個綜合性較強、結構復雜、技術數據應用多方面集成的平臺，涉及全市多個部門和行業，監測范圍廣、數據量大且動態性強，對數據的有效性方面有嚴格的要求，且業務部門有管理邊界不清楚、需求不明確、管理功能目標過大、實施組織有難度等特點明顯，這些都是平臺建設過程中需要重點關注的方面。

全社會節能減排監測體系建設是節能減排財政政策綜合示范城市建設的重要組成部分，堅持能源環境指標“存量調結構，增量擴空間”的發展原則，建立節能減排長效的協同工作機制，調動企業節能減排的積極性，進一步拉動區域經濟低碳轉型發展，引導社會資本投資，將集節能權益交易及節能綜合服務為一體的專業機構推向市場化運作，降低各節能主管部門信息系統建設的運行維護費用。

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