數字中臺體系下智慧校園物聯網能效管理的實踐研究

陳 堅

江蘇聯合職業技術學院南京財經分院

0 引言

為貫徹落實黨中央、國務院的工作部署，大力推進節約型校園建設，根據發改委等七部委發布的《能效“領跑者”制度實施方案》，教育部學校規劃建設發展中心決定實施“能效領跑者示范建設”試點，積極推動學校節能技術改造，引導和支持學校實行能源托管。研究校園物聯網能效管理應用，對打造綠色示范校園具有積極重要的意義。

校園數字中臺是一個數據與業務的調度與運營中心，所有關聯業務的數據/流程統一收集、可視化、分析，來實現有機統一的運營與管理。數字中臺是對平臺數字能力的再分工、再沉淀，是平臺的平臺，以抽象、聚合的方式幫助前臺快速匹配所需的能力及資源，進而實現更敏捷響應、快速變化的業務場景。智慧校園物聯網能效管理系統是校園數字中臺的組成部分，采用控、管、維一體化技術架構，實現在遠程云架構下的多客戶端數據可視化、信息圖形化、控制智能化，嵌入人工智能巡檢模型軟件與能源專家分析系統，由過去以控制功能為主、人工巡檢方式，轉變為主動式數據巡檢、預測性維護和操作優化，事前發現故障隱患，提前預防處理，確保能源系統的可靠、安全運行。

1 智慧校園物聯網能效管理的綜合設計

校園智能樓宇管理系統（以下簡稱智能樓宇）提供學校樓宇照明控制、空調管理、能源采集以及節能展示等功能的一體化解決方案，采用B/S架構服務端，可實時運行，提供全天不間斷的控制服務，不同權限的用戶通過瀏覽器、手機App均可實時查看和控制設備。智能樓宇結合物聯網、大數據以及能源管理，幫助樓宇管理者更高效、更直觀地提高樓宇管理效率，保證提供舒適、安全環境的同時，提高能源利用率。

校園能源管理系統能夠對學校的水、電、氣、熱表等運行數據進行采集，針對不同的設備定制不同的采集策略和采集頻率；提供節能模式和非節能模式的數據采集功能；可以采集不同模式下的能源消耗數據，提供不同情況下的能耗數據對比；實現樓宇的自動控制，結合各類人體、溫度、濕度、亮度傳感器的使用，可以實現比“人來燈亮、人走燈滅”更為豐富的控制功能，能夠滿足不同場景下的不同控制需求；根據實際環境條件自動控制設備，完全無需人工干預，真正的人工智能體驗，杜絕空開設備，更加節能舒適。

智慧環境監測系統對教室環境進行監測及調節。通過溫濕度傳感器、空氣質量傳感器等，實現對教室溫濕度、空氣質量等的實時監測，環境數據實時回傳至服務器、云平臺，通過策略部署、設備聯動，開啟新風、加濕器、風扇等設備，調節教室環境。實現教室環境智能化管控，確保教學環境處于舒適狀態。

2 智慧校園物聯網能效管理系統的實施

校園物聯網能效管理綜合系統，主要包括校園能效綜合平臺、管網配線、教學樓和辦公樓及宿舍等區域能源管理、食堂區域能源管理、多聯機空調能源管理等部分；屬于物聯網建設范疇，是智慧校園應用的重要組成部分。智慧校園物聯網能效管理系統如圖1所示。

根據學校的實際情況，本系統采用東軟載波系統。經實地勘測，使用國際先進的電力線傳輸方案，免去大規模布線困難，節約系統建設成本，降低能源消耗。對校園內的照明、空調、智慧黑板等教學設備進行策略管控，有效降低運營成本。以電力線載波通信技術為基礎，提供包括通信芯片、智能化控制設備、智慧管理平臺、手機App軟件、云服務器等，實現建筑物內各種用電設備的互聯互通，為建設具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策能力的智能建筑提供整套完美的解決方案。

圖1 智慧校園物聯網能效管理系統

照明系統方面，根據不同的場景提供不同的照明策略，實時監控各區域照明運行情況。空調管理方面，根據環境溫度對室內空調溫度進行管控或定時開關機服務。能源采集方面，在總配電室及樓層配電室加裝采集設備，為校園管理者提供精準的數字報表及數據存儲計量，為制定節能策略提供數據依據及科學指導。

2.1 系統優勢

（1）利用傳統電力線進行信號傳輸，所有設備具有PLC通信功能，在施工期間無需大規模布置控制線。眾所周知，物聯網能效管理系統需要用到的控制線及執行器數量龐大，時間成本、人力成本、材料成本、后期維護成本非常高。利用電力線傳輸信號，可以極大節約整個系統建設成本及時間。

（2）分布式架構，各運行設備之間為平行網絡，有效保障系統穩定運行，采用本地控制、遠程控制、定時控制、邏輯自動控制及集中控制等多種控制方式。

（3）安裝便捷：利用學校原有86盒進行安裝。各執行器集通信、轉發、執行等功能為一體，根據不同的應用環境采用不同的組合方式，以節約建設成本。

2.2 施工設計及要求

2.2.1 系統功能設計

照明系統：按照預先設定的策略，分別對各個區域間的照明設備進行開關控制，并可根據環境光照度和人員活動情況自動調節各房間照明設備的運行（需增加傳感器設備）。

空調系統：按照預先設定的策略，根據時間、溫度、濕度等參數對中央空調進行監視、調節和控制。可通過觸摸面板、手機、PC機等多種途徑對空調系統進行本地、遠程控制。

2.2.2 校園能源管理系統的建設

系統平臺可以通過自定義場景模式編程，實現智能遠程控制和設備群控。按照預先設定的策略，根據時間、溫度、濕度、人員活動情況等因素，自動控制相應設備的開啟、關閉，進行溫度、工作模式切換操作。

校園能源管理系統實時監測指定區域、線路或點位的用能數據和能耗情況。三相智能網關是智能樓宇控制系統的核心，主要作用是將來自網絡的數據轉換為PLC電力載波控制信號，并且將各終端設備的反饋信號調制后返回控制器，用戶可隨時隨地通過網關實現對載波設備的控制和管理，所聯網的設備可以分布在同一個變壓器不同相位的電線上，實現對設備的跨相位控制。

在各樓宇配置三相智能網關。教學樓配置為每層一個，相互通信，搭成樓宇電力載波網，形成全樓電力載波設備的控制、能源監測的基礎。在教學樓總電表處配備三相智能電表、載波電表通信模塊、電流互感器各一只，監測全樓電能消耗數據。

配置大功率計量遙控開關。教學樓配置為每層一個，具有電參數計量功能，并支持本地和遠程情景模式通斷控制、電能表的數據采集、計量和傳輸。根據學校的要求設置數據采集程序，在某一特定的時間對電能表的用量進行自動數據采集、計量，并將采集數據遠程傳送給管理系統和云平臺。提示用電安全，當電壓波動較大時，可通過告警信息主動提示用戶，并建議用戶斷開用電器。當輸入電壓過高時，能夠自動斷電保護用電器，同時，發送通知信息告訴用戶。電流、功率發生越限時，主動告知用戶，做出相應處置。

2.2.3 智慧黑板云集控

云集控能夠集中管控電源系統，實現秒速開機，具有信息推送、在線智能維護檢查、采集數據生成可視化報表、教育資源共享等功能，可完成遠程備課、教學管理、智能檢查在線設備等任務，對校園設備和教學資源進行集中控制管理。

3 智慧校園物聯網能效管理研究的實踐意義

智慧校園數字中臺是一個數據與業務的調度與運營中心，所有關聯業務的數據/流程統一收集、可視化、分析，來實現有機統一的運營與管理。通過全面采集和分析校園內的各類信息，實現基于數據的精細化管理和快速決策。

該系統的建設對學校的水、電、氣、熱等計量表等運行數據進行采集，可以針對不同的設備定制不同的采集策略和采集頻率；提供節能模式和非節能模式的數據采集功能，采集不同模式下的能源消耗數據，提供不同情況下的能耗數據對比，豐富校園能效管理手段。

云平臺通過物聯網技術對電氣引發火災的主要因素進行不間斷的數據跟蹤與統計分析，實時發現電氣線路和用電設備存在的安全隱患（如：線纜溫度異常、短路、過載、過壓、欠壓及漏電等），通過數據挖掘分析，提前發現隱患，識別隱患類型，洞察隱患發生發展的規律，進而預測隱患發展趨勢，最終實現大幅降低目標區域的電氣火災發生概率。

4 依托數據中臺積累的數據資源進行能耗評估和預測

校園能源管理系統能夠對學校的水、電、氣、熱表等運行數據進行采集，針對不同的設備定制不同的采集策略和采集頻率；提供節能模式和非節能模式的數據采集功能；采集不同模式下的能源消耗數據，提供不同情況下的能耗數據對比。系統可實時監測指定區域、線路或點位的用能數據和能耗情況，為學校管理者制定節能方案提供真實的依據。可視化圖表能夠清晰地呈現區域內教育裝備及應用的使用數據，如監管設備數量、狀態、使用率、軟件類型及使用時長等，在方便管理者直觀了解各學校的信息化使用情況的同時，也為當地教育信息化建設決策提供數據支撐。通過用能數據的存儲積累，結合業務分析，建立能耗數據模型，為制定節能策略提供精確數據和科學指導。

利用BP神經網絡構建AI模型，基于數據中臺積累的能耗和網絡消耗歷史數據，對模型進行訓練，并利用訓練后的模型對未來能耗進行預測分析。模型訓練過程中，綜合考慮隱含層數量、誤差要求、訓練次數和計算函數等技術細節，以期能夠快速、高效、準確地完成模型的優化與調整，提高模型的收斂速度，提高能效預測服務的水平，助力學校的高質量發展。

能源系統根據采集的原始數據進行不同的計算分析，實現對學校不同區域、不同類型、不同設備的能耗數據進行分部統計分析和對比分析；實時監測能耗情況，發現并糾正不良的用能習慣，以達到最佳節能效果；通過精細的能源計量和統計，精確預估負荷需求，達到節約能源的目的。積極依托智慧校園平臺積極探索構造能效預測人工智能模型，依據數據中臺的大數據資源，結合學校的管理要求，發揮模型的預測、預警功能，為學校能耗、網絡流量消耗等決策提供技術支持。

5 結束語

智慧校園物聯網能效管理系統是綠色校園建設的重要組成部分，能夠實現校園安全、節能降耗和提高效率的整體目標。該系統平臺集聚大數據優勢，將物聯網、大數據與全過程能源管理相融合，提供全生命周期的數字化用能服務，實現用能的精細化集約化管理，幫助用戶提高能源利用率，降低用能成本，實現綠色與智慧用能。控、管、維 一體化，構建校園能源管控新時代。輕松實現設備智控物聯，遠程運維托管，為校園構建“智慧能源大腦”，給設備以智能，給服務以平臺。

建設全量數據中臺是構建智慧校園的核心，是實現教育行業數字化轉型的基礎。智慧校園的建設規劃應優先考慮數據中臺，關注各個業務系統和功能組件與數字平臺的連接，以充分共享和利用數據的價值，為決策提供參考，提供反饋，實現運營與管理的閉環。