暖通空調系統群智能協調優化方法與節能控制策略研究

江浩

（1.上海電器科學研究所（集團）有限公司；2.上海電器科學研究院；3.上海市智能電網需求響應重點實驗室國家能源智能電網用戶端電氣設備研發（實驗）中心，上海 200063）

基于標準化處理單元的新型分布式智能控制架構實現了群智能控制的效果，以CPN作為區域控制網關，實現了分布式的集成管理。在控制空間中，各個組件擁有著相同的硬件，運行著相同的程序，并且在進行數據的綜合集成中具有著相同的數據架構，每個CPN和相鄰的CPN進行數據交換，使得整體的聯動效率和控制效果得到了顯著的提升。在局部空間中，CPN能夠自動識別并發現空間內的空調設備和傳感器硬件，實現了設備信息和數據的綜合集成，并且在網絡化的位置中儲存了相關的位置信息和連接關系，通過網絡協作的模式實現了全局智能的控制效果。因此整個控制系統不是中央集成控制，而是通過分布式智能控制的方式實現了系統的自組織和自操作。

1 群智能系統與傳統樓控系統對比

群智能系統結合著分布式的標準化計算單元開展控制活動，節點之間進行并行協作式的工作能夠滿足系統內不同層級的控制目標，進而最大限度的滿足室內人居環境的熱舒適需求。相比較于傳統的控制系統來說，其核心的特點在于控制對象的不同，傳統的控制系統參照著的是工業控制的樹形控制結構，僅僅實現了單一控制流。而群控制的對象主要是建筑空間和整個建筑區域，每一個CPN能夠服務一個特定空間的所有機電設備和各類傳輸器，進而實現了自動辨識的效果，并且通過自動獲取的數據和先驗知識能夠準確的配置控制邏輯，最終生成相關的控制程序。

傳統的集中式控制存在著諸多問題，原有的自動監控系統存在節點數量多調控工況策略復雜的問題，系統的設計往往缺乏標準化措施，算法的設計僅僅著眼于局部，導致通用性差，各個專業之間的架構不夠統一，因此也導致信息的共享機制無法建立起來。同時控制策略無法充分的滿足運行的實際需求，導致運行管理人員無法根據現場的實際情況對控制策略進行優化調整，更無法深度的系統進行綜合升級和改造。不同廠商之間的產品很難做到兼容，導致自動系統的設計難。

群智能技術作為暖通空調系統輸配的拓撲，這個過程中不需要對全局的網絡方程組進行構建，每個節點中所運行的程序與系統架構無關，因此標準化的程序可以預先進行開發，并且儲存在相關的智能節點里，無需工程師對具體項目進行編程和配置，有效的降低了配置系統的參數辨識難度。即便是系統端出現末端參數變化時，只要相關的CPN節點被正確的安裝和銜接，則相關程序可以不被重新編寫即可實現自動更新，有效的體現了自適應和自集成的特點。

2 群智能系統的基礎原則

在算法優化上，群智能做到了每個CPN算法都完全相同，同時對于系統的植入過程來說，每一個計算單元也可以被稱之為是“算子”，在不同的CPN結構網格當中，CPN參照著“算子”的既定機制不斷的自組織系統結構。每個“算子”當中運行的都是相同的算法，這是群智能算法設計的關鍵所在。

因此在應用于暖通空調系統的控制過程中時，其主要參照的描述性原則如下：（1）CPN代表的是空間區域，連接所有控制設備、傳感設備以及機電設備；（2）相鄰CPN之間的連接映射關系代表物理空間中真實的幾何位置關系；（3）每個CPN只能獲取相鄰CPN的相關數據信息，并且以分布式的存儲形式存儲在智能網絡當中；（4）所有CPN并行計算中都采用相同的控制邏輯進行計算。為了更好的展示智能設備之間的銜接模式，其設備之間的組織模式可以借鑒管道之間的物理連接進行銜接，這樣的連接模式充分反映了機電設備本身的功能需求和設備間各個功能的配合需求，通過介質流動的方向明確了能量流的關聯關系。

3 輸配系統“流量-壓力”關系

為了更好的維持室內熱環境的穩定性，最大限度的降低輸配系統的能源消耗，對輸配系統的流量和壓力的優化至關重要。對于群智能建筑的流量調節來說，通過基于流體網絡的方程分析能夠促進智能調控得以實現，在進行壓力和流量的辨識過程中，其控制方成應該遵從設備運行的基本原理，在CPN的結構硬件上也同樣預存了相同的計算方程，其控制方程為：

式中，QN為節點位置流向外部環境的流量，m3/h；Qi為從節點Ni向節點N的流量，m3/h；n是節點之間相鄰節點的數量，描述的是節點位置上的質量守恒關系。

其中能量的平衡關系為：

式中，PN是節點位置處的壓力值，Pa；Pi是Ni的壓力值，Pa；Si是Ni和N之間的管道鏈接阻力參數。

CPN和相鄰之間的節點之間直接進行數據交換，各個節點之間不斷的進行數據更新，直到所有節點的控制方程收斂。

4 群智能系統的基礎架構

群智能的思路構建來自于自然界中昆蟲群體的觀察，在群居動物中通過協作表現能夠展示出智能的特征被稱之為群智能。在底層架構中綜合借鑒了群智能控制中較為先進的多Agent系統（MAS，Multiple Agent System），所有的Agent節點最終根據設備布局的空間關系形成了智能控制網絡，每個Agent來綜合的收集和處理各個空間內的設備信息，并依據著建筑室內環境的參數要求來反作用于本地控制設備。群智能控制的內容要義里將建筑空間和各個專業機電系統劃分成了若干基本單元，并且為各個基礎單元都設置了一個“計算節點”CPN（Computing Process Node），實現了在空間單元內的本地控制器的聯動控制，而后各個DCU都能夠與各自的CPN進行直接的數據銜接，參照著空間關系和設備的拓撲關系共同鏈接成了基礎的信息網絡，通過并行計算的形式完成了所有的計算任務，因此群智能平臺實現了即插即用和互聯互通的設備交互效果。

目前暖通空調系統的分布式控制優化需要有協調器進行代理，需要將計算任務進行自定義分配，進而實現良好的分布式計算。而群智能的控制過程里無需要協調器，各個節點都能夠自組織和自協調的實現分布式計算，其智能控制節點如圖1所示。

圖1 CPN節點結構

其中節點結構上涵蓋數據處理器、存儲器以及通信接口，每個CPN內都嵌入一個微型處理器，其子空間和設備的全部性能參數信息都可以直接的映射到對應的CPN當中，并且為其直接預留了數據接口，各個CPN之間通過數據線之間進行數據交互。同時每個CPN還設置有相關的驅動單元DCU（Drive Control Unit），其中CPN和DCU之間的數據傳輸和通信可以支持多種數據通訊協議，實現了良好的交互。

5 群智能的信息流動參數布局

CPN的嵌入式操作系統明確了CPN之間的通信協議和計算模式等參數要求，其求解的過程里需要將任務進行逐級的分解，解析成一個按照特定執行順序事件，最終形成穩定的控制邏輯。其內置的機電設備標準信息模型定義了各個基本單元的控制管理特性，實現了與智能設備的即插即用的效果。所有的CPN共同構成了群智能系統的基礎架構，進而代替了傳統集中式控制中的中央計算機的計算模式，使其分布式的計算過程更加靈活和更加強大。

從信息流的信息流動來說，系統的整體體現的是一種中央集成管理而分布式控制的信息流動架構，底層節點之間實現了通訊連接，但是沒有進行自發的信息交互，各個節點彼此之間是獨立的狀態。即便是出現節點之間的決策信息矛盾時，則需要由上一級的節點進行處理，并且逐級進行上傳。參照著各個節點之間的功能劃分需求，節點之間的信息交互也不是完全通用的，因此需要在每個物理空間內都設置一個智能硬件節點CPN，因此CPN也就成為了所在區域物理空間的“代理”，不僅能夠負責本地空間內所有設備的智能控制，同時也實現了相鄰CPN空間的交互與協作，綜合的完成了局部空間內被控系統和被控環境的分析和計算。由于每個CPN之前都與鄰居進行協作，因此整個系統構成了區域計算的核心網絡，局部位置上的協作也可以實現整體的優化，整個系統呈現出的是扁平化和無中心化的特點，每個CPN的節點之間是平等的，能夠隨著建筑規模的變化而靈活的進行增減，實現了即插即用的功能效果。

6 群智能建筑機電系統的應用核心

冷站是建筑制冷系統的關鍵核心，同時也是開展群智能硬件發展策略的關鍵硬件載體，冷凍站的運行標準已經從保證設備穩定運行、滿足終端設備用能需求轉變為實現高效、節能、安全的發展要義。但是目前冷凍站目前采用的仍舊是集中式的發展架構，具有著實用效果差以及通用效果差的特點，因此為了重點解決好這個問題，群智能建筑網絡平臺通過CPN的智能計算的單元實現了統一接口的運行模式。這個過程中，每一個智能設備都是平等獨立的個體，設備之間通過自組織和自識別的方法完成了整個冷站的優化任務。

群智能系統區別于傳統的集中式控制系統架構，其功能要義上需要將建筑和機電系統劃分成為基本的建筑空間單元和機電單元，各個單元之間通過計算節點CPN來實現相互的協作，運行系統中的APP能夠自組織的實現各類控制功能。整個建筑及其機電系統可以被視作是建筑空間單元和機電設備單元共同耦合而成的，每個空間內都安裝有CPN能夠有效的集成管理空間內所有機電設備的各類參數信息，促進其形成具有拓撲關系的自連接網絡。通過APP的協同管理還能夠完善和優化控制內部發展邏輯，實現系統內各類機電設備的綜合控制管理。最終為建筑和城市管理控制提供了多元并且靈活開放的多元化信息平臺，滿足使用者和運維管理人員不同層次的使用需求。

7 結語

組合不同專業系統之間的海量信息，便于更好的對機電系統進行管理，使其能夠從傳統單一的縱向管理功能面向跨專業、多設備融合的方向上轉變，建筑內部不同專業之間的信息共享已經成為了現代建筑運行管理的必然趨勢，這是實現自動化和智能化發展要義的必然所在。其次在群智能的發展要義中，實現了即插即用的數據傳輸效果，能夠顯著的降低了現場的工作量，同時也便于后續的空間變更和二次裝修的需求。群智能的樓控軟件具有極強的自識別和自組網的能力，有利于設備硬件之間的高效協同，強化了各類信息數據輸入和輸出質量，使得樓宇自控能夠更加具有集成和信息自識別的能力，促進了高效協同的工作。

未來的建筑機電智能控制需要有更加扁平化的系統架構作為基礎，平等化、標準化以及網絡化的連接使其具有了更好的協同能力和信息存儲能力，在此基礎上只有CPN、主體設備、傳感器、執行機構等復合構件能夠滿足其功能需求，各個智能設備之間通過CPN進行連接，實現了機電設備的即插即用和組網，在顯著提升系統運行效率的基礎上降低了能源消耗。