一种基于边缘计算终端的智能楼宇空调节能系统及方法

技术领域

本发明涉及一种楼宇空调节能系统及方法，特别涉及一种基于边缘计算终端的智能楼宇空调节能系统及方法。

背景技术

目前，暖通空调系统是智能建筑创造舒适高效工作与生活环境不可缺少的重要环节，其设备耗电量占全楼总耗电量的50％以上，其监控点数占全楼监控点数的50％以上。与之相对，目前建筑中的暖通空调控制系统自动化程度低，控制策略主要依赖于运维人员经验，导致建筑暖通空调系统能源消耗严重，控制效果不佳。为了构建清洁低碳安全高效的能源体系，提升暖通空调系统能源效率，降低暖通空调系统能源消耗成为亟待解决的问题。

目前，暖通空调领域的节能技术分为三大种类，分布式控制、集中式控制和集中-分布式控制。传统控制策略主要为集中式控制，通过通信系统收集建筑的全局信息，统一下发指令进行全局的控制。分布式控制主要运用本地信息进行控制，将原优化目标分解为多个子问题，通过子问题之间的协调交互解决原优化问题，控制速度快。集中-分布式控制，如边缘控制，结合了以上两种方式的优点，通过边缘计算将调度中心的部分计算任务卸载到网络边缘，从而减少传输时延，降低通信带宽要求，减轻中心计算压力，既保证了控制的速率又考虑了设备之间的互相影响。

虽然当前节能技术众多，但是未能解决两大问题：

(1)目前暖通空调节能技术主要针对单一环节和单一目标，例如末端空调机组、冷却塔，水泵、中央空调主机等。相关节能技术在特定设备上可以取得良好的节能效果，暖通空调系统是水系统和风系统高度耦合的系统，不同设备参数众多且相互关联，部分设备的节能效果难以扩展到全局系统。

(2)目前暖通空调节能技术的自动化程度和普适性不足，大量环节依赖于运维人员的经验，人力成本高，稳定性差，并且节能技术缺少学习能力，难以在不同建筑之间迁移，难以适应建筑在运行年份中的变化，前期投入成本高，后期运维成本高，影响控制效果和节能效果。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种基于边缘计算终端的智能楼宇空调节能系统及方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种基于边缘计算终端的智能楼宇节能系统，该系统包括通信系统、边缘计算终端、边缘节点及云端平台；

边缘节点，其部署在楼宇室温调节设备附近，其实时采集楼宇室温调节设备的运行数据及环境温湿度，并将采集的数据通过通信系统发送至边缘计算终端及云端平台；

边缘计算终端部署在楼宇控制柜内，其对来自边缘节点的数据进行存储、分析并作出节能策略，其通过通信系统发送控制信号控制楼宇室温调节设备的运行；并通过通信系统将处理后数据和节能策略上传至云端平台；

云端平台，对接收的数据进行分析及可视化展示，通过通信系统发送指令信号至边缘计算终端和边缘节点，对空调运行参数进行实时优化调整和/或对空调运行故障进行诊断。

进一步地，通信系统包括现场总线系统。

进一步地，现场总线系统包括：网络管理主机，与网络管理主机连接的网关、协议转换器；与协议转换器连接的集线器；集线器与现场的传感器及执行器连接；协议转换器用于中继及协议转换；网关用于高层协议不同的网络互连；网络管理主机用于网络通信控制，其设置在楼宇控制柜内。

进一步地，边缘节点与边缘计算终端通过集线器及协议转换器通信，边缘计算终端与云端平台通过网关通信。

进一步地，通信系统还包括与网关相互通信的工业交换机和/或5G无线通信模块。

进一步地，边缘节点包括与现场总线系统连接的传感器和/或控制器；传感器用于检测楼宇室温调节设备运行参数及所处环境的温湿度，控制器用于控制楼宇室温调节设备的工作。

本发明还提供了一种基于边缘计算终端的智能楼宇节能方法，该方法设置通信系统、边缘计算终端、边缘节点及云端平台；

将边缘节点部署在楼宇室温调节设备附近，采用边缘节点实时采集楼宇室温调节设备的运行数据及环境温湿度，并将采集的数据通过通信系统发送至边缘计算终端及云端平台；

将边缘计算终端部署在楼宇控制柜内，采用边缘计算终端对来自边缘节点的数据进行存储、分析并作出节能策略，通过通信系统发送控制信号控制楼宇室温调节设备的运行；并通过通信系统将处理后数据和节能策略上传至云端平台；

采用云端平台对接收的数据进行分析及可视化展示，通过通信系统发送指令信号至边缘计算终端和边缘节点，对空调运行参数进行实时优化调整和/或对空调运行故障进行诊断。

进一步地，通信系统采用现场总线系统；现场总线系统设置：网络管理主机，与网络管理主机连接的网关、协议转换器；与协议转换器连接的集线器；将网络管理主机及网关设置在楼宇控制柜内；采用集线器与现场的传感器及执行器连接；采用协议转换器将采集的数据经过中继及协议转换传输至网络管理主机；采用网关使高层协议不同的网络互连；采用网络管理主机对协议转换器及网关的网络通信进行控制。

进一步地，在边缘计算终端内置有智能楼宇节能模型，智能楼宇节能模型根据安装楼宇室温调节设备的室内外温湿度及室内空间体积，计算得到最优空调制冷/热功率，进一步得到驱动空调制冷/热的电压及开机时间。

进一步地，该方法包括如下步骤：

步骤1，在边缘计算终端构建能耗优化模型及性能评价模型，采用楼宇室温调节设备的运行数据及环境温湿度的历史数据，进行聚类分析，根据性能评价模型对历史数据进行评价，基于评价结果构建优化运行策略库；

步骤2，边缘节点实时采集楼宇室温调节设备的运行数据及环境温湿度，通过通信系统向边缘计算终端发送采集的数据；

步骤3，边缘计算终端对来自边缘节点的数据进行存储、处理，与优化运行策略库的工况进行匹配，选择较优的楼宇室温调节设备运行策略；参考能耗优化模型的控制策略，对选择的楼宇室温调节设备运行策略进行微调；

步骤4，边缘计算终端根据微调后的楼宇室温调节设备运行策略，通过通信系统向边缘节点发送控制信号，控制边缘节点的执行器动作；通过通信系统向云端平台发送储存的数据、数据处理结果及楼宇室温调节设备运行策略；

步骤5，根据性能评价指标模型，对比当前实施的策略与优化运行策略库中的策略之间的性能差别；选择更优的运行策略更新优化运行策略库；返回步骤2。

本发明具有的优点和积极效果是：

(1)采用云边协同架构，同时具有集中式控制获取全局信息的优势和分布式控制带宽要求低、控制速度快的优势，解决了传统技术延迟、容量和成本难题，相比于其他技术路线成本更低，预期效果更好。

(2)在保证控制效果的前提下，统筹兼顾多设备节能目标，实现暖通空调系统全局节能优化。

(3)实现针对某一类建筑暖通空调系统的普适性策略，可以在相似结构建筑和暖通系统之间迁移，对于同一类场景能够做到，在不改变算法结构的前提下，只需要输入特定场景的参数，就可以实现控制策略的自动更新和自我优化。具有根据历史数据和运行数据自动更新优化的学习能力，节能策略从历史数据中学习特定场景的潜在信息，针对环境改变和系统扰动进行自动优化。

附图说明

图1是本发明的一种基于边缘计算终端的智能楼宇节能系统的结构框图。

图2是本发明的一种基于边缘计算终端的智能楼宇节能方法流程图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图2，一种基于边缘计算终端的智能楼宇节能系统，该系统包括通信系统、边缘计算终端、边缘节点及云端平台；

边缘节点，其部署在楼宇室温调节设备附近，其实时采集楼宇室温调节设备的运行数据及环境温湿度，并将采集的数据通过通信系统发送至边缘计算终端及云端平台；

边缘计算终端部署在楼宇控制柜内，其对来自边缘节点的数据进行存储、分析并作出节能策略，其通过通信系统发送控制信号控制楼宇室温调节设备的运行；并通过通信系统将处理后数据和节能策略上传至云端平台；

云端平台，对接收的数据进行分析及可视化展示，通过通信系统发送指令信号至边缘计算终端和边缘节点，对空调运行参数进行实时优化调整和/或对空调运行故障进行诊断。

环境温湿度即环境温度及环境湿度。

优选地，通信系统可包括现场总线系统。

优选地，现场总线系统可包括：网络管理主机，与网络管理主机连接的网关、协议转换器；与协议转换器连接的集线器；集线器可与现场的传感器及执行器连接；协议转换器可用于中继及协议转换；网关可用于高层协议不同的网络互连；网络管理主机可用于网络通信控制，其设置在楼宇控制柜内。

优选地，边缘节点与边缘计算终端可通过集线器及协议转换器通信，边缘计算终端与云端平台可通过网关通信。

优选地，通信系统还可包括与网关相互通信的工业交换机和/或5G无线通信模块。

优选地，边缘节点可包括与现场总线系统连接的传感器和/或控制器；传感器可用于检测楼宇室温调节设备运行参数及所处环境的温湿度，控制器可用于控制楼宇室温调节设备的工作。

本发明还提供了一种基于边缘计算终端的智能楼宇节能方法，该方法设置通信系统、边缘计算终端、边缘节点及云端平台；

将边缘节点部署在楼宇室温调节设备附近，采用边缘节点实时采集楼宇室温调节设备的运行数据及环境温湿度，并将采集的数据通过通信系统发送至边缘计算终端及云端平台；

将边缘计算终端部署在楼宇控制柜内，采用边缘计算终端对来自边缘节点的数据进行存储、分析并作出节能策略，通过通信系统发送控制信号控制楼宇室温调节设备的运行；并通过通信系统将处理后数据和节能策略上传至云端平台；

采用云端平台接收来自边缘计算终端和边缘节点的数据，对接收的数据进行分析及可视化展示，通过通信系统发送指令信号至边缘计算终端和边缘节点，对空调运行参数进行实时优化调整和/或对空调运行故障进行诊断。

优选地，通信系统可采用现场总线系统；现场总线系统可设置：网络管理主机，与网络管理主机连接的网关、协议转换器；与协议转换器连接的集线器；可将网络管理主机及网关设置在楼宇控制柜内；可采用集线器与现场的传感器及执行器连接；可采用协议转换器将采集的数据经过中继及协议转换传输至网络管理主机；可采用网关使高层协议不同的网络互连；可采用网络管理主机对协议转换器及网关的网络通信进行控制。

优选地，可在边缘计算终端内置有智能楼宇节能模型，智能楼宇节能模型可根据安装楼宇室温调节设备的室内外温湿度及室内空间体积，计算得到最优空调制冷/热功率，优选得到驱动空调制冷/热的电压及开机时间。

优选地，该方法可包括如下步骤：

步骤1，可在边缘计算终端构建能耗优化模型及性能评价模型，可采用楼宇室温调节设备的运行数据及环境温湿度的历史数据，进行聚类分析，可根据性能评价模型对历史数据进行评价，基于评价结果构建优化运行策略库；

步骤2，边缘节点可实时采集楼宇室温调节设备的运行数据及环境温湿度，通过通信系统向边缘计算终端发送采集的数据；

步骤3，边缘计算终端可对来自边缘节点的数据进行存储、处理，与优化运行策略库的工况进行匹配，选择较优的楼宇室温调节设备运行策略；可参考能耗优化模型的控制策略，对选择的楼宇室温调节设备运行策略进行微调；

步骤4，边缘计算终端可根据微调后的楼宇室温调节设备运行策略，通过通信系统向边缘节点发送控制信号，控制边缘节点的执行器动作；可通过通信系统向云端平台发送储存的数据、数据处理结果及楼宇室温调节设备运行策略；

步骤5，可根据性能评价指标模型，对比当前实施的策略与优化运行策略库中的策略之间的性能差别；选择更优的运行策略更新优化运行策略库；返回步骤2。

下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的工作流程及工作原理：

一种基于边缘计算终端的智能楼宇空调节能系统，该系统包括通信系统、边缘计算终端、边缘节点及云端平台。通信系统包括现场总线系统、工业交换机及5G无线通信模块等。现场总线系统包括：网络管理主机，与网络管理主机连接的网关、协议转换器；与协议转换器连接的集线器；集线器与现场的传感器及执行器连接；协议转换器用于中继及协议转换；网关用于两个高层协议不同的网络互连；网络管理主机用于网络通信控制，其设置在楼宇控制柜内。

边缘节点部署在楼宇空调设备以及其室内外环境附近，与现场总线系统的集线器连接，边缘计算终端通过协议转换器接入现场总线网络接收边缘节点信息，云端平台通过以太网或无线通信网关与网络管理主机连接。边缘计算终端通过协议转换器接入现场总线网络，获取边缘节点上传至现场总线网络的数据，对接收的数据进行挖掘、特征分析、目标识别、群智能控制等操作，并搭载智能楼宇空调节能算法，对接收到的边缘节点数据进行分析处理后，自动将节能策略传输给边缘节点，实现节能控制，同时，依托于网络管理主机，通过以太网或无线通信将处理后数据和节能策略上传至云端平台。通信系统为边缘计算终端提供接口扩展、协议转换、网络连接功能，为边缘计算终端直接连接边缘节点，通过边缘控制器搭载的协议转换器连接现场总线网络，通过工业交换机或5G无线通信模块连接云端平台提供的服务，可以针对不同的楼宇现场要求为边缘计算终端扩展不同的外设。云端平台接收来自边缘计算终端和边缘节点的空调设备运行数据、现场环境温湿度和节能策略等数据，对数据深度分析并进行可视化展示，为运维人员提供监视窗口，并且可以控制边缘计算终端和边缘节点，进行实时优化调整或者故障诊断。边缘计算终端可搭载有智能楼宇节能模型算法。

上述的通信系统、边缘计算终端、边缘节点、云端平台、现场总线系统、工业交换机、5G无线通信模块、网络管理主机、网关、协议转换器、集线器、现场的传感器、现场的控制器、现场的执行器、楼宇控制柜、智能楼宇节能模型软件、能耗优化模型及性能评价模型等装置、设备、功能模块及软件等均可采用现有技术中的适用装置、设备、功能模块、软件。或者采用现有技术中的适用装置、设备、功能模块、软件并采用常规技术手段构造。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。