摘要：供熱是北方城市居民冬季生活中不可或缺的一部分，但隨著社會經濟的發(fā)展和城市的擴張，城市人口不斷增加，目前的供熱服務水平已經不能滿足北方地區(qū)城市化進程中對供熱的需求量，且面臨著供熱管控不足、安全把控不力和技術水平有待提高等問題。

通過利用BP神經網絡技術建立供熱負荷預測模型，依托實際工程項目，結合大數(shù)據(jù)分析技術來預測區(qū)域供熱負荷，同時利用3D+GIS技術，構建了一種基于神經網絡技術來構建區(qū)域的智慧供熱管控系統(tǒng)，對區(qū)域供熱分布進行可視化應用分析。結果表明：該智慧供熱管控系統(tǒng)可為供熱行業(yè)信息化發(fā)展提供新思路和新方法。

 

前言

 

隨著中國經濟發(fā)展和科技的不斷進步，國民物質水平在有了長足的提高，集中供熱已成為北方城市居民冬季生活中必不可少的一部分。中國冬季集中供熱區(qū)主要分布在“秦淮線”以北。隨著供熱需求的快速提高，供熱行業(yè)開始面臨因供熱面積大、供熱用戶多等引起的供熱管控不力、安全把控不足和技術水平有待提高，以及供熱信息共享不夠等問題，現(xiàn)有供熱水平已經不能完全滿足整個社會生產、生活的需求，亟需在供熱系統(tǒng)管控方面進行革新。同時，互聯(lián)網技術的飛速發(fā)展推動著各行業(yè)的快速升級，供熱行業(yè)也不例外，實現(xiàn)供熱產業(yè)的信息化管控、智慧化管理是大勢所趨。

利用云計算、機器學習、大數(shù)據(jù)以及3D+GIS等新興技術構建智慧管控系統(tǒng)是實現(xiàn)供熱系統(tǒng)信息化、數(shù)字化、科學化管理的重要途徑和手段，也是優(yōu)化提升供熱能力和管控模式的當務之急。近年來，已有不少學者就供熱系統(tǒng)信息化建設做了大量的相關研究工作。

針對我國工業(yè)熱力供應存在耗能高、效率低、污染排放量大等問題，柴春蕾等人利用云、邊、管、端協(xié)同方式開發(fā)了信息系統(tǒng)與物理系統(tǒng)深度融合的智慧供熱系統(tǒng)。

針對渭源縣地區(qū)供熱系統(tǒng)缺少一個集信息監(jiān)測與處理于一體的管控平臺，無法實現(xiàn)各級熱網實時監(jiān)測，不能反映供熱管網實時運行工況，更難以做到供熱量遠程調控和管網熱量平衡調控等問題，康金霞提出了利用物聯(lián)網技術來構建渭源縣的智慧供熱體系，用以實現(xiàn)熱量的合理分配。

針對供熱管網數(shù)量大、分布廣而散、難以集中統(tǒng)一監(jiān)控管理的難題，李光明等指出可以利用OPC技術和LabVIEW軟件進行多通道數(shù)據(jù)采集和分析管理，進而實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的實時監(jiān)管。

但以上系統(tǒng)主要是對傳統(tǒng)供熱方式的信息化升級改造，智慧化水平有所欠缺，難以做到對區(qū)域供熱負荷的前瞻預測，供熱管理可視化、信息共享和調度優(yōu)化能力不足。

 

本文利用BP神經網絡技術建立供熱負荷預測模型，結合大數(shù)據(jù)分析技術來預測區(qū)域供熱負荷，同時利用3D+GIS技術，構建一種基于神經網絡技術來構建區(qū)域的智慧供熱管控系統(tǒng)，對區(qū)域供熱分布進行可視化分析，實現(xiàn)區(qū)域熱源生產數(shù)據(jù)的匯集管理和信息共享，進而通過智慧管控全面提升供熱質量和供熱的應急調度能力。

 

1

智慧供熱管控系統(tǒng)構建

 

一般情況下，供熱負荷主要受建筑內外環(huán)境條件和建筑自身保溫性能影響。對于城市的同一個供熱片區(qū)來講，建筑自身保溫性能應該符合建筑節(jié)能工程施工質量驗收標準，整體保溫性能差異較小；建筑內部環(huán)境主要受電器熱量和人體輻射等因素影響，波動較小；而建筑外部環(huán)境隨季節(jié)變化較大。

因此，為實現(xiàn)對供熱負荷準確的預測，分析建筑外部環(huán)境條件如太陽輻射、室外溫度、濕度、風速等對供熱負荷的影響，利用BP神經網絡建立供熱負荷預測模型，并結合3D+GIS技術實現(xiàn)區(qū)域供熱分布的空間可視化分析，幫助區(qū)域供熱管理者更好地掌握區(qū)域的供熱情況，實現(xiàn)合理供熱分配，使其可以對供熱質量和安全進行把控。

 

1.1基于BP神經網絡的供熱預測模型設計

 

1.1.1BP神經網絡

 

BP算法是人工神經網絡中一種較為典型的學習算法，主要由輸入層、一個或多個隱含層、輸出層組成，各層由若干個神經元節(jié)點構成，利用輸入值、作用函數(shù)和閾值來預測確定輸出值。單個隱含層的BP神經網絡結構如圖1所示。

 

圖1BP神經網絡的網絡結構

 

在供熱預測中，建筑外部環(huán)境條件數(shù)據(jù)從輸入層經隱含層傳向供熱負荷輸出層，如果在輸出層計算的供熱負荷與實際情況不符或者未達到預期值，則會通過計算誤差進行反向傳播，將誤差信號沿原來通路返回，通過不斷迭代學習修改隱含層各神經元的權值，使得誤差信號最小。每個神經元節(jié)點都對應著一個激活函數(shù)f(x)和閾值α。在本文中采用的激活函數(shù)是非線性的Sigmoid型函數(shù)，見式(1)：

 

 

假設有N對樣本(xk~Qk)(k=1，2，3，…，n)，其中xk為輸入；Qk為期望輸出；xk經BP神經網絡計算輸出結果為yk，此時yk與Qk之間的均方誤差可利用式(2)進行計算：

 

 

式中：M為輸出層節(jié)點數(shù)；yk，p為第k樣本對第P因素分量的實際輸出；Ok，p為第k樣本的期望輸出，因此整個樣本集的總誤差為：

 

 

再利用梯度下降法計算E的最小值，經過迭代使其滿足預設誤差閾值，得到能夠滿足供熱預測的BP神經網絡模型。

 

1.1.2建立模型變量

 

本次供熱預測模型以對供熱負荷影響較大的太陽輻射、室外溫度、空氣濕度、自然風風速這4個建筑外部環(huán)境條件為自變量，以供熱負荷量為因變量，研究建筑外部環(huán)境條件變化對供熱負荷的影響。

 

1.1.3構建熱負荷預測模型

 

將4個建筑外部環(huán)境條件的實測數(shù)據(jù)作為輸入量，供熱負荷作為輸出量，利用BP神經網絡構建供熱負荷預測模型。通過設置誤差和學習次數(shù)、輸入訓練數(shù)據(jù)、前向傳播、反向過程等步驟對供熱預測模型進行完善直至其計算數(shù)據(jù)符合誤差要求，使模型誤差最小，更精確地預測供熱負荷。

 

1.2基于3D+GIS的供熱分布空間可視化分析

 

利用開源的3D+GIS框架，結合熱源、一級網、換熱站、二級網、各社區(qū)、企業(yè)以及供暖建筑分布等信息，開展供熱分布空間可視化研究，根據(jù)區(qū)域的供熱工程特性與地理空間分布，劃分供熱區(qū)域，分析區(qū)域的供熱情況，實現(xiàn)區(qū)域的合理供熱。

 

1.2.1供熱BIM模型構建

 

依據(jù)Revit平臺的采暖建模系統(tǒng)，分別建立供熱工程的地質、主體結構、暖通管線的各專業(yè)模型，其中具體包括繪制供、回水管，布設換熱站、散熱器及閥件等。在此基礎上集成并整合各專業(yè)模型，形成完整的綜合供熱BIM模型，供熱BIM模型管線排布如圖2所示。

 

圖2供熱BIM模型管線排布

 

1.2.2多圖層服務和BIM+3D+GIS可視化

 

由于供熱數(shù)據(jù)繁雜，為能充分地展示各種信息數(shù)據(jù)，更好利用各類數(shù)據(jù)信息，本系統(tǒng)采用多圖層服務和BIM+3D+GIS可視化服務，將不同種類的數(shù)據(jù)信息以圖層形式進行空間可視化展示，可實現(xiàn)圖層之間數(shù)據(jù)的對比、歷史數(shù)據(jù)的演化對比，也可利用系統(tǒng)提供的鷹眼視圖和地圖書簽等進行視圖控制。同時，數(shù)據(jù)也可以通過共享模塊實現(xiàn)對外共享。

 

1.2.3要素查詢定位

 

利用3D+GIS的空間分析特點，實現(xiàn)信息的基本查詢功能，分類查詢，可以快速查詢定位片區(qū)實時狀況及各項設施設備、巡檢人員等相關信息。實現(xiàn)設施設備的靜態(tài)空間和屬性信息的綜合查詢，將查詢結果的屬性信息以圖形或圖表的形式顯示系統(tǒng)中，能夠實時反映區(qū)域的供熱情況，及時對供熱狀況進行調整，使其分配更加合理。

 

1.2.4區(qū)域劃分與監(jiān)測分析

 

通過3D+GIS可視化展示，結合不同供熱數(shù)據(jù)信息，根據(jù)供熱的工程特性及地理特性劃分空間區(qū)域，對空間信息進行修正，簡化信息量以便于數(shù)據(jù)的操作，并動態(tài)生成不同區(qū)域的供熱變化數(shù)據(jù)，直觀地預測供熱系統(tǒng)未來運行情況。

 

2

智慧供熱管控系統(tǒng)構建

 

智慧供熱管控系統(tǒng)建設以工程數(shù)據(jù)中心建設為基礎，通過智能化數(shù)據(jù)匯集傳輸、網絡化大數(shù)據(jù)分析決策，最終實現(xiàn)供熱系統(tǒng)的智慧化管控。利用智慧供熱管控系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)整合、分析和可視化展示，從而達到安全供熱、平衡供熱、節(jié)能降耗、降低漏損的目的，提高供熱服務水平和業(yè)務管理水平。

 

2.1智慧供熱管控系統(tǒng)架構

 

基于“一體化、系統(tǒng)化、標準化、開放性、先進實用”的設計原則，采用分層和面向服務的設計思路，構建智慧供熱管控系統(tǒng)，系統(tǒng)框架分為感知層、網絡層、數(shù)據(jù)層、應用層、用戶層、展示層共6個層級，如圖3所示。

 

感知層：由室溫采集設施、供熱計量裝置等各類感知設施設備構成，滿足供熱感知需求，為生產提供長效的數(shù)據(jù)支撐，并利用覆蓋供熱輸配系統(tǒng)(熱源、一次網、二次網等)的數(shù)據(jù)信息系統(tǒng)，為供熱運行情況的應急管理決策提供依據(jù)支撐。

 

網絡層：感知層的建設實現(xiàn)了智慧供熱一體化平臺運維數(shù)據(jù)的智能采集，各種類型的數(shù)據(jù)需要回傳到云計算中心層進行相應的存儲和分析，網絡傳輸通道必不可少。結合供熱管理不同業(yè)務、不同場景及不同應用終端網絡需求，將綜合應用運營商4G/5G通訊網絡、主干光纖環(huán)網、監(jiān)測自動化組網、物聯(lián)網通信鏈路和Wi-Fi網絡等形成多網融合的統(tǒng)一網絡平臺，以滿足不用的業(yè)務需求。

 

圖3系統(tǒng)架構

 

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層主要由5部分組成，即地理信息數(shù)據(jù)庫、在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫、運行管理數(shù)據(jù)庫、文檔多媒體數(shù)據(jù)庫及業(yè)務管理數(shù)據(jù)庫。其中地理信息系統(tǒng)主要存儲熱力管線、供熱設施、監(jiān)測設備等要素，同時空間信息根據(jù)要素進行分層的圖層方式進行組織管理；在線監(jiān)測數(shù)據(jù)庫主要存儲在線監(jiān)測儀器所采集得到的熱源、管網、換熱站、末端計量等實時數(shù)據(jù)。各類數(shù)據(jù)均依照統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準進行存儲、整合、調用、分析、管理和共享。

 

應用層：按照智慧供熱的不同業(yè)務，將功能服務層劃分為在線監(jiān)測系統(tǒng)、供熱運行監(jiān)控系統(tǒng)、供熱運行分析系統(tǒng)、供熱負荷預測系統(tǒng)、供熱調度優(yōu)化系統(tǒng)、安全預警系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、客服管理系統(tǒng)和收費系統(tǒng)十大業(yè)務子系統(tǒng)。其中，在線監(jiān)測系統(tǒng)主要是實時監(jiān)測熱源、管網、設備等整體運行情況，實現(xiàn)“GIS一張圖”可視化在線監(jiān)測數(shù)據(jù)；供熱運行監(jiān)控系統(tǒng)主要是接入換熱站監(jiān)控系統(tǒng)及各前端監(jiān)測設備數(shù)據(jù)，實現(xiàn)統(tǒng)一管理及多系統(tǒng)聯(lián)動。以供熱運行狀態(tài)的全面感知、信息的即時傳達為基礎，借助云、大、物、移、智等前沿信息技術，實現(xiàn)對供熱生產運行維護各個環(huán)節(jié)進行全方位的高效管控。

 

用戶層：用戶層主要體現(xiàn)智慧供熱管控一體化平臺的各類用戶，包括電投熱力企業(yè)、熱用戶、運維人員等。

 

展示層：展示層主要包括PC端、移動端和大屏。PC端主要用于日常運維人員進行生產辦公，移動端主要用信息收發(fā)、流程審批、用戶繳費和運維信息上傳等，大屏主要用來集中展示供熱運行實況及宏觀數(shù)據(jù)。基于統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心開發(fā)適用于不同業(yè)務場景下的終端應用，方便不同角色人員在不同環(huán)境下應用，從而提高生產管控效率。

 

2.2智慧供熱管控系統(tǒng)應用

 

智慧供熱管控一體化平臺內容包括在線監(jiān)測系統(tǒng)、供熱運行監(jiān)控系統(tǒng)、供熱運行分析系統(tǒng)、供熱負荷預測及專家系統(tǒng)、供熱調度優(yōu)化系統(tǒng)、安全預警系統(tǒng)、設備管理系統(tǒng)、客服管理系統(tǒng)、收費系統(tǒng)等子系統(tǒng)建設。

 

2.2.1在線監(jiān)測系統(tǒng)

 

在線監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測熱源、管網、設備等整體運行情況，同時展示當前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)比對分析結果，實現(xiàn)“GIS一張圖”可視化在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，在線監(jiān)測子系統(tǒng)如圖4所示。

 

圖4在線監(jiān)測子系統(tǒng)

 

2.2.2供熱運行監(jiān)控系統(tǒng)

 

供熱運行監(jiān)控系統(tǒng)主要包括實時數(shù)據(jù)的監(jiān)控及遠程控制兩大功能，實現(xiàn)供熱運行工況的實時全面展示，可用于監(jiān)視不利工況點的壓差，保障區(qū)域供暖系統(tǒng)安全合理地運行，并聯(lián)動換熱站監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)遠程控制，供熱運行監(jiān)控子系統(tǒng)如圖5所示。

 

圖5供熱運行監(jiān)控子系統(tǒng)

 

2.2.3供熱運行分析系統(tǒng)

 

供熱運行分析系統(tǒng)可對熱源、管網、換熱站等在內的供熱系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行實時分析比對，通過與歷史數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)比對分析，可以更好地對供熱系統(tǒng)進行精細化監(jiān)管，供熱運行分析系統(tǒng)示意如圖6所示。

 

圖6供熱運行分析子系統(tǒng)

 

2.2.4供熱負荷預測及專家系統(tǒng)

 

基于供熱負荷預測模型，在建筑外部環(huán)境條件變化時，對熱源、換熱站、公共建筑、熱用戶的供熱負荷進行預測，并對供熱系統(tǒng)進行節(jié)能潛力分析和評價，在此基礎上由專家系統(tǒng)對供熱系統(tǒng)的節(jié)能運行提供專業(yè)的合理化建議，輔助制定節(jié)能運行的控制策略，并聯(lián)動二次網智能平衡系統(tǒng)，快速實現(xiàn)熱量供需平衡，保證日供熱負荷，供熱負荷預測專家子系統(tǒng)如圖7所示。

 

圖7供熱負荷預測專家子系統(tǒng)

 

2.2.5供熱調度優(yōu)化系統(tǒng)

 

供熱調度優(yōu)化系統(tǒng)可通過底層提供的溫度及流量等數(shù)據(jù)，經過供熱負荷模型的優(yōu)化計算，篩選出最優(yōu)調度方案。節(jié)能減排同時也提升了供暖質量，供熱調度優(yōu)化系統(tǒng)如圖8所示。

 

圖8供熱調度優(yōu)化子系統(tǒng)

 

2.2.6安全預警系統(tǒng)

 

安全預警系統(tǒng)可以將實時監(jiān)測數(shù)值與設定的安全數(shù)值進行對比，當監(jiān)測數(shù)值超出系統(tǒng)設定的閾值時將發(fā)出預警信息，安全預警系統(tǒng)如圖9所示。

 

圖9安全預警子系統(tǒng)

 

2.2.7設備管理系統(tǒng)

 

設備管理系統(tǒng)通過建立設備臺賬管理信息，對設備的出廠、維修、配件更換等記錄進行全面記錄，同時對臨近檢修期的設備發(fā)出設備檢修的提醒，實現(xiàn)對設備的全生命周期管理，設備管理系統(tǒng)如圖10所示。

 

圖10設備管理子系統(tǒng)

 

2.2.8客服管理系統(tǒng)

 

客服管理子系統(tǒng)見圖11。客服管理系統(tǒng)實現(xiàn)流程化跟蹤和管理各項服務的內容，包括用戶的報修服務、投訴等進行管理，可以按照住址或用戶名稱查詢相關維修、投訴等綜合信息，并詳細記錄為用戶提供的各項服務和服務中發(fā)生的各項費用。讓客服人員了解用戶的全部信息，掌握溝通主動權，及時處理用戶提出的服務申請。提供包括語音服務、人工服務和互聯(lián)網服務等多種形式綜合性信息服務。實現(xiàn)用戶報修、業(yè)務受理、咨詢、投訴、催費、查詢和回訪等具體業(yè)務，提高用戶滿意度。

 

圖11客服管理子系統(tǒng)

 

2.2.9收費管理系統(tǒng)

 

收費管理系統(tǒng)可顯示末端用戶繳費信息，可計量、收集末端用戶用熱信息；具備開放接口，可擴展收費管理功能。

 

3

結語

 

本文依托實際供熱工程項目構建智慧供熱管控一體化平臺，該平臺采用云大物移智、GIS及智能模型等先進技術，實現(xiàn)用熱單位及居民室內溫度、管網壓力、流量、熱媒溫度、換熱站和熱源廠等生產數(shù)據(jù)的匯集管理，實現(xiàn)供熱數(shù)據(jù)、能耗可視化分析，優(yōu)化供熱調度，提升安全預警能力，并實現(xiàn)系統(tǒng)內各種業(yè)務數(shù)據(jù)互通，實現(xiàn)信息共享，消除信息孤島，向各業(yè)務提供數(shù)據(jù)服務，為管理者提供決策支持，同時開通用戶網上繳費服務，更加精細、動態(tài)管理供熱系統(tǒng)的整個生產、管理和服務流程。