建筑節(jié)能數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)探析
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摘要:隨著在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在建筑領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，就如何提高系統(tǒng)的普適性、實(shí)時(shí)性從硬件結(jié)構(gòu)和軟件結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面給出優(yōu)化升級(jí)的方案，設(shè)計(jì)出一種迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)試運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)達(dá)到了良好的運(yùn)行效果，穩(wěn)定可靠，更好滿足了現(xiàn)代能源管理對(duì)儀表系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性及精確性的要求。并通過(guò)優(yōu)化能源管理實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，從而產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。
關(guān)鍵詞:機(jī)器學(xué)習(xí)，迷你數(shù)字儀表，監(jiān)控系統(tǒng)
0引言
隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的快速發(fā)展，能源消耗量日漸增加。而在眾多耗能產(chǎn)業(yè)中建筑能耗占比很高，據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)建筑能耗占總能源消耗的25%以上［1］。建筑能耗主要包括采暖、空調(diào)、通風(fēng)、照明和建筑電氣等，其中采暖和空調(diào)(暖通空調(diào))能耗占建筑總能耗的50%～60%以上［2，3］，并且暖通空調(diào)面積和能耗近些年來(lái)仍呈持續(xù)增加趨勢(shì)，節(jié)能增效潛力巨大［4］。近些年，為實(shí)現(xiàn)能源合理利用，我國(guó)建筑領(lǐng)域開(kāi)始大量采用在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為監(jiān)測(cè)工具［5-7］，輔助建筑領(lǐng)域能源管理，其中能耗監(jiān)測(cè)是能耗統(tǒng)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，決定了能耗統(tǒng)計(jì)的質(zhì)量。前端用戶能耗數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)，關(guān)系到后續(xù)能源管理工作數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性［6，8］。但目前在應(yīng)用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍存在安裝維護(hù)成本高［9，10］、應(yīng)用場(chǎng)景受限、推廣難度高等問(wèn)題。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行，直接關(guān)系到建筑內(nèi)部能源的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及管理。具備數(shù)據(jù)傳輸功能的智能化儀表可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，性能穩(wěn)定可靠，目前在在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用較多［4］。而既有公共建筑和居住建筑數(shù)量龐大，僅憑人工定期的抄表讀數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作，所要耗費(fèi)的人力財(cái)力是巨大的，采用具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸功能的數(shù)字儀表系統(tǒng)完善能源管理勢(shì)在必行。本文中提及的迷你數(shù)字儀表系統(tǒng)，就是通過(guò)硬件和軟件兩大部分的協(xié)調(diào)工作，優(yōu)化了遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｔ撓到y(tǒng)以機(jī)器學(xué)習(xí)為核心，可外掛在數(shù)字儀表周圍，實(shí)時(shí)采集并傳輸儀表讀數(shù)，在不改裝原有管道系統(tǒng)的情況下實(shí)現(xiàn)能耗監(jiān)測(cè)功能。
1系統(tǒng)概述
基于機(jī)器學(xué)習(xí)的迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分結(jié)構(gòu)組成。硬件結(jié)構(gòu)包括樹(shù)莓派硬件主平臺(tái)、圖像采集模塊，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊，可實(shí)現(xiàn)數(shù)字儀表從圖像到數(shù)字并傳送到云端的功能;軟件系統(tǒng)以機(jī)器學(xué)習(xí)為核心，實(shí)現(xiàn)數(shù)字儀表從圖像到數(shù)字并傳送到云端的功能。迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)明顯，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積較小，可滿足既有建筑和管道的改造需求;具有更好的普適性、靈活性，安裝便捷、使用方便，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有儀表的安裝方式進(jìn)行調(diào)整，可以根據(jù)需要隨時(shí)移動(dòng)或拆裝。初投資小、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、維護(hù)成本低，可滿足大范圍、多節(jié)點(diǎn)使用需求;運(yùn)行穩(wěn)定、采集數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，并適用于多種傳輸方式。基于該系統(tǒng)的諸多特點(diǎn)，其可加裝在既有建筑和管道上的水表、電表、燃?xì)獗砗推渌麛?shù)字儀表上，實(shí)現(xiàn)水、電、熱等能耗數(shù)據(jù)的全面監(jiān)測(cè)，為能源管理的可測(cè)量化、數(shù)據(jù)化和準(zhǔn)確化提供重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。本項(xiàng)目的硬件平臺(tái)是通用的，因此可以通過(guò)軟件升級(jí)提升系統(tǒng)性能。與常規(guī)軟件的不同還在于使用了無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)了軟件的遠(yuǎn)程下載和在線升級(jí)。迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)迎合目前能源管理智能化和科學(xué)量化的管理需求，應(yīng)用場(chǎng)景多樣、使用范圍廣泛，推廣前景廣闊。
2系統(tǒng)工作原理及組成
2．1系統(tǒng)工作原理
數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案由下向上包括圖像采集層、數(shù)據(jù)分析層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層，以及遠(yuǎn)程監(jiān)控應(yīng)用層，總體方案如圖1所示。1)圖像采集層:采用小型化的圖像采集器安裝在不同環(huán)境下，可以實(shí)時(shí)采集包括水表、電表、燃?xì)獗淼雀黝悢?shù)字儀表圖像信息，通過(guò)圖像采集器內(nèi)置的高速緩存上傳到數(shù)據(jù)分析層。2)數(shù)據(jù)分析層:主要完成由圖像信息向讀數(shù)結(jié)果的轉(zhuǎn)換，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。數(shù)據(jù)分析主要包括圖像預(yù)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)模型和模板庫(kù)訓(xùn)練、圖像識(shí)別和數(shù)字判讀三個(gè)主要階段。其中，圖像預(yù)處理實(shí)現(xiàn)圖像降噪、圖像濾波、圖像二值化等針對(duì)圖像的工作;然后對(duì)數(shù)字區(qū)域和字符特征進(jìn)行提取，基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立自動(dòng)識(shí)別模型，并在大量樣本集的基礎(chǔ)上訓(xùn)練生成數(shù)字儀表模板庫(kù);識(shí)別階段在圖像處理和機(jī)器學(xué)習(xí)模型與模板庫(kù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)字儀表實(shí)時(shí)結(jié)果判讀和輸出。3)網(wǎng)絡(luò)傳輸層:數(shù)字儀表實(shí)時(shí)判讀結(jié)果通過(guò)RS485實(shí)時(shí)傳輸?shù)奖镜財(cái)?shù)據(jù)采集器進(jìn)行緩存，并在4G/5G網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的支持下將結(jié)果實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫耍M(jìn)行云端的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理。4)遠(yuǎn)程監(jiān)控層:移動(dòng)終端用戶可以在各種平臺(tái)與云端
2．2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
該監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)包括樹(shù)莓派硬件主平臺(tái)、圖像采集模塊，以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊。系統(tǒng)采用樹(shù)莓派4作為主平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上搭載圖像采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊，盡可能提高整個(gè)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的小型化和整體性。這種以主平臺(tái)為載體，根據(jù)不同需求選擇搭配不同可配置模塊的方式能夠很好地應(yīng)對(duì)多種場(chǎng)景的應(yīng)用。1)硬件主平臺(tái)。硬件主平臺(tái)采用樹(shù)莓派4，搭載1．5GHz的ARM芯片和VideoCoreGPU，支持雙4K顯示輸出，引入U(xiǎn)SB3接口和全吞吐量千兆以太網(wǎng)，提供了CSI攝像頭接口、DSI顯示接口、MicroSD卡槽、PoE供電針以及40針的GPIO接口。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程選用搭載2GBLPDDR4SDRAM內(nèi)存。樹(shù)莓派硬件主平臺(tái)及其外殼見(jiàn)圖2。以樹(shù)莓派4作為主平臺(tái)，本系統(tǒng)額外配置了圖像采集模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊，分別通過(guò)CSI攝像頭接口和GPIO接口搭載到主平臺(tái)上。各模塊的供電、時(shí)鐘等都由主平臺(tái)統(tǒng)一支持和管理，其中電源采用AC5V輸入，能夠很好地滿足在對(duì)用電安全性要求較高的燃?xì)獗頂?shù)字讀取等應(yīng)用場(chǎng)景。2)圖像采集模塊。由于很多數(shù)字儀表安裝在管道井等光照條件較差的環(huán)境，因此本系統(tǒng)在圖像采集模塊的高清攝像頭基礎(chǔ)上搭載了2個(gè)紅外補(bǔ)光燈。補(bǔ)光燈能夠根據(jù)周圍光照環(huán)境自動(dòng)調(diào)節(jié)光照度補(bǔ)償值，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)光強(qiáng)度自適應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)不同光照條件下都能獲得較好的數(shù)字儀表圖像采集效果，并通過(guò)高速緩存?zhèn)鬏敶鎯?chǔ)高質(zhì)量圖像信息。圖像采集模塊外觀具體見(jiàn)圖3。3)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與傳輸模塊。雖然硬件主平臺(tái)提供了包括以太網(wǎng)、USB等高速數(shù)據(jù)傳輸接口，但是本系統(tǒng)為了應(yīng)對(duì)工業(yè)界目前常用的RS485Modbus總線傳輸需求，在40針
2．3系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
軟件系統(tǒng)以機(jī)器學(xué)習(xí)為核心，該部分需要實(shí)現(xiàn)儀表盤實(shí)時(shí)/定時(shí)拍照、圖像預(yù)處理、數(shù)字部分自動(dòng)截取、字符分割、數(shù)字識(shí)別［11］、結(jié)果輸出寫寄存器等主要功能，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)字儀表從圖像到數(shù)字并傳送到云端。1)流程圖。數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分的流程如圖5所示。2)軟件核心模塊設(shè)計(jì)。a．圖像獲取和預(yù)處理:實(shí)時(shí)/定時(shí)啟動(dòng)圖像采集模塊，根據(jù)光照條件動(dòng)態(tài)補(bǔ)光，拍攝數(shù)字儀表圖像并緩存在本地。然后，對(duì)獲取的圖像進(jìn)行降噪、高斯濾波、銳化、二值化操作，從而得到效果最佳的數(shù)字儀表二值化圖像［11］。b．?dāng)?shù)字部分自動(dòng)截取:數(shù)字儀表圖像包括整個(gè)表盤以及其他干擾圖像，需要自動(dòng)截取獲得數(shù)字部分。本系統(tǒng)采用一個(gè)開(kāi)運(yùn)算和一個(gè)閉運(yùn)算的方式，對(duì)圖像進(jìn)行膨脹和腐蝕處理，去掉較小區(qū)域，同時(shí)填平小孔，彌合小裂縫，將圖像中的矩形區(qū)域凸顯出來(lái)。然后，根據(jù)矩形寬高比等特征排除干擾部分［12］，得到儀表讀數(shù)的數(shù)字部分。c．字符自動(dòng)分割:根據(jù)設(shè)定的閾值和圖片直方圖，找出波峰，利用找出的波峰并分隔圖片。得到每個(gè)字符的波峰后，再根據(jù)每組波峰的寬度分割數(shù)字部分圖像，得到每個(gè)字符的圖像。d．機(jī)器學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練和數(shù)字識(shí)別:在獲取一定數(shù)量字符圖像的基礎(chǔ)上，采用機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練SVM模型，得到字符模板。然后將分割后的每個(gè)圖像逐個(gè)與已訓(xùn)練好的模板進(jìn)行匹配，得到識(shí)別結(jié)果。每一輪圖像識(shí)別后都會(huì)將得到的字符存儲(chǔ)在本地并持續(xù)更新訓(xùn)練模板庫(kù)，從而逐漸提高圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率。最后，將數(shù)字識(shí)別結(jié)果通過(guò)功能碼寫入指定地址的寄存器，本地?cái)?shù)字采集器可以通過(guò)RS485Mod-bus總線輪詢讀取不超過(guò)32個(gè)數(shù)字儀表讀數(shù)。
3應(yīng)用效果
3．1安裝效果
迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集并監(jiān)控包括水表、電表、燃?xì)獗淼雀黝悢?shù)字儀表讀數(shù)，其采集間隔可根據(jù)需要適時(shí)調(diào)整。目前樣機(jī)已加裝在某燃?xì)夤艿赖娜細(xì)獗砩蠈?shí)時(shí)監(jiān)控采集燃?xì)庾x數(shù)，并上傳至某能源管理公司采集器，為該地區(qū)能源科學(xué)調(diào)配和運(yùn)行策略調(diào)整提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)安裝圖見(jiàn)圖6，圖7。
3．2數(shù)字識(shí)別和傳輸效果
迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)于2020年4月底安裝并投入使用，運(yùn)行一個(gè)月無(wú)故障。通過(guò)運(yùn)行一個(gè)月內(nèi)采集的數(shù)據(jù)與人工讀數(shù)比對(duì)結(jié)果，數(shù)據(jù)讀取準(zhǔn)確率高，識(shí)別誤差小，并且傳輸時(shí)間短。說(shuō)明系統(tǒng)數(shù)字識(shí)別和傳輸效果良好，完全可以滿足工程要求。
4數(shù)字儀表的應(yīng)用前景
4．1直接經(jīng)濟(jì)效益
迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的直接經(jīng)濟(jì)效益主要包括兩部分:降低儀表監(jiān)控成本和節(jié)省改造費(fèi)用。在系統(tǒng)僅需遠(yuǎn)程監(jiān)控功能時(shí)，迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與普通數(shù)字儀表可取代高價(jià)的智能化儀表，極大的降低初投資。系統(tǒng)成本計(jì)算過(guò)程見(jiàn)表1，一套完整的迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)成本約為400元，與近萬(wàn)元的智能化儀表相比，大范圍、多節(jié)點(diǎn)推廣可產(chǎn)生很大的直接經(jīng)濟(jì)效益。另一方面，迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可直接外掛在管道上，不需要原有管道系統(tǒng)停運(yùn)，節(jié)省了管道改造過(guò)程的原材料費(fèi)用和人工成本，并且可極大地縮短施工工期，產(chǎn)生很大的直接經(jīng)濟(jì)效益。
4．2節(jié)能減排效益
迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，主要用于為能源管理的可測(cè)量化、數(shù)據(jù)化和準(zhǔn)確化提供重要的數(shù)據(jù)。其監(jiān)控結(jié)果直接影響到后續(xù)能源管理工作數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響運(yùn)行策略的合理性，關(guān)系到能源是否科學(xué)調(diào)配和合理利用。因此，迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用具備一定的節(jié)能減排效益。其節(jié)能減排效益體現(xiàn)在整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)能性上，例如文獻(xiàn)［6］中實(shí)際案例計(jì)算，熱計(jì)量預(yù)付費(fèi)能源監(jiān)控系統(tǒng)改造后，150萬(wàn)m2的小區(qū)一個(gè)采暖季節(jié)省熱量約為4．7萬(wàn)GJ，折合約1713t標(biāo)煤，節(jié)能比例為10．6%，可見(jiàn)節(jié)能減排效益巨大。
4．3社會(huì)效益
迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)成本較低，可在民用建筑和既有公用建筑中大量推廣，讓廣大用戶可實(shí)時(shí)監(jiān)控個(gè)人行為對(duì)能耗的影響，從而提高用戶自主用熱、用電、用水、用氣等節(jié)能意識(shí)，達(dá)到良好的社會(huì)效益。另一方面，系統(tǒng)節(jié)約的能源可用于發(fā)展新的產(chǎn)業(yè)，并可以較大地緩解近年來(lái)新增的能耗壓力，對(duì)企業(yè)、對(duì)社會(huì)都會(huì)產(chǎn)生良好的效益。
5結(jié)語(yǔ)
本文主要開(kāi)發(fā)并試制了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的儀表監(jiān)控系統(tǒng)，基于其體系結(jié)構(gòu)框架和實(shí)現(xiàn)策略，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集，信息收集和存儲(chǔ)以及狀態(tài)的可視化各個(gè)模塊的集合，基于數(shù)字學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)策略使該系統(tǒng)具有平臺(tái)適應(yīng)性和監(jiān)控遠(yuǎn)程性的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)已應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)運(yùn)行效果反饋，更是明確了該策略有利于系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和節(jié)能減排效益的提高。近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生產(chǎn)者、管理者對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的普適性和實(shí)時(shí)性有著進(jìn)一步的要求。基于迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的諸多優(yōu)點(diǎn)，生產(chǎn)管理者等用戶能夠監(jiān)控儀表數(shù)據(jù)，設(shè)定數(shù)據(jù)超標(biāo)警戒線，還能夠保存數(shù)據(jù)至本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)用以進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)。迷你數(shù)字儀表遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的普及應(yīng)用將更好地滿足復(fù)雜多樣的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景地應(yīng)用，更加合理化地實(shí)現(xiàn)建筑內(nèi)部能源的分配和管理。
作者:陳揚(yáng) 蔡越洋 朱亦凡 劉騰云 楊奕欣 李翠敏 單位:蘇州科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院
