建筑節能數字儀表遠程監控系統探析
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摘要:隨著在線監測系統在建筑領域的廣泛應用，就如何提高系統的普適性、實時性從硬件結構和軟件結構兩個方面給出優化升級的方案，設計出一種迷你數字儀表遠程監控系統，同時根據系統試運行結果表明，該系統達到了良好的運行效果，穩定可靠，更好滿足了現代能源管理對儀表系統的經濟性及精確性的要求。并通過優化能源管理實現節能減排，從而產生良好的環境效益。
關鍵詞:機器學習，迷你數字儀表，監控系統
0引言
隨著現代化進程的快速發展，能源消耗量日漸增加。而在眾多耗能產業中建筑能耗占比很高，據相關數據統計我國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、通風、照明和建筑電氣等，其中采暖和空調(暖通空調)能耗占建筑總能耗的50%～60%以上［2，3］，并且暖通空調面積和能耗近些年來仍呈持續增加趨勢，節能增效潛力巨大［4］。近些年，為實現能源合理利用，我國建筑領域開始大量采用在線監測系統作為監測工具［5-7］，輔助建筑領域能源管理，其中能耗監測是能耗統計的核心環節，決定了能耗統計的質量。前端用戶能耗數據遠程監控是監測系統的重要環節，關系到后續能源管理工作數據的準確性［6，8］。但目前在應用的監測系統普遍存在安裝維護成本高［9，10］、應用場景受限、推廣難度高等問題。監測系統的穩定和可靠運行，直接關系到建筑內部能源的數據準確性及管理。具備數據傳輸功能的智能化儀表可實現遠程監控功能，性能穩定可靠，目前在在線監測系統中應用較多［4］。而既有公共建筑和居住建筑數量龐大，僅憑人工定期的抄表讀數來實現數據統計工作，所要耗費的人力財力是巨大的，采用具有遠程監控和數據傳輸功能的數字儀表系統完善能源管理勢在必行。本文中提及的迷你數字儀表系統，就是通過硬件和軟件兩大部分的協調工作，優化了遠程監控和數據傳輸等功能。該系統以機器學習為核心，可外掛在數字儀表周圍，實時采集并傳輸儀表讀數，在不改裝原有管道系統的情況下實現能耗監測功能。
1系統概述
基于機器學習的迷你數字儀表遠程監控系統由硬件和軟件兩部分結構組成。硬件結構包括樹莓派硬件主平臺、圖像采集模塊，以及數據轉換與傳輸模塊，可實現數字儀表從圖像到數字并傳送到云端的功能;軟件系統以機器學習為核心，實現數字儀表從圖像到數字并傳送到云端的功能。迷你數字儀表遠程監控系統優勢明顯，其結構簡單、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，無需對現有儀表的安裝方式進行調整，可以根據需要隨時移動或拆裝。初投資小、運行經濟、維護成本低，可滿足大范圍、多節點使用需求;運行穩定、采集數據精準，并適用于多種傳輸方式。基于該系統的諸多特點，其可加裝在既有建筑和管道上的水表、電表、燃氣表和其他數字儀表上，實現水、電、熱等能耗數據的全面監測，為能源管理的可測量化、數據化和準確化提供重要的數據依據。本項目的硬件平臺是通用的，因此可以通過軟件升級提升系統性能。與常規軟件的不同還在于使用了無線數據傳輸，實現了軟件的遠程下載和在線升級。迷你數字儀表遠程監控系統迎合目前能源管理智能化和科學量化的管理需求，應用場景多樣、使用范圍廣泛，推廣前景廣闊。
2系統工作原理及組成
2．1系統工作原理
數字儀表遠程監控系統總體設計方案由下向上包括圖像采集層、數據分析層、網絡傳輸層，以及遠程監控應用層，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境下，可以實時采集包括水表、電表、燃氣表等各類數字儀表圖像信息，通過圖像采集器內置的高速緩存上傳到數據分析層。2)數據分析層:主要完成由圖像信息向讀數結果的轉換，是整個系統的核心部分。數據分析主要包括圖像預處理、機器學習模型和模板庫訓練、圖像識別和數字判讀三個主要階段。其中，圖像預處理實現圖像降噪、圖像濾波、圖像二值化等針對圖像的工作;然后對數字區域和字符特征進行提取，基于機器學習方法建立自動識別模型，并在大量樣本集的基礎上訓練生成數字儀表模板庫;識別階段在圖像處理和機器學習模型與模板庫的基礎上，實現數字儀表實時結果判讀和輸出。3)網絡傳輸層:數字儀表實時判讀結果通過RS485實時傳輸到本地數據采集器進行緩存，并在4G/5G網絡傳輸模塊的支持下將結果實時傳輸到云端，進行云端的數據存儲和管理。4)遠程監控層:移動終端用戶可以在各種平臺與云端
2．2系統硬件結構
該監控系統硬件結構包括樹莓派硬件主平臺、圖像采集模塊，以及數據轉換與傳輸模塊。系統采用樹莓派4作為主平臺，在此基礎上搭載圖像采集模塊、數據轉換與傳輸模塊，盡可能提高整個系統硬件結構的小型化和整體性。這種以主平臺為載體，根據不同需求選擇搭配不同可配置模塊的方式能夠很好地應對多種場景的應用。1)硬件主平臺。硬件主平臺采用樹莓派4，搭載1．5GHz的ARM芯片和VideoCoreGPU，支持雙4K顯示輸出，引入USB3接口和全吞吐量千兆以太網，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。本系統實現過程選用搭載2GBLPDDR4SDRAM內存。樹莓派硬件主平臺及其外殼見圖2。以樹莓派4作為主平臺，本系統額外配置了圖像采集模塊、數據轉換與傳輸模塊，分別通過CSI攝像頭接口和GPIO接口搭載到主平臺上。各模塊的供電、時鐘等都由主平臺統一支持和管理，其中電源采用AC5V輸入，能夠很好地滿足在對用電安全性要求較高的燃氣表數字讀取等應用場景。2)圖像采集模塊。由于很多數字儀表安裝在管道井等光照條件較差的環境，因此本系統在圖像采集模塊的高清攝像頭基礎上搭載了2個紅外補光燈。補光燈能夠根據周圍光照環境自動調節光照度補償值，實現補光強度自適應，從而實現不同光照條件下都能獲得較好的數字儀表圖像采集效果，并通過高速緩存傳輸存儲高質量圖像信息。圖像采集模塊外觀具體見圖3。3)數據轉換與傳輸模塊。雖然硬件主平臺提供了包括以太網、USB等高速數據傳輸接口，但是本系統為了應對工業界目前常用的RS485Modbus總線傳輸需求，在40針
2．3系統軟件結構
軟件系統以機器學習為核心，該部分需要實現儀表盤實時/定時拍照、圖像預處理、數字部分自動截取、字符分割、數字識別［11］、結果輸出寫寄存器等主要功能，從而實現數字儀表從圖像到數字并傳送到云端。1)流程圖。數字儀表遠程監控系統軟件部分的流程如圖5所示。2)軟件核心模塊設計。a．圖像獲取和預處理:實時/定時啟動圖像采集模塊，根據光照條件動態補光，拍攝數字儀表圖像并緩存在本地。然后，對獲取的圖像進行降噪、高斯濾波、銳化、二值化操作，從而得到效果最佳的數字儀表二值化圖像［11］。b．數字部分自動截取:數字儀表圖像包括整個表盤以及其他干擾圖像，需要自動截取獲得數字部分。本系統采用一個開運算和一個閉運算的方式，對圖像進行膨脹和腐蝕處理，去掉較小區域，同時填平小孔，彌合小裂縫，將圖像中的矩形區域凸顯出來。然后，根據矩形寬高比等特征排除干擾部分［12］，得到儀表讀數的數字部分。c．字符自動分割:根據設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。得到每個字符的波峰后，再根據每組波峰的寬度分割數字部分圖像，得到每個字符的圖像。d．機器學習模型訓練和數字識別:在獲取一定數量字符圖像的基礎上，采用機器學習訓練SVM模型，得到字符模板。然后將分割后的每個圖像逐個與已訓練好的模板進行匹配，得到識別結果。每一輪圖像識別后都會將得到的字符存儲在本地并持續更新訓練模板庫，從而逐漸提高圖像識別的準確率。最后，將數字識別結果通過功能碼寫入指定地址的寄存器，本地數字采集器可以通過RS485Mod-bus總線輪詢讀取不超過32個數字儀表讀數。
3應用效果
3．1安裝效果
迷你數字儀表遠程監控系統可實時采集并監控包括水表、電表、燃氣表等各類數字儀表讀數，其采集間隔可根據需要適時調整。目前樣機已加裝在某燃氣管道的燃氣表上實時監控采集燃氣讀數，并上傳至某能源管理公司采集器，為該地區能源科學調配和運行策略調整提供基礎數據。現場安裝圖見圖6，圖7。
3．2數字識別和傳輸效果
迷你數字儀表遠程監控系統于2020年4月底安裝并投入使用，運行一個月無故障。通過運行一個月內采集的數據與人工讀數比對結果，數據讀取準確率高，識別誤差小，并且傳輸時間短。說明系統數字識別和傳輸效果良好，完全可以滿足工程要求。
4數字儀表的應用前景
4．1直接經濟效益
迷你數字儀表遠程監控系統的直接經濟效益主要包括兩部分:降低儀表監控成本和節省改造費用。在系統僅需遠程監控功能時，迷你數字儀表遠程監控系統與普通數字儀表可取代高價的智能化儀表，極大的降低初投資。系統成本計算過程見表1，一套完整的迷你數字儀表遠程監控系統成本約為400元，與近萬元的智能化儀表相比，大范圍、多節點推廣可產生很大的直接經濟效益。另一方面，迷你數字儀表遠程監控系統可直接外掛在管道上，不需要原有管道系統停運，節省了管道改造過程的原材料費用和人工成本，并且可極大地縮短施工工期，產生很大的直接經濟效益。
4．2節能減排效益
迷你數字儀表遠程監控系統的遠程監控功能，主要用于為能源管理的可測量化、數據化和準確化提供重要的數據。其監控結果直接影響到后續能源管理工作數據的準確性，進而影響運行策略的合理性，關系到能源是否科學調配和合理利用。因此，迷你數字儀表遠程監控系統的推廣應用具備一定的節能減排效益。其節能減排效益體現在整個系統的節能性上，例如文獻［6］中實際案例計算，熱計量預付費能源監控系統改造后，150萬m2的小區一個采暖季節省熱量約為4．7萬GJ，折合約1713t標煤，節能比例為10．6%，可見節能減排效益巨大。
4．3社會效益
迷你數字儀表遠程監控系統成本較低，可在民用建筑和既有公用建筑中大量推廣，讓廣大用戶可實時監控個人行為對能耗的影響，從而提高用戶自主用熱、用電、用水、用氣等節能意識，達到良好的社會效益。另一方面，系統節約的能源可用于發展新的產業，并可以較大地緩解近年來新增的能耗壓力，對企業、對社會都會產生良好的效益。
5結語
本文主要開發并試制了一種基于機器學習的儀表監控系統，基于其體系結構框架和實現策略，實現了數據采集，信息收集和存儲以及狀態的可視化各個模塊的集合，基于數字學習的實現策略使該系統具有平臺適應性和監控遠程性的優點。通過已應用在現場的系統運行效果反饋，更是明確了該策略有利于系統的經濟效益和節能減排效益的提高。近年來，隨著互聯網科學技術的發展，生產者、管理者對監控系統的普適性和實時性有著進一步的要求。基于迷你數字儀表遠程監控系統的諸多優點，生產管理者等用戶能夠監控儀表數據，設定數據超標警戒線，還能夠保存數據至本地數據庫用以進行機器學習。迷你數字儀表遠程監控系統的普及應用將更好地滿足復雜多樣的現實場景地應用，更加合理化地實現建筑內部能源的分配和管理。
作者:陳揚 蔡越洋 朱亦凡 劉騰云 楊奕欣 李翠敏 單位:蘇州科技大學環境科學與工程學院
