黃平平 高新勇 鄭立軍 郭凱旋

摘? ?要： 在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代，“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)的引進有助于從系統(tǒng)工程層面提升集中供熱系統(tǒng)的生產(chǎn)、運行、管理和服務(wù)水平。為集中供熱領(lǐng)域提出一套“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)，將集中供熱物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)深度融合，形成“數(shù)字孿生”新型應(yīng)用模式。以“熱源—熱網(wǎng)—熱力站—用戶熱力輸送”為主線，采用B/S架構(gòu)，形成由數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層與終端訪問層組成的智能供熱系統(tǒng)。在某源網(wǎng)一體基層熱電企業(yè)實現(xiàn)了“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱平臺示范建設(shè)應(yīng)用，建設(shè)了全網(wǎng)水力平衡分析、源網(wǎng)一體化協(xié)同調(diào)度、能耗統(tǒng)計與分析、經(jīng)營收費管理、客戶服務(wù)管理等子系統(tǒng)模塊，在供熱指標(biāo)能耗降低、經(jīng)營成本節(jié)約、工作效率提高和服務(wù)質(zhì)量提升方面取得了顯著成效。

關(guān)鍵詞： “互聯(lián)網(wǎng)+”;智能供熱系統(tǒng);源網(wǎng)協(xié)同;B/S架構(gòu);數(shù)字孿生

引言

當(dāng)前，我國集中供熱事業(yè)飛速發(fā)展。2018年的全國集中供熱面積相比1990年增長了35倍。近十年來，熱電聯(lián)產(chǎn)機組應(yīng)用規(guī)模持續(xù)擴大，目前占比達到37%，其中系統(tǒng)熱源類型正由單一結(jié)構(gòu)向多源互補轉(zhuǎn)變，熱網(wǎng)運行工況趨于復(fù)雜多變，熱用戶服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)日益提高[1]。

目前，在國內(nèi)基層熱力企業(yè)的實際生產(chǎn)運營中，存在智能化水平整體偏低、管理方式較為粗放等問題：一是一部分集中供熱系統(tǒng)尚未實現(xiàn)對重要參數(shù)的遠(yuǎn)傳遠(yuǎn)控，缺乏對在線診斷與實時分析的數(shù)據(jù)支撐，水力失調(diào)和冷熱不均的情況時有發(fā)生;二是由于缺乏對數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)共享的保障，智能熱網(wǎng)實施前后的指標(biāo)經(jīng)濟性、運營時效性難以評估;三是收費客服系統(tǒng)功能不完善，熱用戶服務(wù)不能滿足互聯(lián)網(wǎng)信息化時代要求;四是在已建立的供熱運行管理平臺中，熱源、熱網(wǎng)、熱力站與用戶之間存在信息壁壘，運行調(diào)節(jié)策略大多基于局部系統(tǒng)考慮，未能實現(xiàn)源網(wǎng)協(xié)同控制。

熱電聯(lián)產(chǎn)機組應(yīng)用規(guī)模持續(xù)擴大，需要在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)下實施智能控制系統(tǒng)建設(shè)。物聯(lián)網(wǎng)是在互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上的延伸和擴展，利用先進的信息通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)平臺的優(yōu)勢，推進能源生產(chǎn)智能化，促進多種類型能流網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通和多種能源形態(tài)協(xié)同轉(zhuǎn)化，建設(shè)“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代化能源體系，是能源行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要方向。在先進的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)快速發(fā)展和能源“消費、供給、技術(shù)、體制”理念提上日程的時代背景下，我國的集中供熱企業(yè)亟需利用“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)形成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采用現(xiàn)代化、數(shù)字化、智能化的方式，在系統(tǒng)工程層面提升集中供熱系統(tǒng)的生產(chǎn)、運行、管理和服務(wù)水平。

本文聚焦于“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)在集中供熱中的研究與應(yīng)用。首先，對集中供熱事業(yè)進行“互聯(lián)網(wǎng)+”需求分析，得出研發(fā)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)的重要意義;然后，詳細(xì)闡述“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容;最后，展示“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱平臺應(yīng)用實例。

1 “互聯(lián)網(wǎng)+”需求分析與智能供熱系統(tǒng)

1.1? 集中供熱事業(yè)的“互聯(lián)網(wǎng)+”需求分析

1.1.1? 學(xué)科融合和技術(shù)創(chuàng)新的需要

節(jié)能降耗是能源行業(yè)發(fā)展追求的永恒主題?，F(xiàn)階段，隨著先進制造工藝的應(yīng)用，對集中供熱系統(tǒng)局部設(shè)備設(shè)施的靜態(tài)節(jié)能效果進行提升的潛力已然殆盡，而各子系統(tǒng)聯(lián)動的動態(tài)節(jié)能空間亟需開發(fā)。因此，“互聯(lián)網(wǎng)+”智能化是實現(xiàn)學(xué)科融合、技術(shù)創(chuàng)新的融合，可滿足進一步節(jié)能降耗、降本提效的有力手段。

1.1.2? 企業(yè)尋求生存和發(fā)展的需要

鑒于當(dāng)前的能源電力行業(yè)環(huán)境，能源發(fā)電量消納需求持續(xù)提升，供熱機組熱電協(xié)同矛盾日益增大。供熱企業(yè)亟需通過“互聯(lián)網(wǎng)+”智能化技術(shù)，在降低生產(chǎn)經(jīng)營成本、打造品牌良好形象、科學(xué)開拓潛在熱力市場方面，尋求更大的生存和發(fā)展空間。

1.1.3? 衍生多元化市場價值的需要

“互聯(lián)網(wǎng)+”智能化發(fā)展是為集中供熱事業(yè)衍生多元化市場價值的需要。有必要通過“互聯(lián)網(wǎng)+”平臺，充分挖掘龐大供熱群體的大數(shù)據(jù)資源，創(chuàng)新商業(yè)服務(wù)模式，提供高質(zhì)量、多元化的客戶服務(wù)，創(chuàng)造新的市場價值。

1.2 “互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)內(nèi)涵

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是信息化時代的重要發(fā)展階段，即在互聯(lián)網(wǎng)延伸和擴展的基礎(chǔ)上實現(xiàn)不同物品間的信息交換，也就是“物物相息”，而“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在集中供熱領(lǐng)域的一種典型應(yīng)用。

“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)是指以供熱自動化和信息化為基礎(chǔ)，通過物理系統(tǒng)和信息系統(tǒng)的深度融合組成新的智能供熱網(wǎng)絡(luò)，將機理模型與數(shù)據(jù)驅(qū)動模型相結(jié)合，實現(xiàn)“數(shù)字孿生”，即工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的應(yīng)用內(nèi)核，將數(shù)據(jù)辨識、數(shù)據(jù)挖掘、人工智能等先進技術(shù)集成于一體的信息處理系統(tǒng)?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)的重要意義在于，它能夠為供熱系統(tǒng)運行和管理提供全過程智能決策支持[2]。

2 “互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)建設(shè)內(nèi)容

“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)以“熱源—熱網(wǎng)—熱力站—用戶熱力輸送”為主線，涵蓋民用采暖和工業(yè)供汽兩種業(yè)務(wù)模式，以精益化運營管理服務(wù)為核心，統(tǒng)一部署數(shù)據(jù)庫網(wǎng)絡(luò)資源，打通運行、收費、客服、能耗、管理等業(yè)務(wù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)平臺內(nèi)各功能子系統(tǒng)數(shù)據(jù)的充分交互調(diào)用，推進各項業(yè)務(wù)的在線實時協(xié)同?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)將真正實現(xiàn)需求場景化、場景在線化、在線業(yè)務(wù)化、多業(yè)務(wù)融合化。

平臺采用B/S架構(gòu)建設(shè)，內(nèi)容包括數(shù)據(jù)感知層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)訪問層、業(yè)務(wù)邏輯層、表示層與終端訪問層[3-7]。數(shù)據(jù)感知層包括滿足智能供熱系統(tǒng)建設(shè)所需的物聯(lián)網(wǎng)自動化設(shè)備，用于完成智能供熱平臺中各項操作指令和任務(wù)命令;數(shù)據(jù)采集層和數(shù)據(jù)訪問層主要通過互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)集中供熱系統(tǒng)全過程的數(shù)據(jù)采集、智能調(diào)節(jié)與控制功能;業(yè)務(wù)邏輯層是智能供熱平臺的管理決策中心，為熱力企業(yè)生產(chǎn)管理提供信息系統(tǒng)支撐及輔助決策支持，為熱用戶提供良好的客戶服務(wù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”體驗。表示層與終端訪問層是平臺的展示窗口，為運行人員提供良好的人機交互功能。熱力企業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

2.1? 數(shù)據(jù)感知層

熱源側(cè)：首站加裝電動調(diào)節(jié)閥，與循泵變頻器協(xié)同調(diào)節(jié)首站輸送熱量，并在各輸出關(guān)口加裝溫度、壓力、流量等測量裝置，以計算熱量。

熱力站側(cè)：在站內(nèi)新增和完善相關(guān)參數(shù)測點（溫度、壓力、流量、液位、熱量等）、安全設(shè)備（跑水報警、攝像頭、對講裝置）、控制裝置（電磁閥、調(diào)節(jié)閥、變頻器等）、計量裝置（水表、電表、熱表）。

熱用戶側(cè)：在指定小區(qū)安裝室內(nèi)溫度測量裝置;對于按計量收費的小區(qū)，增設(shè)進戶通斷閥與熱量表，實現(xiàn)按需供熱。

2.2? 數(shù)據(jù)采集層

數(shù)據(jù)感知層設(shè)備相關(guān)參數(shù)通過GPRS/5.8G/MSTP等以太網(wǎng)通信技術(shù)傳輸至熱網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對所有熱力站的實時數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程集中調(diào)控。小區(qū)室內(nèi)測溫裝置、戶用熱量表和通斷閥參數(shù)采用M-BUS總線模式或NB-loT無線通信方式傳輸至熱力站PLC接收模塊，再由以太網(wǎng)專線傳輸至熱網(wǎng)監(jiān)控中心。

2.3? 數(shù)據(jù)訪問層

數(shù)據(jù)訪問層包含實時數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫，接收儲存來自數(shù)據(jù)采集層的所有數(shù)據(jù)。

實時數(shù)據(jù)庫用于存儲生產(chǎn)運行過程中的實時數(shù)據(jù)，來源主要為首站/熱力站/熱用戶數(shù)據(jù)監(jiān)控、關(guān)口計量、貿(mào)易結(jié)算等功能模塊。不同模塊采集精度要求不同，分為“毫秒級”與“分鐘級”兩種。

關(guān)系數(shù)據(jù)庫用于存儲填報、配置參數(shù)等關(guān)系型數(shù)據(jù)，同時作為實時數(shù)據(jù)平臺的完善和補充。

2.4? 業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是平臺的核心內(nèi)容，用于平臺業(yè)務(wù)工作中的邏輯判斷與執(zhí)行操作。在收到表示層的用戶指令后，連接數(shù)據(jù)訪問層，實現(xiàn)三層之間的指令傳達，對接收數(shù)據(jù)進行邏輯處理，完成數(shù)據(jù)的修改、獲取、刪除等功能，最終將處理結(jié)果反饋到表示層中。

業(yè)務(wù)邏輯層主要包括全網(wǎng)水力平衡分析子系統(tǒng)、運行調(diào)度子系統(tǒng)、熱網(wǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)、能耗統(tǒng)計與分析子系統(tǒng)、經(jīng)營收費管理子系統(tǒng)、客戶服務(wù)管理子系統(tǒng)、生產(chǎn)管理子系統(tǒng)、設(shè)備設(shè)施管理子系統(tǒng)、智能稽查管理子系統(tǒng)、GIS地理信息子系統(tǒng)功能模塊。

2.5? 表示層與終端訪問層

表示層與終端訪問層為“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱平臺提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)應(yīng)用操作界面和信息展示窗口，實現(xiàn)平臺數(shù)據(jù)的輸入與輸出，子系統(tǒng)模塊間業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的互通與展示。

表示層采用HTML頁面或JSP頁面，通過AJAX異步請求的方式進行數(shù)據(jù)的交互和終端緩存，通過自定義組件等技術(shù)保證用戶友好的操作體驗和流暢的數(shù)據(jù)展示，通過完善的后臺業(yè)務(wù)層的邏輯運算技術(shù)作為支持，使表示層能夠支撐各種外界頁面及形式的自定義和更改，為智能供熱平臺提供優(yōu)質(zhì)的操作界面和信息展示窗口。

終端訪問層是平臺的外觀層，負(fù)責(zé)向用戶提供友好的人機交互接口。以B/S方式供不同類型的用戶進行訪問。熱力公司內(nèi)部用戶可通過WEB接口、移動管理客戶端對平臺進行訪問;熱用戶則通過移動端手機應(yīng)用軟件或微信公眾平臺等方式訪問平臺前置應(yīng)用服務(wù)器，查詢與熱用戶自身相關(guān)的供熱業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

3 “互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱平臺應(yīng)用實例

通過對某源網(wǎng)一體的基層熱電企業(yè)“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱平臺示范建設(shè)應(yīng)用，使其在供熱指標(biāo)能耗降低、經(jīng)營成本節(jié)約、工作效率提高和服務(wù)質(zhì)量提升方面取得了顯著成效。

在數(shù)據(jù)感知層面，通過加裝熱力站內(nèi)的物聯(lián)網(wǎng)調(diào)節(jié)閥、水泵變頻器，自動控制系統(tǒng)，完善站內(nèi)主要運行參數(shù)監(jiān)控測點，增設(shè)視頻監(jiān)控設(shè)備，利用租用的運營商以太專網(wǎng)，將熱力站內(nèi)采集的所有運行參數(shù)統(tǒng)一傳輸至智能供熱平臺。調(diào)度中心可實現(xiàn)對熱力站設(shè)備運行狀態(tài)的監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制，從而實現(xiàn)熱力站的無人值守。

在平臺業(yè)務(wù)分析層面，建設(shè)了全網(wǎng)水力平衡分析子系統(tǒng)、源網(wǎng)一體化協(xié)同調(diào)度子系統(tǒng)、能耗統(tǒng)計與分析子系統(tǒng)、經(jīng)營收費管理子系統(tǒng)、客戶服務(wù)管理子系統(tǒng)模塊。

3.1? 全網(wǎng)水力平衡分析子系統(tǒng)

根據(jù)管網(wǎng)的實際拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過熱力系統(tǒng)機理分析與歷史大數(shù)據(jù)驅(qū)動兩種建模方式建立熱網(wǎng)模型，實現(xiàn)離線模擬計算與在線運行工況尋優(yōu)功能。通過模型計算的軟測量結(jié)果與熱網(wǎng)實際運行參數(shù)的比較，指導(dǎo)運行調(diào)度，優(yōu)化控制策略。

3.2? 源網(wǎng)一體化協(xié)同調(diào)度子系統(tǒng)

根據(jù)熱網(wǎng)歷史運行數(shù)據(jù)、室外氣象參數(shù)、管網(wǎng)慣性、建筑物特性、末端供熱形式、用戶室溫等多維度因素對熱負(fù)荷進行預(yù)測，實時計算出熱力站當(dāng)前最佳二次網(wǎng)供熱水溫度，制定出每個熱力站的獨特調(diào)節(jié)曲線，實現(xiàn)“一站一策”精準(zhǔn)控制。以用戶側(cè)室內(nèi)溫度為最終控制目標(biāo)，沿?fù)Q熱站二次網(wǎng)供水溫度、換熱站一次網(wǎng)側(cè)電動調(diào)節(jié)閥開度、熱網(wǎng)首站一次網(wǎng)供水溫度等參數(shù)溯源關(guān)聯(lián)，建立熱電聯(lián)產(chǎn)機組抽汽與一次網(wǎng)供水溫度協(xié)調(diào)變化的聯(lián)動關(guān)系，從而形成源網(wǎng)一體化的熱力調(diào)控模型。源網(wǎng)協(xié)同調(diào)度子系統(tǒng)“一站一策”控制策略如圖2所示。

3.3? 能耗統(tǒng)計與分析子系統(tǒng)

通過建立供熱能耗多指標(biāo)的計算模型，利用供熱系統(tǒng)運行的各類數(shù)據(jù)，進行水、電、熱等各類能耗指標(biāo)的計算，并以圖形報表等多種形式，以不同維度加以分析呈現(xiàn)。進一步地，結(jié)合水價、電價、熱價等價格因素細(xì)化供熱邊際貢獻，增加生產(chǎn)所涉及的人工、材料等各類成本信息，建立節(jié)能效果與經(jīng)濟收益的影響關(guān)系，從經(jīng)濟效益優(yōu)先的角度，推進供熱系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化及改造。

3.4? 經(jīng)營收費管理子系統(tǒng)

通過建立一站式供熱收費解決方案，輔以銀行、微信、支付寶等多元化繳費方式，以及稅控接口、電子發(fā)票系統(tǒng)等，關(guān)聯(lián)客戶服務(wù)子系統(tǒng)，實現(xiàn)跨部門、跨系統(tǒng)的聯(lián)動收費管理，主要包括與稽查管理、生產(chǎn)調(diào)度、客服管理的聯(lián)動協(xié)調(diào)運作。解決用戶資料混亂、賬目不清、收費率低、歷史信息無法追溯等問題，提升經(jīng)營收費效率和客戶滿意度。

3.5? 客戶服務(wù)管理子系統(tǒng)

集成服務(wù)大廳、電話、網(wǎng)絡(luò)（小程序/APP），以及社會監(jiān)督、主管部門等多元化客戶服務(wù)請求渠道，暢通信息傳輸機制。針對客戶報修或投訴等請求工單，通過由客服中心統(tǒng)一派單和回訪，依據(jù)工單的類型、緊急程度等分級別督辦管理。利用移動端完成人員定位、遠(yuǎn)程接單、遠(yuǎn)程監(jiān)督、工單處理反饋，建立由派單、處理、監(jiān)督、反饋、回訪等環(huán)節(jié)構(gòu)成的閉環(huán)管理機制，實現(xiàn)對客戶需求的快速響應(yīng)。全過程統(tǒng)計客服管理系統(tǒng)的各類服務(wù)信息，包括客服請求響應(yīng)率、客服請求辦結(jié)率、坐席利用率、熱線接通率等關(guān)鍵指標(biāo)，建立綜合評價機制。

4? 總結(jié)與展望

隨著能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，先進的互聯(lián)網(wǎng)信息化技術(shù)與集中供熱系統(tǒng)的融合愈發(fā)深入，應(yīng)用更為廣泛。在“互聯(lián)網(wǎng)+”智能供熱系統(tǒng)的加持下，在滿足基層企業(yè)供熱數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳、運行遠(yuǎn)控的基礎(chǔ)上，未來可進一步“做實底層，激活云端”，進一步促進基層供熱企業(yè)節(jié)能降耗、提質(zhì)增效，實現(xiàn)熱力“產(chǎn)—輸—配—售”全過程精細(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)化、智能化管理，穩(wěn)步提高客戶服務(wù)水平，用“互聯(lián)網(wǎng)+”智能化先進應(yīng)用滿足客戶需求，提升企業(yè)供熱運行效率和品牌價值。

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