CN116540576B - 一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统，包括数据采集模块、智能监测模块、统计分析模块和能耗管理模块；其中，数据采集模块用于基于物联网技术实时采集建筑内的监测数据，并将采集到的监测数据传输到智能监测模块，其中建筑内的监测数据包括环境监测数据、设备监测数据和人员分布监测数据；智能监测模块用于根据接收到的监测数据对建筑数字孪生模型进行更新；统计分析模块用于基于建筑数字孪生模型对建筑能耗进行统计和分析，并将统计和分析结果整合到建筑数字孪生模型中；能耗管理模块用于对建筑数字孪生模型进行可视化展示。本发明有助于提高建筑节能管理的智能化和管理化水平。
Description
技术领域
本发明涉及建筑节能管理技术领域，特别是一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统。
背景技术
传统的公共建筑(如医院门诊楼、学校教学楼、城市写字楼等)通常会存在能源管控难的问题，包括电器使用量较大，机械式的电器设备管理，浪费现象较为普遍；管理者无法对建筑的整体能耗进行全面的把控，无法制定合理的能源管理策略。
发明内容
针对上述提出的传统的公共建筑存在的能源管控难得技术问题，本发明旨在提供一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统。
本发明的目的采用以下技术方案来实现：
本发明提出一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统，其特征在于，包括数据采集模块、智能监测模块、统计分析模块和能耗管理模块；其中，
数据采集模块用于基于物联网技术实时采集建筑内的监测数据，并将采集到的监测数据传输到智能监测模块，其中建筑内的监测数据包括环境监测数据、设备监测数据和人员分布监测数据；
智能监测模块用于根据接收到的监测数据对建筑数字孪生模型进行更新；
统计分析模块用于基于建筑数字孪生模型对建筑能耗进行统计和分析，并将统计和分析结果整合到建筑数字孪生模型中；
能耗管理模块用于对建筑数字孪生模型进行可视化展示。
一种实施方式中，还包括智能控制模块；
智能控制模块用于根据建筑数字孪生模型的能耗分析结果，基于预设的能耗策略，对建筑的能耗设备进行智能化调控。
一种实施方式中，数据采集模块包括设置在建筑内的无线传感器网络，其中无线传感器中包含多个数据采集节点，每个数据采集节点中设置相应的传感器，用于采集建筑内的监测数据，数据采集节点将采集到的监测数据基于无线物联网数据传输方式传输到智能监测模块。
一种实施方式中，数据采集节点包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、智能门禁设备、摄像头、能耗设备监测终端和智能电表等；其中环境监测数据包括建筑内不同区域的温度数据、湿度数据、光照数据等；人员分布监测数据包括通过智能门禁设备或摄像头采集到的建筑内不同区域的人员分布情况；设备监测数据包括根据能耗设备监控终端得到的设备运行状态数据。
一种实施方式中，智能监测模块包括模型构建单元和数据更新单元；其中，
模型构建单元用于根据目标建筑的实际信息和数据采集模块的设置信息构建建筑数字孪生模型；
数据更新单元用于根据接收到的监测数据对建筑数字孪生模型进行更新，将监测数据整合更新到建筑孪生模型中。
一种实施方式中，统计分析模块包括设备统计单元、能耗统计单元、人员统计单元和智能分析单元；其中，
设备统计单元用于根据当前建筑内的能耗设备运行状态数据进行份区域统计，得到建筑内各区域的运行能耗设备数量统计数据并整合到建筑数字孪生模型中；
能耗统计单元用于根据当前建筑内的能耗设备运行状态数据进行分区域的实时能耗数据统计，并将各区域的实时能耗数据整合到建筑数字孪生模型中；
人员统计单元用于根据对当前建筑内的人员分布进行分区域的统计，得到建筑内各个区域的人员统计数据并整合到建筑数字孪生模型中。
智能分析单元用于根据当前建筑内各区域的实施能耗数据进行预测分析，得到能耗数据变化趋势预测结果，并根据变化趋势预测结果与预设的能耗阈值进行比较，得到实时能耗预警结果；以及用于根据当前建筑内各区域的能耗策略、环境监测数据、人员统计数据和运行的能耗设备统计数据分析该区域的能耗是否超出能耗策略设定的标准，得到实时能耗合理性分析结果。
本发明的有益效果为：本发明系统的数据采集模块基于物联网技术来对建筑内各区域得监测数据进行采集，并将采集到得监测数据传输到智能监测模块，通过智能监测模块构建建筑的数字孪生模型，并将采集到的实时监测数据更新到数字孪生模型中，基于数字孪生技术来对建筑的监测情况进行整体的模型构建，有助于提高数据的可视化和管理水平；基于构建的建筑数字孪生模型，通过智慧楼宇的分析技术来对建筑内的监测数据进行分析和统计，有助于通过统计和分析结果对当前建筑的能耗状态进行反馈，以使得能够以此作为基础对建筑进行智能化控制，或者供管理者提供能耗管理的依据，有助于提高建筑节能管理的智能化和管理化水平。
附图说明
利用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例所示一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统的框架结构图。
具体实施方式
结合以下应用场景对本发明作进一步描述。
参见图1，其示出一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统，包括数据采集模块、智能监测模块、统计分析模块和能耗管理模块；其中，
数据采集模块用于基于物联网技术实时采集建筑内的监测数据，并将采集到的监测数据传输到智能监测模块，其中建筑内的监测数据包括环境监测数据、设备监测数据和人员分布监测数据；
智能监测模块用于根据接收到的监测数据对建筑数字孪生模型进行更新；
统计分析模块用于基于建筑数字孪生模型对建筑能耗进行统计和分析，并将统计和分析结果整合到建筑数字孪生模型中；
能耗管理模块用于对建筑数字孪生模型进行可视化展示。
本发明上述实施方式，数据采集模块基于物联网技术来对建筑内各区域得监测数据进行采集，并将采集到得监测数据传输到智能监测模块，通过智能监测模块构建建筑的数字孪生模型，并将采集到的实时监测数据更新到数字孪生模型中，基于数字孪生技术来对建筑的监测情况进行整体的模型构建，有助于提高数据的可视化和管理水平；基于构建的建筑数字孪生模型，通过智慧楼宇的分析技术来对建筑内的监测数据进行分析和统计，有助于通过统计和分析结果对当前建筑的能耗状态进行反馈，以使得能够以此作为基础对建筑进行智能化控制，或者供管理者提供能耗管理的依据，有助于提高建筑节能管理的智能化和管理化水平。
一种实施方式中，还包括智能控制模块；
智能控制模块用于根据建筑数字孪生模型的能耗分析结果，基于预设的能耗策略，对建筑的能耗设备进行智能化调控。
一种场景中，数据采集模块设置在目标建筑中，智能监测模块能够基于设置在目标建筑内的智能终端设备、内部服务器或者云服务器搭建；智能监测模块和统计分析模块能够基于设置在目标建筑内的智能终端设备、远程管理终端、内部服务器或者云服务器搭建。
一种实施方式中，数据采集模块包括设置在建筑内的无线传感器网络，其中无线传感器中包含多个数据采集节点，每个数据采集节点中设置相应的传感器，用于采集建筑内的监测数据，数据采集节点将采集到的监测数据基于无线物联网数据传输方式传输到智能监测模块。
一种实施方式中，数据采集节点包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、智能门禁设备、摄像头、能耗设备监测终端和智能电表等。
其中环境监测数据包括建筑内不同区域的温度数据、湿度数据、光照数据等；人员分布监测数据包括通过智能门禁设备或摄像头采集到的建筑内不同区域的人员分布情况；设备监测数据包括根据能耗设备监控终端得到的设备运行状态数据。
其中能耗设备包括照明设备、通风设备、温度调节设备、动力设备等。
一种实施方式中，数据采集模块中的无线传感器网络还包括两个基站节点，该基站节点用于收集各数据采集节点采集的监测数据，并将收集到的监测数据统一上传至智能监测模块；
其中该两个基站节点分布设置在建筑内，两个基站节点之间的设置距离不小于建筑最大直径范围的
在正常通信状态下，基站节点公布自身的位置信息到所有数据采集节点，无线传感器网络中的数据采集节点分别获取两个基站节点的位置信息，并进一步选取距离自身更近的基站节点作为自身的目标基站节点，数据采集节点于目标基站节点建立通信连接，将自身采集到的监测数据直接传输到目标基站节点。
其中，基站节点实时检测自身的运行状态情况，当自身的运行状态情况出现异常时，则启用应急通信状态；包括：基站节点实时计算自身的状态评价值，其中采用的状态评价值计算函数为：
ytp(t)＝func1(ratelost)+func2(ratelost，mbps，hardcore)
其中，ytp(t)表示当前时刻t的状态评价值，func1(ratelost)表示第一判断函数，ratelost为变量，表示丢包率，其中当ratelost＞10％的时候，func1(ratelost)＝1，否则，ratelost≤10％的时候func1(ratelost)＝0，func2(ratelost，mbps，hardcore)表示第二判断函数，其中ratelost，mbps，hardcore为变量，ratelost表示丢包率，smbps表示传输速率，hardcore表示硬件状态，当时，func2(ratelost，mbps，hardcore)＝1，其中，rateT表示设定的丢包率标准值，其中rateT∈[3％，6％]，Tmbps表示设定的传输速率标准值，hardcore硬件状态，其中当硬件出现异常时，hardcore＝1，否则hardcore＝0；
当连续n(n＞5)个时刻的状态评价值ytp(t)≥1时，则判断基站节点的运行状态情况出现异常，基站进入应急通信状态；
在应急通信状态下，运行状态情况出现异常的基站节点向其自身通信范围内的其他数据采集节点发出应急通信指令，以使得本身于异常基站节点建立通信连接的数据采集节点根据接收到的应急通信指令，自适应选择其他数据采集节点作为下一级节点，将自身采集到的监测数据传输到下一级节点，并由下一级节点将获取的监测数据传输到剩余的正常运行的基站节点中；包括：
异常基站节点在检测到自身的运行状态情况出现异常时，向其自身通信范围内的其他数据采集节点发出应急通信指令；
接收到应急通信指令的数据采集节点根据接收到的应急通信指令，计算自身的节点状态值，其中采用的节点状态值计算函数为：
式中，pnt(i)表示第i个数据采集节点的节点状态值，para(contp)表示节点连接参数，当数据采集节点当前为与异常基站节点外的另一个基站节点建立通信连接时，则para(contp)的取值为100，enrg(j)表示第i个数据采集节点的剩余能量，Tenrg表示剩余能量标准值，lsra(i)表示第i个数据采集节点的丢包率，Tlsra表示丢包率标准值，dist2sta(i)表示第i个数据采集节点到另一个基站节点的距离，dist4std(i)表示第i个数据采集节点的直接通信半径，α1、α2、α3表示设定的调节因子，其中α1、α2、α3∈[1，10]；
数据采集节点将自身的节点状态值广播至其通信范围内的其他邻域数据采集节点；
与异常基站节点通信连接的数据采集节点接收到其他数据采集节点的节点状态值后，从节点状态值最大的前3个数据采集节点中随机选择一个作为自身的下一级节点，并将自身采集到的监测数据和接收到的其他节点的监测数据传输到下一级节点，由下一级节点进一步将监测数据传输到另一个基站节点，并由另一个基站节点将监测数据传输到智能监测模块。
当异常基站节点异常解除后，则重新向所有数据采集节点发出分配指令，以使得数据采集节点根据接收到的分配指令，重新选取距离自身更近的基站节点作为自身的目标基站节点。
针对传统无线传感器网络中通过单基站完成数据汇聚传输的模式，其数据传输质量容易因为基站的运行状态波动受到直接影响，降低了监测数据采集传输的可靠性。本发明上述实施方式提出了一种数据采集模块“双基站”的数据传输方式，通过在建筑内设置两个基站节点，来分担无线传感器网络中数据采集节点的汇聚和传输任务，能够有效降低基站的负担。同时，基站实时对自身的状态进行检测，当检测到自身状态出现异常的时候，则进入应急通信状态，由异常基站节点分布应急通信状态指令，使得本来与其通信连接的其他数据监测节点能够通过间接传输的方式与另外一个基站节点进行通信连接，来切换数据传输的路径。其中提出了一种针对数据采集节点对下一级节点的选取方案，能够根据节点的分布特性和节点性能，使得数据采集节点之间能够自适应完成下一级节点的选取，同时避免了因为应急通信状态切换过程中大量节点接入另一基站导致的波动情况，完成基站节点切换的平稳切换，有助于提高数据采集模块的整体数据采集和传输性能。
一种实施方式中，智能监测模块包括模型构建单元和数据更新单元；其中，
模型构建单元用于根据目标建筑的实际信息和数据采集模块的设置信息构建建筑数字孪生模型；
数据更新单元用于根据接收到的监测数据对建筑数字孪生模型进行更新，将监测数据整合更新到建筑孪生模型中。
一种实施方式中，统计分析模块包括设备统计单元、能耗统计单元、人员统计单元和智能分析单元；其中，
设备统计单元用于根据当前建筑内的能耗设备运行状态数据进行份区域统计，得到建筑内各区域的运行能耗设备数量统计数据并整合到建筑数字孪生模型中；
能耗统计单元用于根据当前建筑内的能耗设备运行状态数据进行分区域的实时能耗数据统计，并将各区域的实时能耗数据整合到建筑数字孪生模型中；
人员统计单元用于根据对当前建筑内的人员分布进行分区域的统计，得到建筑内各个区域的人员统计数据并整合到建筑数字孪生模型中。
智能分析单元用于根据当前建筑内各区域的实施能耗数据进行预测分析，得到能耗数据变化趋势预测结果，并根据变化趋势预测结果与预设的能耗阈值进行比较，得到实时能耗预警结果；以及用于根据当前建筑内各区域的能耗策略、环境监测数据、人员统计数据和运行的能耗设备统计数据分析该区域的能耗是否超出能耗策略设定的标准，得到实时能耗合理性分析结果。
一种实施方式中，智能分析单元包括能耗预测单元和能耗分析单元；其中，
能耗预测单元用于根据当前建筑内各区域的实施能耗数据进行预测分析，得到能耗数据变化趋势预测结果，并根据变化趋势预测结果与预设的能耗阈值进行比较，得到实时能耗预警结果，并将得到的实时能耗预警结果整合到建筑数字孪生模型中；
能耗分析单元用于根据当前建筑内各区域的能耗策略、环境监测数据、人员统计数据和运行的能耗设备统计数据分析该区域的能耗是否超出能耗策略设定的标准，得到实时能耗合理性分析结果，并将得到的实时能耗合理性分析结果整合到建筑数字孪生模型中。
一种实施方式中，智能控制模块根据得到的实时能耗预警结果和实时能耗合理性分析结果对建筑内各区域的能耗设备进行智能化控制。
能耗管理模块包括可视化单元；其中，
可视化单元用于对建筑数字孪生模型进行可视化展示，其中建筑数字孪生模型整合建筑各区域的环境监测数据、设备监测数据、人员分布监测数据、运行能耗设备数量统计数据、实时能耗数据、人员统计数据、相应的实时能耗预警结果和实时能耗合理性分析结果。
需要说明的是，在本发明各个实施例中的各功能单元/模块可以集成在一个处理单元/模块中，也可以是各个单元/模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元/模块集成在一个单元/模块中。上述集成的单元/模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元/模块的形式实现。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解应当理解，可以以硬件、软件、固件、中间件、代码或其任何恰当组合来实现这里描述的实施例。对于硬件实现，处理器可以在一个或多个下列单元中实现：专用集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、设计用于实现这里所描述功能的其他电子单元或其组合。对于软件实现，实施例的部分或全部流程可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成。实现时，可以将上述程序存储在计算机可读介质中或作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质。计算机可读介质可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储、磁盘存储介质或者其他磁存储设备、或者能够用于携带或存储具有指令或数据结构形式的期望的程序代码并能够由计算机存取的任何其他介质。
最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当分析，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (5)
1.一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统，其特征在于，包括数据采集模块、智能监测模块、统计分析模块和能耗管理模块；其中，
数据采集模块用于基于物联网技术实时采集建筑内的监测数据，并将采集到的监测数据传输到智能监测模块，其中建筑内的监测数据包括环境监测数据、设备监测数据和人员分布监测数据；
智能监测模块用于根据接收到的监测数据对建筑数字孪生模型进行更新；
统计分析模块用于基于建筑数字孪生模型对建筑能耗进行统计和分析，并将统计和分析结果整合到建筑数字孪生模型中；
能耗管理模块用于对建筑数字孪生模型进行可视化展示；
其中，数据采集模块包括设置在建筑内的无线传感器网络，其中无线传感器中包含多个数据采集节点，每个数据采集节点中设置相应的传感器，用于采集建筑内的监测数据，数据采集节点将采集到的监测数据基于无线物联网数据传输方式传输到智能监测模块；
所述数据采集模块中的无线传感器网络还包括两个基站节点，该基站节点用于收集各数据采集节点采集的监测数据，并将收集到的监测数据统一上传至智能监测模块；
其中该两个基站节点分布设置在建筑内，两个基站节点之间的设置距离不小于建筑最大直径范围的
在正常通信状态下，基站节点公布自身的位置信息到所有数据采集节点，无线传感器网络中的数据采集节点分别获取两个基站节点的位置信息，并进一步选取距离自身更近的基站节点作为自身的目标基站节点，数据采集节点于目标基站节点建立通信连接，将自身采集到的监测数据直接传输到目标基站节点；
其中，基站节点实时检测自身的运行状态情况，当自身的运行状态情况出现异常时，则启用应急通信状态；包括：基站节点实时计算自身的状态评价值，其中采用的状态评价值计算函数为：
ytp(t)＝func1(ratelost)+func2(ratelost,mbps,hardcore)
其中，ytp(t)表示当前时刻t的状态评价值，func1(ratelost)表示第一判断函数，ratelost为变量，表示丢包率，其中当ratelost>10％的时候，func1(ratelost)＝1，否则，rtelost≤10％的时候func1(ratelost)＝0，func2(ratelost,mbps,hardcore)表示第二判断函数，其中ratelost,mbps,hardcore为变量，ratelost表示丢包率，smbps表示传输速率，hardcore表示硬件状态，当 时，func2(ratelost,mbps,hardcore)＝1，其中，rateT表示设定的丢包率标准值，其中rateT∈[3％,6％],Tmbps表示设定的传输速率标准值，hardcore硬件状态，其中当硬件出现异常时，hardcore＝1，否则hardcore＝0；
当连续n(n>5)个时刻的状态评价值ytp(t)≥1时，则判断基站节点的运行状态情况出现异常，基站进入应急通信状态；
在应急通信状态下，运行状态情况出现异常的基站节点向其自身通信范围内的其他数据采集节点发出应急通信指令，以使得本身于异常基站节点建立通信连接的数据采集节点根据接收到的应急通信指令，自适应选择其他数据采集节点作为下一级节点，将自身采集到的监测数据传输到下一级节点，并由下一级节点将获取的监测数据传输到剩余的正常运行的基站节点中；包括：
异常基站节点在检测到自身的运行状态情况出现异常时，向其自身通信范围内的其他数据采集节点发出应急通信指令；
接收到应急通信指令的数据采集节点根据接收到的应急通信指令，计算自身的节点状态值，其中采用的节点状态值计算函数为：
式中，pnt(i)表示第i个数据采集节点的节点状态值，para(contp)表示节点连接参数，当数据采集节点当前为与异常基站节点外的另一个基站节点建立通信连接时，则para(contp)的取值为100，enrg(i)表示第i个数据采集节点的剩余能量，Tenrg表示剩余能量标准值，lsra(i)表示第i个数据采集节点的丢包率，Tlsra表示丢包率标准值，dist2sta(i)表示第i个数据采集节点到另一个基站节点的距离，diat4std(i)表示第i个数据采集节点的直接通信半径，α1、α2、α3表示设定的调节因子，其中α1、α2、α3∈[1,10]；
数据采集节点将自身的节点状态值广播至其通信范围内的其他邻域数据采集节点；
与异常基站节点通信连接的数据采集节点接收到其他数据采集节点的节点状态值后，从节点状态值最大的前3个数据采集节点中随机选择一个作为自身的下一级节点，并将自身采集到的监测数据和接收到的其他节点的监测数据传输到下一级节点，由下一级节点进一步将监测数据传输到另一个基站节点，并由另一个基站节点将监测数据传输到智能监测模块；
当异常基站节点异常解除后，则重新向所有数据采集节点发出分配指令，以使得数据采集节点根据接收到的分配指令，重新选取距离自身更近的基站节点作为自身的目标基站节点。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统，其特征在于，还包括智能控制模块；
智能控制模块用于根据建筑数字孪生模型的能耗分析结果，基于预设的能耗策略，对建筑的能耗设备进行智能化调控。
3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统，其特征在于，数据采集节点包括温度传感器、湿度传感器、光照传感器、智能门禁设备、摄像头、能耗设备监测终端和智能电表；其中环境监测数据包括建筑内不同区域的温度数据、湿度数据、光照数据；人员分布监测数据包括通过智能门禁设备或摄像头采集到的建筑内不同区域的人员分布情况；设备监测数据包括根据能耗设备监控终端得到的设备运行状态数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统，其特征在于，智能监测模块包括模型构建单元和数据更新单元；其中，
模型构建单元用于根据目标建筑的实际信息和数据采集模块的设置信息构建建筑数字孪生模型；
数据更新单元用于根据接收到的监测数据对建筑数字孪生模型进行更新，将监测数据整合更新到建筑孪生模型中。
5.根据权利要求4所述的一种基于数字孪生和智慧楼宇的建筑节能管理系统，其特征在于，统计分析模块包括设备统计单元、能耗统计单元、人员统计单元和智能分析单元；其中，
设备统计单元用于根据当前建筑内的能耗设备运行状态数据进行份区域统计，得到建筑内各区域的运行能耗设备数量统计数据并整合到建筑数字孪生模型中；
能耗统计单元用于根据当前建筑内的能耗设备运行状态数据进行分区域的实时能耗数据统计，并将各区域的实时能耗数据整合到建筑数字孪生模型中；
人员统计单元用于根据对当前建筑内的人员分布进行分区域的统计，得到建筑内各个区域的人员统计数据并整合到建筑数字孪生模型中；
智能分析单元用于根据当前建筑内各区域的实施能耗数据进行预测分析，得到能耗数据变化趋势预测结果，并根据变化趋势预测结果与预设的能耗阈值进行比较，得到实时能耗预警结果；以及用于根据当前建筑内各区域的能耗策略、环境监测数据、人员统计数据和运行的能耗设备统计数据分析该区域的能耗是否超出能耗策略设定的标准，得到实时能耗合理性分析结果。
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