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技術文章

智慧供熱的內涵:智慧供熱和智慧熱網如何定義

時間:2019-9-2 10:11:20   作者:xiaoyang   來源:注冊   評論:0
內容摘要:廣義智慧供熱是以人為基礎、以供熱系統為載體、以信息技術為先導,在智慧供熱iheating的各組成環節中,先進的供熱技術是智慧供熱的主體,智慧熱網運行是主線,用戶需求是智慧供熱的核心。智慧供熱將成為供熱行業革新...
我國的供熱起步于人工運行的分散小鍋爐房。隨著技術進步,供熱規模在逐漸擴大,供熱系統的自動化水平逐步提高,如今已經實現多種形式的熱源共存,部分供熱系統實現了信息化,熱力站無人值守,開始向供熱系統智能化、供熱運行管理智慧化的目標前進。我國在城市智慧供熱方面的研究剛剛起步,對智慧供熱的內涵和外延還缺乏完整的、準確的認識。筆者對此問題談一些粗線的看法,期待能起到拋磚引玉的作用。

作者:方修睦,楊大易,周志剛,劉京
第一作者單位:哈爾濱工業大學建筑學院
 
1 智慧供熱涉及到的幾個概念 

1.1  智慧供熱 
智慧供熱的英文原意為:intelligent heating ,簡稱:iheating。智慧供熱是一個新概念,涉及到智能供熱管網、智能供熱等基本概念,不同研究人員有不同的定義,筆者從另一角度,對智慧供熱涉及到的幾個概念進行介紹。 
智能供熱管網是由供熱物理設備網(熱源、供熱管網、用戶系統、就地顯示儀表和控制調節設備組成的網絡)、供熱信息物聯網(傳感器、數據采集設備、數據傳輸設備等組成的網絡)和基于智能供熱平臺的智能決策系統組成的新型供熱網絡,簡稱智能熱網。智能供熱是以供熱物理設備網為基礎,以供熱信息物聯網為支撐,通過智能決策系統,為運行管理人員提供輔助決策支持,形成在保證室內舒適度的前提下,降低運行能耗的供熱系統形式[1]。智能供熱概念包含著智能熱網概念,兩者關系為真包含關系。
 
智能供熱表示供熱系統所達到的智力和所具備的能力,筆者將與物理系統相關的自動實現某種功能的實體或動作(操作)稱作智能。而智慧供熱是比智能供熱更高層次的理念,是充分利用類似于人腦所表現出來的創造性思維活動的形式來解決供熱問題。因此可以認為:智慧供熱是以數字化、網路化、智能化的信息技術與先進供熱技術的深度融合為基礎,以用戶需求為目標,以低碳、舒適、高效為主要特征,以具有自感知、自分析、自診斷、自決策、自學習等為技術特點的現代供熱形式。從物理形態角度看,智慧供熱也是由物理設備網、信息物聯網和智慧供熱平臺三大部分組成。智慧供熱概念包含著智能供熱概念,兩者關系為真包含關系。筆者根據智慧供熱內涵的不同,將其分為廣義智慧供熱和狹義智慧供熱。
 
1.2  信息-物理系統
 
傳統的供熱行業包括人與供熱系統兩部分。供熱系統是人建造的,供熱過程是通過人對供熱設備的直接操作控制來實現供熱的,供熱過程中所需要的感知、學習認知、分析決策與控制操作是由人完成的。人們將人與設備構成的系統抽象為“人-物理系統”(Human-Physical Systems,HPS)[2-3]。由于人對供熱運行的學習認知不同、分析決策能力差別,從而導致供熱系統的運行效果差別。如果在人和供熱系統之間引入可以代替人完成部分腦力勞動的信息系統(Cyber  Systems),將人的相當部分的感知、分析、決策功能用信息系統完成,則可以減輕人的工作強度,消除人的決策差別,提高供熱運行效率。信息系統是由軟件和硬件組成的系統,其任務是對輸入的信息進行計算,代替人去控制供熱系統。這一由人-信息系統(Human-Cyber  Systems,HCS)和信息-物理系統(Cyber-PhysicalSystems,CPS)組成的新型系統稱為“人-信息-物理系統”(Human-Cyber-Physical Systems,HCPS)[4-5]。

人-信息-物理系統(HCPS)是支撐智慧供熱發展的理論基礎,信息-物理系統(CPS)是人-信息-物理系統(HCPS)的重要的組成部分。信息-物理系統(CPS)構建了一套信息空間與物理空間之間基于數據自動流動的狀態感知、實時分析、科學決策、精準執行、學習提升的閉環賦能(為供熱系統賦予某種能力和能量)體系(2017年,中國信息物理系統發展論壇發布《信息物理系統白皮書》)。
 
狀態感知是將大量蘊含在供熱系統中的隱性數據(溫度、壓力、流量等),通過傳感器、物聯網等一些數據采集技術、通信技術,變為顯性數據,使得數據可見。
 
實時分析是利用先進的數據處理分析技術,將顯性數據轉化成認知的信息,找出供熱系統運行狀態在時空域和邏輯域的內在因果性或關聯性關系,將顯性化的數據進一步轉化為直觀可理解的信息。
 
科學決策是對不同系統的信息進行處理,使得信息真正地轉變成知識,形成在一定的條件約束下對供熱系統運行調節的最優決策方案,用來對供熱系統實體進行控制。精準執行是將信息空間產生的決策轉換成控制器、執行器可以執行的命令,輸出更為優化的數據,使得物理空間設備運行更加可靠,資源調度更加合理。
 
學習提升是以上過程隨著供熱系統的運行不斷地自主循環,供熱系統的數據不斷累積,螺旋上升,不斷產生更為優化的數據,不斷地為供熱系統賦予實現一定范圍內優化的能力,實現供熱企業高效運營,各環節智能協同效果逐步優化。
 
2   智慧供熱的內涵
2.1  廣義智慧供熱
2.1.1 廣義智慧供熱內涵
 
廣義而論,智慧供熱iheating是一個大概念,是新一代信息技術(移動互聯、大數據、云計算、物聯網)、新一代人工智能技術(具備認知和學習的能力、具備生成知識和更好地運用知識的能力)與先進供熱技術的深度融合,貫穿于供熱設備制造、供熱系統規劃設計、供熱系統建造、人才培養、供熱運行維護、供熱服務全壽命的各個環節及相應系統的優化集成,用于解決供熱行業全過程中的復雜性和不確定性問題,提高資源配置效率,實現資源優化。廣義智慧供熱是以人為基礎、以供熱系統為載體、以信息技術為先導,在新一代人工智能技術與先進供熱技術的深度融合基礎上,形成的新一代供熱技術。在智慧供熱iheating的各組成環節中,先進的供熱技術是智慧供熱的主體,智慧運行是主線,用戶需求是智慧供熱的核心。智慧供熱將成為供熱行業革新的推動力。
 
廣義智慧供熱涉及到設備制造及系統集成企業、設計建造企業和供熱企業。
 
2.1.2 設備制造企業及系統集成企業
 
供熱系統是通過管道將分布在城市各個位置的各種設備連接起來的。目前供熱系統中安裝使用的設備大多是按照人工運行時代的要求設計制造的,功能單一,缺少必要的信息,不能滿足智慧供熱的需求。傳統的供熱設備要向智能設備轉化,設備要有供熱系統設計人員需要的設備性能信息、運行人員需要的運行狀態信息、系統集成人員需要的通信、自診斷、自控制功能。只有設備制造業走向智能化,才能構建合理、健康、完全智能化的供熱系統,全面實現智慧供熱。
 
目前供熱系統使用的傳感器大多為傳統傳感器,測量參數單一,只能傳輸檢測的物理信號,缺少自診斷功能,給系統集成帶來不便。供熱信息網了解到在智慧供熱系統中,傳統的傳感器要向智能化方向發展,要實現同時對多種信號的測量,傳感器要做到價格低、體積小、重量輕、功耗低,要集傳感、采集、處理、傳輸及供電一體化,具有自我補償和自我校準功能。
 
系統集成企業要將通信系統傳輸的由傳感器提供的顯性數據,通過信息網絡傳輸到數據中心,對傳輸上來的數據進行挖掘和分析,結合人工智能技術將龐雜的數據轉化為知識模型,并通過云技術形成云服務,共享于供熱系統中,提高供熱系統各個組成部分的協同能力。系統集成中的計算機設備、軟件、傳感器等均需要標準化,需要有統一的通信協議和統一的數據格式要求,實現集成系統智能化。
 
2.1.3 設計建造企業
 
設計人員以設計方法學為指導,以人工智能為手段,借助于專家系統在知識處理上的強大功能,結合機器學習等技術,自動采用實踐得到的最優經驗,對所設計的供熱系統進行智能規劃、仿真分析、智能優化設計,智能協同設計;將先進的供熱技術、智能化供熱設備、智能傳感器及智能化集成產品深度融合,形成在保障舒適性的前提下,以經濟性作為配置目標的基于群體智能的智能化供熱系統設計方案[6]。
 
建造企業根據供熱系統設計方案進行建造。在系統建造環節,采用基于建筑信息模型(BIM)技術的建設活動,利用供熱管網衛星精準定位技術、智能化施工設備,實現施工過程和施工安全智能監管,施工材料及施工機具智能調配,機械作業狀態及作業環境異常自動監測,保障供熱設施施工的高效開展和智能化系統的實現。
 
2.1.4 供熱企業
 
供熱企業是智慧供熱的實施主體。建成的供熱系統及智能化平臺,由供熱企業運行維護。智慧供熱(iheating)的最本質的特點是智慧供熱平臺具備認知和學習的能力,具備生成知識和更好地運用知識的能力。解決復雜系統的參數識別、工況分析、優化決策等關鍵問題,將人的相關運行經驗和知識轉移到智能決策系統中,形成自學習、自感知、自適應、自控制的智能系統。供熱企業利用智慧供熱平臺,實現供熱系統的智能調度、智能調節、智能控制、智能診斷、智能維護、智能管理及智能服務。
 
智能調度:傳統供熱企業的運行調度依據運行人員的經驗對熱源、供熱管網、熱力站及熱用戶系統進行調度。實現智慧供熱的系統,可以自動分析每棟建筑物熱負荷特性,建立每棟建筑物的熱負荷模型,對熱負荷進行精準預報,進而根據所選定的適合的運行調度模式給出熱源、供熱管網、熱力站、熱用戶的調度方案。
 
智能調節:與傳統的只有運行人員參與、手工操作的集中調節方法不同,實現智慧供熱的系統,用能可計量,熱用戶是供熱運行的參與者,熱源、供熱管網與熱用戶之間實現雙向互動,熱用戶可以根據自己的需求對室溫進行控制。
 
智能控制:在智慧供熱系統中,運行調度的控制指令可由上位平臺直接下達到運行設備,而不需要人工操作控制。實現智慧供熱的系統,運行于各熱力站或熱用戶的控制單元可以自主地對所服務供熱區域進行調節控制。
 
智能診斷:實現智慧供熱的系統,可基于數據挖掘和專家系統等技術手段實現數據診斷引擎,對運行數據進行深入挖掘與分析,診斷供熱系統的運行狀況,檢測異常數據并發出報警,從而及時發現故障并給出合適的處理方案。

智能維護:結合地理信息系統技術和智能處理算法對巡檢、維修、保養等生產維護活動進行智能的排班、路徑規劃、服務質量與考核分析。
 
智能管理:集成供熱管理信息系統、辦公自動化系統等,智能化地配置不同地域的供熱資源,消除本地域供熱業務管理與執行中的延遲問題,實現最優的管理效率。實現人機結合智能和企業群體智能。

智能服務:將服務延伸至供熱建設的各個環節及全壽命周期。采用自動導航等技術手段的客服中心在精簡客服人員的同時,還能為熱用戶提供更高質便捷的服務。通過對熱用戶室溫數據和服務數據的挖掘分析,為服務質量的評估提供科學的參考指標。

2.1.5 人才培養
 
供熱行業依靠技術創新和設備升級支撐供熱事業發展,先進的技術設備離不開技術人才和高素質的運行維護隊伍。現有的供熱行業從業人員,無論是設計制造人員、設計建造人員,還是運行管理人員的知識結構及技術水平,尚滿足不了智慧供熱對人才的要求。需要將供熱行業技術培訓與技術人才培養納入行業發展戰略高度,開展不同層次的技術教育,建立健全靈活的人才引進機制、科學的人才選拔使用制度、有效的人才激勵約束機制,為行業技術進步和事業發展提供有力的智力及人才保證。

2.2  狹義智慧供熱
 
廣義智慧供熱包含以信息技術為先導的狹義智慧供熱,兩者關系為真包含關系。狹義智慧供熱的內涵見圖1。
智慧供熱智能化供熱設備-智慧熱網軟件管理系統

狹義智慧供熱包括智能運行、智能管理和人才培養三部分。
 
智能運行是智慧供熱的核心,涉及到運行監督、運行調節、運行控制和運行評價四大部分。運行監督是對熱源、熱力站、供熱管網、熱用戶的運行參數和環境參數(室內溫度、室外溫度)進行監測,獲得供熱系統運行的顯性數據。運行調節是根據顯性數據得出的分析結果形成供熱負荷預報、運行調節優化、熱力工況優化及運行調度的最優決策方案。運行控制是根據最優決策方案進行供熱管網及熱用戶的平衡調節及控制,對能源轉換設備和動力設備進行優化控制。運行評價是根據優化運行結果,對設備及系統性能進行評價。智能運行的目的是實現能源轉換設備的高效運行,能源輸送系統輸送成本最小,保障系統安全。
 
智能管理的核心是管理環節的智能。是以智能的方式改造現有的管理體系,提高管理系統的智能水平。智能管理是綜合運用現代化信息技術與人工智能技術,通過計劃、組織、激勵、協調、控制等手段,智能地為供熱運行配置資源,建立并維持企業運營秩序,以達成預定的目標。智能管理涉及到供熱業務管理、供熱安全管理、環保及消防管理。供熱業務管理包括:運行管理、設備管理、應急管理、熱費管理及服務管理。供熱安全管理包括:系統安全、人員安全和設備安全。智能管理的目的是實現供熱企業管理中各類硬件和軟件之間高效整合,并與企業中人要素實現“人機協調”,做到人機結合智能和企業群體智能。
 
智慧供熱iheating對員工能力的需求發生變化,將從單一的設備操作、單一的技能、常規管理能力轉換到人機協同、供熱技術與信息技術融合、數據診斷與應用、技術保障及支持(如智能設備和傳感器的維護與管理)等綜合能力需求。只有培養出滿足智慧供熱需求的運行人才和管理人才,才能保障智慧供熱的健康發展。
該文章所屬專題:智慧供熱

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