Архитектура территориально-распределенных систем управления энергоэффективностью в системе образования РФ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Архитектура территориально-распределенных систем управления энергоэффективностью в системе образования РФ

Черкашин В.А.,

Тюрин О.В.,

Рыгалин Д.Б.,

Микитась А.В.,

Лышенко В.И.

В статье описывается подход к построению ИТ-систем управления энергоэффективностью в системе образования РФ на базе универсальных программных и аппаратных модулей.

В связи с принятием государственной думой проекта Федерального закона №111730-5 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности», задачи по снижению ресурсоемкости российской экономики стали особенно актуальными. Это связано как с приоритетными задачами модернизации экономики, перевода ее на инновационный путь, так и с повышающейся стоимостью энергоресурсов.

Одним из инструментов решения этой задачи могут стать комплексные информационно-аналитические системы, обеспечивающие сбор, обработку, хранение и анализ данных о параметрах ресурсопотребления в инженерных сетях жизнеобеспечения зданий и сооружений как в сфере ЖКХ, так и в комплексах ведомственных, муниципальных, государственных зданий. Задача построения таких систем характеризуется высокой сложностью и стоимостью, что определяется большим количеством объектов управления, а также отсутствием соответствующей законодательной и нормативной базы.

Тем не менее, за последние 10-12 лет были предприняты многочисленные попытки реализации систем комплексного учета и управления городским хозяйством, в том числе контроля потребления электроэнергии и других ресурсов.

В частности, можно упомянуть проект создания Единой автоматизированной системы диспетчерского контроля и управления (ЕАСДКиУ) городским хозяйством Москвы на базе Московской волоконно-оптической сети (МВОС), ведущийся под эгидой правительства Москвы. Данная система решает, в том числе, задачи учета ресурсопотребления в жилищно-коммунальном хозяйстве Москвы.

Другим примером могут являться ведомственные системы, описанные в указанной статье описаны подходы к построению ведомственных систем «Энергоэффективность и энергосбережение» Минэнерго и Минобразования РФ. Общим недостатком разрабатываемых систем является их нацеленность на решение узкого ряда задач, отсутствие единой технологической платформы, сложности с интеграцией информационных систем, отсутствие уровня интеграции данных выше муниципального района, сложности с установкой датчиков и приборов учета, связанная с необходимостью прокладки новых или модернизации существующих коммуникаций, изменения инженерной инфраструктуры зданий. Кроме того, при разработке данных систем не ставилось задач оптимизации потребления энергоресурсов и повышения энергоэффективности зданий.

В настоящее время в целом по стране (в Москве в том числе), выполняются различные программы по установке общих домовых систем коммерческого учета расхода газа, горячего и холодного водоснабжения. Но такой подход не обеспечивает скорости доставки, полноты и достоверности полученных сведений по количеству потребленных энергоресурсов конечными потребителями.

Следует отметить, что сейчас все первичные данные коммерческого учета потребления энергоресурсов конечными потребителями собираются, обрабатываются и хранятся непосредственно самими поставщиками энергоресурсов, причем даже внутри одной организации данные могут храниться в разных информационных системах. Таким образом, собрать воедино данные по расходу электричества или воды даже внутри самих организаций по регионам на федеральном уровне представляется весьма сложной задачей как с технической, так и с организационной точек зрения.

Ситуация может кардинально измениться с появлением беспроводных технологий сбора данных о функционировании инженерных сетей. Наличие датчиков и приборов учета, оснащенных радиомодулем и передающих собранные данные по радиоканалу, значительно облегчает и удешевляет создание инфраструктуры мониторинга параметров потребления энергоресурсов, позволяет построить полноценную комплексную систему сбора, обработки, аналитического планирования и управления технологическими параметрами инженерных сетей систем жизнеобеспечения зданий и сооружений. Подобная ИТ-система управления способна внести свой вклад в повышение энергоэффективности муниципальных и ведомственных образований. Один из возможных вариантов технической архитектуры ИТ-систем управления энергоэффективностью ВУЗа в системе образования РФ на базе универсальных программных и аппаратных модулей представлен на рисунке 1.

В левой части рисунка представлена подсистема сбора первичных данных о функционировании инженерной инфраструктуры, в том числе данных о потреблении энергоресурсов. Данная подсистема базируется на использовании беспроводных датчиков и локальных концентраторов. Данные с помощью датчиков собираются в общем случае со следующих инженерных систем: электроснабжение (освещение), вентиляция, теплоснабжение и водоснабжение. В этих подсистемах используются разнообразные измерительные устройства и приборы учета, а также управляющие устройства - интеллектуальные счетчики электричества, датчики освещенности, датчики движения, электронные ключи помещений, устройства ограничения мощности, устройства регулирования освещенности (диммеры), интеллектуальные беспроводные датчики температуры, интеллектуальные беспроводные датчики давления, расходомеры.

Собранные данные с определенной периодичностью передаются по радиоканалу с датчиков на локальные концентраторы, которые представляют собой специализированные вычислительные устройства со встроенным программным обеспечением. Данные накапливаются в памяти локального концентратора и, в дальнейшем, передаются для обработки в концентратор корпуса (здания).

Также в функции подсистемы входит автоматическое управление (регулирование) работой инженерных сетей.

Рисунок 1. - Общая архитектура ИТ-системы управления энергоэффективностью ВУЗа:

В качестве интеллектуальных управляющих устройств используются те же локальные и корпусные концентраторы. Корпусной концентратор способен выдавать управляющие воздействия локальным концентраторам, а те, в свою очередь, выдают управляющие воздействия на различные регуляторы - автоматические вентили, устройства отсечки, диммеры. Алгоритмы управления, пороговые значения технологических показателей и другая необходимая информация задаются на локальном концентраторе и концентраторе корпуса. Задание алгоритмов и другой управляющей информации возможно как непосредственно на концентраторе, так и дистанционно из оперативно-диспетчерского центра ВУЗа.

Оперативно-диспетчерский центр (ОДЦ) ВУЗа сосредотачивает в себе как оперативный мониторинг функционирования инженерных сетей, так и оперативное управление инженерными сетями.

Оперативный мониторинг подразумевает получение данных от концентраторов (контроллеров) в режиме реального времени и отображение на экране диспетчерского центра текущего состояния инженерной инфраструктуры и уровня расхода энергоресурсов.

Как правило, оперативно-диспетчерский центр предоставляет несколько вариантов отображения текущего состояния, вычисляя при этом интегральную оценку, с помощью которой можно качественно определить общее состояние инженерной инфраструктуры - все нормально, либо есть какие-то проблемы.

В случае наличия проблем, можно от интегральной оценки перейти к уточненному анализу ситуации. При этом программные средства и средства визуализации ОДЦ позволят локализовать проблему с точностью до конкретного датчика, сигнализирующего о неисправности или неправильном режиме работы. Для представления ситуации применяются компьютерные модели инженерных сетей.

Данные, поступающие в ОДЦ, не только отображаются в том или ином виде на экранах диспетчерских мониторов, но и сохраняются в оперативной базе данных. Термин «оперативная» в данном случае означает, что данные сохраняются в БД по мере поступления от концентраторов и существуют там ограниченное время, которое определяется характером решаемых задач что, как правило, не превышает одних суток.

Помимо данных о функционировании инженерной инфраструктуры, поступающих от концентраторов, в БД возможно накопление дополнительной информации.

Примером может служить температура внешнего воздуха, которую необходимо использовать для управления режимами работы систем вентиляции и теплоснабжения.

Интерфейс диспетчера-оператора ОДЦ предоставляет возможности вмешательства в работу инженерных систем непосредственно с терминала ОДЦ - можно устанавливать значения отдельных параметров, изменять алгоритмы работы автоматики - например, задать другой диапазон возможных изменений значений параметров.

Например, уровень освещенности в аудитории или температуру воздуха.

Важной задачей, решаемой в рамках ОДЦ, является раннее обнаружение нештатных (аварийных) ситуаций (НШС) и управление их скорейшим устранением с целью минимизации возможного ущерба. ОДЦ предоставляет диспетчеру-оператору систему интерактивной помощи, основанную на типизации НШС и содержащую рекомендации по действиям персонала при устранении НШС определенного типа.

Для реализации описанных функций программный комплекс ОДЦ должен включать в себя соответствующие подсистемы, которые можно разбить на функциональные подсистемы (ФП) (см. рисунок 2).

Подсистемы (функциональные подсистемы) выполняют функции мониторинга и управления в соответствии со своим назначением.

Рисунок 2. - Архитектура ОДЦ:

Оперативный мониторинг представлен следующими функциями:

- сопряжение с внешними системами (локальными и корпусными концентраторами, системами мониторинга и управления, ранее установленными в ВУЗе) при приеме от них первичных данных мониторинга;

- обеспечение временных регламентов приема первичных данных мониторинга от внешних систем;

- преобразование первичных данных мониторинга к унифицированному формату;

- выдача преобразованных данных мониторинга в подсистему хранения и подсистему отображения;

- обработку и агрегирование первичных данных ОМ для передачи в ситуационный центр ВУЗа;

- построение моделей состояния и функционирования объектов мониторинга ОДЦ ВУЗа на основе первичных данных ОМ;

- передача информации о состоянии и функционировании объектов мониторинга для отображения на экранах пользователей ОДЦ ВУЗа;

- отображение полученной информации с использованием современных методов и средств отображения;

- разграничение отображаемых экранных форм и данных, в соответствии с ролями пользователей ОДЦ ВУЗа;

- хранение и предоставление первичных данных ОМ для обеспечения других функций ОМ;

- хранение и предоставление единого каталога ресурсов мониторинга ОДЦ ВУЗа;

- хранение и предоставление обобщенных данных мониторинга для информационного обеспечения управления на уровне ситуационного центра ВУЗа;

- хранение всех поступивших воздействий, указаний заявок и сообщений.

Функции оперативного управления должны обеспечить решение задач, решение которых невозможно на уровне автоматики, в том числе управление инцидентами и устранением НШС. В функции оперативного управления входят:

- функции непосредственного управления параметрами инженерных сетей (правление параметром должно выполняться путем ввода нужного значения непосредственно на экране консоли оператора в ОДЦ МИЭТ);

- функции контроля нахождения значения параметра в заданном интервале;

- функции автоматического удержания значения параметров в заданном интервале;

- функции оповещения оператора (диспетчера) о выходе значения параметра из заданного диапазона, должны быть предусмотрены оповещения световой сигнализацией, звуковой сигнализацией, рассылкой сообщений по электронной почте и SMS-сообщений на мобильный телефон;

- функции управления инцидентами, в том числе регистрация запроса (инцидента) в инженерных сетях комплекса зданий МИЭТ, классификация поступившего запроса по срочности и направлению деятельности эксплуатационных служб, оперативная справка по устранению НШС данного типа, диспетчеризация хода устранения инцидента НШС, оповещение персонала о статусе и ходе выполнения запроса, взаимодействие с Ситуационным Центром ВУЗа при устранении инцидентов, НШС, оценка качества действий персонала при устранении инцидентов и НШС;

- функции управления работами, в том числе регистрация запроса на выполнение работ на инженерных сетях МИЭТ, назначение и контроль выполнения работ диспетчерскими службами, в рамках процесса управления инцидентами при устранении НШС подразделениями эксплуатации МИЭТ, выбор требуемых управляющих воздействий в ходе выполнения работ, синхронизация выдачи управляющих воздействий для различных объектов, управление выполнением регламентных работ по изменению состояния объектов мониторинга, контроль регламента и результатов исполнения работ на инженерных сетях МИЭТ, оперативное доведение до персонала эксплуатирующих подразделений указаний и сообщений, приема отчетов об исполнении;

- другие необходимые функции оперативного управления в инженерных сетях.

В обеспечивающие функции входят:

- функции резервного копирования;

- функции администрирования;

- функции обеспечения информационной безопасности;

- мониторинг узлов сети, управления запросами и распределения нагрузки;

- организация унифицированной распредел?нной файловой системы как единой среды взаимодействия всех программных компонент;

- обработку нештатных ситуаций и восстановление после сбоев;

- аутентификацию и управление иерархией прав доступа к функциям системы;

- организация распределенной системы управления базами данных (СУБД);

- организацию каналов связи с другими узлами сети.

Реализуя функции оперативного мониторинга и управления, ОДЦ кроме того, подготавливает данные для дальнейшего использования в ситуационном центре энергоэффективности ВУЗа.

Ситуационный центр (СЦ) - это следующий, аналитический, уровень обработки данных. Задачей СЦ является накопление данных за длительный период времени и проведение над этими данными различных видов анализа с использованием методов оперативной аналитической обработки (OLAP), методов математической статистики и интеллектуального анализа данных, построения прогнозов, проведения модельных математических экспериментов по принципу «что будет, если». Ситуационные центры, как системы поддержки принятия управленческих решений стратегического характера, используются как для управления государственными и муниципальными структурами, так и для управления коммерческими предприятиями, холдингами. Архитектура, способы реализации таких систем, а также возникающие при этом проблемы в настоящее время хорошо известны. Практический опыт показал, что одной из наиболее сложных проблем, возникающих при создании СЦ, является проблема организации получения первичных данных об объектах управления. В рассматриваемом случае указанная проблема решается естественным образом, так как первичные данные собираются автоматически системой датчиков и концентраторов. Проходя через ОДЦ, эти данные попадают в базу данных СЦ в виде, практически готовом для дальнейшей обработки.

Архитектура СЦ во многом похожа на архитектуру ОДЦ - также есть подсистема взаимодействия с внешними системами, подсистема хранения информации, подсистема отображения и т. д.

При этом есть существенные отличия в задачах и реализации подсистем. В ОДЦ подсистема взаимодействия с внешними системами принимает информацию небольшими порциями в режиме реального времени, в том темпе, в котором ее поставляют источники, и именно за счет этого достигается оперативность управления. СЦ получает данные в совершенно другом режиме - как правило, один раз в сутки и сразу большими блоками. Структура базы данных СЦ отличается от структуры БД ОДЦ. В оперативной базе данных ОДЦ оправдано применение нормализованной модели данных в третьей нормальной форме (3NF), реализованной методами реляционных систем управления базами данных (СУБД) или даже применение не реляционных СУБД, поддерживающих иерархические или сетевые модели данных.

Для нужд аналитической обработки применяют ненормализованные модели данных при реализации в реляционной СУБД - схема «звезда» (star join schema), а также многомерное представление (гиперкубы) данных, реализуемое специализированными программными средствами.

Преобразование данных из оперативного представления в аналитическое происходит при загрузке в БД ситуационного центра.

Специализированное программное обеспечение многомерного, статистического и углубленного анализа данных ситуационного центра позволяет решать разнообразные задачи, наиболее типичные из которых кратко описаны ниже:

- Типизация - формирование исчерпывающего описания объектов, предварительная классификация, моделирование классификации по описанию, выявление несоответствий, уточнение и развитие классификации;

- Выявление аномального поведения, основанное на генерации усредненной модели «нормы» - определение допустимых отклонений от модели нормального поведения, выявление случаев недопустимого отклонения факта от нормы (например, различие в энергопотреблении для похожих объектов);

- Сравнительный анализ, например сравнение энергопотребления сходных объектов, сравнение энергопотребления одного и того же объекта в разные периоды времени и т. д.;

- Определение неявных тенденций - вычисление трендов измеряемых показателей и аналитических оценок, трендов вычисляемых и синтезируемых показателей, трендов модельных оценок;

- Оценка влияния факторов на целевой показатель - задание целевого показателя, перечисление влияющих факторов, моделирование зависимости целевого показателя от влияющих факторов, выявление степени влияния факторов на цель по модели;

- Формирование обобщенных оценок ситуации - оценка и выбор ключевых измерений и показателей, формальное определение характерных симптомов ситуации, описание простых синдромов, агрегирование синдромов в обобщенные текстовые либо графические оценки;

- Многомерное прогнозирование - определение влияющих показателей и измерений с выделением целевого показателя и измерения «время», вычисление оценки значения целевого показателя в заданный момент времени;

- Распределение и планирование ресурсов - генерирование модели расходования ресурсов, актуализация влияющих показателей на момент распределения, использование модельного профиля в качестве начального приближения для интерактивного распределения.

Использование перечисленных методов анализа в применении к показателям потребления энергоресурсов различными объектами ВУЗа (корпуса, аудитории) поможет получить актуальное состояние, обнаружить источники неэффективного использования ресурсов, даст возможность принимать обоснованные решения по оптимизации энергозатрат и повышения энергоэффективности ВУЗа.

Наличие систем сбора и анализа данных по энергопотреблению в отдельных ВУЗах дает возможность организовать работу по анализу показателей энергоэффективности всей системы высшего образования. Данные от СЦ отдельных ВУЗов собираются в ситуационном центре энергоэффективности системы образования РФ. Такой ситуационный центр строится по той же архитектуре и решает те же задачи, что и СЦ ВУЗов, но в применении к системе в целом.

Описанная выше архитектура комплексной системы мониторинга и анализа энергоэффективности системы образования допускает реализацию различными способами, но из соображений минимизации расходов, минимизации времени и упрощения реализации, естественным представляется подход на основе типовых комплексов программно-технических средств (КПТС) и методик, предназначенных для построения территориально-распределенных систем мониторинга, управления и оптимизации энергосбережения и энергоэффективности.

Разработка таких типовых комплексов ведется в Зеленоградском инновационно-технологическом центре в рамках проектов, финансируемых Агентством по науке и инновациям Российской Федерации (Роснаука). Типовой КПТС состоит из компонентов, с помощью которых можно построить систему мониторинга инженерной инфраструктуры ВУЗа, оперативно-диспетчерский и ситуационный центры.

При этом нет необходимости заменять элементы систем мониторинга и управления, если они уже установлены и функционируют в конкретном ВУЗе - компоненты КПТС потенциально интегрируются с различными датчиками, контроллерами, управляющими устройствами разных производителей.

В данной статье были рассмотрены вопросы типовой архитектуры систем учета и управления энергосбережением и энергоэффективностью на примере ВУЗов и системы образования РФ.

Данный подход применим при построении аналогичных систем в других ведомственных структурах, а также и в ЖКХ муниципальных образований, городов, регионов. Наличие типовых КПТС, а также типовых проектов создания систем управления энергоэффективностью, позволяет перевести задачу в практическую плоскость c гарантированным результатом.

Литература

1. Г.К. Росаткевич, В.В. Краснобаев, «Единая автоматизированная система диспетчерского контроля и управления городским хозяйством Москвы на базе Московской волоконно-оптической сети», журнал «Энергосбережение» 1999 год №5. информационный программный сеть

2. А.В. Клименко, А.Г. Вакулко, А.В. Бобряков. Информационно-аналитические системы: архитектура, структура, применение. В сборнике «Энергосбережение - теория и практика», Москва, Амипресс, 2002.

3. В.Ф. Шатров, В.А. Черкашин. «Информационный центр при президенте республики САХА (Якутия)». Материалы Международной конференции «Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологий. Часть 7. Имитационное моделирование и конфликтология». Радио и связь, 2003.

4. В. Черкашин. «Ситуационные центры в региональных структурах управления», в материалах Международной конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационных и электронных технологий», часть 3, «Информационные бизнес-системы», Радио и связь, 2004.

5. Е.Ф. Кодд. Реляционная модель данных для больших совместно используемых банков данных. Журнал СУБД №1, 1995 г.

6. К. Дейт. Введение в системы баз данных, Вильямс, 2005 г.

7. R. Kimball, M. Ross. The Data Warehouse Toolkit. Second edition.Wiley, 2002.

Размещено на Allbest.ru