基于5G专网的高校智慧能源管理平台建设研究
时间：2023-01-31 18:35:05 来源：天一资源网 本文已影响 人 
徐 伟，王海勇
（1.南京邮电大学信息化建设与管理办公室；
2.南京邮电大学智慧校园研究中心 江苏南京 210023）
教育部印发的《教育部关于建设节约型学校的通知》（教发［2006］3 号）及国家住房和城乡建设部与教育部联合印发的《高等学校节约型校园建设管理及技术导则》，为我国高等学校校园建设深入贯彻落实科学发展观、推进节能减排、保障可持续发展提供指南。
教育资源是社会资源的重要组成部分，建设可持续发展绿色校园是在新时代实现自身全面协调可持续发展的一项系统工程。一些高校已陆续开始尝试建设校园能耗数据监测平台，但早期系统大多属于被动式、粗放型管理模式，能耗采集设备功能相对单一，缺乏详细的能耗数据监测手段和数据分析方法，无法正确发现用能问题，以致于存在能源浪费现象［1-2］。
2014 年6 月国家住房和城乡建设部和教育部联合印发《节约型校园节能监管体系建设示范项目验收管理办法（试行）》［3］，2017 年2 月国家住房和城乡建设部印发《建筑节能与绿色建筑发展“十三五”规划》，2020 年4 月教育部办公厅和国家发展改革委办公厅联合印发《教育部办公厅国家发展改革委办公厅关于印发<绿色学校创建行动方案>的通知》（教发厅函［2020］13 号）［4］。由此可见，政府和教育主管部门对高校节能减排工作的重视，也对高校能源管理平台建设提出更高要求。
然而，如何在有限的资源条件下高效完成能源管理、监测、分析、统计、公示等工作，是当下各高校亟待解决的重点问题［5］。
本文针对高校能源管理平台构建问题，利用5G 技术优势及其应用创新，在传统校园网基础上部署基于“5G+边缘计算”的专属校园双域融合网络。并且，将5G 校园专网和智慧校园建设进行深度融合，创造性地运用该技术对能源管理平台进行设计，有利于高校建立节能减排工作机制，深化节能校园改革。
1.1 设计目标
平台依托的5G 校园专网为江苏省首个5G 双域融合专网，也是目前江苏省内唯一基于“5G+边缘计算”的专属校园双域融合网络，实现了5G 专网对客户（to-Customer，2C）业务的全流程贯通，为“5G+智慧校园”建设打造了一个标杆案例。
本文以国家、地方及教育行业相关技术导则为指导思想，根据国家政策法规来构建支持实时采集数据、定时远程传输、智能动态管理的智慧能源管理平台［6］。
该平台将为实施校园能耗监测、能耗分析和能耗审计奠定基础；
为评价校园节能功效、完善节能管理机制和制定节能对策提供依据；
为建设节约型校园提供数据支撑［7］；
为学校能源决策、能源调度、保障健康与舒适环境、提高全校师生节能意识等提供有效手段。
通过建立健全能耗统计和科学能耗监测体系，全面实现在线管理校园能耗、智能管理校园用水用电［8］，以提升校园能源自动化管理水平。
1.2 云—管—端架构
智慧能源管理平台基于物联网、大数据、云计算及移动互联等新兴技术，集成网络、信息、控制、物联网等前沿应用，各层间相互协调以确保平台稳定运行。平台集电力系统监控、综合能源管理、综合计费管理、电气火灾监测、宿舍用电安全系统、水务系统、空调系统、智能运维等系统于一体，打通各子系统间的数据交互窗口，为高校打造一个高度集成化和节能化的智慧能源管理平台。
如图1 所示，平台采用云—管—端3 层架构。其中，云为云中心；
管为通信层和感知层；
端为设备层［9］。首先，通过云中心对数据进行存贮、分析和处理，然后将数据通过感知层、通信层传输至指定云平台，接下来由设备层实现数据采集和运行管理，并通过WEB/APP 界面进行可视化展示。整个平台采用C/S 架构，用户登录不受时间、地点、环境限制，并且能够实时远程监控整个平台的运行情况。
Fig.1 Cloud-pipe-terminal architecture图1 云—管—端架构
1.2.1 云中心
云中心具有海量、安全、可靠的特点。首先通过域名解析将能耗数据通过感知层、通信层上传至指定云平台，然后对设备层采集的各类数据信息进行分析和处理，并以图表、数显、视频等多种方式呈现现场设备的运行状况。此外，云中心还支持根据用户需求设置相应的控制逻辑，进行自动化管理和人工干预。
1.2.2 感知层及通信层
配置感知层设备具备5G 功能的通讯网关，利用5G 校园专网进行数据传输。管为数据信息传输通道，负责传送设备层上传的能耗数据信息，同时传输云平台对设备层的各种控制命令。
1.2.3 设备层
设备层包含各个应用系统的数据采集终端，可采用智能化通信接口向云中心上传现场采集的实时数据，实现各用电回路、各区域电能及各变电所环境信息的采集、监测、通讯和远程传输。端设备具有以下特点：①配置灵活且扩展性强，用户可根据实际需求增减、更改系统配置，新增设备达到无缝对接原有平台的效果；
②实时采集各种能耗数据和状态参数，按照计划将数据自动上传至云中心；
③通过AI 智能控制理论与算法，实现计算机智能控制；
④具有自我诊断和恢复功能。
5G 开启万物互联新时代，为满足企业对数据中心、云计算、人工智能等新型基础设施的应用需求［10］。5G 与各行各业广泛融合，为经济社会的创新发展打开了广阔空间，为智慧校园的发展提供新的方法。
平台依托5G 大连接、大带宽、低时延三大特性，结合用户平面功能（User Plane Function，UPF）下沉与移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）专网。一方面保证涉密科研教学数据的安全性；
另一方面保障学生享受优质的校园网络体验。基于优质网络基础资源优化教学新方式，开启“智慧教育”新模式的网络架构如图2所示。
Fig.2 Network architecture图2 网络架构
边缘UPF 设备集分流软件功能、虚拟化层及硬件于一体，能够在边缘节点开展业务，易于部署运维特点的边缘节点设备［11］，支持UE 业务数据的路由和转发、数据和业务识别、动作和策略执行等。
MEC 的核心是分布式平台，为网络边缘数据源提供网络、计算、存储及应用服务，为移动用户的网络边缘提供IT和云计算能力，并通过开发网络能力具备高带宽、低延迟，近端部署等优势，满足校园信息化转型在连接、实时、数据优化、智能和安全方面的需求。MEC 的主要优点如下：
（1）传输时延短。数据无需经过中心机房，传输路径变短，时延随之降低。
（2）减轻网络传输压力。数据直接本地加载至校园数据中心，节省了回传网络带宽。
（3）安全性高。数据直接发送至本地网络，传输更安全。
通过在边缘部署MEC 平台，能够有效将云计算能力从中心延伸到边缘，实现业务快速处理和就近转发，以满足5G 多样化的应用场景需求［12］。
5G 校园双域融合专网借助通信运营商在5G 移动通信领域的优势，基于专用数据网络名称（Data Network Name，DNN）、UPF、上行分类器（Uplink Classifier，ULCL）分流、跟踪区码（Tracking Area Code，TAC）精准定位、MEC 等关键技术，改善了内网覆盖范围不全、校园漫游体验不佳等问题。
师生可使用5G 终端远程访问校园内网，实现5G 移动网络与校园内网的融合，技术上主要新增校园UPF，实现校园及市域UPF 之间的协同。网络通过协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）的IP、DNS 识别校园网业务，通过校园UPF 将校内业务数据分流至校园网，其它业务仍从市域UPF 进行公网通信，实现校园内网的全市域访问。
智慧能源管理平台通过5G 校园双域融合专网来传输能耗数据，以便于监控全校能耗情况。并且，通过搭载在专网上的监测、反向查询、智能统计等功能，对大数据进行分析与管理。一旦发现数据异常情况，平台可及时通过反向查询功能，精准定位并分析问题原因。以此体现平台全方位、全时段、高精度、高密度的能耗数据采集与管理能力。
3.1 平台应用框架
平台设计根据国家相关标准和学校的客观现状，首先遵循“整体托管、分类管理、装表计量、核定指标、节约奖励、超标加价”的管理原则。同时，根据学校投资额度及现实情况，逐步作全、作细设计方案，利用平台强大的管理功能，将校园各类电能耗、计量系统等智能管理系统分阶段、分步骤地进行集成，形成一个集数字化、网络化、智能化于一体的能源监控、检测、管理、控制、分析节能网络。
为此，将各种用能设备的运行状态、电力测量参数、各类报警、操作事件等信息存贮在数据处理中心的实时数据库中，各工作站通过WEB 浏览方式查询、分析能源管理数据，操作人员通过监控工作站进行系统监视、控制及参数设置。
如图3 所示，平台应用框架包括采集层、物联网平台、能力层、业务层及展示层。具体的，采集层建设一个感知网络，将各种需要的感知数据通过5G 校园专网进行采集、上传至数据网关；
数据网关将数据打包传输至物联网平台；
物联网平台负责与采集层对接，接收数据网关上报的数据，并对数据进行协议解析、重新封装，再转发至应用系统，支持多种设备的数据接入，并且可对接多个应用系统，形成数据处理中心；
封装能力层能够使应用系统更好地适应应用业务，例如Shiro、Redis、流程引擎、ESB、WebGIS 等；
业务层体现了应用系统的具体能力，例如用户管理、场所管理、设备管理、能耗监测、能耗分析、能耗决策、能耗审计、能耗公示、能耗地图导航、网格管理、任务管理、日志管理等；
展示层通过静态表格和动态图表的方式展现能耗数据，例如PC 管理端、安卓客户端、IOS 客户端及公共显示屏幕，并且会根据用户权限进行菜单和数据管控，对展示层各端口进行分权分域控制。
Fig.3 Platform application framework图3 平台应用框架
3.2 功能实现
智慧能源管理平台可实现场所管理、设备管理、能耗监测、能耗分析、能耗决策、能耗审计、能耗公示及能耗地图导航八大功能。
（1）场所管理。平台根据校园楼栋情况进行校区设置、楼栋设置/外场设置、楼层设置、房间设置/楼层非房间设置。初始化每一栋楼宇信息，对楼层和房间进行重命名，所有信息采集点细化到房间，形成数字化模型，为设备和网格提供基础。
（2）设备管理。平台统一管理水、电表等设备，记录每个设备的设备类型、设备位置、设备状态、设备数据等多项属性定义。通过设备管理进行设备查询和管控，并随业务实际情况持续扩展数据记录类型，并支持手工添加设备数据。
（3）能耗监测。按照场所、部门、支路等多维度进行能耗查询，对用能情况、设备运行、能耗平衡情况进行实时监测。同时，平台能够实时展示计量表的设置参数、运行状态参数及控制命令的执行情况。
（4）能耗分析。平台通过比较设备之间的数据，能够实时了解能耗分布和用能趋势。目前，对数据的分析方式包括同比分析和环比分析、同设备不同时间比较、同时间不同设备比较、同类型机构比较等。具体的，相同设备不同时间比较一台设备或一个建筑在选择时间段或时间点的用能统计和费用统计，以及在该时间段或时间点的最高用能时间、最低用能时间和平均用能；
不同设备同时间比较多台设备、多个建筑、多台设备与多栋建筑在选择时间点的用能统计和费用统计，以及在该时间点的最高用能设备、最低用能设备和平均用能。
（5）能耗决策。根据能源管理平台对数据进行分析，以了解定额管理需求。同时，利用平台能源分析算法对数据进行解析，建立实际能耗计算模型。首先，通过关联温度、湿度、风速、天气特征值、季节等数据，分析模型方案设计，并进行可行性分析。然后，将影响建筑能耗因子参数作为网络输入，建筑能耗值作为输出，构建基于科学算法的建筑能耗分析模型。最后，根据模型得出更加精确的建筑用能定额指标数据，为学校开展节能诊断、定额管理提供数据支撑。
（6）能耗审计。平台提供多种审计报表，支持查询用能单位或个人用能系统、设备台账的信息，支持审计分类与分项的能耗、人均能耗、单位建筑面积能耗和单位万元科研产值能耗，以及实时分析单位能源管理水平及用能状况，以便于排查其中存在的问题和薄弱环节。
（7）能耗公示。平台门户系统按照总能耗、人均能耗、单位面积能耗等多种方式对不同场所和部门的能耗进行公示。支持通过多种发布方式向用户公示各类建筑的能耗情况、能效等级、用能结构、同类建筑的各项能效排名等，公示方式包括列表、趋势图、饼图、柱状图等，展示界面和查询条件可根据用户需要自行定义。
（8）能耗地图导航。利用WebGIS 技术实现基于Web-GIS 平台的GIS 地图的展现与操作，支持多地图模式，并在GIS 地图上展示各种类型的设备数据，可点击查看任意建筑的当前能耗数据，同时支持放大、缩小、任意拖动等操作。
本文提出基于5G 专网的高校智慧能源管理平台和与之对应的网络架构和应用框架，构成了完整的物联网能源管理体系，实现对能源消耗全过程、全参数（能耗、环境参数、灯光状态等）在线监测。具体操作包括统计和分析各种监测数据，运用可视化能耗图表、定量化能耗分析手段，全方位、立体化地实现对校园供电、供水、供暖、空调、照明的全局监控、集约管理；
通过AI 大脑技术自动输出最优控制策略，使高校运行最优化，能源利用最大化。
对学校能耗计量的统计和分析，能为学校决策部门提供有效的数据支撑，促进学校推进节能改造，最终建立健全校园节能监管体系，将学校内所有建筑能耗都纳入监管范围。
平台在实际项目中运行流畅，具有较好的经济效益，缩减了相关设备检修、故障排查及人员维护的高额费用，社会效益较好，相关用能管理制度得以完善，校园耗能设备利用效率和能量转化效率显著提升，为建设绿色校园提供了有力支撑，对即将开展智慧能源平台建设的高校具有一定的示范作用。
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