协调优化方法与节能控制策略浅析
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摘要：随着人工智能技术和物联网技术高速发展，为了更好地满足建筑功能提升的核心发展要义，需要建立起稳定的数据采集和高效协同的智能化控制平台，满足系统控制的实时性要求。群智能建筑平台采用分布式的控制系统架构能够充分满足基础功能的发展要求，为智能协同化管理提供了全新的解决思路。对此本文结合着智能化设备的核心发展要义，展开了相关的分析和研究，首先对群智能系统与传统楼控系统对比，明确了群智能系统的基础发展要义，挖掘了输配系统“流量-压力”关系，明晰了群智能系统的基础架构，并且根据信息流动的参数布局形式提出了群智能建筑机电系统的核心要点，使得建筑机电系统实现高质量的智能化控制。
基于标准化处理单元的新型分布式智能控制架构实现了群智能控制的效果，以CPN作为区域控制网关，实现了分布式的集成管理。在控制空间中，各个组件拥有着相同的硬件，运行着相同的程序，并且在进行数据的综合集成中具有着相同的数据架构，每个CPN和相邻的CPN进行数据交换，使得整体的联动效率和控制效果得到了显著的提升。在局部空间中，CPN能够自动识别并发现空间内的空调设备和传感器硬件，实现了设备信息和数据的综合集成，并且在网络化的位置中储存了相关的位置信息和连接关系，通过网络协作的模式实现了全局智能的控制效果。因此整个控制系统不是中央集成控制，而是通过分布式智能控制的方式实现了系统的自组织和自操作。
1群智能系统与传统楼控系统对比
群智能系统结合着分布式的标准化计算单元开展控制活动，节点之间进行并行协作式的工作能够满足系统内不同层级的控制目标，进而最大限度的满足室内人居环境的热舒适需求。相比较于传统的控制系统来说，其核心的特点在于控制对象的不同，传统的控制系统参照着的是工业控制的树形控制结构，仅仅实现了单一控制流。而群控制的对象主要是建筑空间和整个建筑区域，每一个CPN能够服务一个特定空间的所有机电设备和各类传输器，进而实现了自动辨识的效果，并且通过自动获取的数据和先验知识能够准确的配置控制逻辑，最终生成相关的控制程序。传统的集中式控制存在着诸多问题，原有的自动监控系统存在节点数量多调控工况策略复杂的问题，系统的设计往往缺乏标准化措施，算法的设计仅仅着眼于局部，导致通用性差，各个专业之间的架构不够统一，因此也导致信息的共享机制无法建立起来。同时控制策略无法充分的满足运行的实际需求，导致运行管理人员无法根据现场的实际情况对控制策略进行优化调整，更无法深度的系统进行综合升级和改造。不同厂商之间的产品很难做到兼容，导致自动系统的设计难。群智能技术作为暖通空调系统输配的拓扑，这个过程中不需要对全局的网络方程组进行构建，每个节点中所运行的程序与系统架构无关，因此标准化的程序可以预先进行开发，并且储存在相关的智能节点里，无需工程师对具体项目进行编程和配置，有效的降低了配置系统的参数辨识难度。即便是系统端出现末端参数变化时，只要相关的CPN节点被正确的安装和衔接，则相关程序可以不被重新编写即可实现自动更新，有效的体现了自适应和自集成的特点。
2群智能系统的基础原则
在算法优化上，群智能做到了每个CPN算法都完全相同，同时对于系统的植入过程来说，每一个计算单元也可以被称之为是“算子”，在不同的CPN结构网格当中，CPN参照着“算子”的既定机制不断的自组织系统结构。每个“算子”当中运行的都是相同的算法，这是群智能算法设计的关键所在。因此在应用于暖通空调系统的控制过程中时，其主要参照的描述性原则如下：（1）CPN代表的是空间区域，连接所有控制设备、传感设备以及机电设备；（2）相邻CPN之间的连接映射关系代表物理空间中真实的几何位置关系；（3）每个CPN只能获取相邻CPN的相关数据信息，并且以分布式的存储形式存储在智能网络当中；（4）所有CPN并行计算中都采用相同的控制逻辑进行计算。为了更好的展示智能设备之间的衔接模式，其设备之间的组织模式可以借鉴管道之间的物理连接进行衔接，这样的连接模式充分反映了机电设备本身的功能需求和设备间各个功能的配合需求，通过介质流动的方向明确了能量流的关联关系。
3输配系统“流量-压力”关系
为了更好的维持室内热环境的稳定性，最大限度的降低输配系统的能源消耗，对输配系统的流量和压力的优化至关重要。对于群智能建筑的流量调节来说，通过基于流体网络的方程分析能够促进智能调控得以实现，在进行压力和流量的辨识过程中，其控制方成应该遵从设备运行的基本原理，在CPN的结构硬件上也同样预存了相同的计算方程，其控制方程为：1niNiQQ=∑=式中，QN为节点位置流向外部环境的流量，m3/h；Qi为从节点Ni向节点N的流量，m3/h；n是节点之间相邻节点的数量，描述的是节点位置上的质量守恒关系。其中能量的平衡关系为：2,1iNiiP−P=SQi=…n式中，PN是节点位置处的压力值，Pa；Pi是Ni的压力值，Pa；Si是Ni和N之间的管道链接阻力参数。CPN和相邻之间的节点之间直接进行数据交换，各个节点之间不断的进行数据更新，直到所有节点的控制方程收敛。
4群智能系统的基础架构
群智能的思路构建来自于自然界中昆虫群体的观察，在群居动物中通过协作表现能够展示出智能的特征被称之为群智能。在底层架构中综合借鉴了群智能控制中较为先进的多Agent系统（MAS，MultipleAgentSystem），所有的Agent节点最终根据设备布局的空间关系形成了智能控制网络，每个Agent来综合的收集和处理各个空间内的设备信息，并依据着建筑室内环境的参数要求来反作用于本地控制设备。群智能控制的内容要义里将建筑空间和各个专业机电系统划分成了若干基本单元，并且为各个基础单元都设置了一个“计算节点”CPN（ComputingProcessNode），实现了在空间单元内的本地控制器的联动控制，而后各个DCU都能够与各自的CPN进行直接的数据衔接，参照着空间关系和设备的拓扑关系共同链接成了基础的信息网络，通过并行计算的形式完成了所有的计算任务，因此群智能平台实现了即插即用和互联互通的设备交互效果。目前暖通空调系统的分布式控制优化需要有协调器进行代理，需要将计算任务进行自定义分配，进而实现良好的分布式计算。而群智能的控制过程里无需要协调器，各个节点都能够自组织和自协调的实现分布式计算，其智能控制节点如图1所示。其中节点结构上涵盖数据处理器、存储器以及通信接口，每个CPN内都嵌入一个微型处理器，其子空间和设备的全部性能参数信息都可以直接的映射到对应的CPN当中，并且为其直接预留了数据接口，各个CPN之间通过数据线之间进行数据交互。同时每个CPN还设置有相关的驱动单元DCU（DriveControlUnit），其中CPN和DCU之间的数据传输和通信可以支持多种数据通讯协议，实现了良好的交互。
5群智能的信息流动参数布局
CPN的嵌入式操作系统明确了CPN之间的通信协议和计算模式等参数要求，其求解的过程里需要将任务进行逐级的分解，解析成一个按照特定执行顺序事件，最终形成稳定的控制逻辑。其内置的机电设备标准信息模型定义了各个基本单元的控制管理特性，实现了与智能设备的即插即用的效果。所有的CPN共同构成了群智能系统的基础架构，进而代替了传统集中式控制中的中央计算机的计算模式，使其分布式的计算过程更加灵活和更加强大。从信息流的信息流动来说，系统的整体体现的是一种中央集成管理而分布式控制的信息流动架构，底层节点之间实现了通讯连接，但是没有进行自发的信息交互，各个节点彼此之间是独立的状态。即便是出现节点之间的决策信息矛盾时，则需要由上一级的节点进行处理，并且逐级进行上传。参照着各个节点之间的功能划分需求，节点之间的信息交互也不是完全通用的，因此需要在每个物理空间内都设置一个智能硬件节点CPN，因此CPN也就成为了所在区域物理空间的“代理”，不仅能够负责本地空间内所有设备的智能控制，同时也实现了相邻CPN空间的交互与协作，综合的完成了局部空间内被控系统和被控环境的分析和计算。由于每个CPN之前都与邻居进行协作，因此整个系统构成了区域计算的核心网络，局部位置上的协作也可以实现整体的优化，整个系统呈现出的是扁平化和无中心化的特点，每个CPN的节点之间是平等的，能够随着建筑规模的变化而灵活的进行增减，实现了即插即用的功能效果。
6群智能建筑机电系统的应用核心
冷站是建筑制冷系统的关键核心，同时也是开展群智能硬件发展策略的关键硬件载体，冷冻站的运行标准已经从保证设备稳定运行、满足终端设备用能需求转变为实现高效、节能、安全的发展要义。但是目前冷冻站目前采用的仍旧是集中式的发展架构，具有着实用效果差以及通用效果差的特点，因此为了重点解决好这个问题，群智能建筑网络平台通过CPN的智能计算的单元实现了统一接口的运行模式。这个过程中，每一个智能设备都是平等独立的个体，设备之间通过自组织和自识别的方法完成了整个冷站的优化任务。群智能系统区别于传统的集中式控制系统架构，其功能要义上需要将建筑和机电系统划分成为基本的建筑空间单元和机电单元，各个单元之间通过计算节点CPN来实现相互的协作，运行系统中的APP能够自组织的实现各类控制功能。整个建筑及其机电系统可以被视作是建筑空间单元和机电设备单元共同耦合而成的，每个空间内都安装有CPN能够有效的集成管理空间内所有机电设备的各类参数信息，促进其形成具有拓扑关系的自连接网络。通过APP的协同管理还能够完善和优化控制内部发展逻辑，实现系统内各类机电设备的综合控制管理。最终为建筑和城市管理控制提供了多元并且灵活开放的多元化信息平台，满足使用者和运维管理人员不同层次的使用需求。
7结语
组合不同专业系统之间的海量信息，便于更好的对机电系统进行管理，使其能够从传统单一的纵向管理功能面向跨专业、多设备融合的方向上转变，建筑内部不同专业之间的信息共享已经成为了现代建筑运行管理的必然趋势，这是实现自动化和智能化发展要义的必然所在。其次在群智能的发展要义中，实现了即插即用的数据传输效果，能够显著的降低了现场的工作量，同时也便于后续的空间变更和二次装修的需求。群智能的楼控软件具有极强的自识别和自组网的能力，有利于设备硬件之间的高效协同，强化了各类信息数据输入和输出质量，使得楼宇自控能够更加具有集成和信息自识别的能力，促进了高效协同的工作。未来的建筑机电智能控制需要有更加扁平化的系统架构作为基础，平等化、标准化以及网络化的连接使其具有了更好的协同能力和信息存储能力，在此基础上只有CPN、主体设备、传感器、执行机构等复合构件能够满足其功能需求，各个智能设备之间通过CPN进行连接，实现了机电设备的即插即用和组网，在显著提升系统运行效率的基础上降低了能源消耗。
作者:江浩 单位:上海电器科学研究所（集团）有限公司
