企业能耗在线监测系统的设计与实现.docx
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企业能耗在线监测系统的设计与实现
硕士专业学位论文
企业能耗在线监测系统的设计与实现
DesignandImplementationoftheOnlineMonitoringSystemofEnterpriseEnergyConsumption
作者:
×××
导师:
×××
北京交通大学
2023年3月
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10004
密级:
北京交通大学
硕士专业学位论文
企业能耗在线监测系统的设计与实现
DesignandImplementationoftheOnlineMonitoringSystemofEnterpriseEnergyConsumption
作者姓名:
×××学号:
×××
导师姓名:
×××职称:
×××
工程硕士专业领域:
软件工程学位级别:
硕士
北京交通大学
2023年3月
摘要
企业如想进行有效的节能减排,首先必须要对自身能耗的用量、能耗的结构、能源的流向,进行全面准确的监测。
传统企业的能源管理,能耗监测工作,通常是通过各类仪器仪表对能源消耗进行计量,并派专人前往现场对此类仪器仪表进行维护,通过仪器仪表的读数,现场手工抄取计量监测数据。
接着根据企业的生产结构逐级进行统计,并形成复杂的报表。
部分在能耗监测和能源管理方面做得较好的企业,则投入大量资金,购买基于昂贵的实时数据库产品的DCS、SCADA等工业领域的专用软件系统。
然而在此类软件系统中,能耗本身往往不是关注的重点,且软件技术的应用考虑到稳定性,大多为较传统的技术,维护与升级的成本相对较高。
随着近年互联网IT技术的飞速发展,高性能、分布式的大数据存储、处理、搜索技术日益成熟,这些IT技术的发展往往形成拥有大量活跃参与者的开源社区,为整个IT领域的技术创新与应用提供了强有力的支持。
通过对传统能耗监测软件系统的研究与分析,发现此类系统的主要技术特点是,实现对海量工业采集数据的存储、查询、计算,并给予时间序列数据的特性进行了大量优化。
其业务特点是,不同行业企业的生产结构,能耗设备有很强的专业性,差异巨大。
通过国内外主流产品的对比,可以发现,国外一线厂商如施耐德、Wonderware的最新产品,在保持其解决方案专业性的同时,也越来越多的考虑产品在灵活性、交互性、数据可视化分析等方面的提升。
该系统尝试通过对目前主流大数据处理、互联网前端技术的研究及集成,以代替传统的实时数据库与工业组态软件产品。
通过对企业能耗监测、能源管理的核心业务需求分析,实现基于开源软件技术、分布式系统架构的系统设计、实现对企业自身能耗的用量、结构以及能源流向的全面准确的监测。
同时考虑到工业生产软件系统的可靠性需求,集成了主流的工业级系统运行监控技术,对能耗数据采集运行情况、服务器硬件资源消耗进灵活、准确、全面、及时的监控,使运维人员能够及时发现系统运行的问题,保证数据采集的连续性、准确性,从而大幅提高企业能耗监测及统计分析的能力。
关键词:
能耗监测;物联网;大数据处理;分布式系统;J2EE;企业数据总线;Nagios
ABSTRACT
Ifmanufacturerswanttocarryouteffectiveenergyconservation,theyshouldestablishcomprehensiveandaccuratemonitoringonenergyconsumption,proportionandflow.Energymanagementandmonitoringusedtomanuallyconductthemeasurementandmaintainmetersonsitebyspecificindividual.Basedoncollecteddata,complexformswouldbeconstructedaccordingtoenterpriseownproducingstructure.Someenterprises,whichperformedfairlygreatinenergyconsumptionmonitoringandmanagement,hadinvestedconsiderableamountoffundsintoindustrialspecialisedsoftwaresuchasDCS,SCADAandsoon.However,suchsystemshavelittlefocusonenergyconsumptionitself.Furthermore,whenconsiderthestability,mostsoftwarestakethetraditionalapproachsothatthecostofmaintenanceandupgradeiscomparablyexpensive.ThankstotherapiddevelopmentofITtechnologyinlastdecades,thematurityoftechnologyinprocessingandsearchinglargevolumedatainhighperformanceanddistributewayhasincreasedsignificantly.Opensourcecommunities,whichcontainshugenumberofactiveinvolvers,havebeenformedtostronglysupporttheinnovationintechnologyandapplication.
Aftertheresearchandanalysisontraditionalenergymonitoringsoftwares,themajorfeatureofthoseapplicationistostore,processandqueryindustrialdatainincrediblymassivevolume,whichcanbeoptimisedaccordingtoitstimeseriesattribute.Considerabledifferencecanbeobservedamongenterprises'producingstructureindifferentindustriesduetotheirspecialismoftheequipments.Incontrasttomajorproductsworldwide,itcanbeconcludedthatthefirsttiermanufacturers,suchasSchneiderElectricandWonderware,hadmaintaintheirprofessionalismintheirsolutions,atthesametime,flexibility,interactivity,visualizationhadbeenputintomoreconsideration.Thissystemtrytointegratethemainstreambigdataprocessingframeworkandfront-endsolutioninordertoreplacetraditionalreal-timedatabase.Foundedonthebusinessanalysisofenterpriseenergymonitoringandmanagement,thissystemisabletoaccuratelymonitoringtheenterpriseenergyconsumption,proportionandflowusingopensourcetechnologyunderthedesignguideofdistributedarchitecture.Meanwhile,whenexaminingthereliabilityoftheindustrialsoftwaresystem,thissystemalsointegratethepopularenterprisemonitoringtechnologytomonitortheacquisitionprocessandserverhardwareconsumptioninaflex,accurate,comprehensiveandreal-timewaysothatmaintainingstaffwouldbecapabletoidentifyruntimeproblemandmakesurethatthedataacquisitionprocessiscontinuousandaccurate.Astheresult,itcanamplifythecapabilityofanalysisandmonitoringinenterpriseenergyconsumptionarea.
KEYWORDS:
EnergyConsumptionMonitoring;IOT;BigData;DistribuitedSystem;J2EE;ESB;Nagios
序言
近年来,随着社交网络、云计算、物联网等技术的兴起,互联网上的数据正以前所未有的速度增长和累计。
这些数据体量巨大,蕴含了人类各个领域方方面面的宝贵信息,通过对这些信息的分析、挖掘能带来意想不到的巨大价值。
这就是互联网大数据时代兴起的根源和背景。
而对大数据价值的狂热,极大的再次推动了计算机软硬件技术的飞速发展。
当面对海量数据,以往靠单一大型计算设备的运算能力或小规模计算集群已远远无法满足。
基于普通PC (personal computer)服务器的大规模并行计算框架成为了互联网企业最佳的选择,不需要一次性投入高昂的成本,却可以根据业务规模的发展速度,快速方便的扩展计算集群。
大量开源社区如雨后春笋般的浮现,这种轻量的组织形式快速聚集大量业界顶尖的技术人员,在没有边界的互联网环境下,发展出了大量创新、高质量的开源IT技术。
本文所展示的企业能耗在线监测系统与传统方式的差异在于,该系统尝试通过主流的大数据处理技术与分布式系统架构思路来代替基于实时数据库、C/S(Client/ServerStructs)模式的传统组态监测软件,突出互联网IT技术系统架构的灵活性、易用性,通过大数据处理框架来满足性能上的需求,并随着数据规模的提升,能动态的扩展系统处理能力,同时结合软硬件监控技术为系统的运维提供良好的支撑,保证系统能够长期稳定的运行。
1引言
本章首先对企业能耗在线监测系统的研究背景进行介绍,描述该系统研究的背景和意义,其次说明本系统在能耗监测业务与技术两方面的主要研究内容,最后将列出本文的组织结构及各章节的主要内容,便于读者理解本文内容。
1.1研究背景与意义
近年来,节能减排已经成为全球公认的紧要目标,在环境,经济政治,外交等方面都有着举足轻重的作用。
节能减排是遵循人类社会发展规律和顺应当今世界发展潮流的战略举措,也是应对资源稀缺与环境承载能力有限的必然选择。
广义上来说,节能减排就是节约能源、降低能源消耗、减少污染物排放。
节能和减排,二者之间相互联系又相互区别。
节能必定可以达到减排的效果,而减排却未必可以节能,为避免因片面追求减排结果而造成的能耗激增,必须在减排的同时加强节能技术的应用,注重社会效益和环境效益均衡。
《中华人民共和国节约能源法》所称节约能源(简称节能),是指加强用能管理,采取技术上可行、经济上合理以及环境和社会可以承受的措施,从能源生产到消费的各个环节,降低消耗、减少损失和污染物排放、制止浪费,有效、合理地利用能源。
并指出“节约资源是我国的基本国策。
国家实施节约与开发并举、把节约放在首位的能源发展战略”。
我国快速增长的能源消耗和过高的石油对外依存度促使政府在2006年年初提出:
希望到2010年,单位GDP能耗比2005年降低两成、主要污染物排放减少一成。
两个指标结合在一起,就形成了通常所说的“节能减排”。
《国民经济和社会发展第十一个五年规划纲要》提出了“十一五”期间单位国内生产总值能耗降低20%左右,主要污染物排放总量减少10%的约束性指标。
根据这两个指标,如中国GDP年均增长一成,五年内就需要节能六亿吨标准煤,减排二氧化硫六百二十多万吨、化学需氧量五百七十多万吨。
国家发展和改革委员会会同有关部门制定的《节能减排综合性工作方案》进一步明确了实现节能减排的目标和总体要求:
“到2010年,万元国内生产总值能耗由2005年的1.22吨标准煤下降到1吨标准煤以下,降低20%左右;单位工业增加值用水量降低30%。
‘十一五’期间,主要污染物排放总量减少10%,到2010年,二氧化硫排放量由2005年的2549万吨减少到2295万吨,化学需氧量COD(ChemicalOxygenDemand)由1414万吨减少到1273万吨;全国设市城市污水处理率不低于70%,工业固体废物综合利用率达到60%以上。
”为实现经济社会发展目标,我国能源发展“十一五”(2006-2010年)目标是:
到“十一五”末期,能源供应基本满足国民经济和社会发展需求,能源节约取得明显成效,能源效率得到明显提高,结构进一步优化,技术取得实质进步,经济效益和市场竞争力显著提高,与社会主义市场经济体制相适应的能源宏观调控、市场监管、法律法规、预警应急体系和机制得到逐步完善,能源与经济、社会、环境协调发展。
在党中央、国务院的监管下,各级政府部门采取有效措施,加大工作力度,基本达到了“十一五”规划纲要确定的节能减排目标。
“十一五”期间,我国通过节能降耗减少二氧化碳排放14.6亿吨,得到国际社会的广泛赞誉,展示了我负责任大国的良好形象,为应对全球气候变化作出了重要贡献。
“十二五”时期将会是我国节能环保产业发展难得的历史机遇期,顺应世界经济发展和产业转型升级的趋势,着眼于满足我国节能减排、发展循环经济和建设资源节约型环境友好型社会的需要,加快培育发展节能环保产业。
国家“十二五规划”明确提出了节能减排的目标,即到2015年,单位GDP二氧化碳排放降低17%;单位GDP能耗下降16%;非化石能源占一次能源消费比重提高3.1个百分点,从8.3%到11.4%;主要污染物排放总量减少8到10%的目标。
此外,十二五”规划中还明确了主要污染物控制总类,在“十一五”化学需氧量、二氧化硫这两个类别基础上,增加了氨氮和氮氧化物两个类别的污染物控制指标。
“十二五”规划提出的约束性指标更加明确了国家节能减排的决心。
本文通过对企业能耗监测及能效分析需求的深入分析,结合物联网数据采集,分布式海量数据库,内存数据库,以及互联网前沿的数据可视化技术,建立了一套以开源技术为主,支持海量数据,高可用,扩展性强的企业能耗在线监测系统,与传统工业领域基于SCADA(SupervisoryControlAndDataAcquisition)、DCS(DistributedControlSystem)、PLC(ProgrammableLogicController)的数据监测相比,可以更好的利用主流的大数据处理技术,更智能的应对企业用能情况进行分析,为企业节能减排提供了高质量的数据分析依据,从而加快建设资源节约型、环境友好型社会。
1.2主要研究内容
(1)使用物联网数据采集网关、OPC(OLEforProcessControl)Server实时采集来自工业现场计量器具或DCS、PLC等系统的能耗数据。
(2)通过对企业计量器具、数据采集拓扑结构的分析与抽象,实现对数据采集的统一配置管理,为实施人员提供从企业现场调研到数据采集结构的配置并发布到采集代理执行采集提供了一站式的支撑。
(3)使用MongoDBReplicationSet存储实时采集的时间序列数据,并且在长时间运行后保持可以结束的数据存取、处理性能。
(4)提供时间序列数据的处理引擎,实现采集点采集数据的常用计算,并通过基于采集点的计算公式计算任务实现逻辑采集点(虚拟采集点)的数据采集,支撑能效指标的计算。
(5)通过Nagios、SNMP(SimpleNetworkManagementProtocol )对整个系统消耗的CPU(CentralProcessingUnit)、网络、存储等资源进行监控,并对关键资源的消耗进行预警,同时也要对采集运行本身进行监控,通过准确性、稳定性两方面来反映采集硬件的运行情况。
(6)通过图表等可视化技术支撑系统对于数据展现的需求。
1.3论文结构
第一章:
引言。
主要介绍了该项目的研究背景及意义,明确了该项目需要达到的目标,并对本文工作进行了总体规划。
第二章:
课题相关技术介绍。
主要从开发环境、数据存储、数据采集、系统监控、数据可视化几个方面介绍了本项目所使用的主要理论、技术及发挥的作用。
第三章:
系统需求分析。
主要介绍了系统的功能性需求分析、非功能性需求分析以及系统的体系结构分析。
功能性需求明确了各功能的系统目标及业务流程,非功能性需求对系统的安全性、可维护性、可扩展性进行了介绍与定义。
第四章:
系统总体设计。
主要完成系统功能的架构设计以及系统技术架构方案,明确了系统数据库物理设计。
第五章:
系统详细设计。
完成了对系统的主要功能的详细设计。
第六章:
系统测试与实施。
主要根据系统安装部署说明,基于测试环境对系统主要功能进行了测试并记录了测试结果,验证了系统的可用性。
并基于系统全方位的监控结果验证本文研究结果在性能方面的可行性。
第七章:
总结与展望。
对研究目标的完成情况进行了总结,并列举了当前还存在的问题及问题解决、改进的研究方向。
2课题相关技术介绍
本系统实现基于业界主流的轻量化J2EE(Java2Platform,EnterpriseEdition)开发框架,采用分布式系统架构,通过企业数据总线集成各子系统。
本系统主要技术问题的实现、操作系统、中间件完全基于开源社区技术。
用户交互子系统基于B/S架构,兼容主流操作系统与浏览器。
2.1开发环境
编码开发环境要求Java7以上(安装Jdk1.7),推荐Java8(安装Jdk1.8),应用开发框架基于SpringFramekwork4.1及以上;由于系统中使用的中间件、开源技术推荐使用linux环境(支持windows),所以基于开源的CentOS6及以上部署集成及生产环境。
2.1.1Java8
Java是一种计算机编程语言,拥有平台无关、面向对象、泛型程式设计的特性,广泛应用于企业级Web应用开发和互联网及移动应用开发。
1990年代初,任职于升阳电脑(SunMicrosystems)的詹姆斯·高斯林等人开发出了Java语言的雏形,最初被命名为Oak,目标设定在家用电器等小型系统的编程语言,应用在电视机、电话、烤面包机、闹钟等家用电器的控制和通讯。
由于这些智能化家电的市场需求没有预期的高,Sun公司放弃了该项计划。
随着1990年代网际网路的发展,Sun公司看见Oak在网际网路上应用的前景,于是进一步发展Oak,于1995年5月份以Java的名称正式向外界发布。
伴随着互联网的迅猛发展而发展,Java逐渐成为重要的网络编程语言。
Java编程语言的风格与C++语言十分接近,除了继承了C++语言面向对象技术的核心,Java还舍弃了C++语言中容易引起错误的指针,改以引用取代,同时移除原C++与原来运算符重载的特性,也移除多重继承特性,改用接口取代,增加垃圾回收器功能。
在JavaSE1.5版本中首次引入了泛型编程、类型安全的枚举、不定长参数和自动装/拆箱特性。
Java的语法大量借鉴了C和C++,但面向对象的特性是Smalltalk和Objective-C的蓝本。
Java避开某些低层次的结构,如指针和具有在每一个对象被分配在一个非常简单的内存模型堆和对象类型的所有变量都引用。
内存管理是通过JVM(JavaVirtualMachine)执行综合自动化垃圾收集处理。
Java的相关标准技术为:
Java数据库连接,JDBC(JavaDatabaseConnectivity)是Java语言中用来对客户端程序如何访问关系型数据库提出的应用程序接口规范,提供了诸如插入和更新数据库中数据记录的接口方法。
JavaRMI(JavaRemoteMethodInvocation)用来开发分布式Java应用程序。
一个Java对象的方法能被远程Java虚拟机调用。
这样,远程方法激活可以发生在对等的两端,也可以发生在客户端和服务器之间,只是双方的应用程序都必须用Java。
JNDI(JavaNamingandDirectoryInterface,Java命名和目录接口)是Sun公司提供的一种标准的Java命名系统接口,JNDI提供统一的客户端API(ApplicationProgrammingInterface),通过不同的访问提供者接口JNDI服务供应接口SPI(SerialPeripheralInterface)的实现,由管理者将JNDIAPI映射为特定的命名服务和目录系统,使得Java应用程序可以和这些命名服务和目录服务之间进行交互。
Java消息服务JMS(JavaMessageService)是一个与具体平台无关的API,绝大多数MOM(MessageOrientedMiddleware)提供商都对JMS提供支持。
Java消息服务的规范包括两种消息模式,点对点和发布者/订阅者。
许多提供商支持这一通用框架因此,程序员可以在他们的分布式软件中实现面向消息的操作,这些操作将具有不同面向消息中间件产品的可移植性。
Java消息服务支持同步和异步的消息处理,在某些场景下,异步消息是必要的;在其他场景下,异步消息比同步消息操作更加便利。
JTS(JavatransactionService)提供存取事务处理资源的开放标准,这些事务处理资源包括事务处理应用程序、事务处理管理及监控。
JMX(JavaManagementExtensions,即Java管理扩展)是一个为应用程序、设备、系统等植入管理功能的框架。
JMX可以跨越一系列异构操作系统平台、系统体系结构和网络传输协议,灵活的开发无缝集成的系统、网络和服务管理应用。
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