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1、 遼 寧 工 業(yè) 大 學物聯(lián)網工程 課程設計（論文） 題目：基于信息智能處理的軌道交通節(jié)能控制系統(tǒng) 學 院： 電子與信息工程學院 專業(yè)班級： 學 號： 學生姓名： 指導教師： 教師職稱： 起止時間： 課程設計（論文）任務及評語學 院： 教研室：學 號學生姓名專業(yè)班級課程設計（論 文）題 目基于信息智能處理的軌道交通節(jié)能控制系統(tǒng)課程設計（論文）任務為了達到空調系統(tǒng)節(jié)能的控制目標，需要對系統(tǒng)中若干個空調機的控制采用分布式人工智能控制策略，通過分布式人工智能方法動態(tài)地選擇和使用最有效的空調機運行模式和控制參數(shù)，既充分考慮候車人群對空調舒適度的需求，又滿足地鐵空調系統(tǒng)的節(jié)能需要，實現(xiàn)地鐵空調控制系統(tǒng)的

2、柔性調節(jié)和高效節(jié)能控制，最大限度地降低地鐵空調系統(tǒng)的能源消耗。本系統(tǒng)應用于交通節(jié)能控制系統(tǒng)，主要分為兩部分，一是硬件設計，二是軟件編寫，該同學負責軟件設計。指導教師評語及成績成績： 指導教師簽字： 年 月 日 遼寧工業(yè)大學課程設計說明書（論文）目錄 摘 要11 方案概述21.1 背景21.2 應用領域31.3 國內外研究現(xiàn)狀3 1.4 功能描述62 方案創(chuàng)新點與難點73 系統(tǒng)實現(xiàn)原理84 硬件設計95 軟件設計105.1 算法描述105.2 軟件運用116 系統(tǒng)測試及結果176.1 地鐵站臺空調系統(tǒng)節(jié)能潛力分析176.1.1 站臺定員時的乘客散熱負荷計算176.1.2 工作日候車乘客的散熱負荷

3、計算186.1.3 站臺非工作日候車乘客散熱負荷計算186.1.4 冷季節(jié)里的站臺空調系統(tǒng)節(jié)能量計算196.2 測量與控制方案的可行性研究196.2.1 分布式參數(shù)測量技術研究與應用196.3 試驗方案247 設計總結及改進措施258 心得體會26參考文獻27 基于信息智能處理的軌道交通節(jié)能 控制系統(tǒng) 摘 要為了達到空調系統(tǒng)節(jié)能的控制目標，需要對系統(tǒng)中若干個空調機的控制采用分布式人工智能控制策略，通過分布式人工智能方法動態(tài)地選擇和使用最有效的空調機運行模式和控制參數(shù)，既充分考慮候車人群對空調舒適度的需求，又滿足地鐵空調系統(tǒng)的節(jié)能需要，實現(xiàn)地鐵空調控制系統(tǒng)的柔性調節(jié)和高效節(jié)能控制，最大限度地降低

4、地鐵空調系統(tǒng)的能源消耗。關鍵詞:節(jié)能、優(yōu)化、分布式人工智能、地鐵空調系統(tǒng)1 方案概述1.1 背景在上海這座2200 多萬人口的特大型城市，解決出行問題，越來越多的人依靠發(fā)達的軌道交通網絡。截至目前，上海地鐵全路網共有11 條運營線路，全長425 公里，共有273 座車站分布在15 個行政區(qū)域。今年一季度，上海地鐵日均運送超過530 萬客流，這個數(shù)字，占城市公共交通運送比例近四成。每天超過500 萬人次的客流順暢地穿梭在這個城市腳下，有效地緩解了地面的交通壓力，更將城市外延不斷拓寬，由此帶動城市發(fā)展與經濟繁榮。軌道交通具有運量大、速度快、安全、準點、保護環(huán)境、節(jié)約能源和用地等特點。按照同等運力比

5、較，軌道交通的能耗只相當于小汽車的1/9，公交車的1/2，但由于運量大，其總耗電量相當大。但從各城市軌道交通的建設經營現(xiàn)狀看，大多數(shù)軌道交通處于政府補貼狀態(tài)，贏利水平低，目前只有香港、倫敦、東京等少數(shù)幾個城市軌道交通運營盈利。據(jù)測算，2008年上海軌道交通線網規(guī)劃用電為6.5 億度，約占上海市用電總量的1%；到2015 年，上海軌道交通線網規(guī)劃用電為13.9 億度，約占上海市用電總量的1.2%，年耗電量增幅平均達12%。上海市政府每年給上海城市軌道交通的運營虧損補貼多達數(shù)億元。降低上海城市軌道交通運行能耗，減少用電總量，成為降低上海城市軌道交通運營成本的一個有效途徑。據(jù)統(tǒng)計，地鐵能耗的84%集

6、中在車輛系統(tǒng)和通風空調系統(tǒng)兩個方面，其分別占地鐵能耗的53%和31%。以開通的地鐵5 號線為例，其車輛系統(tǒng)用電每年約8000 萬度左右。目前城市軌道交通電動車組普遍采用“再生制動電阻制動機械制動”的制動方式，制動能量可達到牽引能量的30%以上，部分再生制動的能量可以被線路上相鄰車輛吸收，如不能被吸收則轉換為電阻或空氣制動，制動能量被白白消耗，初步估算該部分耗能占制動能量的40%左右，5號線該部分能量達960 萬度以上。通風空調系統(tǒng)能耗高低與通風空調系統(tǒng)形式密切相關。目前，國內地鐵采用的通風空調系統(tǒng)還僅限于傳統(tǒng)的單一功能、分散獨立式的區(qū)間隧道與車站通風空調系統(tǒng)，其構成復雜、控制繁瑣，導致車站土建

7、規(guī)模大、投資高、運行費用大。地下車站通風空調機房面積在12002500 平方米左右，占車站總建筑面積的12%30%。據(jù)廣州地鐵公司的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，地鐵通風空調能耗已占到了地鐵總能耗的約50%。通過對上海城市軌道交通運行能耗的調研后，我們發(fā)現(xiàn)：在車輛系統(tǒng)用電方面，車輛制動能量損耗缺乏有效控制，亟需在全電制動停車控制系統(tǒng)、再生制動能量利用關鍵設備及應用等方面開展研發(fā)和應用，建立牽引供電系統(tǒng)再生電能吸收系統(tǒng)，提出合理的再生電能吸收系統(tǒng)設置方案，有效吸收地鐵車輛制動能量；在通風空調系統(tǒng)方面，缺乏有效的節(jié)能技術和運行方式，亟需在通風空調系統(tǒng)中實施優(yōu)化控制，采用新型節(jié)能通風空調系統(tǒng)等方面開展研發(fā)和應用，建

8、立適合上海地區(qū)的地鐵通風空調系統(tǒng)，大力推廣應用降低現(xiàn)有地鐵通風空調能耗的節(jié)能技術和產品。1.2 應用領域基于信息智能處理的軌道交通節(jié)能控制系統(tǒng)所應用的領域為城市軌道交通系統(tǒng)。1.3 國內外研究現(xiàn)狀近年來，已有若干將分布式人工智能理論、控制技術應用于分布式系統(tǒng)的研究，并取得了一定的成果。2000 年，Srovnal 教授提出了基于multiagent 的管道網絡分布式控制系統(tǒng)3；2001 年，Blake 教授提出了一種基于規(guī)則驅動Agent 的分布式控制的自重構Agent 架構4；2002年，Brennan 教授提出了一種基于Agent 的實時分布式控制系統(tǒng)的重構方法5；Maturana 教授提

9、出了一種工業(yè)分布式控制的自動Agent 體系結構6；中國科學院院士、清華大學張鈸教授分析了Books 反應式智能的思想，提出了基于傳感器的智能體和多自主體的智能控制策略，它能克服傳統(tǒng)人工智能完全依賴先驗知識建立的專用系統(tǒng)與環(huán)境交互及應付突變能力差的弱點，使智能系統(tǒng)具備在動態(tài)、事先不完全知道的環(huán)境中正常運行的能力3、4；國內學者史忠植長期從事智能主體、分布智能的理論和應用系統(tǒng)研究1；梁泉博士對多智能體系統(tǒng)的協(xié)作及控制作了全面的分析，提出了基于多智能體系統(tǒng)的分布式智能控制應用方向11、12；上海交通大學的許曉鳴教授和費燕瓊教授2003 年獲得國家自然科學基金資助，研究基于多Agent的分布式控制系

10、統(tǒng)中智能模塊的自重構、自修復理論與方法14、15、16、17；合肥工業(yè)大學蔣建國教授和夏娜博士開展了基于MAS 的分布式控制系統(tǒng)中的協(xié)同策略研究，并先后得到教育部基金和2005 年國家自然科學基金的資助24、25、26、10；浙江大學的劉海龍博士在其畢業(yè)論文中采用multiagent 理論方法，著重探討了動態(tài)環(huán)境下分布式智能系統(tǒng)中的任務協(xié)作問題18。分布式人工智能理論中的進化計算是20 世紀90 年代初為了促進不同進化算法之間的交流而提出來的，現(xiàn)已成為“智能”與“優(yōu)化”兩個主題研究的新熱點，對組合優(yōu)化的問題已有較多的研究成果4。目前進化計算已和人工神經網絡（Artificial Neural

11、Networks,ANN）、模糊邏輯（Fuzzy Logic,FL）相結合57，形成了計算智能學科（Computational Intelligence,CI）8.9。美國海軍后勤研究中心對進化計算的研究極為重視，于1985 年首先在電子網絡上建立了全球性的有關遺傳算法的信息交流節(jié)點（GAListRequestaic.nrl.navy.mil），不定期編輯出版電子遺傳算法文摘（GA Digest），交流有關遺傳算法的最新信息。網絡上與進化計算有關的信息實際上是一個有關進化計算的巨大資料庫，為使研究人員更方便地利用這些資源，在交互網絡上建立了幾個比較大的節(jié)點，稱為ENCORE（Evolution

12、ary Computation Repository Network）。通過這幾個節(jié)點中的任一個，不僅可以了解到網絡上主要的有關進化計算的信息，而且可以獲取自由軟件，交流科技報告等，如可獲得1957 年到現(xiàn)在的所有有關遺傳算法的科技論文的目錄，該目錄中包括2500 多篇文獻。另外，日本新的計算機發(fā)展規(guī)劃RWC（Real World Computing Program）也把遺傳算法、進化計算作為主要支撐技術之一，用來進行信息的集成、學習及組織等。進入80 年代，遺傳算法迎來了興盛發(fā)展時期，無論是理論研究還是應用研究都成了十分熱門的課題。尤其是遺傳算法的應用領域也不斷擴大。目前遺傳算法所涉及的主要

13、領域有自動控制、規(guī)劃設計、組合優(yōu)化、圖象處理、信號處理、人工生命等。目前面向應用的軟件產品有EVOLVER、OMEGA、PC/BEAGLE、GENERATOR、XPERTRULE、GENASYS。美國Illinois 大學的Goldberg 教授早在1989 年就出版了目前被認為是進化算法最經典、最全面的教 科書。國內自20 世紀90 年代以來對進化計算進行了廣泛研究。特別是將進化計算的方法與原理應用在不同的工程領域，取得了令人矚目的成就，對進化計算的理論基礎研究也取得了很多優(yōu)秀成果。我國的遺傳算法的研究，從20 世紀90 年代以來一直處于不斷上升的時期，特別是近年來，遺傳算法的應用在許多領域

14、取得了令人矚目的成果。國內二級以上學術刊物有關遺傳算法的文章不斷增加。國內很多專家、學者等在這方面作了大量研究，并取得了很多成果。在武漢大學軟件工程國家重點實驗室設有并行計算研究室，進化計算已成為一個重要的研究方向，目前已經出版了專著，并有許多碩士、博士研究生圍繞進化計算選題。另外，中國科學技術大學陳國良教授等出版了遺傳算法的著作。西安交通大學以進化計算為主題的研究工作也逐漸活躍起來，同時國內相關書籍也越來越多，如武漢大學劉勇、康力山等與1995年出版的非數(shù)值并行計算遺傳算法；周明、孫樹棟等于1996 年出版的遺傳算法原理及應用；2002 年王小平、曹立明編寫的遺傳算法理論、應用與軟件實現(xiàn)等等

15、。同時國內也出現(xiàn)有關遺傳算法的論壇，有http:/ 百思論壇，研學論壇 等都是很好的學習交流論壇。分布式測控系統(tǒng)（Distributed Computer Automated Measurement and Control System，DCAMCS）是指在獨立計算機的集合系統(tǒng)中通過網絡通信來開發(fā)、部署、管理和維護，以資源共享和協(xié)同工作為主要應用目標的分布式應用系統(tǒng)。它具有較強的實時性和空間約束性等特點，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)是目前結構最典型、工業(yè)應用最廣泛的分布式測控系統(tǒng)2。分布式人工智能是近年來興起的新學科，是人工智能、知識工程、分布式計算、并行處理、計算機網絡和通訊技術交叉發(fā)展的產物

16、。分布式人工智能運用人工智能技術，研究一組在地理上分散的、松散耦合的智能機構如何協(xié)調和組織，其知識、技能、目標和規(guī)劃以進行高效聯(lián)合求解。其研究包括并行人工智能、分布式知識系統(tǒng)二大部分。分布式人工智能系統(tǒng)具有潛在的并行處理能力，單個智能機構具有較高的自治性，整個系統(tǒng)具有較大的可擴展性和較高的可靠性，具有共享知識和資源的能力，對知識的處理速度快、能力強等特點。其固有問題大致可分為如下四類： 規(guī)則、合作、交替活動及信息采集等。其中，在規(guī)劃方面，智能機構必須確定何時解題或完成任務，以及何時請求其它智能機構來協(xié)助完成任務；在合作方面，智能機構確定何時中斷其現(xiàn)行工作，以滿足來自其它智能機構的請求，或何時接

17、受其它任務；在交替活動方面，智能機構應用有效的方法來交替完成這些活動。在信息采集方面，由于環(huán)境的動態(tài)特性及智能機構傳送信息的異步性，智能機構必須能夠確定何時以及用何種方法來更新自己的狀態(tài)，這種更新常用的方法有計算方法和通訊方法兩種。分布式人工智能的理論和技術發(fā)展為分布式測控系統(tǒng)實現(xiàn)人工智能控制提供了一條途徑。該技術是為解決大規(guī)模復雜系統(tǒng)控制問題的智能求解而發(fā)展起來的，通過對問題的描述、分解和分配，構成分散的、面向特定問題的相對簡單的子系統(tǒng)，并協(xié)調各子系統(tǒng)并行和相互協(xié)作地進行問題求解，其思想十分適合大規(guī)?？刂茊栴}的智能求解，是目前分布式人工智能領域的研究熱點，已被描述為設計和構建分布式復雜工程應

18、用系統(tǒng)的下一代模型2。隨著國家節(jié)能減排政策和落實要求，人工智能控制技術近年來已逐漸應用于城市大型建筑物中央空調系統(tǒng)，2007 年重慶大學熱能工程系周洪煜博士論文研究了基于人工智能和專家系統(tǒng)的中央空調節(jié)能運行及故障診斷技術與實現(xiàn)20， 針對中央空調系統(tǒng)存在的非線性和大的滯后,采用了創(chuàng)新的控制手段，在中央空調系統(tǒng)的運行控制中率先提出了先進的基于混合神經網絡的非線性預測函數(shù)控制及SMITH 預估控制算法，編制出控制算法軟件并將其應用到實際對象中，達到預期的控制效果，經過實際運行對比測算，其節(jié)電效果達到30%以上，產生了良好經濟的效益；河北工業(yè)大學劉作軍博士在智能建筑VAV 空調系統(tǒng)的節(jié)能控制系統(tǒng)中采

19、用分段控制方法，即分別在空調系統(tǒng)預冷階段，采用神經網絡算法得出最佳預冷期；在空調系統(tǒng)調節(jié)控制階段，通過前饋方式提前調節(jié)變風控制量；在提前停機控制中，采用模糊控制的方法確定提前停機時間，取得了較好的節(jié)能控制效果21。目前軌道交通內空調設備的控制系統(tǒng)智能化不夠，控制功能較簡單，缺乏學習能力；同時現(xiàn)場設備間只能進行簡單的協(xié)同工作，缺少有效的協(xié)調機制。單一的智能控制和分布式控制在集群式空調系統(tǒng)應用中均遇到不少難題，例如系統(tǒng)中單體優(yōu)化基礎上的全局優(yōu)化問題、單體或群體效用激勵機制的建立和實施等，影響到它們在軌道交通集群式空調系統(tǒng)中的推廣應用。隨著用戶對系統(tǒng)的實時性、自動性、智能性和網絡性等性能越來越高，空

20、調控制系統(tǒng)進入了“分布式智能化時代”。尤其是圍繞整體系統(tǒng)按需供應的節(jié)能目標，對于集群式空調系統(tǒng)中的各個機組在動態(tài)環(huán)境下進行協(xié)調控制的提出，更要求各個機組的控制系統(tǒng)具有規(guī)范一致的結構功能以及良好的交互性和協(xié)作性。因此，研究適合軌道交通空調系統(tǒng)要求的分布式智能測技術日益顯得必要和迫切。1.4 功能描述此系統(tǒng)采用物聯(lián)網技術，將多組空調和電腦等經紅外傳感器，嵌入式網關有機的組合在一起，由物聯(lián)網服務器將識別的信息經過綜合處理與配方。便可實現(xiàn)地鐵空調系統(tǒng)節(jié)能的控制目標，對系統(tǒng)中若干個空調機組控制采用分布式人工智能控制策略，通過分布式人工智能方法動態(tài)地選擇和使用最有效的空調機運行模式和控制參數(shù)組。通過對人工

21、智能控制方法的研究，達到既充分考慮候車人群對空調系統(tǒng)的需求，又滿足地鐵空調系統(tǒng)節(jié)能目標的協(xié)調控制策略，最終實現(xiàn)地鐵空調機組的優(yōu)化調節(jié)和高效節(jié)能。2 方案創(chuàng)新點與難點方案創(chuàng)新點為本系統(tǒng)將重點研究和力求拓展基于分布式人工智能（Distributed Artificial Intelligence,DAI）理論，開展其在地鐵空調系統(tǒng)節(jié)能中的應用研究工作。其難點包括：1)將由多個獨立運行的多空調機組成的地鐵空調系統(tǒng)作為多智體系統(tǒng)（Multi Agent System,MAS），研究提高空調系統(tǒng)能效的協(xié)調運行機制，在進化算法中引入節(jié)能激勵因子，使由空調機組控制參數(shù)組成的染色體組合實現(xiàn)優(yōu)先進化的人工智能進

22、化策略(Evolutionary Strategy, ES)。2）基于人工智能統(tǒng)計回歸分析理論（Statistics Regression Analysis，SRA），研究視頻信號智能檢測與分析技術及其在地鐵站臺人群平均密度估算中的應用；研究根據(jù)人群密度估計等級進行溫濕度控制的模糊邏輯和控制策略。3）基于數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)挖掘技術對所獲數(shù)據(jù)進行選擇、探索和融合處理，研究和制定地鐵空調系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)監(jiān)測與節(jié)能評估的管理方法。3 系統(tǒng)實現(xiàn)原理建立站臺溫濕度無線傳感測量試驗系統(tǒng)，應用視頻圖像模糊神經網絡自學習方法和圖像智能分析技術，實現(xiàn)站臺溫濕度分布測量、人群平均密度估計和模糊控制策略，通過實驗數(shù)據(jù)采

23、集工作，建立地鐵站臺溫濕度測量、人群平均密度與多空調機組控制參數(shù)的數(shù)學模型。控制系統(tǒng)方框圖如圖3.1：圖中，人工智能控制器根據(jù)站臺人群平均密度估計結果，按很多、較多、正常、較少、很少5 個等級隸屬度函數(shù)輸出模糊控制信號，即空調需求量輸入信號。人工智能MAS 進化控制器根據(jù)站臺空調需求信號和節(jié)能激勵進化計算結果，輸出最優(yōu)控制參數(shù)組控制各空調機組的變頻器運行，通過站臺溫濕度傳感網絡反饋環(huán)節(jié)獲得控制效果，實現(xiàn)按需自動調節(jié)空調機組的節(jié)能控制目標。4 硬件設計所用硬件：一體化智能球兩個,工業(yè)電腦一臺,海爾空調三臺,智能儀表,紅外接收、發(fā)射器,溫濕度傳感器在這部分設計中，應將各部分電路仔細連接，了解每一部

24、分的特點，以及每一部分在整個設計中所起到的作用。5 軟件設計5.1 算法描述在多目標進化算法中引入節(jié)能激勵因子F，研究和制定空調機組控制參數(shù)組序列的進化策略，建立多目標優(yōu)化控制試驗系統(tǒng)，使由空調機組控制參數(shù)組成的染色體序列依據(jù)系統(tǒng)的節(jié)能控制目標滾動比較、選擇進化，實現(xiàn)節(jié)能控制參數(shù)組優(yōu)先進化的人工智能控制策略；進化控制策略的組成模塊示意圖見下圖5.1：上圖中，控制算法基于模型算法控制(MAC)由4 個基本模塊組成主要包括內部模型、能耗計量反饋校正、滾動優(yōu)化計算和能耗參考輸入軌跡四個部分。它采用基于脈沖響應的非參數(shù)模型作為內部模型，用控制參數(shù)組作為輸入輸出信息，經過用模型輸出誤差進行反饋校正以后，

25、再與節(jié)能指標參考輸入軌跡進行比較，應用二次型性能指標進行滾動優(yōu)化，然后再計算出當前時刻下，應輸出到各單元控制系統(tǒng)的優(yōu)化控制參數(shù)組，完成整個控制循環(huán)。滾動優(yōu)化計算模塊組成框圖見下圖5.2：其中的滾動優(yōu)化計算模塊采用了多目標進化算法，核心技術是控制系統(tǒng)根據(jù)進化算法每代產生大量可行解和隱含的并行性這一特點設計一種決策優(yōu)化方法，基于排序的表現(xiàn)矩陣測度可行解，對節(jié)能目標總體表現(xiàn)好壞的向量進行比較和獎勵。引入節(jié)能激勵因子F 實現(xiàn)參數(shù)組序列優(yōu)先進化，以此提高該組參數(shù)的個體適應度，實現(xiàn)優(yōu)先進化；節(jié)能激勵因子；其中:g 是激勵因子的代數(shù)，每次循環(huán)結束，根據(jù)求得的最優(yōu)解的情況對g 進行調整。其數(shù)學表達式為：g=

26、0,算法求得最優(yōu)解仍在進化 g=g+1,最優(yōu)解在 次循環(huán)內沒有明顯改進，且g+1gmax g=gmax,其他個體適應度可以由參考資料中查找得到。其中j=1,2,3N該算法通過一次計算即可得到問題的非劣解集，簡化了多目標問題的優(yōu)化求解步驟。優(yōu)化算法的主要步驟有適應度計算、進化概率計算和最優(yōu)解決策輸出。附圖1 是地鐵10 號線宋園路的大系統(tǒng)（站臺）空調系統(tǒng)圖。通過人工智能的控制方法，實現(xiàn)既充分考慮候車人群對空調系統(tǒng)溫濕度的需求，又滿足地鐵空調系統(tǒng)節(jié)能需要的協(xié)調控制目標，實現(xiàn)地鐵空調控制系統(tǒng)的柔性調節(jié)和高效節(jié)能。5.2 軟件運用本系統(tǒng)在進行小規(guī)模的試驗時用到了如下的幾個主要軟件，下面來分別簡單介紹。

27、如下圖5.3 所示，這個是北京漢邦高科公司的視頻監(jiān)控軟件界面圖，可以通過該軟件同時監(jiān)測2一體式球形攝像機的工作情況。下圖5.4 為北京漢邦高科公司的視頻監(jiān)控軟件有能夠根據(jù)視頻中人群密度的大小來判斷是否需要報警的功能。下圖5.5 為設置該軟件中人群平均密度水平分析的功能，設定需要報警的區(qū)域時的畫面情形（藍色框內為報警區(qū)域）。下圖5.6 為對三臺變頻空調的控制，包括有開機、關機的控制，溫度的調控，同時也能檢測到當前環(huán)境中三個不同地域的溫度和濕度。下圖5.7 為丹東華通測控公司的智能儀表在線監(jiān)控軟件。該軟件能夠在工業(yè)控制計算機上看到實時的三相電壓、電流、有功功率、無功功率及功率因數(shù)等參數(shù)。下圖5.8

28、 為丹東華通測控公司的智能儀表在線監(jiān)控軟件的通訊端口的設置（當前設為com6）。下圖5.9 為通過對該軟件端口設置后，點開在線設備檢測的功能，將看到在線的智能電表。下圖5.10 為智能電表的三相的各種參數(shù)。下圖5.11組態(tài)軟件，該軟件可以將不同通訊方式的設備連接在一起，從而可以同時的實時的觀察各個設備的運作情況，也能夠控制各個在線的設備。這樣就可以達到多目標的優(yōu)化處理和對本系統(tǒng)節(jié)能性能評估的目的。6 系統(tǒng)測試及結果6.1 地鐵站臺空調系統(tǒng)節(jié)能潛力分析目前地鐵站臺的空調負荷都是按照額定工況計算的，乘客散熱負荷也是按站臺定員條件進行計算。然而在實際運行時地鐵站臺的乘客數(shù)量是不斷變化的，并且大部分時

29、間內少于定員人數(shù)，所以在乘客散熱負荷中存在著節(jié)能潛力。為了研究乘客散熱負荷的節(jié)能量，進而實現(xiàn)地鐵站臺空調系統(tǒng)的節(jié)能，需要分析地鐵站臺候車乘客散熱負荷的節(jié)能潛力。根據(jù)統(tǒng)計資料，上海地鐵的實時客流量具有明顯的峰值時間，大部分時間內乘客人數(shù)少于定員人數(shù)。統(tǒng)計時間為2010 年6 月24 日、25 日（工作日）和26 日、27 日（非工作日），每天從6：0022：00。所統(tǒng)計的數(shù)據(jù)為站臺候車乘客數(shù)和運行時間，統(tǒng)計情況如下圖6.1 所示。地鐵站臺的乘客散熱負荷由人均散熱負荷q 和平均人群密度決定，人均散熱負荷q 可以參照有關的標準，而站臺平均人群密度則是不斷變化的。以實際統(tǒng)計的客流量為基礎，計算地鐵站臺

30、上候車乘客的散熱負荷，并與額定工況下的定員散熱負荷進行比較，分析整個制冷季節(jié)的乘客散熱負荷的節(jié)能潛力。6.1.1 站臺定員時的乘客散熱負荷計算站臺定員時的乘客散熱負荷計算公式為：Qe = qN n T(1) 式中： Qe 列車定員時的乘客散熱負荷，kWh；N 候車乘客數(shù)量，人；q 人均散熱量，取 0.1163kW/ 人；n 集群系數(shù)，n=0.955；T 額定工況下站臺的營運時間是從 6：0022：00，即 T=16 小時。N=S(2) 式中： S 站臺候車面積，m2平均人群密度，人/m2定員情況下，平均人群密度e=1 人/m2；以1600m2 候車區(qū)域(長200 米，寬8 米)雙向候車的站臺為

31、例，計算候車乘客散熱負荷的節(jié)能量。則全天運行時間內站臺定員時的乘客散熱負荷為：Qe = qNe n T =0.1163 1600 0.955 16=2843.30（kWh）6.1.2 工作日候車乘客的散熱負荷計算在工作日，根據(jù)每天營運時間內該站臺在不同時段內的站臺候車人數(shù)，如下圖6.2：可測算出站臺平均人群密度：s10.5 人/m2；則工作日候車乘客散熱負荷為：Qs1 = qNs1 n T =0.1163 800 0.955 16=1421.65 （kWh）因此在工作日里，站臺全天實際的候車乘客散熱負荷的節(jié)能量：Qe Qs1=2843.31421.65=1421.65 （kWh）該節(jié)能量占站臺

32、定員時乘客散熱負荷的百分比：（Qe Qs1）/ Qe=50%6.1.3 站臺非工作日候車乘客散熱負荷計算在地鐵站臺非工作日實際情況下，每天營運時間T 內的站臺候車人數(shù)統(tǒng)計如下圖6.3：可測算出站臺平均人群密度：s20.3 人/m2；則非工作日乘客散熱負荷為：Qs2 = qNs2n T =0.1163 480 0.955 16=852.99 （kWh）因此在非工作日里，站臺全天實際的乘客散熱負荷的節(jié)能量：Qe Qs2=2843.30852.99=1990.31 （kWh）該節(jié)能量占站臺定員時乘客散熱負荷的百分比：（Qe Qs2）/ Qe=70.00%6.1.4 冷季節(jié)里的站臺空調系統(tǒng)節(jié)能量計算以

33、 每年5 月1 日到9 月 30 日為制冷季節(jié)，一共 153 天，其中工作日 109 天，非工作日 43 天，所以整個制冷季乘客散熱負荷的節(jié)能量：Qss = （Qe Qs1）109+（ Qe Qs2 ）43=240543.18kWh該地鐵站臺設計裝備4 個空調機組，在額定工況下每一個機組的制冷量為 42kW 。假定站臺空調系統(tǒng)3 個機組全天運行，則整個制冷季節(jié)中空調系統(tǒng)在額定工況下的制冷量為：Qsc =42 416153=411264（kWh）因此整個制冷季節(jié)中實際的乘客散熱負荷的節(jié)能量占空調系統(tǒng)額定制冷量的百分比為：Qss/Qsc*100%=58.94%由此可見，地鐵站臺空調負荷中的乘客散熱

34、負荷具有很大的節(jié)能潛力。因此，在工作日和非工作日的地鐵運營時間內，根據(jù)站臺實際的平均人群密度計算，實際的乘客散熱負荷的節(jié)能量分別占定員乘客散熱負荷的50%和70%，整個制冷季節(jié) 153 天內實際的乘客散熱負荷的節(jié)能量約占空調系統(tǒng)額定制冷量的58.49%，可見對地鐵站臺空調系統(tǒng)而言，乘客散熱負荷是有很大節(jié)能潛力的。如果能改進站臺多空調機組的控制策略，使空調機組產生的制冷量緊密跟隨實際的站臺候車乘客散熱負荷，則能進一步提高地鐵站臺空調系統(tǒng)的節(jié)能量。6.2 測量與控制方案的可行性研究6.2.1 分布式參數(shù)測量技術研究與應用1）地鐵站臺分布式溫濕度測量技術研究與應用建筑物內的溫濕度信號具有可測性和可控

35、性，但準確測量的難度在于它的分布特性，準確控制的難度在于它的數(shù)學測量模型具有模糊性和滯后性。根據(jù)國家建設部通風與空調工程施工質量驗收規(guī)范(建標200260 號)B6.3 項的規(guī)定：本系統(tǒng)可應用國內現(xiàn)有的“點式”溫濕度測量技術?？紤]試驗階段建筑物布線等問題，采用無線傳感方式進行數(shù)據(jù)采集，現(xiàn)場測量端采用嵌入式系統(tǒng)完成信號采集、處理和無線傳輸，由接收器采集各點的溫濕度信號送入上位計算機，通過分布式測量方法實時獲得站臺內舒適度的整體測量情況，建立地鐵站臺空調溫濕度測量與控制的數(shù)學模型?？紤]到今后的功能擴展，如空氣質量檢測、可燃氣體含量檢測和有毒有害氣體檢測等需要，現(xiàn)場測量設備采用信號處理能力較強的CP

36、U 芯片及外圍電路組成的測量端，信號傳輸協(xié)議采用抗干擾能力較強的ZigBee 協(xié)議，同時傳輸過程采用硬件中繼方式，保障測量信號的正常傳輸。在此基礎上，本系統(tǒng)將深入研究連續(xù)分布式光纖溫濕度測量技術，建立候車站臺溫濕度與人體舒適度的對應關系，以實際空調量需求為目標，向控制系統(tǒng)提供符合實際的分布式測量數(shù)據(jù)，使控制決策更加經濟合理。連續(xù)分布式光纖溫濕度測量技術是未來取代目前國內普遍采用的“點式傳感”的測量技術。目前在英國倫敦地鐵、等得到廣泛應用，同時可用于地鐵站臺及交通隧道火災監(jiān)測、鋼軌應變測量等傳感領域。2） 地鐵站臺人群平均密度估計近年來隨著計算機視覺和人工智能領域相關技術的發(fā)展，基于智能視頻分析

37、的人群密度估計和流量統(tǒng)計算法大量涌現(xiàn)。許多人群監(jiān)控系統(tǒng)也相繼在世界各地投入使用。如1995 年，倫敦地鐵最早采用了人群監(jiān)控系統(tǒng)，用以統(tǒng)計地鐵站中的人群密度和流量統(tǒng)計，預防安全事故的發(fā)生。2003 年歐洲相繼通過閉路電視系統(tǒng)進行人群流量統(tǒng)計，進而改善公共交通的管理。另一方面，由于受到恐怖事件的威脅，一些國家和地區(qū)相繼啟動了進行基于視頻分析的群體安全分析系統(tǒng)22。1999 年，WSChowt 教授利用經過訓練的神經網絡來分析人群特征。極大地提高了人群分析的準確性，該方法已于2002 年在香港地鐵系統(tǒng)中得到運用27。隨著機器學習的發(fā)展Chow 和Marana 教授分別利用分類性和自學習性能更佳的RB

38、F 神經網絡28和自組織映射神經網絡(SOM)實現(xiàn)人群密度分析29。近年來隨著支持向量機(SVM)理論的逐步完善，其優(yōu)良的性能已經被越來越多地應用到人群密度的分析當中22。通過分布在地鐵站臺上多個攝像探頭采集的視頻圖像，根據(jù)計算機圖像處理方法，通過模糊神經網絡在模擬人類神經系統(tǒng)處理模糊信息的功能方面具有獨特的優(yōu)勢，基于圖像處理邊界不明晰的模糊集合，合理地劃分人群密度范圍，實現(xiàn)圖像智能分析與平均人群密度估計23。本系統(tǒng)采用統(tǒng)計回歸的方法實現(xiàn)地鐵站臺的人群平均密度估計，該方法適用于大范圍，固定場景以及固定攝像位置的情況30。Chan 教授將人群的流量近似為一個高斯過程。綜合利用人群的像素和紋理信息

39、。建立在景人數(shù)和人群特征的函數(shù)關系即回歸方程如下：式中第一項代表了一個總體趨勢，即主要由像素信息決定：第二項代表了非線性關系主要由紋理信息決定；第三項代表了觀測噪聲項。目前已在實驗室建立了試驗系統(tǒng)，初步實現(xiàn)了兩個區(qū)域的圖像采集和模糊人群密度估計。3）模糊控制邏輯設計模糊控制的實現(xiàn)基本上有兩種方法。第一種方法涉及到模糊化、控制規(guī)則評價和解模糊的嚴格實時數(shù)學計算，這是被廣泛認可的方法，在后面的應用例子中將進行描述。在模糊邏輯工具箱的幫助下，例如MATLAB 環(huán)境中的模糊邏輯工具箱，可以開發(fā)一個高效的C 程序實現(xiàn)模糊控制。該程序被編輯，其目標程序被寫入DSP 中用于執(zhí)行。采用商業(yè)化的ASIC 芯片也

40、能實現(xiàn)模糊控制。第二種方法是查表法。該方法將事先已完成的所有輸入/輸出靜態(tài)映射計算結果（包括模糊化、控制規(guī)則的評價和解模糊）存儲在一個大的查詢表中，用以實時執(zhí)行。有時不僅只有一張查詢表，還可有各種等級（粗糙、中等、精致）的查詢表。當用于精確控制時，查詢表需要大量的存儲空間，但其執(zhí)行速度很快。人工神經網絡也可被訓練用來模擬模糊控制器。6.2.2 多機組空調系統(tǒng)優(yōu)化控制策略可行性研究空氣調節(jié)器能效限定值及能效等級是空調系統(tǒng)節(jié)能控制的重要評估指標。能效比是指空調器在制冷運行時，制冷量與有效輸入功率之比。能效比數(shù)值的大小，實際上反映出了空調器產品每消耗1000W 電功率時，制冷量的大小。該數(shù)值的大小反

41、映出不同空調器產品的節(jié)能情況。能效比數(shù)值越大，表明該產品使用時所需要消耗的電功率就越小，則在單位時間內，該空調器產品的耗電量也就相對越少。2010 年2 月26 日，我國發(fā)布了新房間空調器能效標準GB 12021.32010房間空氣調節(jié)器能效限定值及能效等級，取代2004 年發(fā)布的GB 12021.32004，該標準已于2010 年6 月1日實施。標準規(guī)定了房間空調器的能效限定值、能效等級、節(jié)能評價值、試驗方法和檢驗規(guī)則。標準適用于空氣冷卻冷凝器、全封閉型電動機壓縮機，制冷量在14000 W 及以下，氣候類型為T1 的空調器，但不適用于移動式、轉速可控型、多聯(lián)式空調機組。能效比的測試方法按照G

42、B/T 77252004房間空氣調節(jié)器進行。電熱絲的能效比只能達到1:1，即消耗1 千瓦的電力，產生1 千瓦的熱能?？照{在所有制熱產品中的能效比最高，可以達到1:3 左右，即消耗1 千瓦的電力，能夠移動3 千瓦左右的熱量，所以空調節(jié)能省電?？照{器的能效比，就是名義制冷量(制熱量)與運行功率之比，即EER 和COP。(1) EER 是空調器的制冷性能系數(shù)，也稱能效比，表示空調器的單位功率制冷量。(2) COP 是空調器的制熱性能系數(shù)，表示空調器的單位功率制熱量。(3) 數(shù)學表達式為：EER=制冷量/制冷消耗功率 COP=制熱量/制熱消耗功率(4) EER 和COP 越高，空調器能耗越小，性能比越

43、高。空調能效比越高就越省電，家里也就越省錢。為了迎合消費者的這一消費新需求，空調廠家有關空調能效比的系數(shù)也就翻著跟頭上升，從3.0 到4.0、5.0、6.0 一直到了7.0，到底要不要馬上追著能效比買空調?目前我國空調市場的能效比數(shù)據(jù)比較混亂，中國空調能效比的認證還沒有出臺，國家還沒有相關的標準，因此不好衡量。廠家在市場上宣傳的數(shù)據(jù)基本上都是廠家自報的數(shù)據(jù)，并且這些數(shù)據(jù)都是從實驗室得來的，帶有極大的商業(yè)傾向性。此外，相關參數(shù)具有國別差異，不同國家產品之間的能效比之間存在不小的差異，比如說，中國出售的日本變頻空調，其電壓、冷媒都與國內的企業(yè)不同，其能效比也就不具有可比性。能效比越高并非越省錢?？?/p>

44、調的能效比越高就越省電，但對家庭來說不一定會達到省錢的目的。這是因為高能效比空調的成本太高，其價格是普通空調的10 倍多，并且短時期內難以下降，按照12 年的壽命計算，高能效比空調終生省下的電費難以抵消其本身的購買差價。在日本，能效比最高的空調售價在30 萬日元以上，而一般的變頻空調的售價則為2.9 萬日元，相差了10 倍多。因為價格奇高，95%的日本家庭還是選擇了一般的變頻空調。由此判斷，高能效比空調短時間在中國更是難進家門。買空調關鍵要看性能價格比。購買空調的關鍵因素不是空調的能效比高不高，任何時候需要關注的是空調的性能價格比，也就是質量穩(wěn)定性，功能的先進性以及購買價格的經濟性與運行的經濟

45、性，此外還要看購買與運行的經濟性，也就是說功能先進的空調能買得起并且能用的起等因素。總而言之，花最少的錢買最好的空調是消費者選擇空調的硬道理?？刂颇繕耍涸诳刂七^程中，首先保證單臺機組工作在額定工作狀態(tài)，能效等級達到國家標準1 級，協(xié)調控制空調系統(tǒng)內各機組按照優(yōu)化后的控制參數(shù)運行，使整體空調系統(tǒng)能效等級達到1 級。為了實現(xiàn)多機組空調系統(tǒng)的節(jié)能目標，需要在控制參數(shù)組進化過程中引入節(jié)能激勵因子F，對控制參數(shù)組的運行方式及控制目標進行調整，因此需要對現(xiàn)有的多目標進化算法進行改進具體思路是：在進化過程中，通過節(jié)能激勵因子F 調整空調系統(tǒng)控制參數(shù)序列被選擇的概率值，節(jié)能激勵因子F 值越大，被選擇的概率越大

46、，使由節(jié)能效率高的空調機組控制參數(shù)組成的染色體組合實現(xiàn)優(yōu)先進化。算法的仿真結果如下圖6.5：上圖表明了進化算法的收斂性，在初始時進化的進度比率相對較高，經過數(shù)代進化后則逐漸趨近于0，說明最終種群已經接近Pareto 解集。算法仿真結果表明：系統(tǒng)的魯棒性較強，不易陷入局部極小，而且在運行時間方面，同樣達到進化算法最優(yōu)解的質量水平，所用時間短，收斂速度較快。6.2.3 地鐵空調系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)監(jiān)測與節(jié)能評估可行性研究為了實現(xiàn)地鐵空調控制系統(tǒng)的柔性調節(jié)和高效節(jié)能，本系統(tǒng)通過人工智能的控制方法實現(xiàn)既充分考慮候車人群對空調舒適度的需求，又滿足地鐵空調系統(tǒng)節(jié)能需要的協(xié)調控制目標，需要研究和設計一個空調系統(tǒng)

47、能量管理系統(tǒng)節(jié)能監(jiān)測及評估系統(tǒng)作為空調控制系統(tǒng)最優(yōu)解的質量反饋環(huán)節(jié)實現(xiàn)閉環(huán)控制。6.3 試驗方案根據(jù)本系統(tǒng)研究目標和內容，建立實驗室小型試驗系統(tǒng)。采用高清晰攝像頭采集人群密度圖像；采用無線檢測系統(tǒng)獲得環(huán)境溫濕度信號；采用智能電表采集空調系統(tǒng)電流、電壓和功率等用電信息；采用工業(yè)控制計算機通過以太網實現(xiàn)智能變頻空調。試驗方案如下圖6.6：由于空調，攝像頭，智能儀表，工控機等已安裝于實驗室小型試驗系統(tǒng),無法帶到現(xiàn)場，在接下來的演示中我們用仿真代替。7 設計總結及改進措施1增大人群密度檢測的精確度，便于后續(xù)更好地計算和控制；2改進模糊控制的隸屬度函數(shù)，使電腦能進行更有效地判斷；3在可控范圍內增加加快多

48、目標優(yōu)化的收斂速度，使此方案更加節(jié)能環(huán)保。8 心得體會通過這幾天的物聯(lián)網工程實訓，讓我漸漸進入了物聯(lián)網的世界。在這幾天的時間里，我們第一次進入了物聯(lián)網實驗室，由此，物聯(lián)網工程那一層神秘的面紗也被揭開了。我們了解了物聯(lián)網工程的大體走向，了解了它的基本構成以及基本應用，才發(fā)現(xiàn)，在我們的生活中，它無處不在。在這次課程設計中，我們遇到了許多困難，也遇到了一些知識上的盲點，但是，我們并沒有放棄，我們通過上網查找資料等方式，來彌補我們在知識方面的不足。這次課設讓我受益匪淺，無論從知識上還是其他的各個方面。我們并沒有真正的接觸過物聯(lián)網，只能從理論的角度去理解枯燥乏味。但在課設中見過甚至接觸了物聯(lián)網簡單模型，

49、能夠理論聯(lián)系實際的學習，開闊了眼界，提高了物聯(lián)網知識的理解和水平。在這次課程設計中又讓我體會到了合作與團結的力量，當遇到不會或是設計不出來的地方，我們就會在QQ群里討論或者是同學之間相互幫助。團結就是力量，無論在現(xiàn)在的學習中還是在以后的工作中，團結都是至關重要的，有了團結會有更多的理念、更多的思維、更多的情感。參考文獻 1史忠植.智能主體及其應用M.北京:科學出版社,2000.2 蔡自興.艾真體分布式人工智能研究的新課題J.計算機科學，2002，29（12）：123126.3 Sroval V.,Nevriva P.Distributed control systems of pipeline

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