造船企业能源管理系统总体设计

尹祥军， 马晓平，2， 吴 鹏， 丁 俊

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003； 2.江苏现代造船技术有限公司， 江苏 镇江 212003)

造船企业能源管理系统总体设计

尹祥军1， 马晓平1，2， 吴 鹏1， 丁 俊1

(1.江苏科技大学 船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江 212003； 2.江苏现代造船技术有限公司， 江苏 镇江 212003)

针对造船企业对能源管理系统的功能需求，利用PlantUML软件建立系统用例模型，清晰地描述系统用户与系统功能之间的关系。在该用例模型的基础上，完成能源管理系统的功能结构与架构设计。

造船企业；能源管理系统；总体设计

0 引 言

造船企业的能源管理一直是易被忽略的问题，不论是在实际的生产管理中，还是在现场员工的节能意识等方面。“十二五”以来，国家对造船企业能源问题的重视，以及造船企业产能严重过剩问题的凸显，在内外双重压力影响下，造船企业纷纷开始重视船舶建造过程中的能源问题。据不完全统计，单船能源成本在造船企业的建造成本中占4%左右。因此，如何降低造船企业的能源消耗、提高能源利用效率，对提高造船企业的竞争优势具有重要意义。目前，根据国家标准《GB/T 2331-2012：能源管理体系要求》[1]，造船企业基本建立适合自身的能源管理体系，主要采用系统的管理方法来提高造船企业的能源绩效，减少能源浪费。但是，随着造船企业信息化与工业化融合的不断加深，仅仅依靠能源管理体系已经不能满足造船企业频繁出现的能源管理问题。如何实现更加高效的能源管理，本文根据船舶工业4.0的启示，提出造船企业能源信息化管理系统，对该信息化系统进行总体设计，为造船企业能源管理信息化系统的开发提供指导。

1 系统需求分析

系统需求分析是系统在开发和设计前的准备工作，明确系统需要实现何种功能。本文结合用户对信息化系统的实际需求，对造船企业能源管理信息化系统提出整体要求[2]。

(1) 系统需要实现能源消耗数据自动采集，能耗指标和目标数据的自动计算，以及造船企业内外部能源消耗状况的需求报告和报表的自动生成；

(2) 针对系统角色的不同职能开放相应的权限和功能；

(3) 系统操作简便、流程规范、功能划分明确、运行安全，用户通过系统实现造船企业内部的信息维护和共享，以及各部门之间的协作办公。

1.1 系统功能需求

系统功能需求是指系统需要实现的软件功能。由于能源管理系统的最终目标是实现造船企业和经信委、节能监察中心对能源使用和能源消耗报告和报表的需求，因此，根据造船企业内外部报告和报表的需求，即可确定造船企业对能源管理系统的需求内容，进一步确定能源管理系统需要实现的功能。

(1) 能耗统计。系统需实现能源消耗量的自动采集和统计，针对各监测点进行实时能耗数据采集，分别按照年、季、月、周的周期进行能源消耗量和综合能耗的统计。

(2) 产量。系统需实现与工程管理系统的数据对接，自动提取各车间船舶产品当期产量，进而自动统计企业当期的吨钢量、能源吨钢量、修正总吨、相对吨钢量等数据。

(3) 能源成本。系统需实现与财务系统的数据对接，自动提取当期企业的产值、工业增加值、综合能耗成本、利润、利税等数据。

(4) 能耗指标计算。系统需实现企业级、部门级和车间级的能耗指标自动计算，如车间级单位产品综合能耗、万元产值综合能耗等，并对当期相关指标进行同比和环比，主要能耗指标和国家及省政府限额标准及先进值进行比较。

(5) 主要用能设备管理。系统需实现对造船企业主要用能设备台账信息的管理，同时对主要用能设备节能监测的结果进行分析及管理。

(6) 能源计量器具管理。系统需实现对造船企业的计量器具配备情况、计量器具状态、计量器具检测、计量器具台账以及计量器具网络图电子文档等的管理。

(7) 节能技改项目管理。系统需实现对节能技改项目的管理，制定节能技改项目的实施计划，对实施中的项目填写执行情况和后续进度计划。

(8) 报告和报表管理。根据内外部报表和报告的内容，制定系统报表和报告的模块，在系统内部将能耗指标及其他的动态数据对接，实现报告和报表的自动生成。

1.2 系统需求模型

能源管理系统的需求模型是在初始需求分析的基础上建立的功能模型，即建立用例模型。用例模型用PlantUML的用例图描述。PlantUML是一个开源软件，支持快速绘制时序图、用例图、组件图等。

(1) 用户挖掘。系统用户是系统的直接参与者，系统用户可以实现企业对系统的需求功能。根据需求功能的分析，能源管理系统的用户分为：系统管理员、系统报告和报表维护员、系统报告和报表审核员、能源统计员、能源设备管理员、技改项目管理员和查询用户。

(2) 用户分析。系统管理员系统是一个站在全局角度的角色，通常需维护系统正常有效运行，分配系统权限。在能源管理系统中，系统管理员执行的操作为2种：一是基础设置，包含能源部门设置、能源种类设置；二是权限设置，包含用户设置、角色管理和权限管理。

报告和报表维护员的权限是对系统的报告和报表模板进行维护，对生成的报告和报表进行编写，并对审核不合格被退回的报告和报表进行修改。

报告和报表审核员的权限是对系统生成的报告和报表进行审核及审批，同时提供不合格报告和报表的修改意见。

能源统计员的权限是维护系统中各车间、主要用能设备及各能源的统计数据全面和准确，同时核对能源指标汇总的正确性和全面性。

能源设备管理员的权限是主要用能设备管理、能源计量器具管理。主要用能设备管理的执行操作为主要用能设备的节能监测结果及分析管理、主要用能设备台账管理；能源计量器具管理的执行操作为计量器具配置管理、计量器具监测管理和计量器具台账管理。

技改项目管理员的权限是维护节能技改项目的台账管理，制定节能技改项目的实施计划，对实施中的项目填写执行情况和后续进度计划。

系统中有些用户具有查询功能，查询的主要功能是报告和报表的查询。

(3) 描述用例图。根据用户挖掘和用户分析，利用PlantUML软件进行系统用例图的绘制，该图较清晰地描述系统用户和系统功能之间的关系，如图1所示。

图1 能源管理系统用例图

2 系统总体设计

2.1 总体设计思路

能源管理系统总体设计以实现造船企业内外部需求的报告和报表自动生成为核心。首先，系统自动实时采集造船企业各智能计量表监测点的能耗数据，系统按区域车间和各能源总消耗分别进行统计。其次，基于Matlab计算模型，根据不同接口提供的数据，计算出企业需要的能源指标数据。最后，根据造船企业内外部报表和报告的要求，自动在系统中提取需要的动态数据，形成企业报告和报表的自动输出。

根据该设计理念设计的能源管理系统具有以下特点：

(1) 采集方式。该系统采用智能表计量，系统根据设置的时间间隔自动实时采集各监测点的能源消耗量，保证系统能源基础数据的准确性和可靠性。

(2) 能源指标计算。该系统的所有数据计算都基于Matlab的计算模型，减少由于人工计算过程中造成的数据错误，计算方便快捷、准确，且降低人工成本的投入。

(3) 报表和报告自动生成。自动生成造船企业需求的报告和报表，不仅减少人员的投入、降低管理成本，同时提高企业能源管理效率，增加管理人员的有效时间。

(4) 数据共享。所有在能源管理系统里的数据都可共享，企业能源管理者可以实时了解企业的能源消耗情况及主要用能设备和计量器具的使用状况等，可为企业管理者在制定生产计划和决策时提供依据。

(5) 系统操作。系统采用GUI操作界面，所有操作简单快捷、易用，通过简单培训就可熟练使用。

2.2 系统结构设计

能源管理系统是一个系统的工作，同船舶建造一样，系统涉及多部门、多方面的工作。因此，有必要进行系统功能模块划分，明确各模块的功能。根据系统的功能需求，将系统功能划分为能源统计、能源指标汇总、报告和报表、能源管理、基础管理等模块，如图2所示。

图2 能源管理系统功能结构图

能源管理系统功能模块的结构设计如下：

能源统计模块的主要功能是自动统计企业各能源消耗、车间各能源消耗和主要设备能耗，同时可查询周、月、季、年的能源消耗[3]。

能源指标汇总模块的主要功能是汇总企业级和车间级的能源指标，为报告和报表需要的指标数据提供支撑。

报告和报表模块为该系统的核心模块，也是该系统设计和实现的最终目标。该模块主要实现的功能有两部分：一是自动生成企业内部需求的报告和报表；二是自动生成企业外部需求的报告和报表。系统报告和报表审核员对生成的报告和报表进行审批，然后发布，不合格的则被退回，系统报告和报表维护员对其进行修改，然后再审核。系统报告和报表维护员对该模块有编制、修改和查看的操作权限，查询用户只有查询和浏览的权限，其业务流程的时序图如图3所示。

图3 报告和报表模块流程

能源管理模块是维护系统中的主要用能设备、能源计量器具、管理落后淘汰设备和节能技改项目。能源设备管理员主要执行的是编制主要用能设备的节能监测的结果及分析，维护主要用能设备的台账，维护落后淘汰设备相关的法律法规及其他要求，在检索时，设置参数条件，管理检索结果。同时，根据造船企业能源计量器具的实际情况维护系统中计量器具的配置情况、计量器具的监测、计量器具的台账。技改项目管理员主要执行的是维护节能技改项目，制定技能技改项目计划，编制实施中项目的执行情况及项目后续进度的计划。能源设备管理员和技改项目管理员对相应的信息资源具有增、删、改、查的操作权限。

基础管理模块分为两部分：一是基础设置；二是权限设置。基础设置执行的操作是能源部门的设置和能源种类的设置。权限设置主要执行的是用户设置、角色管理和权限管理。系统作为造船企业的信息化工作平台，面对的是企业所有员工，由于每个员工的职能不同，必然系统所允许的权限不同，因此，此系统采用RBAC的系统角色授权模型，该模型的特点是采用“用户-角色-权限”的系统角色管理模式，具有方便扩展性和便捷性。根据该授权模型，每个系统用户根据各自的职能分配相应的系统角色，相应的角色被授予不同的系统操作功能，每个系统用户所能访问到的内容与各自的角色所授予的权限相关。

2.3 系统架构设计

本系统采用的架构模式为分层架构，该种架构模式能实现问题的局部化，因此很多应用程序系统均采用分层架构。其优点在于：由于问题作为一个整体具有复杂性，可将这个整体分别封装在不同的层中，每层所使用的技术大致相同，所要解决的功能也具有类似性和相关性，这样化整为零，使复杂问题层次化、灵活化进而简单化，提高系统功能的扩展性和系统数据的可维护性。

依据本系统结构模块的划分，职责的不同和系统的交互功能，对该系统进行结构层次架构，依次为表现层、业务层、数据访问层，如图4所示。

图4 能源管理系统的层式结构

由图4可知，系统数据流是从表现层到业务层，再到数据访问层，然后到达数据库。

其中，表现层充当系统的界面呈现以及用户界面(User Interface, UI)逻辑的角色，通常UI属于表现层。但是，在实际生产过程中，为了节省后置隐藏代码，把对于UI的控制逻辑(服务器控件的读取、设置、事件等)写在页面的后置隐藏代码中，并且依赖业务逻辑层。因此，将表现层分为UI用户界面以及UI逻辑。UI用户界面的职责只是作为系统用户的交互，系统用户将请求命令输入并传给后台，系统后台处理后展示给用户输出结果。UI逻辑的职责是负责业务逻辑层以及UI用户界面之间的数据交互，并且尽可能地让UI逻辑不依赖于UI技术[4]。

业务层是系统按业务的过程处理从表现层传来的数据，并与下层的数据访问层交互。业务层关注的是业务实体建模的对象模型，表达系统需求的业务规则等，因此，业务层也叫领域层。

数据访问层直接操作数据库，主要作为数据的读取和写入，另外还包含事务处理、并发控制等，同时提供外部系统的各种接口。

图5为造船企业能源管理系统的逻辑架构图。

图5 能源管理系统的逻辑架构图

3 结 论

本文从提高造船企业能源管理效率出发，对能源管理系统的功能进行需求分析，然后利用PlantUML建立需求功能模型，依据该功能模型，完成能源管理系统结构和架构设计。该能源管理系统总体设计不仅为造船企业能源信息化管理系统的开发提供指导，也为其他行业在能源管理信息化系统的开发提供参考。

[1] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会.能源管理体系要求:GB/T 23331-2012[S].北京：中国标准出版社，2012.

[2] 王宇. 企业信息管理系统设计与实现[D]. 上海：东华大学, 2014.

[3] 杨悦. 选矿生产过程能源管理系统的设计与开发[D]. 沈阳：东北大学, 2007.

[4] 李晓智. 基于经费管理的分布式快速开发框架研究[J]. 信息系统工程, 2015(8):114.

GeneralDesignofEnergyManagementSysteminShipbuildingEnterprise

YIN Xiangjun1， MA Xiaoping1,2， WU Peng1， DING Jun1

(1.School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, Jiangsu, China; 2.Jiangsu Modern Shipbuilding Technology Co., Ltd., Zhenjiang 212003, Jiangsu, China)

The functional requirements of energy management system in shipbuilding enterprise are analyzed. A system case model is established by PlantUML software, which describes the relationship between the user and system function clearly. Based on the case model, the function structure and schema design of energy management system are completed.

shipbuilding enterprise; energy management system; general design

尹祥军(1991-)，男，硕士研究生，研究方向为船舶制造

1000-3878(2017)06-0082-06

U673

A