基于数据挖掘的高速公路服务区综合源监管系统的研究

丁笑迎，刘林，董淑敏

（1.山东正晨科技股份有限公司，济南250101；2.山东建筑大学信息与电气工程学院，济南250101）

1 引言

在世界主要发达国家和地区持续推进“能源新政”“绿色技术”“低碳经济”“工业4.0”等发展战略的影响下，智慧交通已经成为该领域研究的热点问题。十九大报告全面阐述加快生态文明体制改革、推进绿色发展、建设美丽中国的战略部署。交通运输是国家节能减排和应对气候变化的重点领域之一。加快发展绿色交通，是建设生态文明的基本要求，是转变交通运输发展方式的重要途径，也是实现交通运输与资源环境和谐发展的应有之义。

韩丹等[1]提出了利用太阳能光伏发电技术进行并网发电和离岛型微电网综合能源互补建。高速服务区能源消耗尤其是电能消耗脱离城市综合能源管网的支持，易造成能源传输的不稳定性以及在传输过程中的能源浪费和环境破坏。因此，借助高速服务区的太阳能等清洁能源进行服务区建筑物能源补充，通过建筑物光伏一体化设计以大数据挖掘为手段进行能耗监管实现节能应用[2]，改善服务区环境状态显得尤为重要。基于此，本文提出了基于“互联网+”与数据挖掘相结合的高速服务区新能源监管技术的研究。

2 研究目的

图1 系统功能分类

随着“互联网+”和能源技术的发展，在如此常态下的行业趋势变化和特点，以绿色公路新型技术驱动交通行业与能源行业政策与体制机制的深度融合，形成行业“互联网+”技术条件下绿色公路建设的标准模式。高速服务区以高速干道为依托广泛分布，是高速沿线的重要功能性单位，因此也是绿色高速交通建设中监测的重要环节。实现高速服务区综合能源互补，提高服务区综合能源利用率是当前的构架集约型高速服务区的首要任务，有利于保护服务区周围环境，减少能源浪费。系统功能如图1 所示。

高速服务区能源监控系统平台可以通过GIS 技术实现能源动态监测。如图2 所示，以某一服务区为单位，将风能、太阳能、地热能等新能源系统以及自来水、天然气、火电等传统能源系统通过能源信息采集器采集服务区监控点信息；利用5G技术进行实时数据快速、有效地远传至监控中心。根据采集上来的数据，利用数据挖掘服务器进行数据挖掘处理，分析该地区的能源结构，为能源管理人员提供能耗管理与节能改造的重要数据依据。

图2 GIS 能源动态监控

系统主要通过对服务区区域内的能源消耗进行有效地管控，通过节能设施、材料的使用和设备能耗管控两个方面进行实施[3]。实现设备的自动化控制，将空调自控系统、智能照明系统、送排风系统、给排水系统、变配电系统、燃油燃气和能耗数据采集系统纳入一套监管平台（系统）进行建设；通过平台建设，结合空调、照明、风机、水泵等系统设备的运行数据，分析能耗分布，通过系统的自动化控制，做到有效地进行持续的节能优化。

实现设备的节能监管、信息化处理，利用分布式测控系统产生的大量的运行数据、报警数据、能耗数据，云平台系统沉淀大量的设备历史数据、设备养护数据、人员出勤数据。通过数据挖掘分析生成养护计划报表，通过预警的形式实现对机电设备的“主动式”养护，将设备即时的故障信息通过物联网信息技术实时发布，通过实时报警的形式支持主动维护工作。

指标化监管，通过数据挖掘生成能效指标数据。把能效指标数据作为节能监控系统考核手段，通过对标机电设备的能耗评价机电设备的自动化控制水平和管理水平，通过比对多元化的能效数据评价养护人员的工作绩效。

把能效指标数据作为节能手段，通过数据发现设备运行中存在的跑冒滴漏问题和使用中存在的能耗浪费问题，持续改进控制工艺、维修系统设施、完善管理制度，在实现精准地可持续地对机电设备进行优化的同时，实现节能降耗。

3 系统平台与技术核心

3.1 系统总体架构

依托HAMDELL BES.C.S200.L4 能耗采集器为核心搭建能耗监管一体平台，主要用于交通部门总控中心对下属多个高速服务区的能源结构以及消耗状况进行实时监视、遥控和记录。高速服务区能源监控平台可以实现24 小时无故障不间断运行，可用ORACAL 数据库保存采集数据；数据上传周期延时小于50s，控制信号至执行器传输延迟小于5s。数据信息主要包括用水量、天然气、电能、太阳能、地热能，依据平台可以进行数据上下贯通并留有功能性接口添加子功能模块。

一体化平台实现面对能源企业、管理单位、政府部门等不同业务需求单位可提供具体的数据采集和业务协同功能接口服务[6]。能源监管一体化框架如图3 所示。

图3 能源监管系统结构图

3.2 网络与逻辑应用设计

目前针对能源的新技术不断涌现，齐鲁交通所辖路域内采用先进的OTN 技术搭建覆盖全省的光网络平台，构成了“互联网+”所必须的基础通信网络；新能源领域分布式电源、储能装置、能量转换装置、智能微电网等全部纳入一体化平台的网络实时监测内容。通过新能源管网、能耗设备、传统能源管网等各个功能的交叉融合充分利用依托高速公路的土地、能源、设施等资源整合为统一的云平台进行管控。

逻辑应用设计主要分为网络传输层、数据采集层和平台应用层。网络传输层提供信息加密传输以及接入认证服务，负责将采集到的信息进行加密并传输到一体化平台，数据采集层利用HAMDELL BES200 现场采集器对数据采集和现场处理。组网方式主要分为有线和无线两种方式，无线通讯方式主要以互联网和5G 移动网络技术为基础。

3.3 多元能源管控的智能微电网技术

研究利用智能微电网将新能源发电技术、能源管理和输配电基础设施高度集成，从而提高能源效率、减少电网的电能损耗，并在此基础上为后期深入开发建设微电网、扩大分布式电源与可再生能源的大规模接入奠定基础[5]。

智能微电网主要包括分布式光伏发电系统、储能系统、地源热泵系统、环境监测系统、微电网电能质量监测系统、综合监控及能量管理平台，以实现：①对太阳能光伏所发电量进行调节，实现各电源间功率分配平衡，保证电网系统的稳定运行，并可配置电池管理系统实现电池的充放电管理，可以在孤网时提供标准电源。②通过地源热泵系统利用浅层地能进行供热制冷，既能为建筑供暖，还可以为建筑提供制冷，一个年度形成一个冷热循环系统，实现节能减排的功能。③通过设置一套环境监测系统，可实时测量本地的气象条件将数据传送到监控系统，实时记录环境数据，并通过数据库，可储存历史数据。④通过对安装在微电网系统并网点的电能质量监测仪表进行数据收集，并进行处理，分析，实现对微电网系统电能质量的监测。⑤智能微网综合监控及能量管理平台利用现场总线技术、工业监控技术、网络通讯技术、计算机应用技术，完成对微网的实时监测、控制、协调运用能量管理策略等。

3.4 基于互联网的智慧节能应用

基于能源互联网的分布式智慧供配电技术。针对传统供配电系统中存在的建设运营成本高、管理粗放、智能化水平低、能耗高、设备寿命短、供电质量差、用电不均衡等一系列行业技术难题，研究基于能源互联网的智慧供配电技术[4]。通过能源互联网的技术理念，优化传统供配电系统，降低工程建设成本、降低能耗、实现智能化、易运维的智慧、节能供配电系统。能够满足高速服务区远距离供电及隧道供电需求，如图4所示，服务区机电设备能源检测模型。

高速服务区外场机电设施负载分布的特点是容量小、距离长，且基本全是单相负载，为此结合分布式供电技术与能源互联网理念，研究适用于外场供配电环境的基于能源互联网的分布式智慧供配电系统，为外场机电设施提供稳定、可靠、高质量的电源，保证设备稳定而又可靠的运行，同时智能化的监测外场机电设备的用电情况，实现便捷的运营养护。

3.5 基于数据挖掘的综合能耗监测技术

绿色公路体系下，需要对公路的各种能源使用情况进行宏观的统计分析与评估，为运营管理决策层提供有效的数据支撑。利用数据挖掘技术对高速公路各能耗监测点采集上来的数据进行清洗、集成、转换，根据数据信息建立各服务区能耗模型。在大数据中，将噪声信号（干扰信息）进行滤除，将有用的信号进行数据库存储，并将关键信息点进行提取进行模式评估。由此对能耗情况进行统筹监测，统一分析，提升电力能耗精细化感知，获取有力的数据支撑，为管理者提供有效的决策分析，绿色公路体系下的综合能耗监测技术是对运营期生产、生活、管理、服务等设备设施的电力能耗情况进行统计和分析，实现远程在线统计各种能源消耗数据，用真实、有效的数据反映绿色低碳路的成果。

4 系统实现

本系统在上述基础上已经实现完成，基于数据挖掘的高速服务区能源监管一体化平台实现对煤气、水、电、地热、太阳能以及风能等的实时监控管理。用水量、用电量监控通过HAMDELL智能水/电表抄送系统上传至上位机，上位机对当前数据进行数据库存储，并利用数据挖掘技术进行信息量特征提取，实现对水资源的消耗与管网故障进行实时监控分析。风光等补充能源主要为风电、光电转换，通过对风光系统功率输出、蓄电池储能系统SOC 检测并将数据上传至上位机系统，实现对风光补充能源的利用率及设备运行状态的实时监控如图4 所示。

图4 风光能源实时监控界面

5 结语

本综合能源监控一体化平台可直接应用于济南绕城高速东线南线与机场高速，实用性和技术辐射能力较强，应用和推广程度较高，可广泛应用于不同地区高速公路的数据采集和设备供电，提高公路多源数据的接入实时性和安全性，提高供电设备的供电质量，由此带来巨大的经济效益。另外，可以解决目前国内高速公路内的运输线路资源、闲置土地资源、交通数据信息资源、通信网络资源和运维养护团队资源等都没有形成统一的管理和综合利用的问题，实现高速公路资源利用的最大化。