数字化云平台助力供热产业智能化发展

梁晓龙

（宁夏华电供热有限公司）

1 概述

1.1 背景介绍

供热系统工程是城市最普遍，最常用的公共市政重要基础设施之一，其最主要的作用是通过利用热水或者蒸汽作为热量传输媒介，由一个或者多个热源通过热网向众多消费者用户提供生产和生活所必需的热能。供热系统是否正常运转，关系着众多居民冬季取暖、社会生活水平、社会满意度和空气质量等各个方面。

我国的供热方式随着经济社会和工业技术的进步，居民取暖效率低的问题已经得到了很大的改善和提高。从远古的篝火取暖到火炉取暖，再从烟道取暖到锅炉取暖，采暖方式处于不断的变化和优化之中。但是，目前我国现存的供热系统普遍存在着供热效率低、能源消耗高、空气污染严重、信息化和智能化偏低等问题。在全球都提倡绿色能源和节能减排的大趋势下，如何利用现代化的信息手段（例如云计算、大数据、人工智能、区块链等）优化供热产业供应链，提高供热产业供需双方的信息化处理能力是亟需解决的问题。

1.2 供热现状

我国居民的供热方式主要包含五类：散烧煤供暖、集中供暖、中央空调供暖、分户挂式燃气取暖以及电热取暖。

供热的三个基本要素是热源、热网和热用户。热源是指通过各种手段将各种能源形态转化为所需热能的装置。热网是由热源向热用户输送和分派供热介质的管线系统。热用户是指供热的终端使用方，热用户可以是家庭也可以是工商业企业或耗能建筑。具体的供热流程如图1所示。

其中，国内区域集中供暖分布占比如图2所示。

1.3 目的和意义

通过研究智能供热与云计算、大数据、人工智能、区块链等的结合点，提出一个云智能供热平台。云智能供热平台的应用，将集中解决现有供热体系存在的数据共享困难、数据业务标准不统一、数据存储及备份困难，业务协同难实现的问题。要解决以上所述的难题，需要充分利用云计算平台可以为多个业务系统提供计算、存储和网络资源的能力、大数据平台可以为海量数据提供存储和分析的能力、人工智能通过海量数据训练出最优模型，从而将大量人工重复工作交由计算机程序执行的能力以及区块链能够在不可信的网络环境中使用分布式共识机制实现多节点业务系统的能力，因此云智能供热平台是云计算、大数据、区块链和人工智能完美结合的新型供热网络服务建设模型。

1.4 创新点

本文的主要创新点概括如下：

1）以集团公司的云平台为基础，提出了一个云智能供热平台，将云计算、大数据、区块链和人工智能有机地整合为一个完整的解决方案。

2）通过区块链的图灵完备智能合约实现了供热网络多个业务子系统的数据共享及业务协同，解决了多个业务系统现存的数据孤岛问题。

3）热网业务应用服务采用微服务架构，将业务子系统的特定功能微服务化，解决了单体式应用架构调整困难的问题，从而使得供热服务具备更强的灵活性和可扩展性。

2 研究内容

2.1 云智能供热平台

2.1.1 总体架构

云智能供热平台将充分利用现代信息化技术（大数据、云计算、人工智能、区块链等），针对现有供热信息系统存在的诸多问题，设计一个通用的云智能供热平台，其总体架构如图3所示。

2.1.2 智能供热云平台

云平台是整个智能供热平台可以提供高效、安全、便捷信息化服务的基础，为大数据存储和分析、人工智能节能增效、区块链多业务系统数据共享提供了底层网络基础设施。

云平台底层将通过使用集群的方式进行搭建，辅之以各种先进的虚拟化技术和容器技术，将平台底层的计算资源、存储资源和网络资源进行二次构建，从而形成统一的资源服务池，可以为集团公司的各个子系统和个人用户提供服务。

在智能供热的相关设计标准和建议中，业务系统一般都会包括经营收费管理系统、客户服务管理系统、地理信息管理系统、全网水力平衡分析系统、能耗统计和分析系统、运行调度系统、生产管理系统、智能稽查系统以及设备设施管理系统。云计算能够在上述9个系统的业务运行中提供高可靠性、高可用性、高容错性、低成本性等服务，具体内容描述如下。

供热网络9个子系统的数据处理和数据存储需要有硬件资源的支持，而云计算能够为不同类型的业务子系统提供统一、可靠、稳定的服务。①9个子系统的业务数据处理都需要有计算资源的支持，云平台通过虚拟化技术、结合分布式计算、并行计算、高性能计算、网格计算、边缘计算等手段，将云平台多种异构的计算设备虚拟化为一个统一的强大的计算资源池，为上层应用的业务开展提供强大的计算能力。云平台可以通过高效的方式管理加入分布式集群中的异构松耦合源，并通过任务调度协调计算资源完成一项以前无法通过单台计算机实现的计算任务。②同样的，供热网络9个子系统运行需要有存储资源的支持，尤其是地理信息管理系统，需要有大量的地理信息数据需要存储。除此之外，9个业务子系统需要处理的业务数据结构十分复杂，数据类型也分多种，有结构化数据、非结构化数据、半结构化数据等。因此，底层的存储资源不仅需要提供关系型数据库的支持，同时需要提供非关系型数据库，甚至图形数据库的支持。云平台同样利用业界先进的存储虚拟化技术，解决了由于存储设备的差异性导致无法高效进行存储管理的困境。云计算存储虚拟化将不同类型的存储资源有机的整合为一个完整的数据存储服务，完美地解决了异构存储系统存在的兼容性、扩展性、可靠性和容灾备份等核心问题。③整个供热系统的正常运行不仅需要单独的9个子系统能够正常的进行业务处理，同时还要求不同的业务子系统之间能够进行业务数据协同，共同完成热能产业在热源、一次网、换热站、二次网以及终端消费者服务流程。要实现上述的多个子系统业务系统，离不开云平台网络资源的支持。与计算和存储类似，云平台也将采用虚拟化技术，对底层的网络通信设备也进行虚拟化。云平台将底层物理网络抽象为统一的网络服务，然后根据上层业务系统的需求，将一个虚拟的网络划分为统一管理和服务的虚拟网络。当然在虚拟网络的过程中，云平台也将提供虚拟防火墙、虚拟负载均衡以及虚拟路由的功能。概括来说，云计算平台在IAAS层利用虚拟化技术充分利用云计算集群的计算资源、存储资源和网络资源，为云平台管理人员提供了高效、便捷的管理体验，也为基于云平台的业务系统提供了可靠的计算、存储和网络服务，提高了云平台的资源利用率。

随着信息互联网的发展，网络安全已经成为企业发展的最重要因素之一，黑客或攻击者可以通过各种网络攻击手段（例如社会工程学、窃听、网络钓鱼、DDOS攻击、字典攻击、中间人攻击、DNS污染等）对业务数据的安全性造成巨大的威胁。云平台弱化了多个子系统间的边界，从而增加黑客攻击系统的复杂度；云平台可以为上层的业务系统提供统一的安全服务（例如拒绝服务攻击、中间人攻击、网络嗅探、端口扫描、SQL注入以及跨站脚本攻击等）；云平台提供了统一的身份管理机制和严格的数据访问控制机制限制不同级别用户的数据访问权限，从而可以满足不同业务系统的应用需求；云平台可以简化用户身份和访问凭据管理（IAM），针对每个人都有一套完整的审计跟踪功能，能够满足快速关闭用户访问云资源的能力；云平台天然具有防ARP公司和MAC欺骗的功能，数据不会丢失从而可以更好地保护数据安全。在传统的供热网络中，每个子系统都需要配备相应的安全设备及服务，实施和运维成本很高，安全风险反而居高不下。云智能供热网络的9个子系统都可以使用统一的身份管理和严格的数据访问机制，以最低的经济成本和时间程度，最大程度地保护业务数据的安全。

2.1.3 智能供热大数据平台

智能供热大数据平台通过大数据的技术将供热体系中的海量数据进行整合并且反馈应用供热服务领域，赋能供热产业链上的所有参与方，因此智能供热大数据是提高提升供热服务的水平和效率的重要工具。智能供热大数据是供热信息化里程的新阶段，是大数据相关技术在供热领域的具体实践，因此供热大数据以供热体系信息化为前提条件。随着供热体系信息化从纵向深耕走向横向打通，智能供热大数据的概念将会逐步的形成，并深入的应用于供热领域。

以智能供热大数据平台为技术载体，实现供热数据全生命周期的管理应用系统需要考虑以下所述的三个方面的内容。

1）数据承载。供热大数据数据来源十分丰富，数据结构十分复杂，除了包含9个业务子系统使用和产生的数据之外，还有诸多互联网数据、物联网数据等。智能供热平台通过底层云平台的建设，加速整个供热子系统的数据整合，需要实现多种数据结构海量数据的低成本存储和高效访问。

2）跨系统融合。随着供热系统横向深耕的不断拓展，不同的业务子系统会相互的交叉、融合和共享，智能供热平台需要建立统一集中的供热大数据共享平台，有效打通各个业务子系统之间的数据壁垒，大幅度的缩减多个业务子系统获取数据、数据处理和数据分析的时间成本，大幅提高供热服务能力。

3）决策科学化。集团可以通过统一的云平台有效整合多个业务子系统的数据资源和应用，利用大数据技术分析用户需求和子系统的性能瓶颈，针对每个子系统进行资源优化配置，解决供热体系服务内容单一、渠道堵塞和范围狭窄的问题。

2.1.4 AI智能供热

传统面向消费者的客服系统，基本上每天都会处理同样类型的问题，同一个问题可能会处理上百遍，客服人员面对千篇一律的问题，面对个别愤怒和不讲理的用户，难免脾气不好，影响客户服务水平。而人工智能从技术领域来看，主要应用的领域包括了计算机视觉、语音识别、自然语言处理和机器学习等，而客服管理系统需要进行语音识别并进行业务处理，因此客户服务管理系统与人工智能有深度融合的可能性。

基于人工智能的客户服务管理系统能够快速、有效处理用户简单的提问，通过人机交互解决大部分用户关于供热产品和服务的基础问题。尽管自然语言处理在各类人工智能应用领域的成熟度不高，但是在客服领域却得到了巨大的发展。传统的人工客服普遍具有需要较高的培训成本，难以统一和衡量的服务效果以及人员流动性大的问题。基于大数据和人工智能的智能客服能够快速有效解决用户的提问，利用知识图谱可以回答大量简单并需要重复的问题，从而可以加快供热服务的智能化。据统计，现有的客户服务市场已经有80%的客服机器人代替了人工客服，从而减少客服人员的使用，提升了客服的效率和效果，降低了客服成本，提高了用户的满意度。预计过不了多久，人工客服只会在一些非常特殊的领域应用，大部分应用场景中，智能客服将完全代替人工客服的工作。

智能客服可以7×24小时为用户提供高效便捷的服务，大幅提升用户咨询的效率，并且能够降低供热服务企业的运营成本。因此未来的客户服务管理系统中，智能客服将成为主流的解决方案，人工客服已经从主流变成了辅助形式，甚至随着人工智能技术的进步，未来将被完全代替。2.1.5 区块链式智能供热在热网服务体系的9个业务子系统中，如果每个业务子系统都只在其所在的域中处理业务逻辑，那么整个供热体系的服务都将无法运行，因此需要不同的业务系统之间进行数据共享。随着集团公司要求按照标准和规范在云平台建设统一建设业务系统，这为区块链实现各个业务系统提供了硬件基础，区块链将在不同业务系统之间实现数据共享提供底层的基础设施支撑。

区块链式智能供热体系将通过区块链不可篡改的链路哈希机制、默克尔树以及可插拔的共识机制，解决不同供热业务子系统数据一致性和易篡改的问题。通过区块链的不可篡改和时间戳特性，为供热系统中的数据建立电子身份，从而可以实现数据的高效溯源和确责。同时，利用区块链网络提供的一体化智能合约技术，建立数据共享标准和业务标准，彻底解决不同业务子系统的标准化和一体化问题。

基于区块链的供热体系数据共享设计中，数据提供部门通过智能合约进行数据上链，然后数据需求部门在获得授权后，对共享数据进行链上查询，完成数据的共享请求。由于区块链可以完全透明地记录所有数据共享的全过程，监管部门可以利用账本数据准确的回溯共享数据的操作记录，进而对历史操作进行有效性研判，实现数据的溯源和确责。区块链式智能供热的关键步骤包含以下三点。

1）数据上链。数据提供部门需要利用区块链的智能合约，根据集团公司的业务子系统数据共享标准和规范，将需要共享的数据上链，从而保证了共享数据的标准化和一体化。数据提供者在上链之前，需要和所有的业务利益相关方预先设定数据共享的有效性原则，从而可以保证数据上链流程的标准化和有效性，从而最终完成数据上链。

2）数据流转。数据需求系统需要经过严格的用户授权机制实现对数据的请求使用，需要通过应用本地系统的存储凭证，将授权信息上传至授权信息链。数据需求系统提交数据请求时，在链上进行鉴权交易，区块链将根据公开的原则验证节点的授权信息和请求数据，并自动实现业务的处理，从而完成数据的最终流转。

3）数据溯源。业务数据在供热各个子系统中共享过程中，通过区块链的不可篡改特性和时间戳特性，为数据建立统一的电子身份；监管部门根据数据的电子身份，通过智能合约自动全程记录数据使用过程并记录，最终实现业务数据的全程可信溯源。

2.2 建设成果

根据宁夏华电供热有限公司智慧企业、智慧供热的需求，结合宁夏华电供热有限公司IT实际情况，经过详细调研和设计后，将公司数据中心分为四大区域：控制网络区、信息网络内网区、灾备区、公有云区。现已建成控制网络区、信息网络内网区。

2.2.1 控制网络区

控制网络区为高密区域，区域内系统可划分为：工控系统、OPC系统、内网电话系统、视频监控系统、LED大屏显示系统等。控制网络区通过单向光闸与信息网络内网区相连，网闸方向为从控制网络区到信息网络内网区单向传输。并通过专线与各营业厅相连，收集并管理各营业厅视频监控类设备和数据。同时，控制网络区与换热站控制系统、各换热站、APN视频监测系统和APN泄露监测系统通过专线相连，主要承担工控系统业务。

2.2.2 信息网络内网区

信息网络内网区是宁夏华电供热有限公司的核心数据中心，按照功能可大体分为如下区域：桌面云系统（桌面云数据中心、办公区、桌面云接入区、各营业厅、客服区、办公区）、内网核心数据中心（内网可用区1、内网可用区2、银行接入区、仲裁系统）、运维管理系统（各区）、测试数据中心（测试区）、互联网接入系统（互联网接入区）、无线覆盖网络系统。另外，由3个大平台对整个数据中心进行统一管理，分别是安全态势感知平台、终端防病毒平台、云计算管理平台。

2.2.3 灾备区

灾备区是对信息网络内网区中内网可用区1和内网可用区2的平台级异地容灾，通过灾备区的建设，实现RTO分钟级、RPO秒级应用级容灾，当信息网络内网区中的内网可用区1和内网可用区2出现物理灾难或逻辑灾难不可用时，灾备区数据中心在被管理人员授权后可快速接管业务，保障数据安全性和业务连续性。

2.2.4 公有云区

公有云区用于承载对于基础资源弹性要求较高的创新应用，如客户服务业务、移动办公业务等。通过信息网络内网区云计算管理平台对公有云进行统一监控、管理，实现数据中心私有云和公有云打通，为未来多集群混合云架构打下基础。

2.2.5 价值分析

2.2.5.1 项目规模及复杂程度分析

宁夏华电供热有限公司数字化云平台建设是面向公司现有数据中心的一次整体升级和优化，建设范围包含了公司整体数据中心的控制网络区、信息网络内网区、灾备区、以及公有云，建设内容涵盖了计算、存储、网络、安全、灾备、大数据，项目规模大，复杂度高。通过顶层设计到分步实施，系统性的实现了公司整个IT基础架构从传统模式往数字化模式转型。

2.2.5.2 总体技术经济指标的先进分析

宁夏华电供热有限公司数字化云平台建设秉承“技术引领，服务业务” 的理念，充分采用了当今先进的IT基础架构建设技术，包括了超融合技术、软件定义数据中心技术、云计算技术、自动化运维技术、下一代灾备技术、大数据技术，使得整个数字化云平台的技术先进性领先于集团对于智能供热系统建设实施规范中对于IT基础架构的基本要求。

同时宁夏华电供热有限公司数字化云平台建设的可研阶段，也对国内发电公司同行如华能、国电、大唐的数据中心建设进行了行业分析，汲取并优化同行的建设经验和建设技术，保证宁夏华电供热有限公司数字化云平台建设在行业内也具备技术先进性。

2.2.5.3 已获经济或社会效益分析

通过宁夏华电供热有限公司数字化云平台建设，信息中心对于业务的交付部署，实现了传统的采购+支持模式的转化为自助化服务模式，大大缩短了业务创新的周期，业务上线实现周期从以前的3个月～半年，提升至1～3天。

通过宁夏华电供热有限公司数字化云平台建设，实现了传统的烟冲式、无法共享的物理资源交付模式向资源池化、资源共享的交付模式转型，极大地提高了数据中心基础资源的使用率。业务对于资源的利用率从以前10%以内提升至70%以上，节省了不必要的采购成本。

通过宁夏华电供热有限公司数字化云平台建设，实现了传统人工运维向自动化运维的基本转型，通过自动化监控告警分析、自助服务运营，进一步简化现有繁琐的IT运维工作。这样释放了IT人员投入的基础运维精力，有更多时间以提升业务层面的能力，更好地服务业务。通过人员能力提升，从而提高了信息中心的人均效益。当前信息中心运维工作量相比建设前减少50%以上。

通过宁夏华电供热有限公司数字化云平台建设，完善了数据中心的灾备体系建设，提升了业务运行的连续性，为公司持续经营业务，保障供热服务对象体验满意度打下了坚实的基础。当前云计算平台的可靠性服务等级提升至99.99%。

2.2.5.4 推动电力科技进步的作用分析

随着业务从传统模式向数字化转型，业务对于信息技术的要求越发明显，两者已不可分割。业务创新对IT基础设施也提出更高的要求。除了传统的生产管理类业务，还出现了物联网业务、客户服务业务、视频监控、智能预警业务、移动办公业务等，业务的多样性就需要IT基础架构设施具备更灵活扩展性、更丰富的架构支撑能力。通过宁夏华电供热有限公司数字化云平台建设，有效支撑了业务的创新，保障了企业智能供热系统的建设、落地和持续经营及演进。

3 总结与展望

本文通过研究智能供热与云计算、大数据、人工智能、区块链等的结合点，提出一个云智能供热平台。该平台以物理热网设备采集的数据为输入，充分融合云计算、大数据、人工智能和区块链等新型信息化技术，以此为智能供热管理人员和决策部门制定政策提供可信的数据支撑。云智能供热平台将云计算作为最底层的计算、存储和网络服务提供者，结合大数据存储及分析海量数据、人工智能通过模型节能增效、区块链通过多方共识实现非可信多方进行数据共享及业务协同的优势，在保证供热安全和满足消费者供热需求的前提条件下，提出了一个能够完整闭环运行的全生命周期供热管理平台。该平台与现有的供热体系相比，信息化处理速度更快、能量消耗更低、热能使用效率高、供热产业链业务处理强，因此本文提出的云智能供热平台能够成为智能供热的示范性平台。除此之外，本文提出的云智能供热平台能够满足未来供热系统业务的横向扩展的需要，从而使得平台具备更好的扩展性和灵活性。未来考虑到云计算底层基础设施的不断完善和发展，云智能供热平台在设计的过程中采用模块化、可插拔的设计机制，从而可以更好地适应未来云计算技术的发展，更快满足供热体系智能化的需要。