行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告
建築物智慧型空調能源管理網路
計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2622-E-002-022-CC3 執行期間： 91 年 06 月 01 日至 92 年 05 月 31 日 執行單位： 國立臺灣大學機械工程學系暨研究所 計畫主持人： 顏家鈺 計畫參與人員： 黃孝怡、王俊仁 報告類型： 完整報告 處理方式： 本計畫為提升產業技術及人才培育研究計畫，不提供公開查詢中
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國 92 年 8 月 25 日
行政院國家科學委員會
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畫成果摘要報告
畫
建築物智慧型空調能源管理網路
計劃編號：NSC91-2622-E-002-022-C33 執行期限：91 年 6 月 1 日 至 92 年 5 月 31 日 主持人：顏家鈺教授 台灣大學 機械工程學研究所教授 計劃參與人員：黃孝怡 台灣大學 機械工程學研究所博士班研究生 計劃參與人員：王俊仁 台灣大學 機械工程學研究所碩士班研究生一.中文內容摘要
本計畫的目的是在發展一套以網 路為平台的能源管理系統。由於能源 管理牽涉到設備與元件各有不同的通 訊協定與控制工具，因此各自形成不 同的區域性控制網路，為了將各控制 網路中的資訊整合並進行分析，本計 畫發展了一個以代理者( Agent )為基 礎的能源管理網路。主要的方法是利 用資料庫技術與行動代理者程式 ( Mobile Agent )作為資訊網路和控制 網路間資料整合的工具，以串聯整套 的智慧型能源管理網路。研究的內容 包括以代理者為基礎的資料庫通訊架 構、具有資料倉儲和決策支援系統的 決策核心，以及包括監督管理層、區 域控制層和設備層階層式的遠端監督 控制架構。此架構的目的是透過網路 針對大樓空調電力設備採取適當節能 策略並進行智慧型分散式控制。智慧 型分散式控制網路具有以下的特點： 分散式的智慧型處理、具有資料處理 分析能力、階層式系統、具有整合與 擴充能力。 由研究結果顯示，藉由行動代理 者的資料傳輸，可以成功地將系統的 運轉資料儲存到遠端的資料庫系統 中，經過線上分析處理後，最後以網 頁介面 JSP 輸出；也可以藉由行動代 理者將監督管理層的資訊，經由區域 控制層傳至設備層中，以決定設備的 運轉情形。ABSTRACT
The main purpose of this work is to develop the network platform energy management system. The difference in the plant’s communication protocol and controller in the energy management system often cause the distinction between each local area network. Therefore , we devise the agent-based for energy management network in order to integrate and analyze the information of each network. By using the database
technology and mobile agent
programming to accomplish the
integration of information network and control network, we can complete the intelligent energy management system structure.
This thesis includes the agent-based database communication architecture, the data warehouse and decision support system, and the hierarchical remote
monitoring system ( supervisory
management level, local control level, plant level ).
According to our experimental results , the system’s operation data can be stored in the remote database system successfully, and the result could be demonstrated by JSP homepage after on-line analysis ; the plant’s operation condition can be controlled by mobile agent which could send supervisory management level’s message to plant level.
二.計劃緣由與目的
由於天然能源的來源有限，人類 在不久的將來勢必會面臨天然能源枯 竭的問題。在能源工程的領域上，從 以往的節能設備開發、新燃料的發明 等 硬 體 的 研 究 ， 延 伸 到 能 源 管 理 （Energy Management ）的研究 與實 現。能源管理最常見的例子表現在電 力尖峰負載管理上。因為隨著經濟的 持續發展、高科技電子廠的興建和都 市高層建築物的增加，台灣的電量需 求不斷上升，而空調系統所佔的耗電 比例更是居高不下，尤其是當夏季來 時，空調負荷增大，容易產生尖峰用 電量不足的情形。因此在開發新電源 方案極為困難的情形下，只有將現行 的設備作更有效率的應用，才能避免 供電不足的問題。目前台灣現行的政 策 上 ，台 電 公司 是 唯 一 的 電 力 供 應 者，因此當在尖峰用電時，台電採用 強制降載來約束使用者的用電量。但 若從需求面來看，使用者若能夠針對 自己的系統作有效的能源管理，亦可 達到節能的目的。 為了能針對以上的問題，提出一 套完整的能源管理解決方案，本研究 特別提出了一個分散式智慧型能源網 路管理系統架構，主要的目的在設計 一個可以整合不同協定與設備子系統 的分散式智慧型控制管理架構。其關 鍵是利用行動代理者(Mobile Agent)程 式與 Web Server 建立一個子系統間資 料整合與通訊的架構，並建立一個自 動化的管理與操作決策中心，透過以 下的功能來達成能源管理的目標： －Mobile Agent 資料通訊傳輸架構。 －利用 Web 和網路資料庫技術進行 資料的整合。 －利用資料庫技術來進行即時的監 控與管理決策，以達到決策自動 化和遠端監控管理的目的。 －建立分散式的控制架構並發展控 制與管理的法則。 並在三個方向上証實其可行性： －建立三層式的監督管理架構。 －發展系統間有效的通訊架構與資 料處理流程和資料分析功能。 －建立一個階梯式分散控制架構。三.Agent-Based 能源管理網路
基本架構
（1）網路實體架構 智慧型能源管理網路是以控制網 路、Internet、Ethernet 結合而成的能源 網路管理架構，建築物內部的空調、照明、電梯等牽涉能源管理的系統的 控制單元和元件本身都可由 BACnet 網路或是由 Fieldbus 或其他方式連結 起來形成控制網路，由區域控制站負 責 監 控。 當 達到 一 定 數 目 的 建 築 物 後，再透過 Ethernet 的相互連結而形成 區域性的網路，並且由監督管理中心 負責管理與監控，因此管理者就可由 網路得知現今電能的需求、機台使用 的訊息、或是直接進行遠端的監控和 管理，而各部分組成和功能說明如下 (如圖 1 所示)： 監督管理中心：監督管理中心的 內部核心除了上述的操作系統、資料 庫、使用者界面外，還多了決策支援 系統( Decision Support System )，以便 提供更多管理分析功能，另外還多了 行動代理者的執行環境，以便進行資 料連結的動作。而監督管理中心的功 能包括模組組態管理、效能管理、安 全管理、管理伺服器、管理資料庫和 決策支援系統應用程式等。 區域控制站：建築物控制管理站 是負責建築物層次的管理與控制單 位。建築物控制管理站負責建築物內 各系統的監控與管理，其組成包括伺 服器和資料庫。建築物控制管理站存 取來自各系統的能源資料，並定期的 上傳至監督管理中心，以更新監督管 理中心中資料庫的資料。區域控制管 理站並且必須確保建築物內部各系統 運作的正常，如果發現系統內部有不 正常的情況，能夠立刻通知監督管理 中心。透過和設備的連結，搜集各元 件的資料，並將資料儲存在資料庫中。 機台設備：在此我們研究的對象 為空調系統為主，故設備的通訊是由 適用於 BACnet 網路協定所組成，但 如果是早期沒有網路連線的設備，則 可以使用數位控制器連上上網代用 PC 來進行通訊功能。 （2）分散式智能管理架構 Agent-Based 能源管理網路的分散 式智能如表 1 所述： －監督級運作管理( Operation Supervision )：包括全系統整體適用 的智能管理功能，如負載預測、編 排每日的操作計畫、故障診斷等。 －監督規則( Rule-Based Supervision )：包括各子系統依據不 同溫度或負載狀態的設定點與判 斷法則。
－基本控制律( Control Law )：如 PID 控制參數等。 （3）網路平台系統 前述的資料庫、服務應用程式與 通訊程式，必須選擇有效的工具與技 術平台。其中網路資料庫的部分一般 多使用 Microsoft 所開發的 SQL 資料 庫，主要原因在能與多數系統配合。 而由於網路技術的發展，服務應用程 式與通訊程式採取的工具必須具有跨 平台、穩定、保密性高的特性，而 Java 語言正是兼備這些特點；而網頁的部 分採用 JSP 加上 Tomcat 伺服器，行動 代理者的部分是採用由 IBM 發展的 Aglet 規格。
四. 行動代理者技術與資料通訊
（1）簡介 行動代理者為一種特殊的軟體程 式，它可在一異質網路系統(Heterogeneous Network System )內，從 一主機遷移至另一主機做溝通、交互 作用(Interact)，以協助使用者達成某種
目標。事實上行動代理者並非最近才 出現的名詞，早在 80 年代就有遷移式 處理( Process Migration )的觀念生，到 了 90 年代 MIT 更發展了遠端計算 ( Remote Evaluation )的系統。而最近這 幾年因為網路頻寬不足與穩定度的因 素，使得行動代理者這領域快速的發 展。因此如 IBM、General Magic 等公 司都各自發展了一套完整的行動代理 者系統( Mobile Agent System)，可見其 受重視的程度。 行動代理者傳輸模式是由送出端 ( Sender )先建立執行緒，再暫時停止 執行的動作( Suspend Execution )，接著 將行動代理者程式碼進行編序，此目 的是為了將物件( Object )編成位元組 資料流的式，最後再將此位元組碼封 包傳送至現行網路架構中。 至於在接收端方面，當接收端 ( Receiver )收到位元組碼封包時，其程 序會跟當初發送端過程反向。先將此 位元組封包解碼且反編序( Deserialize ) 化成物件的型態，最後啟動行動代理 者本身的執行緒，並在接收端電腦進 行所賦予的任務。如此就可達到使用 者透過網路進行遠端監控的動作。 本研究中的行動代理者是採用 Java 程式撰寫，並參考 IBM 公司的 Aglet 開發環境架構和 Aglet 生命週期 的程序來設計。使用 Java 語言是因為 其簡單易學、跨平台、純物件導向的 優勢，加上 IBM 的 Aglet 也是用 Java 來開發如此更容易上手。至於不直接 使用 IBM 所開發的 Aglet 是因為它為 了讓使用者方便，設計了一套圖形化 介面( Graphics User Interface )，但因為 程式碼層層的呼叫與繼承使得修改其 功能極為困難，加上本研究中行動代 理者所賦予的責任是資料的傳輸和下 達控制命令，所以並不需要其圖形介 面。 （2）能源管理網路行動代理者程式 本研究中的行動代理者都是為了 聯絡上層監控端與下層控制端資訊所 設計，所以若是依其功能可以劃分為 以下兩者： 1. 資料傳輸行動代理者 ( Data_Acquest_Aglet )：主要任務為 依據系統所規劃的排程，按時地抓 取控制層的原始數據並上傳至監控 層裡。而為了避免不同作業平台可 讀檔案不同而造成介面間的隔閡， 本設計原則全以最常見的文字文件 檔(副檔名為 txt)做為傳入與輸出格 式。 2. 控制命令行動代理者 ( Control_Aglet )：主要任務為將使 用者所輸入的控制參數由監控層 下達至控制層端。其本體架構跟資 料傳輸行動代理者相當類似，但缺 少排程規劃的問題。且因為所夾帶 的資料量只剩下一個數值(欲設定 之參數值)，故在 Control_Aglet 本 體直接新增一成員(control_value) 紀錄，以節省 Aglet 所佔大小。 除了 Data_Acquest_Aglet 核心的 部份，除此之外還要處理有關編序 ( Serialize)、輸出輸入( I/O)、通訊協定 ( Protocol)等，其全部所須要建構程式 和功能如表 2 所示。
五. 能源管理與監督控制架構
（1）局部控制層 1. 監督式控制簡介 能源系統的監督式控制主要的目 的是在考量環境的變化與系統的需求下，對不同的子系統提出共通性的、 協調性的控制命令。監督式控制器會 依據天氣變化、操作計劃能源使用狀 況，提出一個監督式控制的指令來操 作系統。 在本研究中，將系統分為三個控 制層級，每一層級有不同的控制功 能，三個層級的控制功能能依序整合 才能完成一個完整的控制動作，因此 也稱為階層式的監督控制。在監督管 理層中，決策核心提供各子系統協調 控制的參考命令，參考命令會經由行 動代理者傳輸至區域控制層中，區域 控制層中的監控軟體根據參考命令與 本身的判斷法則，決定系統的開啟狀 態，然後最底層的控制器和設備元件 會依照局部控制層提出的指令，結合 本身內建的控制律完成系統的動作。 2. 區域控制層與設備層架構 區域控制層的核心是一個區域控 制伺服器，包括監控軟體和資料庫。 監控軟體有內建的控制判斷法則，此 法則會依據監督管理層所提供的參考 指令作判斷。而本研究中參考指令是 外部環境的溫度預測值。當監督層的 參考值由行動代理者週期性的送入監 督層資料庫時，監控軟體會以週期性 的方式讀取資料庫中的控制值，再經 由判斷法則決定系統的狀態。 （2）監督管理層與決策核心 監 督 管 理 層 的 主 體 是 決 策 核 心。包括兩大部分： 1. 資料庫數據分析系統：以資料倉 儲為核心的資料庫數據分析系 統。（資料表關聯圖如圖 2 所示） 2. 建築物能源決策支援系統： 整體的線上分析架構如圖 3 所 示，包括以下的模組： －資料處理模組：功能為設備運轉 資料處理、歷史資料分析等。（如 圖 4 及圖 5 所示） －溫度預測模組：功能為空調負載 預測。 －主機負載最佳化決策模組：功能 包括電力負載管理策略規劃、用 戶端空調使用舒適度 電力節能 之最佳化控制。（如圖 6 所示） －設備監控與診斷模組：功能為空調 設備即時監控與診斷，包括： a.空調箱故障診斷(如圖 7)。 b.冷卻程序故障診斷(如圖 8) 。 當使用者進入伺服端 JSP 網頁時(利 用 Tomcat 軟體所建立的伺服器)，便會 啟動 JDBC 驅動程式對於 SQL Server 2000 與 Access 資料庫進行資料的擷取 與運用，而網頁所呈現的種種功能則 是透過 Java 來撰寫。
六. 遠端分散式監控程序
本 系 統 的 主 架 構 階 層 與 控 制 方 式，其分層的功能如表 1 所述：其控 制架構見圖 9，遠端的監督管理中心透 過網路以控制型行動代理者(Control Aglet)傳輸預測資訊給區域控制站，而 區域控制站以內建的判斷法則決定系 統的操作狀況，然後透過底部的控制 器維持系統運作。其判斷法則為 if-else 敘述：if ( predictive value＞setpoint value) Open_System；
這樣的控制法主要的目的是在因 應系統由不同的子系統構成，且不同 的子系統的操作條件各不相同時，控
制中心可以藉著資訊的傳遞來使得各 子系統控制站因應本身的需要做不同 的動作。 在本研究的架構中，控制電路板 採用的是腳位控制電路。當行動代理 者攜帶資訊至下層控制站的資料庫 後，LabVIEW 程式經過讀取資料庫資 料後，判斷輸出符合 TTL 位準的數位 訊號給控制電路，以控制元件的性能 (風扇轉速)。 系統的性質(溫度值)將會由感測 器擷取後，存入區域控制層的資料庫 中，並由資料傳輸行動代理者 ( Data_Acquest Aglet)帶回至監督管理 中心的資料庫中，如此遠端使用者便 可以直接由 Web 上看到相關的資料。 本研究以一具有熱負載的冷房作 為設備層，主要的控制功能是風扇的 開啟與轉速，擷取系統 10 分鐘內溫度 的情形。，另外當監督管理層接收到 行動代理者傳回的訊息，利用 DTS 將 溫度值與延遲時間轉入資料庫後，再 透過 JSP 將結果呈現在網頁上(見圖 10)。
七.結果與討論
本研究的內容主要是針對各廠商 的空調設備，在盡量不改變現有裝置 的情形下，提供一個網路的線上監控 管理架構。目前除了老式的空調主機 外，現今的空調設備都留有連上網路 的裝置，但因為種種的考量下都只有 在局部區域網路( Local Area Network ) 連線的範圍。而本研究就是規劃一套 能源管理網路平台，除了將操作提昇 至網際網路( Internet Network )的階段 外，並在線上提供各種服務模組，並 且藉由資料倉儲分析機台運轉的效 能，使得對於節能更有貢獻。本研究 所達成的目標如下： (1) 在系統通訊架構上： －應用行動代理者( Mobile Agent )：本 研究開發行動代理者的環境與本 體，並利用行動代理者來進行上層 (監督管理中心)與下層(區域控制站) 間的資料、控制命令的傳遞，。 －整合不同階層的網路架構：利用間 接性的文字檔案間的傳遞，將網際 網路的資訊( Information )能與下層 的區域網路端分享。 (2) 在決策核心上： ◎建立資料庫管理的架構：規劃各種 資料的性質與關聯。包括預先存入 的建築物基本資料、各設備的設定 性資料等，或是需線上更新的機台 運轉資料、線上交易處理系統 ( OLAP )所需的操作資料等。 ◎更多管理監控工具的開發：參考多 種不同演算法，並依其邏輯實際撰 寫程式碼，使用者只需根據自己系 統輸入特定參數，即可對設備進行 診斷或是作為決策制定的參考，。 ◎採用線上交易處理與資料倉儲技術 於能源管理系統：利用資料倉儲中 Cube 的建立，讓使用者有更多維度 選擇的查詢，並可直接在線上出分 析圖表於網頁上，方便管理者的解 讀。 (3) 在遠端控制上： ◎本研究利用一個分散式智能架構完 成監督式的遠端控制，未來在大系 統的遠端控制上，階層式的監督控 制是一項趨勢，本研究則是驗證了 可行性。八.參考文獻
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圖 1 Agent-based 網路控制管理架構 圖 2 資料表關聯圖 資料庫 與 資料 倉儲 使用者 介面 SP OLAP 資料建構模組 機台操作模組 機台管理 分析模組 冰水主機負載 最佳化 冷卻過程故障 診斷 空調箱故障診斷 資料建立與查詢 Databas e 遠端 使用者 運轉時數 統計分析 Databas e Databas e 分散式 資料庫 Mobile Agent
Supervisory Management Layer Local Control Layer Facility Layer 設備 設備 設備 溫度預測模組 當日溫度預測 圖 3 線上分析架構圖 圖 4 冰水主機運轉參數資料圖 圖 5 各主機運轉時數比例圖 圖 6 空調箱故障診斷圖
圖 7 冷卻過程故障診斷圖 圖 8 主機負載最佳功能頁面圖 Ethernet C M Supervisory Management Center Server Data Agent Control Agent 決策支援系統 Labview Program 資料倉儲 Local Control Station Server Sensor Fan 監督預測功能 區域控制邏輯 控制電路 冷 房 圖 9 遠端控制架構圖 圖 10 監督管理層之冷房溫度圖 表 1 分散式智能管理架構 層級 實體 控制方式 內容 監督管理層 監督管理中心 參考指示 網頁、程式邏輯 區域控制層 區域控制中心 判斷法則 LabVIEW、PC 設備層 設備、控制器 控制律 電路板
表 2 Data_Acquest_Aglet 程式模型
類別程式 說明
Data_Acquest_Aglet.java Aglet 本體：定義 Aglet 如何建立(Create)、傳遞
(Dispatch)、丟棄( Dispose )等，安排時程與到達目的地 所需進行的任務(task)。 Context0.java 設定好 Aglet 所需要的環境與參數。 AgletInputStream.java AgletOutputStream.java 把物件( Object )與位元組資料流( ByteCode ) 做互相轉換 AgletCodeLoader.java AgletLoader.java 將位元組碼解譯以建立類別程式 ATPURLConnection.java ATPURLStreamHandler.java URLStreamHandler.java ResponseHandler.java 借用 IBM Aglet 的溝通模式，簡化代理程式傳輸協定 ATP，並且設定 Server Port 以聆聽 Client 的回覆 ( Reply )。
AgletClient.java AgletServer.java
