技术领域
[0001] 本
发明涉及
能源管理领域，特别涉及一种基于真实三维场景和虚拟
传感器 的冷热电负荷预测可视化布局系统及方法。
背景技术
[0002] 低
碳经济的实质是创建清洁能源结构和提高能源利用效率，而提高能源利 用效率则是能源中心的一个显著特点，因此，在能源中心项目中建设一个拥有 先进技术手段和高效能源利用效率的能源系统是非常必要的。其中，在能源中 心冷热电负荷预测系统的后端，通过TagId来唯一标识每个传感器点位，并用于 检索该点位数据，这要求工作人员熟记TagId所对应的实际传感器的
位置，并具 有较好的空间想象能
力，要求较高；或者利用传感器的平面点位图和TagId来标 注点位，但在整个庞大的供能区域中及时找到相应的位置也是不容易的，而且 传感器一般依据经验进行布局，存在一定的不合理性。
[0003] 基于真实三维场景的三维可视化技术可以利用提前建好的场景模
块快速搭 建供能区域的三维模型，其具有的放大、缩小和透视功能使得工作人员能够精 准、直观地
定位。其次，实际的传感器拘泥于现场的环境状况和建筑结构，其 布局具有一定的局限性，比如空间狭小无法安装、潮湿不利用长期使用等情况。 因此，引入虚拟传感器放置于这些受局限的地方，其不是真实存在的传感器， 但依托于真实存在的传感器，根据守恒公式、
采样法和统计学方法来确定监测 数值。这对冷热电负荷预测系统提供精确的数据具有重要的意义，同时对实际 传感器的布局优化具有指导意义，将减小投入成本和运行成本。
[0004] 经对
现有技术的文献检索发现，孙淑红在《公共建筑冷热电三联供系统研 究》中概述了冷热电三联供系统的能源阶梯利用、城市负荷
削峰填谷等运行模 式，并指出应充分考虑建筑本身的负荷特点和当地相关政策等因素，但没有给 出实际的解决方案。而本发明通过在供能区域布置传感器和接受第三方数据来 监测分析建筑本身的负荷特点。
[0005] 经对现有技术的文献检索发现，罗彬在《基于C#与OpenGL的密集井井眼 轨迹三维可视化系统研究》中建立了具有真实性的三维可视化场景来反映实际 所钻的井眼轨迹和预期设计的井眼轨迹产生的偏差，从而提高对底层构造、储 层特征的判断，控制
钻头在储层内钻进的方向，提高效率，节约成本。与本发 明的真实三维场景模型的思路相似，但该作者是对比井眼轨迹的偏差，本发明 是突出真实三维场景的可视化和三维场景中虚拟传感器的布局优化。
[0006] 经对现有技术的文献检索发现，凌牧，袁海文在《基于键合图模型的传感 器布局方法》中利用键合图建立的系统模型及其结构信息和因果关系约束推导 出一组解析冗余关系式，从而在满足系统性能的前提下选择数量最少的传感器 布局方法。然而该文整个系统都是模拟的，尤其是关于传感器的关系式的推导 没有实际数据的
支撑。
发明内容
[0007] 为了解决上述问题，本发明提供一种基于真实三维场景和虚拟传感器的冷 热电负荷预测可视化布局系统及方法，能够立体直观地展现供能区域的冷热电 负荷状况，同时增加的虚拟传感器可以实现数据扩展，在不增加
硬件成本的情 况下知悉某点位的变量值，也更有利于实际传感器的布局优化。
[0008] 本发明中的一种冷热电负荷预测可视化布局系统，包括：
[0009] 真实三维场景建模模块，用于将供能区域的真实场景进行实体建模；
[0010] 虚拟传感器布置模块，与真实三维场景建模模块连接，用于在实际传感器 布局的
基础上，监测点位上的变量；
[0011] 冷热电负荷预测
节点布置模块，与虚拟传感器布置模块连接，用于对
指定 区域冷热电负荷进行预测；
[0012] 布局可视化和
人机交互模块，与冷热电负荷预测节点布置模块连接，用三 维可视化技术进行冷热电负荷预测布局的可视化及实现人机交互。
[0013] 一种冷热电负荷预测可视化布局方法，包括如下步骤：
[0014] 步骤S1：真实三维场景建模模块，根据供能区域的具体实物进行
三维建模， 然后将建立的实体三维模型按共同属性分
门别类集成模型库，并作为组件通过 拖拽、插入等方式导入真实三维场景模型中；
[0015] 步骤S2：虚拟传感器布置模块，在真实三维场景模型和实际传感器搭建好 后，布置在三维场景模型中，其监测数值依托于与之相关的实际传感器通过采 样法、统计学方法和物理量的守恒定律计算得到；
[0016] 步骤S3：冷热电负荷预测节点布置模块，根据能源中心的关注点有选择性 地可视化指定区域的冷热电负荷预测结果及该区域的虚拟传感器布局，然后整 个供能区域的所有监测数据都会存储到后端
数据库中，只有与
选定冷热电负荷 预测可视化区域有关联的传感器监测点位产生的数据才会传输到可视化布局系 统的后台参与负荷预测运算和布局优化运算；
[0017] 步骤S4：布局可视化与人机交互模块，在选定冷热电负荷预测区域及做完 虚拟传感器布局优化和决策后，将相应的预测结果及优化布局直观地显示出来。
[0018] 上述方案中，所述步骤S1中实体的三维建模主要考虑其主要结构因素，要 求具有较好的辨识度，忽略具体的细节因素。
[0019] 上述方案中，所述步骤S2中虚拟传感器的布置在冷热电负荷预测区域的相 应限定条件下利用整数规划进行布局优化，其限定条件包括某虚拟传感器的增 加能否导致预测
精度的提高和该监测点位是否重要但不利于实际传感器的安装。
[0020] 上述方案中，所述步骤S4中人机交互模块中包括数据库、方法库和函数库， 通过系统
框架设计，将储存的数据信息经过处理反馈给能源中心，人眼
感知到 处理信息之后快速做出判断或根据预先设定的程序制定决策，经过输入设备让 系统做出符合能源中心运行策略和供能区域用户需求的进一步调整。
[0021] 本发明的优点和有益效果在于：本发明提供一种冷热电负荷预测可视化布 局系统及方法，能够立体直观地展现供能区域的冷热电负荷状况，同时增加的 虚拟传感器可以实现数据扩展，在不增加硬件成本的情况下知悉某点位的变量 值，也更有利于实际传感器的布局优化。
附图说明
[0022] 为了更清楚地说明本发明
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述 中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付 出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
具体实施方式
[0025] 下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实 施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保 护范围。
[0026] 如图1所示，本发明是一种冷热电负荷预测可视化布局系统，包括：
[0027] 真实三维场景建模模块，将供能区域的真实场景进行实体建模，如草坪、 柏油路、
建筑物、家具、电器、管道等建立形象表达的三维模型，并作为标准 件添加到真实三维场景模块库中，以便快速搭建真实三维场景模型；
[0028] 虚拟传感器布置模块，与真实三维场景建模模块连接，在实际传感器布局 的基础上，监测某个点位上的变量，则在该点位上相当于布置了一个虚拟传感 器，通过与该点位的监测变量相关联的传感器建立联系，利用流量公式、欧姆 定律等来求得该点位的变量值；
[0029] 冷热电负荷预测节点布置模块，与虚拟传感器布置模块连接，可以有选择 地指定对某个区域冷热电负荷进行预测，同时基于该预测节点的条件约束优化 虚拟传感器的布局；
[0030] 布局可视化和人机交互模块，与冷热电负荷预测节点布置模块连接，利用 三维可视化技术进行冷热电负荷预测布局的可视化，同时加入人机交互，增加 人的主观能动性，便于系统与用户进行信息交流。
[0031] 如图2所示，一种冷热电负荷预测可视化布局方法，包括如下步骤：
[0032] 步骤S1：真实三维场景建模模块，该模块功能是利用提前制作的各实体三 维模型快速搭建真实三维场景模型。其中，使用三维建模
软件如Unity、3DMax 和Solidworks等将供能区域的相关实体进行三维建模，为了节约开发时间和便 于二次开发，在实体三维建模时只考虑构成实体的主要构成元素，如长、宽、 高和大致的形状轮廓，忽略过于细节的结构、外观元素，如圆
角、外表
颜色等 装饰。其次，将建立的实体三维模型按共同属性分门别类集成模型库，并作为 组件通过拖拽、插入等方式导入真实三维场景模型中。对于复杂的、场景因素 要求较高的真实三维场景模型，需要根据日照方向导致的阴暗变换进行灯光调 节，以及利用场景
渲染辨识不同类型的建筑物和实
体模型等。
[0033] 步骤S2：虚拟传感器布置模块，在真实三维场景模型和实际传感器搭建好 的前提下，布置于三维场景模型中。虚拟传感器的布置位置可以是影响冷热电 负荷的某个
电路的支路或供
水管道的枝干或环境中的某个点。监测空间环境的 温湿度虚拟传感器在不具备合理性的情况下可以布置于空间中的任意点，同样 虚拟电表也可布置在电路的任意支路。但在符合物理规律和合理布置的前提下， 虚拟传感器的监测数值就依托于与之相关的实际传感器通
过采样法、统计学方 法和物理量的守恒定律计算得到。如通过五点采样和等距采样来监测某个空间 的PM2.5指标和
温度；通过基尔霍夫
电流定律、基尔霍夫
电压定律、
能量守恒 定律、欧姆定律和串并联电路的特性得到某个虚拟传感器处的电压、电流和电 能。
根据环境周围的温
湿度传感器的监测数值的平均值可以大致评估虚拟温湿 度传感器的数值，同理，根据支路电流之和等于干路电流，并联电路电压相等 规律求得虚拟传感器的监测数；
[0034] 步骤S3：冷热电负荷预测节点布置模块，根据能源中心的关注点可以有选 择性地可视化某个指定区域的冷热电负荷预测结果及该区域的虚拟传感器布局。 同时，可选择的区域可大可小，大到包括整个供能区域或某个子区域，小到某 个特定建筑物或某个楼层，甚至某个房间。在此之后，为了节约数据传输和数 据处理的时间，整个供能区域的所有监测数据都会存储到后端数据库中，但只 有与选定冷热电负荷预测可视化区域有关联的传感器监测点位产生的数据才会 传输到可视化布局系统的后台参与负荷预测运算和布局优化运算；
[0035] 在该模块中集成了冷热电负荷预测
算法和虚拟传感器布局
优化算法。其中 虚拟传感器布局优化算法采用整数规划，具体过程以温湿度传感器为例。为了 在保准监测数据精度的情况下最小化传感器硬件成本，不断地组合实际传感器 和虚拟传感器的数量和位置以寻找最优的情况。考虑这样一种情况，在整个供 能区域，要布置的传感器有m种类，传感器的监测点位一共有n个，其中有不 适宜安装实际传感器或只能安装某种传感器。其整数规划的数学分析见一下步 骤：
[0036] (1)标引
[0037] i:传感器种类编号(i＝1,…,m)
[0038] j:布局点位编号(j＝1,…,n)
[0039] (2)输入参数
[0040] pi:传感器i的单价、安装及维护成本(i＝1,…,m)
[0041]
[0042]
[0043] (3)决策变量
[0044]
[0045]
[0046] (4)条件约束
[0047]
[0048] 某点位只能安装实际或虚拟传感器中的一个，或都不安装
[0049]
[0050] 新的布局要能带来预测精度的提升或成本下降
[0051] qj,i||(xj,i+yj,i)＝0；当qj,i＝0时
[0052] tj,i||xj,i＝0；当tj,i＝0时
[0053] (5)变量类型约束
[0054] xj,i＝0或1
[0055] yj,i＝0或1
[0056] (6)目标函数
[0057]
[0058] 步骤S4：布局可视化与人机交互模块，在选定冷热电负荷预测区域及做完 虚拟传感器布局优化和决策后，将相应的预测结果及优化布局直观地显示出来， 其中，人机交互模块中包括数据库、方法库、函数库，通过系统框架设计，将 储存的数据信息经过处理反馈给能源中心，人眼感知到处理信息之后快速做出 判断或根据预先设定的程序制定决策，经过输入设备让系统做出符合能源中心 运行策略和供能区域用户需求的进一步调整。当冷热电负荷预测结果和虚拟传 感器布局结果不符合能源中心预期时，能源中心可通过布局系统的操作面板对 布局进行动态调整。操作面板是能源中心和系统进行交互的主要方式，可以对 显示界面细微调整，同时也具备对整个供能区域真实三维场景模型放大、缩小， 透明和旋转功能，便于能源中心对布局结果有更大的可操作性，便于
修改。
[0059] 本发明的优点：
[0060] 本发明能够立体直观地展现供能区域的冷热电负荷状况，同时增加的虚拟 传感器可以实现数据扩展，在不增加硬件成本的情况下知悉某点位的变量值， 也更有利于实际传感器的布局优化。
[0061] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发 明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发 明的保护范围之内。
