基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真系统及方法与流程

本发明属于仿真系统技术领域，具体涉及一种基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真系统及方法。

背景技术：

群智能建筑系统是一种应用于建筑照明、空调、安全、消防、电梯等各子系统的，基于分布式、群智能的建筑自控平台。该平台具备分布式、自组织、即插即用的特性，通过群智能节点的本地计算及协同计算功能，为解决建筑中各复杂系统的优化控制问题提供新方法。

群智能建筑系统将建筑划分为若干基本单元：建筑空间单元和机电设备单元。每个单元设置独立智能节点cpn(computingprocessnode)，根据建筑空间邻接关系或设备系统连接关系，连接各智能节点cpn形成群智能建筑系统，其中所有智能节点cpn相互平等，只与邻居节点通信，能够协同完成相关任务。智能节点中可以内置群智能控制算法赋予其本地控制及与邻居节点协调控制的功能，故可根据不同子系统的控制需求，编写各种控制算法以保证整个建筑自动化系统的节能高效运行。

但是，基于群智能建筑平台的应用算法是一种自组织、自协调的并行算法，有别于传统串行控制逻辑，算法开发难度较大，需要进行不断的调试与完善。其次，采用真实物理设备进行应用算法的验证，不仅成本高昂、实验方法复杂，而且测试周期较长。最重要的是，在新的应用算法运用于实际工程之前，需保证其安全性、稳定性。因此，建立群智能建筑平台的仿真控制对象及其环境，即建筑及机电设备仿真系统有着重要的意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真系统及方法，具有可扩展性强、使用简单等特点，可直观逼真地反应建筑设备的无中心控制系统的实际运行状态。

本发明采用以下技术方案：

基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真系统，包括群智能建筑平台、交换机组、仿真服务器及监控主机；群智能建筑平台包括m+n个完全相同的实物智能控制器；m+n个完全相同的实物智能控制器通过交换机组与仿真服务器连接，交换机组用于群智能建筑平台中各智能节点与仿真服务器中各建筑空间与设备模块的通信；由仿真服务器进行仿真处理，监控主机与仿真服务器连接，用于显示仿真系统结果及控制仿真系统的运行状况。

具体的，m+n个完全相同的实物智能控制器组成集合d如下：

d＝{n1,n2,…nm,nm+1,nm+2,…nm+n}

其中，m个cpn节点依据建筑的邻接关系依次相连，第m个cpn节点nm负责监控第m个建筑空间单元，n个cpn节点依据设备系统的连接关系依次相连，第n个cpn节点nn负责监控第n个源设备；cpn节点nn和cpn节点nm按照实际位置就近原则相连。

具体的，仿真服务器包括仿真调度模块、配置管理模块、仿真数据库以及中央空调仿真系统；群智能建筑平台通过仿真调度模块与仿真数据库连接，配置管理模块和中央空调仿真系统与仿真数据库连接；仿真调度模块能够根据配置关系表将各模块实例化模型、创建各模块内存空间以及调度各模型稳定运行；配置管理模块用于配置仿真系统的内存接口以及仿真模块的拓扑关系；仿真数据库用于存储各模块运行数据，为仿真调度模块、监控主机与群智能建筑硬件平台提供信息交互的通道。

进一步的，仿真调度模块包括线程调度器、仿真系统定时数据采集器、模型模块内存库以及对外接口软件，线程调度器用于创建多个线程或线程池；仿真系统定时数据采集器用于定时从将各模块模拟单元的输出数据写到相应内存，同时将各模块模拟单元运行数据存入数据库；模型模块内存库用于各模块模拟单元之间信息交互；对外接口软件用于群智能平台与仿真系统的信息交互。

进一步的，配置管理模块中，仿真系统的内存接口为各模块输入、输出参数的标准化定义，包括模块参数的系统编码、参数类型、参数来源，作为构建数据库的基础以及建筑与设备模块程序开发标准。

进一步的，中央空调仿真系统包括建筑动态仿真模块、空调设备动态仿真模块和管网动态仿真模块；建筑动态仿真模块用于模拟真实建筑参数；空调设备动态仿真模块用于动态仿真空调设备实时工作状态及参数；管网动态仿真模块用于动态仿真管网参数，管网参数包括各管段的流量、压差以及各节点的压力、温度参数。

进一步的，建筑动态仿真模块包括建筑维护结构仿真单元、气象参数仿真单元和室内物体发热模拟单元；模拟真实建筑参数包括室内温湿度、冷/热负荷和室内含湿量；管网动态仿真模块用于不同阀门的开度、不同水泵的设定频率、冷机不同出口温度下管网中各节点的温度、压力以及流量的变化情况。

进一步的，空调设备动态仿真模块包括空调末端设备模拟单元、末端控制器模拟单元、水泵模拟单元、冷机模拟单元、冷却塔模拟单元、空调箱模拟单元和阀门模拟单元；空调末端设备模拟单元包括vav末端仿真单元、风机盘管末端仿真单元等，vav末端仿真单元能够仿真其在不同阀门开度下的送风量；风机盘管末端仿真单元用于仿真高中低档位下盘管的送风量及送风温度；末端控制器模拟单元能够根据不同室内环境参数，对末端设备发出相应的指令；冷机模拟单元用于动态模拟冷机在不同负载率、不同冷冻水出口温度、不同冷却水出口温度、不同冷冻水量和不同冷却水量下的冷机两侧出口温度、功率及cop，以及开关机负荷变化过程的控制调节性能；冷却塔模拟单元用于动态仿真模拟不同风水比、不同进水温度、不同湿度以及不同风机频率设定下的出水温度、功率、能耗信息；水泵模拟单元用于模拟在不同频率、不同水管网阻力特性下的流量、扬程和功率；空调箱模拟单元用于动态模拟不同进风量、进风温湿度、不同进水量和不同进水温度下出风的温湿度以及出水温度和水量；阀门模拟单元包括风阀和水阀模拟单元，用于动态模拟不同阀门下管网的阻力、流量变化过程。

进一步的，管网动态仿真模块包括冷冻水管网模拟单元、冷却水模拟单元以及风管网模拟单元；冷冻水管网模拟单元、冷却水模拟单元以及风管网模拟单元均包括热惯性模拟单元和管网阻力模拟单元，热惯性模拟单元用于模拟动态仿真管网在开机过程、关机过程、待机过程、负荷变化过程中的水温变化；管网阻力模拟单元用于动态模拟在不同负荷下末端阀门开度变化及阻力变化过程，以及冷冻水泵、冷却水泵的实时流量、扬程和效率。

一种基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真方法，利用所述的基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真系统，包括以下步骤：

s1、根据选定目标建筑和空调系统的智能节点数量和拓扑关系，对群智能建筑的硬件平台进行搭建；

s2、依据实际空调系统，确定各建筑空间单元和设备单元的数量、连接关系，给定或修改各模块的初始值，形成配置文件导入数据库；

s3、启动仿真调度模块，控制器模块从相应内存中读入初始值，经过计算得出控制对象的设定值写入相应的内存，仿真调度模块利用多个线程池定时触发所有dll模块，每个设备或建筑空间的模拟单元都定时从相应的内存单元读入输入数据，经过仿真计算将仿真输出的数据存入对应的内存单元供其他仿真模拟单元读取使用，同时将实时运行产生的各模块数据定时存入数据库；

s4、接通群智能建筑平台电源，将待验证的应用控制算法下载到群智能建筑平台中；

s5、启动监控软件，实时从数据库中读出运行数据，进行数据展示，同时在监控界面可进行控制指令下发操作，相应仿真模拟单元会做出相应的动作。

s6、最后根据监控显示目标观测值的状态、系统运行的稳定情况，来判断是否满足控制要求，对应控制算法进行测试和验证。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明是基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真系统，仿真调度模块采用多线程技术，使仿真系统最大限度贴近实际系统运行；同时采用动态链接库技术，使仿真调度软件的开发与设备仿真模型的开发分开，使两者的工作同步进行。模块之间通信采用内存交互，提高模块之间的交互效率。通过建立模拟中央空调各个设备、管路和建筑的动态模型来验证基于群智能建筑平台开发的中央空调应用控制算法。一方面为群智能建筑平台控制算法开发人员提供一个验证平台，缩短应用控制算法的开发周期，避免不完整控制算法运用于实际工程，导致设备损坏，造成经济损失。另一方面，对于这一新型建筑智能化技术推广有着积极作用，极大地方便该新技术的培训教学。

进一步的，设置实物智能控制器集合d(即群智能建筑实物控制平台)是为群智能控制算法提供运硬件支持，最大限度保证待验证的群智能控制算法运行的环境接近实际情况，有利于新的群智能控制算法验证与实施。

进一步的，设置仿真服务器是为仿真系统软件提供硬件环境，保证该仿真系统稳定独立运行，便于仿真系统后期维护。

进一步的，设置仿真调度模块，一方面作为仿真系统并行触发器，使每个仿真模块近似同时运行，保证仿真系统最大限度逼近真实系统，有助于群智能建筑控制平台的控制算法验证；另外一方面，为每个dll模块(如冷机dll模块)实例化的实际对象(1#冷机、2#冷机、3#冷机等)创建内存，每个实际对象之间通过内存交互，相较于数据库交互，内存交互更加高效，缩短通信时间；同时，仿真调度模块定时将内存中数据存入数据库，供显示模块调用。

进一步的，设置配置管理模块，主要用于配置各仿真系统拓扑关系、初始化参数以及仿真系统的组成等，便于灵活搭建个性化的仿真系统。

进一步的，设置建筑动态仿真模块，主要用于模拟实际建筑物传热特性、不同末端负荷需求，来呈现不同控制算法对中央空调系统调控直接效果。

进一步的，设置空调设备动态仿真模块，主要用来仿真中央空调各设备(包括冷却塔、冷机、管网等)的传热特性、阻力特性、效率及能耗等工作特性，是验证控制算法的重要组成部分。

进一步的，设置管网动态仿真模块设置，用于动态仿真管网参数，管网参数包括各管段的流量、压差以及各节点的压力、温度参数，使整个中央空调仿真系统更加近似于真实系统工作特性。

本发明还公开了一种基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真方法，整个仿真系统采用c++语言进行设计，程序执行效率高；其核心是线程池技术，能最大限度贴近实际系统运行，保证与群智能建筑平台的工作环境接近，有助于基于群智能建筑平台开发的应用算法的验证工作；同时，仿真系统采用动态链接技术，使仿真调度软件的开发与设备仿真模型的开发分开，使两者的工作同步进行；每个模块之间通过内存交互，而非常见的数据库交互，能保证各模块之间的交互效率；仿真系统开发配置管理模块，便于数据存储管理及中央空调系统的配置。

综上所述，本发明的优点如下：

1.相较于传统完全串行运行仿真系统，不能够真实反应各模块在时间上工作并行性，本仿真方法采用线程池技术在时间尺度上最大限度保证仿真系统接近实际系统，即符合群智能建筑平台在时间上对仿真系统的要求；

2.仿真系统采用动态链接库技术，使仿真模型、仿真调度软件、仿真接口软件(群智能建筑平台与仿真系统的通信接口)以及仿真系统配置工作可以明确划分，并行进行，有助于解决跨学科开发沟通困难问题及缩短仿真开发周期。

3.为解决传统的仿真系统采用数据库交互，当交互模块数量较多时，导致交互时间过长，交互效率低等问题。本仿真系统采用内存交互可解决上述存在的问题，明显提高各模块之间通信效率。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为中央空调仿真系统架构图；

图2为单个模拟单元及控制器模拟单元工作原理图；

图3为中央空调仿真系统原理图；

图4为仿真系统应用的硬件组成及实物图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真系统及方法，应用于群智能建筑平台应用算法仿真验证的仿真系统平台，更具体地说是用于建筑自动化系统中各子系统建筑机电设备(如：水泵优化运行控制、冷机优化运行控制等)控制策略的研究、调试与验证的仿真系统。另外，该仿真系统也可用于群智能建筑平台技术的人员培训等。

请参阅图4，本发明一种基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真系统，包括群智能建筑平台、交换机组、仿真服务器及监控主机；群智能建筑平台是由m+n个完全相同实物智能控制器组成；交换机组主要用于群智能建筑平台中各智能节点与仿真服务器中各建筑空间与设备模块的通信；仿真服务器主要用于运行仿真；监控主机运行监控软件，主要用于显示仿真系统结果及控制仿真系统的运行状况。

请参阅图1，仿真服务器包括仿真调度模块、配置管理模块、仿真数据库以及中央空调仿真系统，仿真调度模块用于根据配置关系表将各模块实例化模型、创建各模块内存空间以及调度各模型稳定运行；配置管理模块主要负责配置仿真系统的内存接口以及仿真模块的拓扑关系；仿真数据库用于存储各模块运行数据，为仿真模块、监控主机与群智能建筑硬件平台提供信息交互的通道。

仿真调度模块包括线程调度器、仿真系统定时数据采集器、模型模块内存库以及对外接口软件，仿真调度模块采用c++语言进行设计，程序执行效率高；采用多线程技术，使仿真系统最大限度贴近实际系统运行；同时采用动态链接库技术，使仿真调度模块的开发与设备仿真模型的开发分开，使两者的工作同步进行。模块之间通信采用内存交互，提高模块之间的交互效率。

线程调度器用来创建多个线程或线程池，使得仿真模块尽可能并行运行，接近真实系统运行状况；仿真系统定时数据采集器用来定时从将各模块模拟单元的输出数据写到相应内存，同时将各模块模拟单元运行数据存入数据库；模型模块内存库是各模块模拟单元之间信息交互的基础；对外接口软件用于群智能平台与该仿真系统的信息交互的通道。

配置管理模块主要负责配置仿真系统的内存接口以及仿真模块的拓扑关系等。其中，仿真系统的内存接口是指各仿真对象(如冷却塔、冷机、管网、建筑等仿真对象)输入输出参数的标准化定义，包括模块参数的系统编码、参数类型、参数来源等，一方面作为构建数据库的基础，另一方面作为建筑与设备模块程序开发的标准。仿真模块的拓扑关系指的是每个模型需要实例化的个数以及它们之间的实际连接关系。

仿真数据库由仿真模块运行数据表、仿真系统关系表、群智能建筑硬件指令表等组成，用于存储各模块运行数据，为仿真模块、监控主机与群智能建筑硬件平台提供信息交互的通道。同时便于数据存储管理及中央空调系统的配置。

请参阅图3，中央空调仿真系统主要由建筑动态仿真模块、空调设备动态仿真模块、管网动态仿真模块组成。

建筑动态仿真模块包括建筑维护结构仿真单元、气象参数仿真单元和室内物体发热模拟单元。

建筑动态仿真模块用于模拟建筑围护结构形式、气象参数和室内物体发热(包括人员、照明设备及其他设备)对室内温度、湿度和负荷影响；管网动态仿真模块用于不同阀门的开度、不同水泵(风机)的设定频率、冷机不同出口温度下管网中各节点的温度、压力以及流量的变化情况。

空调设备动态仿真模块可基于末端设备和冷站设备的真实性能参数和控制调节特性来建立，用于动态仿真空调设备实时工作状态及参数；包括冷站设备和空调末端设备，其中冷站设备包括冷却塔、冷冻水泵、冷机及冷冻水泵等；空调末端设备包括空调箱、vav末端和风机盘管等。

具体包括空调末端设备模拟单元、末端控制器模拟单元、水泵模拟单元、冷机模拟单元、冷却塔模拟单元、空调箱模拟单元和阀门模拟单元；其中，空调末端设备模拟单元包括vav末端仿真单元、风机盘管末端仿真单元等，对于vav末端仿真单元，主要仿真其在不同阀门开度下的送风量。对于风机盘管末端仿真单元，主要仿真高中低档位下盘管的送风量及送风温度；

末端控制器模拟单元主要根据不同室内环境参数，对末端设备发出相应的指令；

冷机模拟单元用于动态模拟冷机在不同负载率、不同冷冻水出口温度、不同冷却水出口温度、不同冷冻水量和不同冷却水量下的冷机两侧出口温度、功率及cop，以及开关机负荷变化过程的控制调节性能；

冷却塔模拟单元用于动态仿真模拟不同风水比、不同进水温度、不同湿度以及不同风机频率设定下的出水温度、功率、能耗等信息；

水泵模拟单元用于模拟在不同频率、不同水管网阻力特性下的流量、扬程和功率；

空调箱模拟单元用于动态模拟不同进风量、进风温湿度、不同进水量和不同进水温度下出风的温湿度以及出水温度和水量；

阀门模拟单元(包括风阀和水阀模拟单元)用于动态模拟不同阀门下管网的阻力、流量变化过程。

管网动态仿真模块，用于动态仿真管网参数，管网参数包括各管段的流量、压差以及各节点的压力、温度参数。该管网动态仿真模块包括冷冻水管网模拟单元、冷却水模拟单元以及风管网模拟单元。冷冻水管网模拟单元、冷却水模拟单元以及风管网模拟单元均包括热惯性模拟单元和管网阻力模拟单元，其中，热惯性模拟单元主要用于模拟动态仿真管网在开机过程、关机过程、待机过程、负荷变化过程中的水温变化；管网阻力模拟单元用于动态模拟在不同负荷下末端阀门开度变化及阻力变化过程，以及冷冻水泵、冷却水泵的实时流量、扬程和效率。

一种基于群智能建筑平台算法验证的中央空调仿真方法，包括以下步骤：

s1、根据选定目标建筑和空调系统，对群智能建筑的硬件平台进行搭建；

主要包括智能节点数量和拓扑关系的确定；由m+n个完全相同实物智能控制器组成，即cpn节点组成集合d如下：

d＝{n1,n2,…nm,nm+1,nm+2,…nm+n}

其中，m个cpn节点依据建筑的邻接关系依次相连，第m个cpn节点nm负责监控第m个建筑空间单元(包括环境参数和末端设备)，其中n个cpn节点依据设备系统的连接关系依次相连，第n个cpn节点nn负责监控第n个源设备如冷水机组、水泵、冷却塔、空调箱等；cpn节点nn和cpn节点nm按照实际位置就近原则相连即可；

s2、依据实际空调系统，确定各建筑空间单元和设备单元的数量、连接关系等，给定或修改各模块的初始值，形成配置文件导入数据库；

s3、启动仿真调度模块，根据上述配置文件和各设备模型，实例化相应数量的设备与建筑模块，并创建相应模块的内存空间；

首先所有控制器模块从相应内存中读入初始值，经过计算得出控制对象的设定值写入相应的内存，仿真调度模块利用多个线程池定时触发所有dll模块，因此，每个设备或建筑空间的模拟单元都定时从相应的内存单元读入输入数据，经过仿真计算将仿真输出的数据存入对应的内存单元供其他仿真模拟单元读取使用，同时将实时运行产生的各模块数据定时存入数据库；

s4、接通群智能建筑平台电源，将待验证的应用控制算法下载到群智能建筑平台中；

s5、启动监控软件，实时从数据库中读出运行数据，进行数据展示，同时在监控界面可进行控制指令下发操作，相应仿真模拟单元会做出相应的动作。

s6、最后根据监控显示目标观测值的状态、系统运行的稳定情况等灯，来判断是否满足控制要求，对应控制算法进行测试和验证。

本发明提供的基于群智能建筑平台的控制算法验证的中央空调仿真方法。首先，可根据待仿真的建筑，可灵活的配置所需的仿真系统；其次，由于群智能建筑平台中每一个智能控制器cpn与每个仿真对象相对应，而每个仿真对象在时间上近似并行运行，因此，每个智能控制器cpn的控制操作不仅在空间是并行，在时间上也是并行，即完全符合群智能建筑平台对仿真系统的要求；最后，控制算法运行结果可通过显示模块(即可视化图表)快速验证其正确性。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图2，为本发明提供各个设备模块模拟单元的仿真工作原理，以冷却塔模拟单元、冷却塔控制器模拟单元以及冷却塔智能cpn实物节点三者仿真方法为例，在仿真系统启动之前，仿真调度模块分别为冷却塔模拟单元、冷却塔模拟控制器模拟单元创建冷却塔模拟内存单元、冷却塔模拟控制器内存单元，该内存单元用来存放对应模拟单元的输出数据；

首先，冷却塔控制器模拟单元读入人工设定的参数，经过控制逻辑运算得出对应控制对象的设定参数写入冷却塔控制器内存；

其次，冷却塔模拟单元从冷却塔控制器内存、冷却水管网内存读入输入参数，经过冷却塔模拟单元模拟计算，将计算结果存入冷却塔内存，同时仿真调度模块将冷却塔内存数据和冷却塔控制器内存数据定时刷入仿真数据库中；

当接入实物冷却塔cpn节点进行高级应用控制算法验证时，冷却塔cpn节点接受邻居cpn信息以及相应传感器信息时，经过控制算法计算得到冷却塔的设定值写入冷却塔控制器内存即可，其他信息流向不变；

由于整个中央空调仿真系统由许多模块组成，这些模块都是由仿真调度模块利用多线程技术定时触发运行，各模块工作原理一样，相互独立计算，即可完成整个中央空调系统仿真。

本发明提供的基于群智能建筑平台的控制算法验证的中央空调仿真方法。实施例2提供各个仿真模块模拟单元的仿真工作原理，进一步解释仿真系统仿真模块之间如何通过内存进行信息交互以及整个仿真系统工作方法。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。