智慧供热的内涵及目标

方修睦, 杨大易, 周志刚, 刘 京

(1.哈尔滨工业大学 建筑学院， 黑龙江 哈尔滨 150006； 2.哈尔滨工业大学 计算机学院， 黑龙江 哈尔滨 150001)

我国的供热起步于人工运行的分散小锅炉房。随着技术进步，供热规模在逐渐扩大，供热系统的自动化水平逐步提高，如今已经实现多种形式的热源共存，部分供热系统实现了信息化，热力站无人值守，开始向供热系统智能化、供热运行管理智慧化的目标前进。我国在城市智慧供热方面的研究刚刚起步，对智慧供热的内涵和外延还缺乏完整的、准确的认识。笔者对此问题谈一些粗线的看法，期待能起到抛砖引玉的作用。

1 智慧供热涉及到的几个概念

1.1 智慧供热

智慧供热是一个新概念，涉及到智能供热管网、智能供热等基本概念，不同研究人员有不同的定义，笔者从另一角度，对智慧供热涉及到的几个概念进行介绍。

智能供热管网是由供热物理设备网(热源、供热管网、用户系统、就地显示仪表和控制调节设备组成的网络)、供热信息物联网(传感器、数据采集设备、数据传输设备等组成的网络)和基于智能供热平台的智能决策系统组成的新型供热网络，简称智能热网。智能供热是以供热物理设备网为基础，以供热信息物联网为支撑，通过智能决策系统，为运行管理人员提供辅助决策支持，形成在保证室内舒适度的前提下，降低运行能耗的供热系统形式[1]。智能供热概念包含着智能热网概念，两者关系为真包含关系。

智能供热表示供热系统所达到的智力和所具备的能力,笔者将与物理系统相关的自动实现某种功能的实体或动作(操作)称作智能。而智慧供热是比智能供热更高层次的理念，是充分利用类似于人脑所表现出来的创造性思维活动的形式来解决供热问题。因此可以认为：智慧供热是以数字化、网路化、智能化的信息技术与先进供热技术的深度融合为基础，以用户需求为目标，以低碳、舒适、高效为主要特征，以具有自感知、自分析、自诊断、自决策、自学习等为技术特点的现代供热形式。从物理形态角度看，智慧供热也是由物理设备网、信息物联网和智慧供热平台三大部分组成。智慧供热概念包含着智能供热概念，两者关系为真包含关系。笔者根据智慧供热内涵的不同，将其分为广义智慧供热和狭义智慧供热。

1.2 信息-物理系统

传统的供热行业包括人与供热系统两部分。供热系统是人建造的，供热过程是通过人对供热设备的直接操作控制来实现供热的，供热过程中所需要的感知、学习认知、分析决策与控制操作是由人完成的。人们将人与设备构成的系统抽象为“人-物理系统”(Human-Physical Systems，HPS)[2-3]。由于人对供热运行的学习认知不同、分析决策能力差别，从而导致供热系统的运行效果差别。如果在人和供热系统之间引入可以代替人完成部分脑力劳动的信息系统(Cyber Systems)，将人的相当部分的感知、分析、决策功能用信息系统完成，则可以减轻人的工作强度，消除人的决策差别，提高供热运行效率。信息系统是由软件和硬件组成的系统，其任务是对输入的信息进行计算，代替人去控制供热系统。这一由人-信息系统(Human-Cyber Systems，HCS)和信息-物理系统(Cyber-Physical Systems，CPS)组成的新型系统称为 “人-信息-物理系统”(Human-Cyber-Physical Systems，HCPS)[4-5]。

人-信息-物理系统(HCPS)是支撑智慧供热发展的理论基础，信息-物理系统(CPS)是人-信息-物理系统(HCPS)的重要的组成部分。信息-物理系统(CPS)构建了一套信息空间与物理空间之间基于数据自动流动的状态感知、实时分析、科学决策、精准执行、学习提升的闭环赋能(为供热系统赋予某种能力和能量)体系(2017年，中国信息物理系统发展论坛发布《信息物理系统白皮书》)。

状态感知是将大量蕴含在供热系统中的隐性数据(温度、压力、流量等)，通过传感器、物联网等一些数据采集技术、通信技术，变为显性数据，使得数据可见。

实时分析是利用先进的数据处理分析技术，将显性数据转化成认知的信息，找出供热系统运行状态在时空域和逻辑域的内在因果性或关联性关系，将显性化的数据进一步转化为直观可理解的信息。

科学决策是对不同系统的信息进行处理，使得信息真正地转变成知识，形成在一定的条件约束下对供热系统运行调节的最优决策方案，用来对供热系统实体进行控制。

精准执行是将信息空间产生的决策转换成控制器、执行器可以执行的命令，输出更为优化的数据，使得物理空间设备运行更加可靠，资源调度更加合理。

学习提升是以上过程随着供热系统的运行不断地自主循环，供热系统的数据不断累积，螺旋上升，不断产生更为优化的数据，不断地为供热系统赋予实现一定范围内优化的能力，实现供热企业高效运营，各环节智能协同效果逐步优化。

2 智慧供热的内涵

2.1 广义智慧供热

2.1.1 广义智慧供热内涵

广义而论， 智慧供热是一个大概念，是新一代信息技术(移动互联、大数据、云计算、物联网)、新一代人工智能技术(具备认知和学习的能力、具备生成知识和更好地运用知识的能力)与先进供热技术的深度融合，贯穿于供热设备制造、供热系统规划设计、供热系统建造、人才培养、供热运行维护、供热服务全寿命的各个环节及相应系统的优化集成，用于解决供热行业全过程中的复杂性和不确定性问题，提高资源配置效率，实现资源优化。广义智慧供热是以人为基础、以供热系统为载体、以信息技术为先导，在新一代人工智能技术与先进供热技术的深度融合基础上，形成的新一代供热技术。在智慧供热的各组成环节中，先进的供热技术是智慧供热的主体，智慧运行是主线，用户需求是智慧供热的核心。智慧供热将成为供热行业革新的推动力。

广义智慧供热涉及到设备制造及系统集成企业、设计建造企业和供热企业。

2.1.2 设备制造企业及系统集成企业

供热系统是通过管道将分布在城市各个位置的各种设备连接起来的。目前供热系统中安装使用的设备大多是按照人工运行时代的要求设计制造的，功能单一，缺少必要的信息，不能满足智慧供热的需求。传统的供热设备要向智能设备转化，设备要有供热系统设计人员需要的设备性能信息、运行人员需要的运行状态信息、系统集成人员需要的通信、自诊断、自控制功能。只有设备制造业走向智能化，才能构建合理、健康、完全智能化的供热系统，全面实现智慧供热。

目前供热系统使用的传感器大多为传统传感器，测量参数单一，只能传输检测的物理信号，缺少自诊断功能，给系统集成带来不便。在智慧供热系统中，传统的传感器要向智能化方向发展，要实现同时对多种信号的测量，传感器要做到价格低、体积小、重量轻、功耗低，要集传感、采集、处理、传输及供电一体化，具有自我补偿和自我校准功能。

系统集成企业要将通信系统传输的由传感器提供的显性数据，通过信息网络传输到数据中心，对传输上来的数据进行挖掘和分析, 结合人工智能技术将庞杂的数据转化为知识模型, 并通过云技术形成云服务, 共享于供热系统中, 提高供热系统各个组成部分的协同能力。系统集成中的计算机设备、软件、传感器等均需要标准化，需要有统一的通信协议和统一的数据格式要求，实现集成系统智能化。

2.1.3 设计建造企业

设计人员以设计方法学为指导，以人工智能为手段，借助于专家系统在知识处理上的强大功能，结合机器学习等技术，自动采用实践得到的最优经验，对所设计的供热系统进行智能规划、仿真分析、智能优化设计，智能协同设计；将先进的供热技术、智能化供热设备、智能传感器及智能化集成产品深度融合，形成在保障舒适性的前提下，以经济性作为配置目标的基于群体智能的智能化供热系统设计方案[6]。

建造企业根据供热系统设计方案进行建造。在系统建造环节，采用基于建筑信息模型(BIM)技术的建设活动，利用供热管网卫星精准定位技术、智能化施工设备，实现施工过程和施工安全智能监管，施工材料及施工机具智能调配，机械作业状态及作业环境异常自动监测，保障供热设施施工的高效开展和智能化系统的实现。

2.1.4 供热企业

供热企业是智慧供热的实施主体。建成的供热系统及智能化平台，由供热企业运行维护。智慧供热的最本质的特点是智慧供热平台具备认知和学习的能力，具备生成知识和更好地运用知识的能力。解决复杂系统的参数识别、工况分析、优化决策等关键问题，将人的相关运行经验和知识转移到智能决策系统中，形成自学习、自感知、自适应、自控制的智能系统。供热企业利用智慧供热平台，实现供热系统的智能调度、智能调节、智能控制、智能诊断、智能维护、智能管理及智能服务。

智能调度：传统供热企业的运行调度依据运行人员的经验对热源、供热管网、热力站及热用户系统进行调度。实现智慧供热的系统，可以自动分析每栋建筑物热负荷特性，建立每栋建筑物的热负荷模型，对热负荷进行精准预报，进而根据所选定的适合的运行调度模式给出热源、供热管网、热力站、热用户的调度方案。

智能调节：与传统的只有运行人员参与、手工操作的集中调节方法不同，实现智慧供热的系统，用能可计量，热用户是供热运行的参与者，热源、供热管网与热用户之间实现双向互动，热用户可以根据自己的需求对室温进行控制。

智能控制：在智慧供热系统中，运行调度的控制指令可由上位平台直接下达到运行设备，而不需要人工操作控制。实现智慧供热的系统，运行于各热力站或热用户的控制单元可以自主地对所服务供热区域进行调节控制。

智能诊断：实现智慧供热的系统，可基于数据挖掘和专家系统等技术手段实现数据诊断引擎，对运行数据进行深入挖掘与分析，诊断供热系统的运行状况，检测异常数据并发出报警，从而及时发现故障并给出合适的处理方案。

智能维护：结合地理信息系统技术和智能处理算法对巡检、维修、保养等生产维护活动进行智能的排班、路径规划、服务质量与考核分析。

智能管理：集成供热管理信息系统、办公自动化系统等，智能化地配置不同地域的供热资源，消除本地域供热业务管理与执行中的延迟问题，实现最优的管理效率。实现人机结合智能和企业群体智能。

智能服务：将服务延伸至供热建设的各个环节及全寿命周期。采用自动导航等技术手段的客服中心在精简客服人员的同时，还能为热用户提供更高质便捷的服务。通过对热用户室温数据和服务数据的挖掘分析，为服务质量的评估提供科学的参考指标。

2.1.5 人才培养

供热行业依靠技术创新和设备升级支撑供热事业发展，先进的技术设备离不开技术人才和高素质的运行维护队伍。现有的供热行业从业人员，无论是设计制造人员、设计建造人员，还是运行管理人员的知识结构及技术水平，尚满足不了智慧供热对人才的要求。需要将供热行业技术培训与技术人才培养纳入行业发展战略高度，开展不同层次的技术教育，建立健全灵活的人才引进机制、科学的人才选拔使用制度、有效的人才激励约束机制，为行业技术进步和事业发展提供有力的智力及人才保证。

2.2 狭义智慧供热

广义智慧供热包含以信息技术为先导的狭义智慧供热，两者关系为真包含关系。狭义智慧供热的内涵见图1。

图1 狭义智慧供热的内涵

狭义智慧供热包括智能运行、智能管理和人才培养三部分。

智能运行是智慧供热的核心，涉及到运行监督、运行调节、运行控制和运行评价四大部分。运行监督是对热源、热力站、供热管网、热用户的运行参数和环境参数(室内温度、室外温度)进行监测，获得供热系统运行的显性数据。运行调节是根据显性数据得出的分析结果形成供热负荷预报、运行调节优化、热力工况优化及运行调度的最优决策方案。运行控制是根据最优决策方案进行供热管网及热用户的平衡调节及控制，对能源转换设备和动力设备进行优化控制。运行评价是根据优化运行结果，对设备及系统性能进行评价。智能运行的目的是实现能源转换设备的高效运行，能源输送系统输送成本最小，保障系统安全。

智能管理的核心是管理环节的智能。是以智能的方式改造现有的管理体系，提高管理系统的智能水平。智能管理是综合运用现代化信息技术与人工智能技术，通过计划、组织、激励、协调、控制等手段，智能地为供热运行配置资源，建立并维持企业运营秩序，以达成预定的目标。智能管理涉及到供热业务管理、供热安全管理、环保及消防管理。供热业务管理包括：运行管理、设备管理、应急管理、热费管理及服务管理。供热安全管理包括：系统安全、人员安全和设备安全。智能管理的目的是实现供热企业管理中各类硬件和软件之间高效整合，并与企业中人要素实现“人机协调”，做到人机结合智能和企业群体智能。

智慧供热对员工能力的需求发生变化，将从单一的设备操作、单一的技能、常规管理能力转换到人机协同、供热技术与信息技术融合、数据诊断与应用、技术保障及支持(如智能设备和传感器的维护与管理)等综合能力需求。只有培养出满足智慧供热需求的运行人才和管理人才，才能保障智慧供热的健康发展。

2.3 智慧供热的总体目标

智慧供热的核心是供热。智慧供热与传统供热的区别是智慧，是供热向高效率、高质量、精细化、低成本、人性化发展；是从传统供热系统满足用户的整体需求，向注重不同用户群体需求转变，更加关注供热服务，将服务延伸至供热建设的各个环节及全寿命周期，用最低的成本，最高的效率，最大程度满足热用户需求。智慧供热的总体目标是：用户舒适满意、系统安全可靠、能源利用高效、低碳清洁经济。

3 智慧供热各组成部分的任务及目标

物理设备网、信息物联网和智慧供热平台是构成智慧供热的三个物理实体。将智慧供热的总体目标分解，可得到图2所示的智慧供热各组成部分的任务及目标。

3.1 物理设备网

物理设备网的任务是：不断推进供热技术进步，实现先进的供热技术与智能设备、智能传感器深度融合，构建热源可调(运行调节)可控(安全控制和锅炉的经济运行控制)、供热管网可调(水力平衡调节)可控(安全控制)、热力站可调(运行调节、水力平衡调节)可控(安全控制)、热用户可调(水力平衡调节)可控(室温控制)的新型供热系统。

物理设备网的目标是：供热系统可控、供热管网平衡、用户用热计量、站点无人值守。不同的供热技术构成的供热系统，其节能效果差距较大，供热节能的关键在于供热技术进步。智慧供热是用人工智能部分地代替人的劳动，提升的是人的管理水平，消除人工管理的差距和缺陷，减轻人的工作强度，其带来的节能效果有限，切不可高估智慧供热的作用。部分企业实施智慧供热后节能效果较大，是因为通过智慧供热的实施，投入了原来供热系统应该装备而由于某种原因实际没有装备的设备，将不合理的供热系统变得合理。

3.2 信息物联网

信息物联网的任务是：实现数据按照统一标准全面采集，统一格式完整传输，统一维度储存，统一标准对齐(各类型数据按照一定的规则在空间上排列，而不是顺序地一个接一个地排放)、高效处理，在线辨识数据质量，在线核查传感器的工作状态，对存疑的传感器进行离线检查，避免传感器带病工作。

信息物联网的目标是：保证数据传输稳定、获得的数据完整可靠。信息物联网和供热管网一样分布在城市的各个部位，热源的生产过程、热量的输送情况、系统调节的状态、用户的需求及控制结果都通过信息物联网连接在一起，通过智能化控制使整个供热系统运行得以优化。数据是智慧供热的基础性支撑，若传感器测量的上传数据可信度低，都将影响基于智慧供热平台的数据挖掘的结果及运行决策。

3.3 智慧供热平台

智慧供热平台的任务是：对数据的有效性进行确认，通过数据的预处理工作，使残缺的数据完整，将错误数据纠正、多余的数据去除，进而将所需要的数据挑选出来，并进行数据集成。保证数据的准确性、完整性、一致性、唯一性、适时性、有效性。对有效的数据，通过统计学、人工智能等方法，从海量的数据中挖掘出重要的、且有价值的信息、知识或逻辑，并用挖掘出的知识或经验(一般认为“数据挖掘”是从海量数据中挖知识，机器学习是从数据中挖经验)进行下述工作：

① 制定系统运行智能决策方案。挖掘出某特定区域内供热负荷的特点和趋势，根据气象参数，确定下一个调度周期内的供热需求；根据系统的配置状况，制定下一个调度周期内设备的运行调节方案，优化系统的热力工况，优化控制能源转换设备和动力设备；自动评价系统的运行方案及运行效果。

图2 智慧供热各组成部分的任务及目标

② 制定系统安全决策方案。辨识出运行系统的实际特性参数，分析系统的动态特性，评估供热系统的可靠性，快速诊断并准确预测事故原因，制定出更加合理的事故处理方案和维护管理方法，减少事故发生的次数和事故处理时间及影响范围，提高系统的安全性。

③ 提升供热企业智能管理水平。在热费管理、客服管理、用户管理、设施管理、检修管理、人才培养各个环节，实现信息系统的整合，消除信息孤岛，实现信息共享、协同发展。为供热资源优化配置、优化利用，降低供热成本，满足用户需求提供支撑。

智慧供热平台的目标是：系统安全，运行智能，运行费低，管理智能，服务周到，用户满意。

4 实现目标的途径及建议

4.1 途径

传统供热经历了人工运行时代、自动化运行时代、信息化指导运行时代。在新一轮科技革命的浪潮中，供热运行已经起步向智慧运行时代迈进。

在人工运行时代，锅炉运行、阀门的开闭和水泵等设备的启停由人来操作。进入自动化运行时代，单调、重复的操作由自动化装置代替，锅炉运行、阀门的开闭、水泵等设备的启停是根据人的命令来自动启停或开闭，从而将人从部分体力劳动中解放出来，供热品质得到保障。供热信息化，是应用先进的计算机网络技术去整合供热运行管理各个部门，提供准确、有效的感知数据信息，避免操作失误和人的影响，对供热需求进行快速决策，提高供热系统的安全性和系统效率。供热的信息化和自动化，都要将运行操作合理化、标准化，在确定统一的流程的基础上，实现信息化。

供热系统的自动化和信息化是供热系统智能化的基础。供热系统的智能化水平可以划分为3个纵向的层级：初级智能系统、恒定智能系统和开放智能系统。智能化系统的层级及特征见图3。

图3 智能化系统的层级及特征

初级智能系统的特征为：具备状态感知、自动决策、即时执行3个特征。恒定智能系统的特征为：具备状态感知、实时分析、自主决策、精准执行4个特征。开放智能系统具备智能的全部特征：状态感知、实时分析、自主决策、精准执行、学习提升。供热系统智能化是一个长期奋斗目标，不是短期内能实现的，必须清醒地认识到这一点。用常规方法实现的供热任务，不应贴上智慧的标签。

机器学习泰斗Michael I. Jordan教授否认人类现在已经处于人工智能时代，他认为人类正处于计算机科学时代、统计时代、个性化服务和数据时代，或者手机时代、移动时代。Michael I. Jordan教授认为：过去的40 a间真正发生的是智能增强(IA)，包括数据处理、数据分析、搜索引擎、自然语言翻译、推荐系统等,其实都是智能增强(IA)，而不是人工智能(AI)。

目前我国供热系统的实际水平是信息化不完善，少部分系统实现了自动化，一些标称实现智慧供热的系统，距上述分析的智慧供热应完成的任务和目标相差甚远；距智慧供热系统应具备的自感知、自分析、自诊断、自决策、自学习的能力相差甚远，供热系统所达到的智力离初级的智能要求相差很大。

4.2 建议

智慧供热目标是靠智慧供热必须完成的任务的落实来实现的。为此建议如下：

① 智慧供热是一种新型供热方式，智慧供热技术还很不完善，推进智慧供热是一个长期的渐进的过程，各国都在不断探索中，也都面临标准、网络、安全、人才等一系列共性问题和挑战。要紧紧抓住智慧供热带来的历史性机遇，充分利用物联网、大数据、人工智能等先进技术，瞄准智慧供热目标，推进产学研用协同创新，实现供热技术、设备的创新突破，解决智慧供热中的智能算法及模型等关键理论问题，用创新引领和推动智慧供热的水平和质量提升，形成从事推广应用各种共性使能技术(Enabling Technology，是指一项或一系列的、应用面广、具有多学科特性、为完成任务，从而实现目标的技术)和提供系统解决方案的新兴企业集群。

② 智慧供热建设是一个循序渐进的过程，目标宏伟，不可能一蹴而就。供热企业应加强顶层设计，认清其所处的位置和拥有的实力，充分考虑技术先进性和技术经济性的平衡，理清现有条件下可能实现的目标，评估其在通往智慧供热的道路上要达到的层次。实事求是地根据供热企业的具体情况，制定出合理的智慧供热建设方案，分阶段、分层级往前推进。

③ 既有系统没有进行信息化建设的供热企业，现阶段的工作重点要先放在先进供热技术与信息化、自动化融合上，使得这些供热企业能够高质量地完成信息化和自动化的补课；已经实现信息化的供热企业，在补齐短板基础上，引进智慧供热平台。新建建筑及新建系统，要按照智慧供热的目标建设。