СТРУКТУРИРОВАННАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ИНЖЕНЕРНЫМИ СИСТЕМАМИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ - СМИС

Полезная модель относится к области автоматизированных систем управления, а конкретно к структурированной системе мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений - СМИС. Полезная модель может быть использована при проектировании и строительстве высотных и уникальных зданий, зданий и сооружений специального назначения, в том числе административных зданий, спортивных сооружений, музейных и выставочных комплексов, промышленных предприятий, а также при реконструкции и восстановлении зданий и сооружений, относящихся к культурному наследию, сохранность которых требует особого внимания.
Известна структурированная система мониторинга и управления инженерным оборудованием объекта (RU №2133490 С1, МПК 6 G05B 15/00, 1999), используемая для обеспечения полного мониторинга и централизованного управления инженерными системами жизнеобеспечения здания.
Система содержит центральный вычислительный модуль с устройством ввода-вывода, подключенного через коммуникационные узлы к системе централизованного питания и блокам автономного управления оборудованием объекта.
Центральный вычислительный модуль представляет собой программируемую компьютерную серверную станцию с функциями в соответствии с программным обеспечением централизованного получения по информационным каналам в рамках единого сетевого протокола данных мониторинга, обработки этих данных и выдачи управляющих сигналов на устройства управления узлами и агрегатами инженерного оборудования объекта.
Система включает контроллеры, расположенные в местах размещения коммуникационных узлов, подключенных к центральному кроссу системы централизованного питания и блокам автономного управления инженерным оборудованием по схеме иерархической звезды или по схеме шин. Контроллеры подключены по схеме иерархической звезды или по схеме шин к устройству ввода-вывода центрального вычислительного модуля. К каждому контроллеру последовательно или по схеме указанной звезды подключены модули удаленного ввода-вывода, к каждому из которых подсоединен соответствующий датчик контроля, измерения, управления, устройства управления конкретными узлами или агрегатами инженерного оборудования объекта.
Система включает одну или несколько дополнительных компьютерных станций. Дополнительная компьютерная станция своим модулем ввода-вывода связана по локальной компьютерной сети с центральным вычислительным модулем и выделенным каналом с соответствующим контроллером для обеспечения в соответствии с программным обеспечением локального мониторинга и управления узлами и агрегатами по крайней мере одной функционально самостоятельной части инженерного оборудования здания, а дополнительные компьютерные станции связаны между собой по информационному каналу по схеме иерархической звезды через концентраторы локальных вычислительных сетей, расположенных в выделенных каналах.
Известная структурированная система мониторинга и управления инженерным оборудованием объекта осуществляет только оперативный мониторинг за текущими параметрами работы инженерного обеспечения и, соответственно, оперативное управление инженерным оборудованием, не осуществляя прогнозирование параметров работы инженерных систем и возникновение внештатных ситуаций. По этим причинам известная система не исключает возможность возникновения внештатных ситуаций.
Технический результат, получение которого обеспечивает настоящая полезная модель, заключается в разработке структурированной системы мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений, которая позволит прогнозировать возникновение внештатных ситуаций, что обеспечит высокую надежность функционирования как инженерных систем зданий и сооружений, так и их сервисных систем, направленных на решение задач конкретного здания или сооружения определенного назначения.
Достижение этого результата обеспечивает структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений, которая содержит центральный вычислительный модуль с, по меньшей мере, одной компьютерной серверной станцией.
Центральный вычислительный модуль подключен к, по меньшей мере, одному блоку инженерных систем и выполнен с возможностью сбора параметров работы инженерных систем, формирования базы данных текущих параметров инженерных систем, определения трендов параметров работы инженерных систем и формирования базы данных трендов параметров, экстраполирования трендовых значений параметров работы инженерных систем на постоянный временной интервал, моделирования работы инженерных систем и определения расчетных значений параметров и их предельно допустимых значений, формирования базы данных расчетных параметров и их предельно допустимых значений, сравнения текущих параметров работы системы с расчетными
параметрами и их предельно допустимыми значениями, сравнения экстраполированных значений и значений текущих параметров работы с расчетными параметрами и их предельно допустимыми значениями, определения возможных последствий, оценки ущерба и рекомендаций по реагированию по результатам компьютерного моделирования в случае превышения абсолютных значений текущих параметров и/или экстраполированных на постоянный временной интервал значений текущих параметров работы инженерных систем соответствующих значений расчетных параметров работы инженерных систем на величины, превышающие пороговые значения, фиксации состояния работы инженерных систем и/или прогнозируемое состояние работы инженерных систем и оценку возможных последствий, вызванных возникновением внештатной ситуации, и рекомендаций по реагированию на внештатные ситуации, а также формирования управленческих команд инженерной системе в автоматическом и/или полуавтоматическом режиме с участием оператора.
Центральный вычислительный модуль может быть связан, по меньшей мере, с частью инженерных систем, выбранных из группы, включающей:
- систему контроля, управления и диспетчеризации, предусматривающую комплекс средств технического обслуживания для автоматического управления, мониторинга и оптимизации человеческого вмешательства и администрирования с целью обеспечения проведения энергетически эффективных, экономичных и безопасных операций по обслуживанию оборудования зданий (Отраслевой стандарт НП «АВОК», Системы автоматизации и управления зданиями, АВОК СТАНДАРТ-5-2004, Часть 2. Основные положения. Аппаратные средства.),
- систему связи, предусматривающую комплекс технических средств, обеспечивающий информационный обмен между автоматизированными рабочими обслуживающего персонала и автоматическими системами и выполненную в виде телекоммуникационной сети на основе проводных и/или беспроводных средств связи,
- систему пожарной сигнализация, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для обнаружения очагов пожара,
- систему пожаротушения, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для тушения пожара,
- систему дымоудаления, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для удаления дыма,
- систему оповещения, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для информационного оповещения людей,
- систему грузопассажирских лифтов, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для подъема и спуска людей и грузов,
- систему пожарных лифтов и подъемников, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для аварийного экстренного подъема и спуска людей,
- систему контроля и управления доступом, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для контроля и обеспечения санкционированного доступа в или из помещения, здания, сооружения, зоны и территории (Требования к техническим средствам и системам комплексного обеспечения безопасности, автоматизации и связи многофункциональных высотных зданий и комплексов. М.: ВАН КБ, 2005, стр.20.),
- систему охранно-тревожно-вызывной сигнализации, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для обнаружения несанкционированных действий, информирования персонала, автоматической подачи команд управления на исполнительные устройства (Требования к техническим средствам и системам комплексного обеспечения безопасности, автоматизации и связи многофункциональных высотных зданий и комплексов. М.: ВАН КБ, 2005, стр.19.),
- систему охраны периметра, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для обнаружения несанкционированных действий по проникновению в охраняемую зону, информирования персонала и для автоматической подачи команд управления на исполнительные устройства,
- систему телевизионного наблюдения, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для дистанционного наблюдения (Требования к техническим средствам и системам комплексного обеспечения безопасности, автоматизации и связи многофункциональных высотных зданий и комплексов. М.: ВАН КБ, 2005, стр.22; система телевизионного наблюдения создается, как правило, в соответствии с ГОСТ Р51558),
- систему охранного освещения, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для функционирования технических средств и охраны объекта в темное время суток (Требования к техническим средствам и системам комплексного обеспечения безопасности, автоматизации и связи многофункциональных высотных зданий и комплексов. М.: ВАН КБ, 2005, стр.28; система охранного освещения, как правило, создается в соответствии со СНиП 23.05-95),
- систему аварийного освещения, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для управления аварийным освещением (Требования к
техническим средствам и системам комплексного обеспечения безопасности, автоматизации и связи многофункциональных высотных зданий и комплексов. М.: ВАН КБ, 2005, стр.33; Система аварийного освещения, как правило, создается в соответствии с СП 31-110-2003),
- систему управления эвакуацией людей, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для оповещения людей и управления системами жизнеобеспечения (Требования к техническим средствам и системам комплексного обеспечения безопасности, автоматизации и связи многофункциональных высотных зданий и комплексов. М.: ВАН КБ, 2005, стр.33.),
- систему физической защиты, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для предотвращения несанкционированных действий,
- систему экстренной связи, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для обмена речевой информацией (Требования к техническим средствам и системам комплексного обеспечения безопасности, автоматизации и связи многофункциональных высотных зданий и комплексов. М.: ВАН КБ, 2005, стр.33.),
- систему мониторинга технического состояния строительных конструкций, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для обнаружения мест повреждений и разрушений,
- систему контроля и обнаружения химических, радиационных, взрывчатых и биологически опасных веществ, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для обнаружения утечек радиоактивных и химических веществ, а также наличия взрывчатых и биологически опасных веществ.
- систему информационной безопасности, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для определения режимов функционирования объекты (Требования к техническим средствам и системам комплексного обеспечения безопасности, автоматизации и связи многофункциональных высотных зданий и комплексов. М.: ВАН КБ, 2005, стр.27.),
- систему внешнего мониторинга и оповещения о чрезвычайных ситуациях, предусматривающую комплекс технических средств, предназначенных для обнаружения и оповещения об угрозе возникновения и возникновении чрезвычайной ситуации.
Центральный вычислительный модуль в наилучшем варианте выполнения включает базу данных текущих параметров работы, базу данных трендов параметров работы, блок экстраполяции трендов, блок моделирования и определения расчетных значений параметров работы, база данных расчетных параметров, блок сравнения, пороговое устройство, блок моделирования и определения последствий внештатных
ситуаций и рекомендаций по реагированию, блок формирования и передачи сообщений и команд управления, блок управления, при этом первый выход блока инженерных систем соединен с входом блока сбора и обработки параметров работы, второй выход блока инженерных систем соединен с входом блока моделирования работы и определения расчетных значений параметров, первый выход блока сбора и обработки параметров работы соединен с базой данных трендов параметров, второй выход блока сбора и обработки параметров работы соединен с базой данных текущих параметров, выход блока моделирования работы и определения расчетных параметров соединен с базой данных расчетных параметров, выход базы данных трендов параметров соединен с блоком экстраполяции трендов, выходы блока экстраполяции трендов, базы данных текущих параметров, базы данных расчетных параметров соединены с входами блока сравнения, выход которого соединен с входом блока моделирования и определения последствий и рекомендаций по реагированию, выход которого соединен с входом блока формирования и передачи сообщений и команд управления, выход которого соединен с входом блока управления инженерной системы.
Блок формирования и передачи сообщений и команд управления, и/или блок моделирования и определения последствий и рекомендаций по реагированию, и/или блок моделирования работы инженерных систем и определения расчетных значений параметров в предпочтительном варианте выполнения полезной модели включает геоинформационную систему.
Линиями связи функциональных блоков, как правило, являются или проводные линии связи, или беспроводные линии связи, или комбинации проводных и беспроводных линий связи (LAN, INTERNET, SMS, WiFi и др.).
На фиг.1 показана блок-схема структурированной системы мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений, которая включает блок инженерных систем 1, блок сбора параметров работы 2, базу данных трендов параметров 3, блок экстраполяции трендов 4, базу данных текущих параметров 5, блок моделирования работы и определения расчетных значений параметров 6, базе данных расчетных параметров 7, блок сравнения 8, пороговое устройство 9, блок моделирования и определения последствий и рекомендаций по реагированию 10, блок формирования и передачи сообщений и команд управления 11, блок управления инженерной системой 12.
Структурированная система мониторинга и управления инженерными системами зданий и сооружений предусматривает выполнение в автоматическом режиме операций с инженерными системами зданий и сооружений, которые включают:
- сбор параметров работы инженерных систем зданий и сооружений, под которыми понимаются эксплуатационные параметры, характеризующие работу самой инженерной системы (например, время наработки циркуляционного насоса) или технические параметры, характеризующие результат работы инженерной системы (например, давление в системе водоснабжения);
- формирование базы данных текущих параметров инженерных систем;
- определение трендов параметров работы инженерных систем и формирование базы данных трендов параметров;
- экстраполирование трендовых значений параметров работы инженерных систем на постоянный временной интервал;
- моделирование работы инженерных систем и определение расчетных значений параметров и их предельно допустимых значений;
- формирование базы данных расчетных параметров и их предельно допустимых значений;
- сравнение текущих параметров работы инженерных систем с расчетными параметрами и их предельно допустимыми значениями;
- сравнение экстраполированных значений и значений текущих параметров работы с расчетными параметрами и их предельно допустимыми значениями;
- определение возможных последствий, оценку ущерба и рекомендаций по реагированию по результатам компьютерного моделирования в случае превышения абсолютных значений текущих параметров и/или экстраполированных на постоянный временной интервал значений текущих параметров работы инженерных систем соответствующих значений расчетных параметров работы инженерных систем на величины, превышающие пороговые значения;
- фиксацию путем передачи по телекоммуникационным сетям текущего состояния работы инженерных систем и/или прогнозируемое состояние работы инженерных систем и оценку возможных последствий, вызванных возникновением внештатной ситуации, и рекомендации по реагированию на внештатные ситуации,
- формирование управленческих команд инженерным системам в автоматическом и/или полуавтоматическом режиме с участием оператора.
Величина временного интервала, на который экстраполируют трендовые значения параметров работы инженерной системы, может выбираться равной часу, суткам, неделе, месяцу, одному или нескольким годам. Моделирование допустимо осуществлять с использованием программных пакетов конечно-элементного анализа, а также с использованием геоинформационной системы.
Выполнение в автоматическом режиме операций осуществляют со смонтированной в здании или сооружении группой инженерных систем или всеми системами, перечисленными в представленном выше перечне инженерных систем здания или сооружения.
Для каждой инженерной системы определяют контролируемые параметры работы инженерной системы, которые поступают и обрабатываются в блоке сбора и обработки параметров работы инженерной системы 2.
Например, для инженерной системы контроля, управления и диспетчеризации могут быть определены следующие параметры:
- состояние системы (включена/выключена);
- исправность системы (исправна/авария);
- режим работы (ручной/автоматический);
- неисправность устройств: тип, статус, местоположение (пример: отсутствие напряжения на вводе шкафов управления; нарушение целостности линий связи системы, сигнал выход из строя аппаратных средств; выход из строя программных средств);
- параметры работы устройств (параметры работы устройств вентиляции и воздушного отопления; параметры работы устройств отопления, теплового пункта, обогрева кровли и водостока; параметры работы устройств противодымной вентиляции; параметры работы устройств водоснабжения канализации, водостока и дренажа; параметры работы устройств холодоснабжения; параметры работы устройств электроснабжения и освещения (высоковольтные устройства и релейные устройства, дизель-генераторные установки, трансформаторные подстанции, главные распределительные щиты и источники бесперебойного питания, внутреннее освещение, наружное и рекламное освещение, освещение территории); параметры работы системы пассажирских и грузопассажирских лифтов.
Для системы пожаротушения могут быть определены следующие параметры:
- состояние системы (включена/выключена);
- исправность системы (исправна/авария);
- режим работы (ручной/автоматический);
- неисправность устройств: тип, статус, местоположение (пример: отсутствие питания в цепях управления насосов (рабочих, резервных, жокеев), неисправность клапанов и задвижек, сигнал утечки из системы);
- параметры работы устройств: текущее значение давление воды, состояние задвижек и клапанов системы, срабатывание реле протока.
Для системы пожарной сигнализации могут быть определены следующие параметры:
- состояние системы (включена/выключена);
- исправность системы (исправна/авария);
- сигнал возникновение пожара (с указанием места);
- состояние тревожных кнопок «Пожар» (нажата/отжата);
- неисправность устройств: тип, статус, местоположение (пример: отсутствие питания шкафов, панелей управления, пультов и элементов системы пожарной сигнализации).
Для системы управления эвакуацией людей могут быть определены следующие параметры:
- состояние системы (включена/выключена);
- исправность системы (исправна/авария);
- неисправность устройств: тип, статус, местоположение (пример: отсутствие питания шкафов, панелей управления, пультов и элементов, обрыв линий связи).
Для системы охранно-тревожной сигнализации могут быть определены следующие параметры:
- состояние системы (включена/выключена);
- исправность системы (исправна/авария);
- неисправность устройств: тип, статус, местоположение (пример: отсутствие питания шкафов, панелей управления, пультов и элементов, обрыв линий связи);
- сигнал «несанкционированное проникновение».
Для системы телевизионного наблюдения могут быть определены следующие параметры:
- состояние системы (включена/выключена);
- исправность системы (исправна/авария);
- неисправность устройств: тип, статус, местоположение (пример: отсутствие питания шкафов, панелей управления, пультов и элементов, обрыв линий связи);
- сигнал «Внимание» (обнаружение нештатной ситуации).
Для системы контроля и управления доступом могут быть определены следующие параметры:
- состояние системы (включена/выключена);
- исправность системы (исправна/авария);
- неисправность устройств: тип, статус, местоположение (пример: отсутствие питания шкафов, панелей управления, пультов и элементов, обрыв линий связи).
Для системы мониторинга технического состояния строительных конструкций могут быть определены следующие параметры:
- состояние системы (включена/выключена);
- исправность системы (исправна/авария);
- неисправность устройств: тип, статус, местоположение (пример: отсутствие питания шкафов, панелей управления, пультов и элементов, обрыв линий связи);
- сигнал о напряженно-деформированном состоянии конструкций (Возможные значения: «Нормально», «Повышенное внимание», «Опасно»),
Для системы телекоммуникационной связи могут быть определены следующие параметры:
- состояние системы (включена/выключена);
- исправность системы (исправна/авария);
- неисправность устройств: тип, статус, местоположение (пример: отсутствие питания шкафов, панелей управления, пультов и элементов, обрыв линий связи).
В блоке моделирования работы и определения расчетных значений параметров 6 для каждой инженерной системы, фиксируются расчетные значения параметров работы инженерных систем на основе существующих норм (МГСН 4.19-05 и др.) и/или компьютерного моделирования, определения параметров работы (давление, напряженно-деформированное состояние, температура, время тушения пожара, время эвакуации и т.п.). Данные результаты записываются в базу данных расчетных параметров 7.
Например, могут быть определены следующие параметры:
- давление в системе теплоснабжения при различных температурных режимах;
- давление в системе водоснабжения в различное время суток;
- среднесуточное потребление электроэнергии, максимальная пиковая нагрузка за сутки;
- штатные параметры инженерных систем и объекта (пороговые значения срабатывания датчиков дыма, температурно-влажностный режим помещений и др.).
По результатам обработки параметров работы инженерных систем в блоке сбора и обработки параметров работы инженерных систем 2 формируется база данных трендов параметров 3 и база данных текущих параметров 5. При этом база данных текущих параметров 5 содержит значения текущих параметров, а база данных трендов параметров 3 содержит информацию об изменении параметров, рассчитанных на основе текущих и предыдущих значений параметров.
Например, в приведенном выше примере база данных трендов параметров 3 может содержать следующие параметры:
- изменение давления в системе теплоснабжения (например, в виде зависимости среднесуточного давления в системе от времени);
- изменение давления в системе водоснабжения (например, в виде зависимости среднесуточного давления в системе от времени);
- изменение времени работы насоса подпитки в виде зависимости суточного (недельного, месячного и т.д.) времени наработки насоса подпитки от времени;
- изменение частоты включения насоса подпитки в виде зависимости количества включений насоса подпитки за сутки (неделю, месяц и т.д.) от времени;
- изменение потребляемой мощности (например, в виде зависимости среднесуточной потребляемой мощности от времени или максимальной пиковой нагрузки в течение суток от времени);
База данных трендов параметров 3 может содержать также иные изменяющиеся во времени параметры работы инженерных систем.
Затем параметры экстраполируют в блоке экстраполяции трендов 4 на заданный временной интервал, определяя, таким образом, прогнозные (будущие) значения параметров. Экстраполяция параметров может осуществляться на основе закономерностей, выявленных при моделировании работы инженерных систем в блоке сбора и обработки параметров работы инженерных систем 2.
Например, в случае наличия постепенной утечки в системе пожаротушения, системе теплоснабжения, системе водоснабжения или в случае наличия постепенного увеличения потребления электроэнергии, в блоке экстраполяции трендов 4 будут посчитаны прогнозные (будущие) значения данных параметров через заданный период времени (день, месяц, квартал, год и т.д. в зависимости от скорости изменения параметров).
Прогнозные значения могут быть посчитаны и на основе эксплуатационных характеристик, например, время наработки насоса. В этом случае система, на основе режимов работы насоса и частоты его эксплуатации прогнозирует параметр - время наработки насоса на заданный временной интервал, который в дальнейшем сравнивается с предельно допустимым значением данного параметра.
В блоке сравнения 8 осуществляют сравнение текущих параметров из базы данных текущих параметров 5 и соответствующих им расчетных параметров, хранящихся в базе данных расчетных параметров и предельно-допустимых значений 7.
При поступлении прогнозной информации из блока экстраполяции трендов 4 осуществляют сравнение будущих (прогнозируемых) значений параметров и
соответствующих им расчетных параметров, хранящихся в базе данных расчетных параметров и предельно-допустимых значений 7.
Результаты сравнения текущих параметров с расчетными параметрами, и/или прогнозных параметров с расчетными параметрами поступают на вход порогового устройства 9. В случае превышения заданного в пороговом устройстве 9 порога информация поступает в блок моделирования и определения последствий и рекомендаций по реагированию 10.
В блоке моделирования и определения последствий и рекомендаций по реагированию 10 осуществляется моделирование последствий при заданных текущих и/или прогнозных параметрах, среди которых один или несколько параметров превысили заданный в пороговом устройстве 9 порог.
Например: прогнозное значение параметра «время наработки насоса» через 1 год превышает максимально допустимое количество отработанных часов для данного вида насосов.
По результатам определения последствий формируются рекомендации по реагированию. Например, при отключении циркулирующего насоса системы отопления давление в системе отопления упадет ниже допустимого и часть здания обогревать не будет. Возможный ущерб может составить 100 000 руб. в сутки (рассчитывается исходя из расходов дополнительной электроэнергии на обогрев и обязательств по договорам аренды).
Пример расчета падения давления в системе отопления проиллюстрирован на скриншотах, представленных на фиг.2 (давление в системе теплоснабжения в штатном режиме) и фиг.3 (давление в системе теплоснабжения в случае выхода из строя циркуляционного насоса). Данный пример показывает возможности использования геоинформационных систем для моделирования последствий при прогнозе (возникновении) аварийных ситуаций.
Для получения оперативной информации, поступающей от инженерных систем при наступлении нештатной ситуации (срабатывании порогового устройства 9) также могут быть определены возможные последствия.
Например, инженерная система телевизионного наблюдения обнаружила незнакомый предмет (пакет, неопознанный автомобиль и т.д.). Сигнал передается и обрабатывается блоком моделирования и определения последствий и рекомендаций по реагированию 10, определяются возможные сценарии развития событий - оценивается объем неопознанного предмета и возможный эквивалент мощности взрывчатого вещества. В случае если данная ситуация не была заранее промоделирована в блоке моделирования
и определения последствий и рекомендаций по реагированию 10, осуществляется моделирование развития сценария при срабатывании взрывного устройства. Оценивается возможный ущерб и определяются рекомендации по реагированию, в том числе по эвакуации людей.
Информация о последствиях и рекомендациях по реагированию поступает на вход блока формирования и передачи сообщений и команд управления 11, в котором осуществляется формирование сообщений заданного формата для передачи оператору (собственнику, арендатору, эксплуатационной службе, городским диспетчерским службам. При необходимости, определяемой пользователем системы, может быть осуществлена передача команд управления на блок управления инженерными системами 12 в соответствии с рекомендациями по реагированию (например, разблокирование путей эвакуации в случае возникновения пожара).