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〈工業技術與資訊〉分散式能源崛起 -
透過「虛擬電廠」整合再生能源、儲能設備、備援電力等分散式能源，已成為能源管理新顯學（09/26/2021 鉅亨網新聞）

逐年攀升的尖峰負載，讓臺灣的能源使用規劃，成為各方焦點。跳脫興建更多電廠的思維，透過「虛擬電廠」，整合再生能源、儲能設備、備援電力等分散式能源，已成為能源管理新顯學。隨著再生能源占比逐步升高，為了解決供電間歇性的問題，能長時間儲存電力的「液流電池」也備受關注。

數 10 年來，臺灣傳統電力供應以大型電廠為主，想要解決尖峰用電問題，除了蓋電廠外，是否還有更省成本、更有效率的解方？

攤開臺灣的用電分布，若以 1 年 8,760 小時來看，臺灣每年用電最多的 200 個小時，對於電力系統產生的額外需求大約為 2GW，相當於年度用電尖峰的 5%，且大多集中在夏季。工研院綠能與環境研究所組長梁佩芳認為，若要持續蓋電廠，得先思考 2 個問題：一是電廠投資大、建廠時間久，還會面臨環保抗爭行動；二是只為了每年 200 小時的尖峰需求興建新電廠，似乎也不太符合投資效益。

其實除了大型電廠之外，民間也暗藏不少中小型的電力資源，像是散落在企業、工廠、住家裡的太陽能、風力、儲能設備、備援發電機、UPS 系統和電動車等。隨著供電挑戰愈來愈大，未來必須要更加靈活善用這些電力資源。「虛擬電廠」概念應運而生，「就是將分散式的中小型資源聚合起來，變成可靠的電力供應來源，就像一個可受控制的電廠。」

用戶代理人扮演關鍵角色

當傳統以大型機組為主的集中式電力系統，走向分散式電力系統後，原先單純做為電力的消費者，同時也轉為電力供給的產銷者。正因為聚集了各種不同類型的用戶參與，虛擬電廠有著更大的調度彈性，能在短時間內提供尖峰負載電力，也能為電力公司提供輔助服務。

相比過去台電控制大電廠，只要一個指令；當眾多小資源集結時，該如何有效管理就成了關鍵。這造就一個角色興起，也就是所謂的「聚合者」或「用戶代理人」（Aggregator），「他必須聚合用戶資源，就像一個統一窗口，去台電或電力市場報價，未來代理人會是新的商機。」

「虛擬電廠有很多不同機制，有些可以做出一桌菜，有些就是很專業的一道菜，不同公司的營運策略都不一樣。」梁佩芳表示，目前虛擬電廠在國際已有不少成功案例，以全球知名的德國公司 Next Kraftwerke 來說，旗下聚合超過 1 萬個用戶，裝置容量達 8GW 以上，並依據用戶特性，設計不同方案，有些投入電力交易市場，有些則投入輔助服務市場；特斯拉（Tesla）也在加州聚集旗下家用儲能設備 Powerwall 的用戶，向電力公司提供電網服務，當加州電力不夠時，便控制電池放電。

滿足五大條件 虛擬電廠商機可期

梁佩芳認為，虛擬電廠必須具備 5 項條件才能發揮其優勢。第一是 ICT 的基礎建設，為了讓代理人清楚掌握每個參與者的狀況，需要導入智慧電表等 ICT 應用，才能即時掌握數據。

第二是預測。代理人需了解電力系統狀況，進行負載預測，事先讓參與者知道未來幾天的用電趨勢，讓用戶有心理準備，提高用戶的參與意願，不至於突然收到斷線通知，措手不及。

第三是打造客製化方案。因應不同參與者的特性，客製化電力的供應狀態，而非所有人一體適用的規則，甚至是調整用戶的生產行為。比如台電大多在下午 1 點到 3 點的尖峰時間，要求降低用電，或許就能和工廠討論改變生產排程。

第四是對市場的了解。代理人需對市場敏銳，針對用戶屬性，細分成不同群體，參與市場上的不同計畫。台電現已要求，未來代理人參與電力市場，必須取得「合格排程者」（Qualified Scheduling Entity；QSE）的資格，代表代理人對市場有基本了解。

第五是決策技術。如何安排出最妥適的方法，讓參與者的成本降低，在電力市場獲得比較高的回報；同時也要有預先準備，當執行期間發生意外的話，如何啟動緊急機制，這些都需要依賴精密的排程決策。

雖然目前臺灣的虛擬電廠概念在仍在起步階段，代理人角色也仍舊偏少，但可以預期，台電的電力交易平台正式上線後，「臺灣的市場就會打開，未來參與電力市場服務會比以前更加自由、開放，只要聚合資源就能去交易，許多業者都在準備，商機可期。」

四大優勢 液流電池成儲能新星

在分散式能源系統中，再生能源和儲能設備不僅是其中的重要一環，兩者也有高度相關。隨著再生能源的占比逐漸增加，面對「看天吃飯」的間歇特性，更需要長時間的儲能設備，才能 24 小時供應綠電，而安全性更高、儲能時間又長的「液流電池」開始受到關注。

工研院綠能所組長張文昇指出，液流電池顧名思義「就是電池裡有液體流動」。液流電池包含 2 個大型的電解液桶槽，內含可儲存電力的活性物質，將電解液以管線輸送到中央元件，稱其為「電堆」。當需要充放電時，便透過泵浦將液體輸送至電堆，產生電子轉移，以此進行放電或儲電。根據電池種類不同，液流電池可使用多種不同金屬元素組成，目前最成熟的便是採用釩離子的液流電池系統。

比起傳統鋰電池，液流電池具備更多優勢。第一是安全，挑選電池首重安全考量，用水溶液安全性高，無爆炸跟自燃風險。第二是設計更有彈性，由於能量是儲存在液體裡，桶槽愈大，能提供的能量就愈多，根據不同應用情境，只要增加桶槽與電解液，儲存的能量與時間就能更多、更久。

第三是使用壽命長，深度充放電循環可超過 2 萬次，至少用 20 年沒問題，平均儲能成本攤提下來，在長時間儲存上比鋰電池更划算。第四活性物質在液體裡容易回收，即使電池長期使用後，裡頭的有價金屬也不耗損。

「液流電池屬於長跑型的選手，潛力上就是適合做連續長時間的放電和儲存，」張文昇說。這也是為什麼液流電池特別適合作為長時間儲能用途，面對間歇性的再生能源，可將綠電安全、穩定的儲存起來，扮演重要的調節角色。

由於能量是儲存在液體裡，桶槽愈大，能提供的能量就愈多，根據不同應用情境，只要增加桶槽與電解液，儲存的能量與時間就能更多、更久。

打造電堆 2 倍功率 創國際領先水準

早在 2008 年，工研院便意識到儲能會是未來電力系統的要角，率先進行小型的前瞻計畫，評估各種不同的儲能方法。直到 2017 年正式投入，在沙崙綠能科技示範場域打造液流電池系統。

張文昇指出，液流電池有幾個研發關鍵。第一也是最重要的，便是位於中央位置的電堆，「電池所有的功率跟充放電效率，都在那裡決定。」第二是電解液性質，由於活性物質儲存在液體裡，就像泡咖啡，水加太少，底部就會有很多顆粒沉澱，若能在相同體積中，溶解更多活性物質，就能儲存更多能量。第三是系統整合介面，如何讓液體流動的最好、耗電最低，牽涉到系統設計問題。

工研院在電堆上花最多心思，除了在結構設計面讓能源效率最大化，材料也經過最適化調整，比起市面上相同體積的電堆，工研院可輸出 2 倍以上的功率，居於國際領先水準。

應用範圍廣 積極導入產業

目前工研院已在沙崙打造一套 200 度電的儲能系統，近似於 2 萬顆手機電池的容量。未來沙崙場域希望可以達到電力自給自足達 50% 的程度，儲能系統能調節尖峰負載，也能支援夜間用電，甚至在停電時做為緊急備援電力。

工研院也將此套系統投入產業使用。工研院綠能所總監楊昌中指出，2019 年，工研院和中油攜手打造首座多元電力供應及儲能系統的智慧加油站「臺南前鋒路示範站」。因應未來的電車趨勢，中油率先啟動轉型，著手布建百分百使用再生能源的全綠能站體，提供加油站本身與電動機車充換電需求，其中的儲能系統便是採用安全性更高的釩液流電池。

今年 1 月，政府也通過「一定契約容量以上之電力用戶應設置再生能源發電設備管理辦法」，俗稱「用電大戶」條款，規範契約容量 5,000kW 以上的用戶，必須在 5 年內設置契約容量 10% 的再生能源，而液流電池也很適合推展至工業區和住商大樓。

除了國內的產業化進度外，目前也有國際電池材料公司，委託工研院進行測試工作，顯示技術已被國際認可。工研院也積極將技術技轉給臺灣電池和儲能業者，「透過扶植臺灣有潛力的廠商，讓此技術做到電堆百分之百 MIT，」楊昌中說。在分散式能源和再生能源的發展下，工研院持續以扎實技術力，協助臺灣迎接能源新時代。

完整內容請見：
https://news.cnyes.com/news/id/4729870

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0824新加坡聯合早報

*【塔利班重新控制阿富汗北部三地區 希望與反抗軍“和平解決”問題】
塔利班已重新控制上周被民兵組織奪下的三個北部地方，並將反塔利班力量圍堵在潘傑希爾山谷中。儘管如此，塔利班仍表示，希望能夠“和平解決”與反抗軍之間的問題。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210824-1185550

*【阿富汗軍隊潘傑希爾山谷迎戰 塔利班重創死300人】
塔利班此前在推特上宣佈，成百上千名士兵正向潘傑希爾山谷進發，以解決潘傑希爾山谷地區代表“拒絕和平投降”的問題，結果塔利班慘遭重創，300名武裝分子死亡。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185515

*【阿富汗地方反抗軍結盟 施壓塔利班組聯合政府】
阿富汗武裝組織塔利班閃電奪取政權後，包括原政府軍在內的約9000人，在東北部潘傑希爾谷地組成反抗塔利班的力量，希望推動一個新政府體系，並預計與塔利班的這場對抗會是一場“持久戰”，但表示也會嘗試與塔利班談判，確保全民得到社會正義丶平等丶人權以及自由。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185514

*【喀布爾機場發生槍戰1死3傷】
阿富汗首都喀布爾機場23日發生槍戰，西方安全部隊、阿富汗警衛和身份不明的槍手互相交火，造成一死三傷。德國軍方在推特上說，美軍和德軍在喀布爾機場北門與槍手展開駁火，一名阿富汗警衛喪命，另有三人受傷。另據美國有線電視新聞網（CNN），在機場外的一名狙擊手向機場設施內的阿富汗警衛開槍，阿富汗警衛反擊，美軍隨即向阿富汗警衛還擊。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185482

*【消息指拜登考慮推遲撤軍期限 塔利班：8月31日是不可逾越紅線】
消息人士透露，美國總統拜登預計將在24小時內決定是否將美國在阿富汗的撤軍期限推遲，以便給予國防部更多時間安全撤離更多美國人和他們的盟友。但塔利班警告說，西方盟軍8月31日的撤軍期限是不可逾越的“紅線”。路透社報導，一名美國官員表示，拜登還沒有做最後決定，但一些白宮顧問基於安全理由反對推遲撤軍期限。他說，拜登可能會在週二舉行的七國集團（G7）領導人視訊峰會宣佈他的決定。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210824-1185635

*【美國徵用18架民航機 加速阿富汗撤僑行動】
美國政府星期天罕見地向商業航空公司徵用民航機，以加速從阿富汗首都喀布爾疏散人員的行動。此舉凸顯從阿富汗撤僑的難度，以及喀布爾國際機場面對的潛在安全威脅。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210824-1185545

*【英國首相強森將敦請美國總統延長撤離阿富汗的最後期限】
英國政府兩位官員表示，七國集團（G7）領導人24日討論阿富汗危機時，英國首相強森將要求美國總統拜登延長從阿富汗撤離的最後期限。英國武裝部隊次長James Heappey和外交部中東及北非事務國務大臣James Cleverly表示，英國正在推動將最後期限推遲到8月31日之後，以提高英國能幫助想要逃離塔利班的人數。Heappey指出，大約有4000名有資格來英國的人仍然在阿富汗，如果可以的話，政府希望再撤離數千人。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185494

*【拜登堅定承諾讓美國公民和陷入風險的阿富汗人安全撤離】
美國總統拜登說，美國“堅定不移地承諾”，會讓美國公民和陷入風險的阿富汗人安全離開阿富汗。路透社報導，拜登22日在白宮的簡報會上說：“我要強調，無論在什麼時候啟動，從喀布爾撤離大量人員都會是一個艱難和痛苦的過程。” 拜登說：“我們還有大量的工作，很多事情可能會出差錯。”
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185456

*【多國緊張撤僑 平民持續湧入機場 喀布爾頻傳死傷】
塔利班一周前佔領喀布爾後，喀布爾機場成為離開阿富汗的唯一途徑，許多平民湧向機場，設法坐上外國撤僑包機。機場周邊一片混亂。阿富汗喀布爾國際機場持續湧入急於逃離的人群，英國國防部說，21日有七人在機場附近的混亂中死亡。據北約官員統計，過去一周該機場內與周邊地區已有至少20人遭槍擊或踩踏致死。美國和德國都以存在安全威脅為由，呼籲本國公民避免前往喀布爾機場。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210823-1185350

*【英國探討將入境阿富汗者列入黑名單】
於阿富汗現已落入塔利班武裝組織手中，有消息指英國政府將討論是否可以把入境阿富汗的人列入黑名單。英國《電訊報》引述一消息人士說：“我們正在探討在現階段可用的所有選項，而這（黑名單）是其中一個選項。”
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210824-1185644

*【應塔利班要求 伊朗向阿富汗恢復出口燃料】
伊朗一名官員告訴路透社，伊朗政府數天前應阿富汗新政府的要求，向阿富汗恢復出口燃料。塔利班8月15日奪取阿富汗控制權後，許多阿富汗人因擔心遭到報復及重新回到塔利班的嚴酷統治，紛紛開車逃離城市，阿富汗的汽油價格飆升到每噸900美元。屬遜尼派伊斯蘭原教旨主義的塔利班為應對油價飆漲問題，要求什葉派的伊朗讓兩國邊界維持開放，以利於貿易活動。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210824-1185642

*【塔利班坐擁阿富汗上兆美元各類礦產 但基礎設施落後難開採】
塔利班重掌阿富汗政權，將坐擁總值1兆美元的礦物資源，但由於阿富汗基礎設施落後，要開採礦產並非易事。根據美國地質勘探局今年1月發佈的報告，阿富汗礦產種類繁多，鋁、銅、鐵、鋰、稀土等高價值礦產資源豐富。製造電纜所需的銅每噸價格已突破1萬美元，成為炙手可熱的商品；鋰是製造電動汽車電池、太陽能板、風力發電用鋰電池不可或缺的原料。國際能源署估計，到了2040年，全球對鋰的需求量料將增加至少40倍。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210823-1185351

*【分析：阿富汗今年經濟或萎縮20%】
市場分析顯示，阿富汗經濟今年可能萎縮多達20%，在塔利班接管後下挫的幣價料會繼續走下坡。美國前財長Larry Summers認為，塔利班面臨的經濟挑戰遠比人們想像的大。塔利班上週末奪權後，令人擔憂它可能再度用20年前的極端手段統治阿富汗，引發了出逃狂潮，預料這對經濟將構成大衝擊。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210823-1185354

*【伊朗外交部：伊朗的核談判立場沒有改變】
伊朗外交部發言人Saeed Khatibzadeh在例行新聞發佈會上說，美國新政府繼續走前政府的失敗之路，伊朗只聽到美國官員的言論，卻沒有看到任何行動。“時間對恢復履行伊核協議不利”。在談到英國、法國和德國近日發表聲明對伊朗核計畫表示擔憂時，Saeed Khatibzadeh表示，伊朗所做的一切都在國際原子能機構的監督下進行，出於和平目的並遵守《不擴散核武器條約》。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210824-1185650

*【美FDA全面授權批准16歲及以上者 接種輝瑞疫苗】
美國食品及藥物管理局（FDA）宣佈，全面批准16歲及以上人群接種輝瑞／BioNTech冠病疫苗。預料這將促使醫院、大學、企業和各類機構要求民眾接種疫苗。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210824-1185548

*【以色列分析： 第三劑輝瑞疫苗顯著提高年長者感染和重症保護】
以色列的資料分析結果顯示，與接種兩劑冠病疫苗者相比，第三劑輝瑞疫苗顯著提高了60歲及以上人群免受感染和染上重症的保護。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210824-1185546

*【美國媒體：早在去年1月已有六人染疫逝世 美冠病爆發時間點或移前到2019年底】
加州聖荷西《信使新聞報》報導，舊金山市灣區新聞集團根據疾病控制和預防中心和國家衛生統計中心的染病死亡資料和專家訪談，發現六個州，曾於今年1月悄悄修改了六名逝者的死亡證書，顯示他們的死因是冠病。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210824-1185547

*【白宮：數天內發佈非機密版冠病起源調查報告】
24日是美國情報部門向總統拜登提交冠病起源調查報告的期限。路透社報導，白宮新聞秘書薩琪表示，冠病起源調查報告預計會在期限前完成。不過非機密版本還需要幾天時間才能向公眾發佈。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210824-1185627

*【莫里森：接種率達七八成 澳洲就須放寬防疫限制】
澳洲總理莫里森說，一旦冠病疫苗接種率提高，澳洲就須開始放寬防疫限制。他表明，澳洲不可能永久封鎖，這是不可持續的生活方式。澳洲聯邦政府上個月公佈了分四階段解封的計畫，只要全國16歲以上的2500萬人口中有七成接種了疫苗，就“不太可能”須實施嚴格的封鎖；當疫苗覆蓋率達到80%時，可改為“高度針對性的封鎖”，已接種者可自由地跨州。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210824-1185549

*【檳州私人診所揭露 馬國反疫苗者願出高價購買接種電子證書】
馬來西亞檳城一家私人診所揭露，他們接到反疫苗人士的來電，表明不願接種冠病疫苗，但卻想要“出高價”購買疫苗接種電子證書。
https://www.zaobao.com.sg/news/sea/story20210824-1185567

*【胡志明市實施防疫封鎖 大批軍人嚴格執行任務】
越南冠病疫情最嚴峻的胡志明市23日開始實施封鎖，當局派出大批軍人嚴格執行新措施，希望在最短時間內遏制疫情。越南商都胡志明市早在上個月已收緊防疫管制措施，對人員流動實施一定限制。但由於當局沒有嚴格執行限制令，導致新增確診病例不減反增，促使政府決定從本周開始加強管制，禁止900萬名居民外出。
https://www.zaobao.com.sg/news/sea/story20210824-1185569

*【印尼前部長貪汙疫情援助金被判監12年】
印尼前社會部長Juliari Peter Batubara，因涉嫌貪汙冠病疫情社會援助，週一被判12年有期徒刑，同時被判罰款5億盾。法官稱，巴杜巴拉涉嫌貪汙324億盾冠病疫情救助資金，他是通過社會合作夥伴受賄。朱利阿利被批評不支持政府反腐打擊腐敗，當時他不承認對冠病救助資金有受賄行為。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185513

*【汶萊新增確診病例創單日新高 連五天破百】
汶萊星期天通報新增314起確診病例，創下單日新高紀錄；週一再通報新增104起確診病例，當中有多達70起暫未查明傳染源。截至週一，汶萊單日確診病例已連續五天破百起。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185509

*【紐西蘭宣佈延長四級警戒對抗疫情】
紐西蘭總理Jacinda Ardern23日宣佈全國四級警戒延長三天，直到27日午夜，不過疫情熱區奧克蘭則須至少延到31日。四級警戒意味所有人都必須待在家隔離。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185508

*【朝媒：朝鮮自主研製核酸檢測設備】
朝鮮勞動黨機關報《勞動新聞》刊文介紹國家科學院的研究成果，並表示111號研究所的科學家和工作人員攜手生物工程分院、開採機械研究所的科學家，首次自主研製與世界水準接軌的聚合酶鏈式反應（PCR）設備。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185468

*【美特使：華府對平壤無敵意 願隨時隨地對話】
美國朝鮮事務特別代表金星說，美國對平壤並無敵意，他願意在任何時候與任何地點與朝鮮官員會面。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185464

*【消息：滴滴暫停向歐洲和英國擴張】
知情人士透露，滴滴出行暫停了向歐洲擴張的計畫，部分原因是當地對這家中國網約車公司會如何處理乘客資料存在擔憂。據彭博社報導，不願公開身份的知情人士說，在包括幾個英國城市內的歐洲挑戰Uber的計畫已經擱置，一些職位將被裁撤。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/china/story20210824-1185641

*【據報美國對尋求赴美上市的中企發佈新資訊披露要求】
美國證券交易委員會（SEC）已開始向尋求在紐約上市的中國公司發佈新的資訊披露要求。這是美國提高投資者對相關風險認識努力的一部分。一些中國企業現在已開始收到美國證交會的具體指示，要求它們更詳細地披露其使用可變利益實體（VIE）這種離岸工具進行首次公開發行（IPO），及其對投資者的影響，以及中國政府干預公司運營的風險等情況。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/china/story20210824-1185640

*【芝加哥4小時2槍擊案2死9傷】
美國第三大城市芝加哥21日晚至22日淩晨發生兩起大型槍擊案，共造成兩人身亡、九人受傷。上週六晚9時10分許，芝加哥南區卡盧梅特高地一處停車場發生槍擊案。兩名男子連開數槍致六人中彈。所有傷者及時就醫，但其中一人背部、腿部多處中彈在送醫後宣告不治。警方目前尚不清楚槍手身分。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185519

*【美國破紀錄暴雨釀洪災 至少22死50人失蹤】
美國南部田納西州部分地區降下破紀錄豪大雨，引發毀滅性洪患，當局星期日表示，至少22人死亡、50人下落不明，並警告死亡人數恐將繼續攀升。韓弗理斯郡警長大衛斯證實，郡內有22人包括兩名幼童罹難，許多失蹤者住在水位漲得最快的地區。當局已在這個地區挨家挨戶搜查。
https://www.zaobao.com.sg/realtime/world/story20210823-1185517

*【橫濱市長選舉自民黨落敗 菅義偉競選總裁面對強大挑戰】
日本反對黨在星期天的橫濱市長選舉中勝出，首相菅義偉的政治威信備受衝擊，預料他在下月底的自民黨總裁選舉將遇到強大挑戰。
https://www.zaobao.com.sg/news/world/story20210824-1185551

佈署 IoT Edge 和霧運算技術以開發智慧建築服務

2021年2月19日 星期五

《3S MARKET》這篇報導把物聯網的架構與實作，描寫的非常詳細，雖然在建築的細節上描述不多，但報導中也提及這是個實際驗證，可適用在很多的場域。不知道，有多少人真正看得懂？當然，連這篇都看不懂的人，就別說他真正了解物聯網、Edge 與 Cloud。

事實上這篇報導的描述不難了解，真正物聯網與邊緣運算的挑戰，是在實作。實作真正面臨的，是這些數據處理、融合、分析上的完整度，還有 —— 找到實作的場景！

摘要

基於 SoC 架構的嵌入式系統的進步，使許多商業設備的開發變得足夠強大，足以運行操作系統和複雜的算法。這些設備整合了一組具有連通性、運算能力和成本降低的不同感測器。在這種情況下，物聯網（IoT）的潛力不斷增加，並帶來了其他發展可能性：「事物」現在可以增加數據源附近的運算量；因此，可以在本地系統上，佈署不同的物聯網服務。

這種範例稱為「邊緣運算」，它整合了物聯網技術和雲端運算系統。邊緣運算可以減少感測器與中央數據中心之間，所需的通信頻寬。此方法需要管理感測器、執行器、嵌入式設備，和可能不連續連接到網路的其他資源（例如智慧手機）。這種趨勢對於智慧建築設計非常有吸引力，在智慧建築設計中，必須整合不同的子系統（能源、氣候控制、安全性、舒適性、使用者服務、維護和營運成本）以開發智慧設施。在這項工作中，分析和提出了一種基於邊緣運算範例的智慧服務設計方法。

這種新穎的方法，克服了現有設計中與服務的互操作性，和可伸縮性有關的一些缺點。描述了基於嵌入式設備的實驗架構。能源管理、安全系統、氣候控制和資訊服務，是實施新智慧設施的子系統。

1. 簡介

建築自動化系統使用開放式通信標準和介面，可以整合多種不同的建築控制規則，例如供暖、通風、空調、照明和百葉窗、安全功能和設備。但是，現有建築物通常不具有這些系統。

通常，每種安裝類型都提供特定的服務：供暖通風和空調（HVAC）控制氣候服務，攝影機和感測器提供安全服務等。僅當設計能源管理系統時，不同的子系統相關，但僅透過以下方式，連接建築物的能源管理系統。能源管理服務，集中在專用軟體中。

對於使用者和維護技術人員來說，提供不同服務的不同製造商，發現很難整合新的服務和功能。自動化建築將用於控制和數據採集的軟體，與工業協議和介面整合在一起。此外，將新服務整合到這種解決方案中並不容易，這取決於已安裝軟體的開發。

這些工業發展還為能源管理，提供了雲端連接解決方案和智慧服務。這些服務，也在集中式電腦系統中開發。數據被傳輸到這些系統或雲端進行分析。本文提出使用佈署在物聯網（IoT）技術中的邊緣和霧運算範例，主要有兩個目的：

A. 在自動化和非自動化建築物中，促進新的智慧和可互操作服務的整合（整合）。

B. 允許在建築物的所有子系統之間，分配智慧服務（互操作性）。

透過該建議，可以促進建築物子系統之間的關係。它還促進創建新的智慧服務（例如，新的分佈式智慧控制算法；使用電源管理捕獲的數據，來檢測人類活動；捕獲設備連接的模式辨識，運算可再生電力預測，在安全服務中使用電力數據等）。在這項工作中，我們設計了一個中間軟體的體系結構，該體系結構具有兩個主要層，這些層基於嵌入式設備、IoT 通信協議和硬體支援，來開發人工智慧算法（圖1）。

為了實現這一目標，我們在建築物的設施中添加了兩個概念等級：邊緣節點和霧節點。每個等級都有不同種類的設備和功能。我們佈署並實現了基於層的中間軟體的體系結構，以對模式進行實驗。

本文的組織結構如下：第 2 節回顧了智慧建築技術，建築物中的 IoT 佈署以及邊緣運算範例。第 3 節提出了一種在建築物（自動與否）中佈署邊緣和霧運算範例的方法。第 4 節介紹了進行的實驗。最後，第 5 節介紹了結論和未來的工作。

2. 相關工作

本節介紹與這項工作相關的主要研究領域。首先，我們在分析雲端運算層之後，回顧了基於邊緣運算範例的資源和服務供應。最後，我們研究了實現智慧建築的技術，並在最後的小節中，總結了先前研究的貢獻。

2.1. 邊緣運算資源和服務供應

最近，網路在兩端被標記為「邊緣」和「核心」，以查明處理發生的位置。邊緣端靠近數據源和使用者，核心端由雲端伺服器組成。透過這種方式，邊緣運算範例將運算推送到 IoT 網路的邊緣，以減少數據處理延遲，和發送到雲端的數據數量。基於雲端的後端，可以處理對時間不太敏感，或源設備本身不需要結果的處理請求（例如，物聯網網路狀態下的大數據分析）。

在邊緣運算資源供應方面，正在進行的 Horizo​​n 2020 RECAP 項目，提出了一種整合的雲端 - 邊緣 - 霧端架構，目的在解決應用放置、基礎架構管理和容量供應。雲端/邊緣基礎架構監控功能豐富了應用，基礎架構和工作負載模型，這些模型又被回饋到優化系統中，該系統可以協調應用並持續配置基礎架構。

徐等人進行的研究。 提出了一種用於邊緣運算的實用感知資源分配方法，稱為 Zenith。借助 Zenith，服務提供商可以與邊緣基礎設施提供商，建立資源共享合同，從而允許延遲感知資源調配算法，以滿足其延遲需求的方式，來調度邊緣任務。

邊緣節點資源管理（簡稱 ENORM），是管理邊緣/霧節點資源的框架，可透過監控應用需求，來自動擴展邊緣節點。可以透過靜態優先等級分配，來確定特定應用的優先等級。供應和自動縮放機制，是基於線性搜索的相對簡單的實現。

當源本身是可行動的時，邊緣雲範例也是可行的。 Chen 等人研究了行動設備向邊緣節點（特別是在無線電接入網路邊緣）的智慧運算分流。在這項工作中，作者提供了任務卸載算法，將分佈式運算卸載決策表述，為多使用者運算卸載功能。在同一項工作中，Wang 等人研究了聯合協調卸載任務，到多個邊緣節點的問題，並提出在邊緣等級引入及准入控制，以及兩階段調度方法，與傳統的最近邊緣選擇方法相比，改進了卸載性能。

2.2. 雲端運算服務配置

就社會和行業採用資訊技術而言，雲端運算範例是最具創新性的策略之一。提供的優勢提高了效率，並降低了成本，同時提供了可透過 Internet，普遍存取訪問的按需 IT 資源和服務。

當前，雲端運算服務種類繁多，甚至如何提供，這是一個受到廣泛研究的主題，正在提出許多的方案。甚至有評論總結了雲端運算範例的相關研究。

本小節介紹了有關以下問題的先前工作，這些問題與本手稿的主題有關：（i）安全性； （ii）服務品質（QoS）； （iii）提供邊緣服務。

（i）安全是雲端運算中一個具有挑戰性的問題。雲端服務位於應用環境之外，並且超出了防火牆的保護範圍，因此，需要附加的安全層。另外，邊緣和霧運算應用的行動性和異構性，使得難以定義單個過程。因此，需要一種分佈式安全策略。

此外，必須有一個標準化的環境，才能正確解決此問題，並指定霧運算和邊緣設備，如何相互協作。網路邊緣上的多個霧節點之間的敏感數據通信，需要資源受限的事物的輕量級解決方案。另一個與安全性相關的問題是數據位置。在雲端中運行數據分析是很常見的。因此，關於數據安全或隱私的公有雲與私有雲的爭論就出現了。

（ii）分配給雲端應用的資源，通常是根據合同規定的服務水準協議（SLA）所設置的。但是，實際上，由於偶爾執行大量事務，而導致分配的基礎結構飽和，可能會出現瓶頸。為了解決此問題，可以在資源可用時，動態擴展雲端基礎架構。當前，最具創新性的趨勢，目的在建構自動 SLA 合同合規系統。在 Faniyi 和 Bahsoon，以及 Singh 和 Chana 進行的研究中，可以找到與品質服務管理相關建議的詳盡綜述。考慮到這一點，提出了幾種策略來預測，應用的資源需求和 QoS 的要求。最近的工作試圖將安全性和 QoS 問題結合起來，以提供全面的性能指標。

（iii）最後，濫用雲端服務，是該領域的另一個問題。物聯網環境是霧和邊緣設備不斷加入或離開，動態的執行前後關聯。因此必須在網路邊緣提供彈性的服務。為此，在網路的可用設備之間，共享應用工作負載，可以為高階運算應用提供靈活性。提出了可靠的服務供應方法，來為系統提供更高的彈性，並提供靈活和優化的雲端服務。

在本主題中，將雲端框架和中間軟體技術，設置為與雲端層，以及具有不同介面操作系統，和體系結構的設備之間，進行通信的平台。

2.3. 物聯網在建築服務工程中

物聯網開發為在建築物上，開發數位服務提供了新資源。建築物中常見的物聯網應用，包括節能的過程環節、維護改進、雜務自動化和增強安全性。由於全球變暖，建築物的節能是一個重要的課題。

物聯網技術引入智慧建築，不僅可以減少本地溫室氣體排放，還可以將減少溫室效應擴大到更大的領域。目前，物聯網還被用於建築領域，以協助設施管理。物聯網使營運系統能夠提供更準確和更有用的資訊，從而改善營運，並為房客租戶提供最佳體驗。有基於物聯網的建議，這些建議顯示建築系統，如何與雲端進行通信，並分析所獲取的數據，以開發新的業務見解，從而能夠推動真正的增值和更高的績效。

實驗研究顯示，物聯網平台不僅可以改善，工業能源管理系統中實體的互連性，而且可以降低工業設施的能源成本。 FacilitiesNet 表示，建築物聯網（BIoT）正在推動我們獲取資訊，彼此互動和做出決策的方式發生重大轉變。BIoT 不僅與連接性或設備數量有關，而且還與交付實際和相關結果有關。當前，有很多基於物聯網的智慧家庭應用的例子。

然而，智慧設備或「物」，僅僅是連接到網路的設備或嵌入式系統。增值來自設計協調系統，和提供智慧服務，以提供實際收益的能力。這些特徵基本上，取決於對不同類型連接事物的異質性，及其互操作性的管理，並取決於數據處理提供的情報潛力。

Tolga 和 Esra 進行的研究得出的結論是，就智慧家庭系統中的軟體和硬體而言，物聯網技術尚未變得穩定。原因之一，有可能是物聯網技術仍處於發展階段。McEIhannon 所撰寫有關物聯網應用的邊緣雲和邊緣運算的未來，其評論得出了類似的結論。這篇評論提到概念和發展，目前還處於早期階段，從學術和行業的角度來看，許多挑戰都需要解決。

物聯網帶來了新的機會，但許多企業仍在尋求了解和分析，其將如何影響，並與現有的 IT 結構和管理策略整合。為此，必須創建專門的使用模式和技術，來彌合這一差距。

2.4. 發現

以下結論闡明了這項研究建議的新穎之處：

雲端運算作為「實用」的一般概念，非常適合智慧家庭應用的常規需求。但是，在某些情況下，將所有運算都移到雲端中，是不切實際的。

邊緣計算作為一種計算範例而出現，可以在物聯網設備生成的數據附近執行計算。這種範例可能有助於滿足最新應用的安全性和 QoS 的要求。

當前，控制子系統的高級建築設施，通常使用 Internet、IoT 協議和 Web 服務。專有系統是使用標準的 Internet 通信協議設計的，用於管制和監控。先前的工作顯示，基於無線感測器網路、Web 介面和工業控制模式，用於氣候控制、電源管理或安全性的控制系統，使用不同的監視和控制技術。監控應用分析，得自監控和數據採集系統中的這些子系統。對於不同的子系統，有不同的解決方案。考慮到上述情況，本工作中提出的模式，引入了以下新穎元素：

A. 介紹了一種分層架構（整合了邊緣和霧端等級），以及提供子系統之間互操作性，以及在建築物控制中開發智慧服務的方法，該方法使用了邊緣和霧端範例，這些範例將 IoT 協議整合在一起，並在本地 Intranet 中操作 AI 技術，讓雲端服務的通信層，完善了該層的架構。

B. 介紹了一種基於使用者為中心的方法，用於在互操作性需求下設計、驗證和改進新服務。

C. 該提案允許使用可以在已建的建築物中，實施的非專有硬體和軟體系統。

3. 計算模式設計

建築物中的設施子系統分為有照明、氣候、能源、安全、警報、電梯等。在自動化建築中，這些子系統由專門的控制技術控制和監控。在非自動化建築物中，不存在這些服務，並且子系統透過電子和電氣方式進行控制。在這兩種情況下，所有子系統都為建築營運，提供必要的服務。

從邏輯上講，每個子系統都在其場景中起作用，並且不能與其他子系統互操作。嵌入式電子控制器和連接的不同感測器，可以使每個子系統自動化。這些服務都是基於直接反應性控制規則。除了嵌入式控制系統和感測器之外，通信技術（基於 Internet 協議）和新的行動設備還為開發管制、監控和數據訪問服務，提供了新的可能性。

在智慧型動設備上開發，並連接到 Web 伺服器的人機介面和專用應用，是近年來已實現的服務的範例。每個子系統中的專家（氣候、安全性、電源等），都具有可以轉換為專家規則的知識。這些規則被轉換為用於管理、維護、控制、優化和其他活動的控制算法。這些規則是可以，在可程式設備上編程和實現的。但是，它們是靜態的，不會在出現新情況時發生變化，並且不能互操作，也無法適應每個安裝的特性。

例如，氣候或安全專家決定，如何使用標準啟動條件，來配置每個子系統。每個控制規則僅在一個子系統（此範例中為氣候或安全性）中工作，因此，這些子系統之間沒有互操作性。考慮到這種情況，提出的模式有助於並允許，基於不同子系統的互操作性，來整合新的數位服務，並將人工智慧（AI）技術的新服務，引入當前設施。

例如，諸如電梯控制的設施，可以用於安全服務或建築能源管理服務。氣候控制設施，可以與安全子系統整合在一起。整合到模式中的天氣預報軟體系統，可以由能源管理服務，或建築物空調服務使用。

目的是讓每個子系統中的專家，參與設計整合服務，並將所有子系統轉換為可互操作的系統。該模式會開發自動規則，並允許在考慮安裝行為本身的情況下進行決策。該模式基於一個過程，該過程包括四個開發階段（圖2）和分為不同級別的硬體 - 軟體體系結構（圖3）。該體系結構的主要等級，是邊緣等級和霧等級。這兩個層次介紹了在建築物中，應用物聯網技術的新穎性。下面介紹了模式的各個階段（分析、設計、實施和啟動）。

．分析：在此階段確定了不同的專家使用者（氣候、安全、電力、水、能源、管理人員，以及資訊和通信技術（ICT）技術人員）。諮詢專家使用者，以指定需要控制的主要過程。資訊通信技術專家作為整合環節，參與了這一過程。第一種方法產生了設計控制規則，和潛在服務所需的事物（對象）。在此階段，使用以使用者為中心的方法，並捕獲子系統的需求。

．設計：我們提出了一個三層架構（邊緣、霧端和雲端），如圖 3 所示。

．實施和數據分析：在此階段中已安裝和整合了子系統。服務基於每個子系統中的規則，分析事物（對象）生成的數據，以設計基於機器學習的服務。

．啟動：最初，在每個子系統的監督下制訂專家規則。然後，使用回饋過程安裝規則。最後，透過人工智慧技術，可以推斷出自動的和經過調整的規則。

3.1. 分析與設計

專家使用者對此過程，進行不同的審查。以使用者為中心的技術，用於設計整合流程。目的是獲得所需的所有事物（對象），它們之間的關係，以及潛在的服務。一旦指定了事物（對象）和服務，就必須關聯通信協議和控制技術。選擇了物聯網協議和嵌入式控制器；提出了人機介面；指定了邊緣層和霧層及其功能；分析專家規則和智慧服務。最後，提出了維護和操作方法。所有這些任務在專家技術人員，和資訊技術專家之間共享。

結果是事物的定義，它們之間的關係，以及與邊緣和霧層的交互作用。該過程中代表了建築物的所有子系統，數據感測器、執行器、控制器、規則和過程經過設計，可以整合所有子系統。數據集、對象和設備，由物聯網概念表示。事物由具有狀態和配置數據的實體，和前後關聯組成。事物數據位於霧和邊緣節點中，儲存的不同配置中的關聯性。

事物以數據向量表示：[ID、類型、節點、前後關聯情境]。

– ID是辨識碼。

– 類型可以是感測器、執行器、變量、過程、設備、介面、數據儲存，或可以在 IoT 生態系統中寫入、處理、通信、儲存或讀取數據的任何對象。

– 節點指定建築物子系統、功能描述、層類型（邊緣、霧端、通信或雲端）、IoT 協議和時程存取訪問。

– 前後關聯表示在 IoT 生態系統中，用於發布或讀取數據的時間、日期、位置，與其他事物的關係、狀態和訪問頻率。

表 1 是由事物（[ID、類型、節點]）。所有事物都可以訪問配置文件（CF），以了解如何使用可用數據，以及如何使用適當的訪問權限配置新數據。前後關聯數據位於內建記憶體，或是靜態儲存。使用定義的事物，設計不同的控制規則。這些控制規則是分佈在連接到網路的不同嵌入式系統中，控制過程的一部分。事物表示佈署在安裝的不同子系統中，所有的可用資源。在此等級上，設計師對所有事物進行分析、指定和關聯。基本控制算法是使用此資訊實現的。配置關聯性允許層和設備之間，所有事物的互操作性。

在此階段的另一級設計，必須提出物聯網管理中，使用的節點要求和規範。設計的流程和服務，將在邊緣或模糊節點中實施。必須指定每個節點，以確定其內部功能、通信及其服務。在獲取數據的地方，開發了智慧和處理能力。邊緣和霧層的節點，位於數據感測器、執行器和控制器附近。本文提出的方法，使用具有兩個功能的兩層（邊緣和霧端）。每一層都可以佈署互連節點的網路，以促進互操作性。

邊緣和霧層的功能是：

邊緣層功能：在連接感測器/執行器的嵌入式設備上，開發的控制軟體。某些 AI 算法可以安裝在邊緣節點上。中央處理器（CPU）和計算資源有限。安裝了通信介面，以允許在本地網路中進行整合。

霧層功能：局域網級別的通信、AI 範例、儲存、配置關聯性和監控活動。霧節點透過處理、通信和儲存，來處理 IoT 的Gateway、伺服器設備，或其他設備中的數據。在此等級實施本地、全球的整合服務。利用這些節點的硬體、軟體和通信功能，開發了基於機器學習範例的算法。霧層設備還可以在很少單位的設施或服務中，執行邊緣節點功能。

透過這兩個等級，可以優化建築設施，以獲得不同子系統之間的整合和互操作性。

表 1 顯示了每件事與關聯性配置，和節點規範的關係。節點標識其所屬的子系統（控制、能源、氣候等），層（霧端、邊緣、通信和雲端）及其執行的功能。

3.2. 架構設計

在分析和設計階段，獲得對象（事物）及其關係。規範和要求用於實現每個層。實施取決於提供所需功能的設計，和現有技術（硬體、通信和軟體）。在此階段，開發了一種適合現有設施的體系結構。物聯網協議提供互操作性，而 AI 範例則提供了適應性和優化性。邊緣運算節點用於控制設備，霧運算節點安裝在本地網路節點上。這些等級為配置、安裝和運行新流程，提供了強大的資源。

物聯網協議，傳達所有子系統數據。每個子系統由對象/事物（虛擬等級）組成，安裝為可連接的感測器/執行器/控制器設備（硬體等級）。

物聯網通信中，針對建築場景建立的要求是：標準協議、低功耗、易於存取訪問和維護、支援整合新模組，非專有硬體或軟體，以及低成本設備。

MQTT 協議，是目的在用於提供整合和互操作性資源，異構通信場景的主要物聯網協議之一。該協議被提議作為感測器、執行器、控制器、通信設備，和子系統之間的通信範例。

MQTT 協議的一些主要功能，在不同的著作中有所顯示，這使其特別適合於這項研究。他們之中有一些是：

．它是針對資源受限的場景開發的發布 - 訂閱消息協議。

．它具有低頻寬要求。

．這是一個非常節能的協議。

．編程資源非常簡單，使其特別適合於嵌入式設備。

．具有三個 QoS 等級，它提供了可靠和安全的通信。

MQTT 開發了無所不在的網路，該網路支持 n-m 節點通信模式。任何節點都可以查詢其他節點，並對其進行查詢。在這些情況下，任何節點都可以充當基地台的角色，能夠將其資訊傳輸到遠端處理位置。無處不在的感測器網路（USN）中的節點，可以處理本地數據。如果使用 Gateway，則它們具有全局可訪問性；他們可以提供擴展服務。

節點（邊緣或霧），可以具有本地和全局存取訪問權限。這些設施具有不同的可能性和益處。本地數據處理，對於基本過程控制是必需的，而全局處理則可用於模式檢測和資訊生成。從這個意義上講，擬議的平台使用了組合功能：連接到 IoT 雲端服務，本地網路區域上不同的 USN。在這種情況下，運算層（邊緣或模糊等級）將用作控制流程和雲端服務之間的介面。該層可以在與雲端進行通信之前，進行處理數據。

實現邊緣和霧端運算節點需要執行三個操作：

．連接和通信服務：所有設備必須在同一網路中，並且可以互操作。所有感測器和執行器都可用於開發服務。此活動的一個示例，是在 Internet 上遠端讀取建築物的電源參數、環境條件和開放的天氣預報數據。此活動中應實現其他功能，例如連接的安全性、可靠性和互操作性。

．嵌入式設備（邊緣運算層）中的控制算法和數據處理：在此活動中，這些設備中實現的基本控制規則和數據分析服務，可以開發新功能。此階段可以應用於數據過濾、運算氣候數據或分析功耗、直接反應控製，或使用模式辨識技術檢測事件。

．Gateway 節點（霧運算層）上的高階服務：此等級使用和管理 AI 範例，和 IoT 通信協議。霧運算節點對數據執行智慧分析，對其進行儲存，過濾並將其傳遞到不同等級，以糾正較低級別的新控制措施，或者生成雲端中服務感興趣的資訊。此階段的應用示例，包括分析新模式、預測用水量，或功耗、智慧檢測和其他預測服務。

3.3. 測試與回饋

在測試階段使用標準方法，邊緣和霧層提供不同的功能。提出了針對不同子系統的機器學習模式，並且可以將其安裝在邊緣或霧節點上。必須執行以下操作，來測試機器學習應用：

A. 定義和捕獲數據集：必須辨識、捕獲和儲存主要變量。在不同的建築子系統中，過程數據集是由連接到邊緣層的感測器捕獲的數據。使用通信協議監控和儲存數據集。一個案例是電表，該電表在配電盤中連接到嵌入式設備（邊緣節點），該嵌入式設備傳送電力數據，以在霧節點設備中儲存和處理。

B. 訓練數據集和形式辨識模式。先前數據集的一個子集，用於訓練不同的模式。評估針對從未用於訓練的數據測試模式，此過程的結果已由專家使用者驗證。目的是獲得一組代表性的結果，以了解模式在現實世界中的表現。

C. 實際場景中的驗證：必須在邊緣和霧節點上，實施新的服務和控制算法。這些模式具有用於分析數據，實施特定模式，並使用結果開發最佳參數的算法。在此階段，可以修改或進行改善模式。

D. 用統計術語和模式演變，得出測試結果：基於 AI 算法的模式而將產生近似值，而不是精確的結果。分析應用結果以確定置信度，並允許模式演化。該活動支持開發新的 AI 服務，或對已實現的算法進行修改。有監督的自動更改，是維護和改進系統的過程。此階段的過程，包括所有模式層。

建議對使用邊緣和霧，任何的安裝進行這些活動。如前所述，該模式既可以安裝在既有舊的建築物中，也可以安裝在新建築物中。對於新建築設計，基於建議模式的安裝更易於整合。此外，可以提供的服務的潛力，也使其對於既有建築物具有吸引力。

4.在建築子系統中，實施智慧服務

該模式在預先存在的住宅建築物上，進行了測試。設計和實施電源管理、管制和監控服務。物聯網協議（MQTT 和 HTTP）和 ML 範例，用於建議的層體系結構。基於 KNN 的機器學習方法，和樹決策算法用於管理功耗（家用電器），和可再生能源發電（風能和太陽能）。使用房屋中的霧節點，在雲端平台上實現監控和統計數據。該節點連接到控制可再生，和家用電器子系統的不同邊緣節點。

在圖 6 中，邊緣節點，整合在先前安裝的可再生子系統中。透過邊緣層上的這種新設備、電源管理、安全控制和操作流程得以整合，並且可以與其他子系統互操作。可以設計新的智慧服務。邊緣節點將數據傳輸到霧節點 Gateway，該 Gateway 管理功耗和發電，並控製家用電器。該節點中的輸入，是可再生能源發電的數據。輸出控件是 ON-OFF 開關，用於優化發電、安全性和操作。

4.1. 分析與設計

分析了住宅建築，以設計電源管理，安全和控制服務。 在第一種方法中，所需的主要事物（對象），它們之間的關係和不同的服務，如表 2 所示。

4.2. 執行

分析房屋中的建築子系統，以整合這個執行模式層：邊緣控制、霧服務，與雲端的通信和雲端服務。 選擇了本實驗工作中使用的感測器、執行器和控制過程（事物）。 表 3 列出了使用的嵌入式設備。

家庭服務中的控制過程，需要反應時間和互操作性。人機介面、數據存取訪問和分析服務，是本地和雲端運算上的服務。上面提到的兩個需求，都使用不同的協議處理：控制/通信上的 MQTT，和雲端服務上的 HTTP（RESTful API）是用於整合，並使所有子系統互操作的 IoT 協議。在提出的該層模式中，還使用 MQTT 協議、控制、數據處理，以及使用 RESTful 協議，到雲端的數據通信，來開發機器對機器（M2M）應用。

MQTT 使用開放的消息協議，該協議可以將遙測樣式的數據（即在遠端位置收集的測量結果），以消息的形式，從設備和感測器，沿著不可靠或受約束的網路傳輸，到伺服器（BROKER）。消息是簡單、緊湊的二進制數據包，有效載荷（壓縮的標頭，比超連結傳輸協議（HTTP）少得多的詳細資訊），並且非常適合推送簡單的消息傳遞方案，例如溫度更新或移動通知。例如，消息也可以很好地用於，將受約束的或更小的設備，和感測器連接到 Web 服務。

MQTT 通信協議，使所有對象可以互操作。透過此協議實現的發布者和訂閱者模式，可以互連所有設備和事物。該通信層由安裝在霧節點上的代理設備管理。不同的發布者和訂閱者，在不同的節點上實現。安裝了一個 Gateway 設備（霧節點）和兩個嵌入式控制器（邊緣節點），來控製家用電器和電源管理。事物和流程佈署在所有節點上。

邊緣節點控制子系統，霧節點根據決策樹，以及專家定義的規則，實現 AI 範例。霧設備將數據傳輸到雲端平台，以開發儀表板螢幕，來監看子系統的狀態。

可以開發新的雲端平台服務：事件檢測、機器學習處理、統計分析等。專家使用者設計基本的控制算法。在學習和訓練過程之後，將根據專家系統的結果，對這些算法進行調整和修改。在這項工作中，目標是在不損失生產力的情況下優化資源（控制和能源）。在邊緣或霧節點中，執行不同的控製過程；分類過程和決策樹在霧節點中實現。算法以 Python 語言實現。此語言的開源庫用於不同的應用。

4.3. 佈署與測試

對於現有建築物，邊緣節點交錯插入已安裝的控制器、配電板，以及感測器和執行器中。如果在分析階段指定了新的東西（電錶、氣候和控制器），則會安裝一些新的感測器/執行器。這項工作中佈署的邊緣節點具有以下優點：

．請勿干擾先前的安裝操作。

．他們使用新的專家規則和自動規則，引入新控件。

．他們測試和重新配置，在分析、學習和測試驗證中，設計更新的專家規則。


圖 7. 佈署在配電盤中的節點。 使用 IoT 協議通信，在不同節點中開發數據捕獲、控制算法、數據分析、儲存和通信服務

在電力管理過程中，專家使用者根據電力消耗、發電量、消耗負荷曲線、氣候數據和氣候預測數據，對具有選定流程的時間表，進行可程式處理。邊緣節點捕獲數據，並將其發送到霧節點。

霧節點處理室內和室外環境的日記數據，以及天氣狀況。霧節點還可以捕獲其他感測器數據。對房屋中的這些數據消耗和生成方式，進行檢測和分類。消費和發電結果，作為數據添加，以便與儲存的數據一起進行分析。可以使用機器學習方法開發，作為家用電器或人類活動檢測的智慧服務（圖8）。

4.3.1. 機器學習：數據捕獲過程（邊緣節點）和家用電器分類（霧節點）

連接在主配電盤中的電表，用於捕獲數據，並使用標準的 K 近似值，最近鄰（KNN）分類算法，來開發形式辨識模式。 KNN 是機器學習系統中最常見的方法之一。電表捕獲電流；如果連接了新的家用電器，則電流數據會更改。不同的家用電器具有不同的變化等級。

用於辨識家用電器的不同模式的主要變量，是連接時的電流水準差異。數據捕獲過程流程圖（圖9），顯示了在邊緣節點中實現的算法，以捕獲預處理並傳遞電力數據。

在此過程中，監督階段使用訓練數據集。接下來，真實場景中的驗證，將測試分類模式。家用分類設備將用於不同的服務：人類活動的辨識、負載控制、可再生能源管理、空調、安全性等。在訓練階段，已捕獲了不同的家用電器開機，以獲得一組形式。每個家庭都有一個矩心向量，將用於分類過程中的檢測。如上面所示的算法所示，分類器處理將產生連接時的電流數據作為輸入。KNN 分類過程流程圖（圖10）描述了 KNN 方法，它在霧節點中實現。

4.3.2. 可再生電源管理。控制電力自耗的決策樹

每個建築物都有不同的需求曲線，以及在接入電網方面的特定情況。為此，整合和可互操作的設施，可以實施適用於每種情況的不同解決方案，從而提供對太陽風資源的最佳管理，優化電源效率，簡化管理流程，並實現最高的成本節省。當可再生能源超過消耗的能源時，在使用 AC 耦合到電網的設施中，會出現問題。

在實驗工作中，太陽能在一天的中央時段的能量，大於所消耗的能量（圖11）。但是，在分析了消耗曲線之後，可以在這段時間內連接負載，以避免注入電網。可以透過設計一種算法，來滿足這一要求，該算法可以預測，何時發生此事件，以自動連接不同的負載。利用所有感測器和執行器的整合，和互操作通信，已經開發了在不同節點中，所實現的算法（圖12）。

13. 在電源管理子系統上開發的決策樹。 它由專業使用者設計，並整合在邊緣節點上。該決策樹的目的，在優化可再生能源的使用。

4.3.3. 基於 Edge 和 Fog 節點的 Control Home

圖 14 顯示了安裝在住宅房間中的邊緣節點。 該節點可以控制四個設備（設備），並捕獲感測器數據（功耗、發電量、溫度、濕度等）。該設備可以使用 MQTT 協議進行通信。該協議允許設備之間，進行其他類型的通信：智慧手機、新邊緣節點等。圖 7 和圖 14 顯示了可以在其他建築物中，佈署的標準實現。在所有系統中，都有配電板，這些配電盤佈署了霧節點和邊緣節點，如圖所示。

4.3.4. 使用物聯網協議的雲端服務

雲端服務可以監控，透過霧節點或人機介面（HMI）訪問的數據。 IoT 協議（MQTT）從任何已連接 Internet 的設備推送數據。事件檢測、儲存統計分析等其他服務，完善了該資源的功能。提供類似服務的不同平台，顯示了商用物聯網技術的狀態：Amazon IoT、Microsoft Azure、Ubidots 和 Thingspeak，是提供 IoT 平台的公司一些案例。提供了資源以及客戶端，和 IoT 平台之間的應用程式介面（API）通信，以便可以使用它們。

用於設計儀表板監控和管制的 HMI 資源，是這些平台上的主要實用功能之一。霧節點使用雲端 API 傳達數據和資訊，可以實施其他控制服務。在這些雲端平台上，預先建構了用於監控數據的儀表板設計。使用 API​​ 實用功能，霧節點中的過程處理，會將數據發送到每個儀表板。API 文件指定了在設備、IoT 平台和 Mobile-Alerts Cloud 之間，交換數據的結構，以及用於加速項目的代碼案例和形成資料庫。

圖 15 顯示了在 Ubidots 雲平台上，設計的儀表板。Ubidots是本實驗工作中使用的物聯網平台。該模式可以在實現這些協議的層，和平台中使用不同的標準協議。圖 16 顯示了在雲端平台中，IF 變量 THEN 動作的事件配置。大多數物聯網平台，都提供此功能。

5. 結論

為了設計物聯網系統，越來越多地提出邊緣霧模式。但是，每個範例都提供特定應用領域的解決方案。不同子系統之間的整合和互操作性，可以改善這種情況，並提供更好的服務。這項工作的主要目的，是透過提出一種基於邊緣層和霧層，兩層體系結構的運算模式，來解決這個問題。透過這兩層，可以基於使用邊緣或霧節點中，嵌入式的設備捕獲數據所產生的新型有用資訊，來設計和開發新服務。這些節點使用雲端平台和 IoT 協議（例如 MQTT）。

MQTT 是作為不同層（霧 – 邊緣 – 雲）之間提出的通信協議，並進行實驗的。雲端平台用於開發儀表板的面板資訊和 Internet 上的新服務，例如控制、儲存和通信事件。該平台可用於透過 API，交付不同的服務。

該模式可以在現有建築物和新建築物中，開發這些服務。在這種情況下，要求每個子系統中的專家和專業人員，參與新服務的設計。

為了測試該模式的功能，並顯示如何在實際設施中，實現該模式，在住宅中進行了一項實驗性工作。在此霧和邊緣節點前後關聯中，描述了實現的幾個範例。開發了模式辨識和決策樹方法，以展示人工智慧在設計 IoT 解決方案中的潛力。已安裝服務的結果顯示，邊緣和霧節點佈署，產生了預期中整合和互操作性的好處。

提出的工作演示了，如何將邊緣和霧範例，整合到可以增強其優勢的新架構中，從而擴展了應用領域。該體系結構的主要科學貢獻，是整合、技術的互操作性，及其為開發 AI 服務提供的設施的範例。所有這些改進，都在已開發的實驗的不同示例中顯示。具體的優化和改進，將在以後的工作中進行。此外，使用機器學習平台，和 AI 範例的新控制規則，將確保可以創建和改進新的智慧服務。

附圖：圖1.自動建構子系統和資訊技術環境。
圖2.基於使用者為中心關係的模式。
圖3.通信架構。 每個等級都有不同的功能。 提出了兩個通信等級：IoT（使用消息隊列遙測傳輸（MQTT））和 Web（使用代表性狀態傳輸（REST）協議）。這些協議的層，涵蓋了已建立的整合和互操作性要求。
圖4. 在建築物的現有設施上實施的邊緣霧架構示例：邊緣節點是較低的層次，必須與安裝的設備進行新連接。互連所有子系統的霧節點，是透過整合連接到邊緣節點的新設備來實現的。邊緣和霧節點，可以佈署在所有建築物子系統中。
圖5. 住宅建築中的第一個實驗工作。
圖6. 整合在先前安裝的可再生子系統中，邊緣節點的示例。 該節點可以使用新算法控制 ON-OFF 開關，以管理發電過程，以及通信和監控電源數據。
表1.事物示例描述。寫入 ID、類型和節點數據，以配置 XML 文件。配置關聯性儲存在霧節點中。
表 2. 實驗工作中的分析和設計要求。
表 3. 實驗室內使用的嵌入式設備。
圖 7 顯示了分佈在配電板上的節點（邊緣和霧狀）。在此節點中，設計並安裝了功率計、ON-OFF 開關控件和 AI 服務。
圖 8. 佈署的智慧電源功能。在霧節點中實施的分類過程，可用於檢測電連接和人類活動。可以使用 IoT 通信實現其他服務
圖9. 邊緣節點中捕獲，並預處理的用電量數據；MQTT 協議用於通信數據。另外，其他節點可以使用捕獲的數據，來提供其他智慧服務，佈署了整合和互操作性。
圖10. 分類過程。處理捕獲的電數據以檢測家用電器連接。可以使用 IoT 協議整合，來設計其他智慧服務。
圖11. 該圖顯示了實驗工作中的消耗和生產數據。 在自儲存的電力自備設施中，沒有儲存並且沒有注入電網，所產生的能量必須即時使用，並且不得超過所消耗的能量。 能源經理必須預測此事件，並提前連接電荷。
圖 12. 用電自耗設施中的可再生電源管理。
圖 13 是在電源管理子系統中，開發的算法的示例。 可以在邊緣節點上安裝此過程。該節點獲取氣候數據預測，並預測系統是否可以在不儲存的情況下，使用可再生能源。
圖14. 佈署的邊緣節點。該節點可以使用新算法，控制 ON-OFF 開關，並可以在每個房間或建築物中，通信和監控感測器數據。
圖 15. 在雲平台上配置的儀表板。顯示了風力發電數據和預測風力。
圖 16. 在雲端平台上配置事件的儀表板：IF 事件 THEN 動作。 該服務顯示了，如何使用雲端訪問來控制設施。與霧節點的 Internet 通信，可以控制建築物中的不同子系統，並使用電子郵件，SMS 或其他 Internet 服務來通報事件。

資料來源：https://3smarket-info.blogspot.com/2021/02/iot-edge.html?m=1&fbclid=IwAR0uijX5WdNrfzmGjVsakFGaEsWivPgyH1zumxVr7fwvvgqtdFFTI6jJXS8