?技術干貨丨工業互聯網核心引擎原理與實現——動態配載（Dynaload）
【摘要】：
動態配載（Dynaload）就是MixIOT體系中一個計算模型。“配載”可以簡單理解為某項工作的動力配置。比如，一個紡織廠有200臺噴氣織機，它們需要用空壓機提供空氣動力，所以配備了10臺空氣壓縮機（它們的功率可能有大有小），這10臺空壓機全開的話就能為200臺噴氣織機提供足夠的壓縮空氣。
動態配載（Dynaload）就是MixIOT體系中一個計算模型。
“配載”可以簡單理解為某項工作的動力配置。比如，一個紡織廠有200臺噴氣織機，它們需要用空壓機提供空氣動力，所以配備了10臺空氣壓縮機（它們的功率可能有大有小），這10臺空壓機全開的話就能為200臺噴氣織機提供足夠的壓縮空氣。但是，實際的情況是，200臺織機有些在生產，有些沒在生產，有些雖然在生產，可是臨時停機換線或者檢修，有些用氣多，有些用氣少。簡單地說，它們未必都會同時都使用，而且使用情況隨時都在變化。那么，如果我們不管不顧，10臺空壓機全開，供氣肯定是足夠了，但是，供氣比用氣要多，這就白白浪費了電力。
“動態配載”就是根據實際的使用需求，動態地用最少的空壓機數量來滿足噴氣織機的生產需要。噴氣織機開得多用氣量大的時候，空壓機就多開一些，用氣量小的時候，空壓機就少開幾臺。
再來看個例子：一個酒店，有200間客房酒店
有一個燃氣鍋爐提供熱水。酒店客人來來往往，用水有時多有時少。如果我們不管有多少住店客人，也不管客人用不用熱水，都把鍋爐的火燒的旺旺的，那肯定能保證客人的用水需求，卻很浪費燃氣。動態配載的意思就是，用熱水多的時候，把火開大；用熱水少的時候，把火關小；沒人用水的時候，能保溫就行。
可見，如果我們有了動態配載這個概念，就能時時刻刻把能耗降低一些，雖然每個時刻降低的能耗看上去微不足道，但是，經年累月下來，也是一個可觀的數字。
為了便于后面的表述，我們把空壓機、鍋爐等提供能量的一端，叫“供應端”；把使用壓縮空氣的噴氣織機、酒店客人用的熱水等消耗能量的一端，叫“消費端”。
動態配載的五要素：
動態配載絕對是個好事兒，但也并不是什么情況都能用上動態配載的。從剛才的兩個例子（空壓機和鍋爐）來看，基本能歸納出來，能做到動態配載，需要有這么五個要素：
（1）供應端是受控的，可以開，可以關，或者可以調節大小。這比較容易理解，如果都不能開關，也不能調大調小，也就失去了動態配載的前提。
（2）供應端提供的能量，是可以測量，可以計算的。也就是供應端提供的能量多少，是可以量化的，比如每分鐘多少，瞬間多少。
（3）消費端的能量消耗，是可以測量的，可以計算的。這也應該容易理解，每分鐘內用了多少水，用了多少氣，都是可以計量的。
（4）供應端和消費端，中間有一個儲能裝置，儲能的量也是可以測量，或者可以計算的。這需要解釋一下，像空壓機里面出來的壓縮空氣，都是配有一個儲氣罐的，而熱水鍋爐本身，就有儲存熱水的功能。
（5）還有一個默認的前提假設，就是供應端所生產或供應的能量，與消費端所消耗的能量是一樣的，或是有確定的某種換算關系。這其實也很好理解。熱水鍋爐供應的就是熱水，酒店客人使用的也是熱水，但是有可能，鍋爐出來的水是65°C，客人用的時候可能只有60°C；壓縮機出來的是壓縮空氣，壓力是8kg/cm2，而噴氣織機用的也是壓縮空氣，但它實際的用氣壓力可能只有6.5kg/cm2。如果供應端到消費端是一個化學反應，是聚合或裂解的過程，使得能量形式發生了變化，那就不是動態配載能解決的范圍了。
動態配載模型：
動態配載模型示意圖
動態配載模型示意圖我們來解釋一下這些參數條件：
- 有n個供能端點（P1～Pn）；可以理解為有n臺空壓機。
- 每個供能端點的加載/卸載對應的參數是Kp1～Kpn，它們的值=0/1（卸載/加載）；這也相當于是空壓機的加載卸載。
- 每個供能端點都有一個供能的額定值是Wp1～Wpn；這相當于空壓機的工頻功率。
- 每供能端點的供能系數是Fp1～Fpn；對工頻空壓機來說，供能系數為1，對變頻空壓機來說，這個值為變頻頻率/工頻頻率。
- 每個供能端點的供能能力是Qp1～Qpn；這跟供能系數×額定供能值成正比。
- 總的供能是Qp=Qp1+Qp2+….+Qpn；這是一個原理等式，一般是用測量值；就是所有空壓機的產氣量的總和。
- 儲能端是有物理限制的，所以儲能的多少是有上限下限的，分別是Smax和Smin。這個就相當于空壓機儲氣罐規定的最大壓力值和最小壓力值。
- 實際儲能值為S；這是一個實時變化的實際儲能值。當這個值達到（或超過）儲能上限值時不會再增加；而低于儲能下限值時，視為消費端無法工作。
- 總消耗為Cp。這個是實時在變化的總消耗。
這個模型的大體意思是：
- 供應端的總供應能力，是由每個供應端設備的供應能力之和；
- 每個供應端設備的供應能力在卸載狀態為零，加載狀態下為功率系數×額定功率；
- 儲能量為原有儲能量+總供應能-總消費能。
- 這個模型的輸出結果是什么呢？
假設這個計算模型是5分鐘計算一次，那么結果大致是這樣的：
這跟D&C的輸出結果形式上是類似的。這是因為動態配載實際上就是依據消耗的變化，對供能的一種實時調度方法。
完備模型與簡化模型：
前面這個模型，我們稱作一個完備模型。所謂完備模型，就是這個模型中提到的參數，都是要具備的。而實際工業場景中，未必能滿足這個條件，很多參數可能會沒有，也許是沒有辦法采集，沒辦法測量，或者沒辦法計算出來。為了增加計算模型的適用范圍，通常會給出完備模型的一個簡化版，這就叫簡化模型。
動態配載簡化模型示意圖
在這個簡化模型中，供能端點的供能系數都沒有了，也就是說，只有這個端點的加載或者卸載可以控制。就像工頻機一樣，只能加載或者卸載，沒辦法讓供能量調大調小。除此以外，每個供能端點的供能量也沒有了，他們的總和自然也沒有了。
我們可以把它想象成一個壓縮空氣站，里面有很多壓縮機，大小各異。壓縮機的產氣出口都進入一個或者多個儲氣罐，最終匯集到一個供氣管路。我們只知道有儲氣罐，但是這些儲氣罐的數據無從得知。
簡化模型少了這么多的參數，那還能計算嗎？計算出來的還準嗎？簡化模型數據少是不是就比完備模型算起來簡單了呢？
這里可以順便解釋一下，簡化模型跟完備模型，應該算同一個計算模型，在實際的計算過程中，需要的參數都必須要有。簡化模型參數少了，就需要在計算的時候，先把這些少了的參數數據估算出來，然后再去用完備模型的算法去計算。所以，
簡化模型的計算，實際上要比完備模型更加復雜。
舉個例子來解釋一下。比如，怎么來估算供能端點的供能能力呢？就要用
來作為第i個供能端點的供能能力的比例，然后通過按順序卸載Pi，看看對供能有什么影響，這樣來估算這個影響的量與這個比例的對應關系。
這里面就有一個很重要的問題了，為什么我們能去卸載呢？不怕卸載了影響消費端的使用了嗎？這就要回到我們一開始說的五個要素中的“儲能”要素了。因為有儲能，所以，在一段時間內卸載一個端點，還能扛得住。
動態配載模型的使用：
要使用動態配載計算模型，首先要做的事情就是把這些參數對號入座。先舉一個簡單的例子（見圖29-5）：有2個水泵，往一個儲水罐里面注水，儲水罐有最高水位容量和最低水位容量。儲水罐有個管子接到外面去給外面供水，供水量是變動的。
儲水罐有一個溢流口，意思是如果實際儲水量超過最高水位容量，再進來的水就會從溢流口排出去。如果實際儲水量低于最低水位容量，那么排水管就無水可出。
排水量是動態的，每分鐘的流量Q(t)如下，是變化很大的一條曲線。
儲水罐示意圖
排水量曲線
我們基本上可以看出來，一旦調控不及時，要么就沒水，要么就溢出。另外，兩個水泵的能力是不能調節的，開的時候就是這么多供水量，關掉就沒有了。這時，我們可以把供能系數當作常數1。額定供能小數就是1.5和2.5。
剛才這個排水量的曲線，是我們事后總結的，事前并不知道。這些變化都是實時的，有些甚至是隨機的。所以，動態配載模型里面的計算，實際上是包含了對需求的預測，這些分析計算也都是相當復雜的。
儲水罐與動態配載模型
請問：其他的你能正確對號入座嗎？
動態配載的應用形態：
動態配載實際上就是一個D&C的特例，專門用于解決供應端和消費端之間的供給—需求矛盾，尤其是對那些需求變動大，變動迅速甚至是隨機256的情況。越是功能端點數量多，越是需求量變化大，動態配載就越能凸顯其優勢。
在下圖中，動態配載可以理解成為一個黑盒子，暴露在外面的只有一個模型的參數，只需要把實際應用中的參據量與模型參數進行對號入座就行。剩下就是等待動態配載這個黑盒子輸出配載結果。
動態配載黑盒子
因為它是個黑盒子，所以這個盒子可以部署在任何一個地方，比如部署在MixIOT系統里面，成為MixIOT的一個服務組件，或者部署在邊緣計算終端。
動態配載部署在計算終端
應用實例：
隧道施工現場
隧道口外的工棚里面有10臺空壓機和儲氣罐。給隧道內開山鑿石提供動力。渠道內工作面已經推進了幾千米，里面怎么用氣外面是不知道的，也沒有任何通信信號。
在沒有動態配載的日子里，10臺空壓機空轉了不少時間，浪費了很多電。有了動態配載就好了，一個隧道一年半干下來，算算賬，省了不少電費。
隧道施工現場的動態配載，用一個邊緣計算終端小機柜（如來方略柜E800型）就可以解決。
如有疑問或想了解更多，請咨詢：0755-23740592
