技术干货丨工业互联网核心引擎原理与实现——动态配载（Dynaload）
【摘要】：
动态配载（Dynaload）就是MixIOT体系中一个计算模型。“配载”可以简单理解为某项工作的动力配置。比如，一个纺织厂有200台喷气织机，它们需要用空压机提供空气动力，所以配备了10台空气压缩机（它们的功率可能有大有小），这10台空压机全开的话就能为200台喷气织机提供足够的压缩空气。
动态配载（Dynaload）就是MixIOT体系中一个计算模型。
“配载”可以简单理解为某项工作的动力配置。比如，一个纺织厂有200台喷气织机，它们需要用空压机提供空气动力，所以配备了10台空气压缩机（它们的功率可能有大有小），这10台空压机全开的话就能为200台喷气织机提供足够的压缩空气。但是，实际的情况是，200台织机有些在生产，有些没在生产，有些虽然在生产，可是临时停机换线或者检修，有些用气多，有些用气少。简单地说，它们未必都会同时都使用，而且使用情况随时都在变化。那么，如果我们不管不顾，10台空压机全开，供气肯定是足够了，但是，供气比用气要多，这就白白浪费了电力。
“动态配载”就是根据实际的使用需求，动态地用最少的空压机数量来满足喷气织机的生产需要。喷气织机开得多用气量大的时候，空压机就多开一些，用气量小的时候，空压机就少开几台。
再来看个例子：一个酒店，有200间客房酒店
有一个燃气锅炉提供热水。酒店客人来来往往，用水有时多有时少。如果我们不管有多少住店客人，也不管客人用不用热水，都把锅炉的火烧的旺旺的，那肯定能保证客人的用水需求，却很浪费燃气。动态配载的意思就是，用热水多的时候，把火开大；用热水少的时候，把火关小；没人用水的时候，能保温就行。
可见，如果我们有了动态配载这个概念，就能时时刻刻把能耗降低一些，虽然每个时刻降低的能耗看上去微不足道，但是，经年累月下来，也是一个可观的数字。
为了便于后面的表述，我们把空压机、锅炉等提供能量的一端，叫“供应端”；把使用压缩空气的喷气织机、酒店客人用的热水等消耗能量的一端，叫“消费端”。
动态配载的五要素：
动态配载绝对是个好事儿，但也并不是什么情况都能用上动态配载的。从刚才的两个例子（空压机和锅炉）来看，基本能归纳出来，能做到动态配载，需要有这么五个要素：
（1）供应端是受控的，可以开，可以关，或者可以调节大小。这比较容易理解，如果都不能开关，也不能调大调小，也就失去了动态配载的前提。
（2）供应端提供的能量，是可以测量，可以计算的。也就是供应端提供的能量多少，是可以量化的，比如每分钟多少，瞬间多少。
（3）消费端的能量消耗，是可以测量的，可以计算的。这也应该容易理解，每分钟内用了多少水，用了多少气，都是可以计量的。
（4）供应端和消费端，中间有一个储能装置，储能的量也是可以测量，或者可以计算的。这需要解释一下，像空压机里面出来的压缩空气，都是配有一个储气罐的，而热水锅炉本身，就有储存热水的功能。
（5）还有一个默认的前提假设，就是供应端所生产或供应的能量，与消费端所消耗的能量是一样的，或是有确定的某种换算关系。这其实也很好理解。热水锅炉供应的就是热水，酒店客人使用的也是热水，但是有可能，锅炉出来的水是65°C，客人用的时候可能只有60°C；压缩机出来的是压缩空气，压力是8kg/cm²，而喷气织机用的也是压缩空气，但它实际的用气压力可能只有6.5kg/cm²。如果供应端到消费端是一个化学反应，是聚合或裂解的过程，使得能量形式发生了变化，那就不是动态配载能解决的范围了。
动态配载模型：
动态配载模型示意图
动态配载模型示意图我们来解释一下这些参数条件：
- 有n个供能端点（P1～Pn）；可以理解为有n台空压机。
- 每个供能端点的加载/卸载对应的参数是Kp1～Kpn，它们的值=0/1（卸载/加载）；这也相当于是空压机的加载卸载。
- 每个供能端点都有一个供能的额定值是Wp1～Wpn；这相当于空压机的工频功率。
- 每供能端点的供能系数是Fp1～Fpn；对工频空压机来说，供能系数为1，对变频空压机来说，这个值为变频频率/工频频率。
- 每个供能端点的供能能力是Qp1～Qpn；这跟供能系数×额定供能值成正比。
- 总的供能是Qp=Qp1+Qp2+….+Qpn；这是一个原理等式，一般是用测量值；就是所有空压机的产气量的总和。
- 储能端是有物理限制的，所以储能的多少是有上限下限的，分别是Smax和Smin。这个就相当于空压机储气罐规定的最大压力值和最小压力值。
- 实际储能值为S；这是一个实时变化的实际储能值。当这个值达到（或超过）储能上限值时不会再增加；而低于储能下限值时，视为消费端无法工作。
- 总消耗为Cp。这个是实时在变化的总消耗。
这个模型的大体意思是：
- 供应端的总供应能力，是由每个供应端设备的供应能力之和；
- 每个供应端设备的供应能力在卸载状态为零，加载状态下为功率系数×额定功率；
- 储能量为原有储能量+总供应能-总消费能。
- 这个模型的输出结果是什么呢？
假设这个计算模型是5分钟计算一次，那么结果大致是这样的：
这跟D&C的输出结果形式上是类似的。这是因为动态配载实际上就是依据消耗的变化，对供能的一种实时调度方法。
完备模型与简化模型：
前面这个模型，我们称作一个完备模型。所谓完备模型，就是这个模型中提到的参数，都是要具备的。而实际工业场景中，未必能满足这个条件，很多参数可能会没有，也许是没有办法采集，没办法测量，或者没办法计算出来。为了增加计算模型的适用范围，通常会给出完备模型的一个简化版，这就叫简化模型。
动态配载简化模型示意图
在这个简化模型中，供能端点的供能系数都没有了，也就是说，只有这个端点的加载或者卸载可以控制。就像工频机一样，只能加载或者卸载，没办法让供能量调大调小。除此以外，每个供能端点的供能量也没有了，他们的总和自然也没有了。
我们可以把它想象成一个压缩空气站，里面有很多压缩机，大小各异。压缩机的产气出口都进入一个或者多个储气罐，最终汇集到一个供气管路。我们只知道有储气罐，但是这些储气罐的数据无从得知。
简化模型少了这么多的参数，那还能计算吗？计算出来的还准吗？简化模型数据少是不是就比完备模型算起来简单了呢？
这里可以顺便解释一下，简化模型跟完备模型，应该算同一个计算模型，在实际的计算过程中，需要的参数都必须要有。简化模型参数少了，就需要在计算的时候，先把这些少了的参数数据估算出来，然后再去用完备模型的算法去计算。所以，
简化模型的计算，实际上要比完备模型更加复杂。
举个例子来解释一下。比如，怎么来估算供能端点的供能能力呢？就要用
来作为第i个供能端点的供能能力的比例，然后通过按顺序卸载Pi，看看对供能有什么影响，这样来估算这个影响的量与这个比例的对应关系。
这里面就有一个很重要的问题了，为什么我们能去卸载呢？不怕卸载了影响消费端的使用了吗？这就要回到我们一开始说的五个要素中的“储能”要素了。因为有储能，所以，在一段时间内卸载一个端点，还能扛得住。
动态配载模型的使用：
要使用动态配载计算模型，首先要做的事情就是把这些参数对号入座。先举一个简单的例子（见图29-5）：有2个水泵，往一个储水罐里面注水，储水罐有最高水位容量和最低水位容量。储水罐有个管子接到外面去给外面供水，供水量是变动的。
储水罐有一个溢流口，意思是如果实际储水量超过最高水位容量，再进来的水就会从溢流口排出去。如果实际储水量低于最低水位容量，那么排水管就无水可出。
排水量是动态的，每分钟的流量Q(t)如下，是变化很大的一条曲线。
储水罐示意图
排水量曲线
我们基本上可以看出来，一旦调控不及时，要么就没水，要么就溢出。另外，两个水泵的能力是不能调节的，开的时候就是这么多供水量，关掉就没有了。这时，我们可以把供能系数当作常数1。额定供能小数就是1.5和2.5。
刚才这个排水量的曲线，是我们事后总结的，事前并不知道。这些变化都是实时的，有些甚至是随机的。所以，动态配载模型里面的计算，实际上是包含了对需求的预测，这些分析计算也都是相当复杂的。
储水罐与动态配载模型
请问：其他的你能正确对号入座吗？
动态配载的应用形态：
动态配载实际上就是一个D&C的特例，专门用于解决供应端和消费端之间的供给—需求矛盾，尤其是对那些需求变动大，变动迅速甚至是随机256的情况。越是功能端点数量多，越是需求量变化大，动态配载就越能凸显其优势。
在下图中，动态配载可以理解成为一个黑盒子，暴露在外面的只有一个模型的参数，只需要把实际应用中的参据量与模型参数进行对号入座就行。剩下就是等待动态配载这个黑盒子输出配载结果。
动态配载黑盒子
因为它是个黑盒子，所以这个盒子可以部署在任何一个地方，比如部署在MixIOT系统里面，成为MixIOT的一个服务组件，或者部署在边缘计算终端。
动态配载部署在计算终端
应用实例：
隧道施工现场
隧道口外的工棚里面有10台空压机和储气罐。给隧道内开山凿石提供动力。渠道内工作面已经推进了几千米，里面怎么用气外面是不知道的，也没有任何通信信号。
在没有动态配载的日子里，10台空压机空转了不少时间，浪费了很多电。有了动态配载就好了，一个隧道一年半干下来，算算账，省了不少电费。
隧道施工现场的动态配载，用一个边缘计算终端小机柜（如来方略柜E800型）就可以解决。
如有疑问或想了解更多，请咨询：0755-23740592
