在一个星期六的凌晨三点钟，MathWorks 公司 Apple Hill 园区发生了一件怪事——厨房的排气系统开启了。实际上，没有任何状况触发风扇和空气处理器，因为这些设备通常在白天开启，以备在为光线充足的自助餐厅准备餐食时，让厨房远离油烟。而在那天，抽油烟机开始将调节过温湿度的空气直接从空旷的现代化建筑中抽出，并排入夜空中。
“MathWorks 正在采取切实有效的行动来应对气候变化，并承诺到 2023 年实现碳中和。”—— Jeff Petersen，MathWorks
Apple Hill 园区的暖通空调系统 (HVAC) 团队当时回家过周末了。由于他们不在，于是由软件即服务公司 Clockworks Analytics 利用 MathWorks 楼宇自动化系统的数字孪生，执行故障检测和诊断 (FDD)，寻找潜在问题。该软件根据在 MATLAB® 中创建的内容丰富的诊断库持续对HVAC进行监控，以发现故障、设备未按照其规范运行或设备效率低下的情况。“实际上，每一栋建筑都存在某种形式的损坏，只是某些问题比其他问题更严重而已，”Clockworks Analytics 首席科学家兼公司联合创始人 Siân Kleindienst 表示。“如果不进行监控，有时就注意不到。”
在 Apple Hill 园区，Clockworks Analytics 监控来自供暖和制冷系统的 3 万个信息点，MathWorks 的高级能源工程师 Jeff Petersen 表示。“我们有很棒的技术人员，但他们也做不到全天候照看所有方面。这是人力无法做到的，”他表示。FDD 每五分钟检查一次所有数据，并为我们标记问题。”如果前面提到的问题未被发现，排气系统会每个周末无缘无故地运行，持续整个周末，这将给 MathWorks 公司带来麻烦，会导致设备过度磨损、能源浪费，并且会产生不必要的温室气体排放。“MathWorks 正在采取切实有效的行动来应对气候变化，”Petersen 表示。“我们承诺到 2023 年实现碳中和。”让 MathWorks 的楼宇高效运行对于实现这一目标至关重要。Petersen 指出，公司还必须在绿色环保与员工舒适度之间取得平衡。
MathWorks 不是个例。Clockworks Analytics 在美国和世界各地都有企业客户，他们希望预见其运作的大型设施中存在的问题，尽早发现，以防造成长期的能源浪费或大修状况的产生。发现问题的可能原因，可以为业主节省时间、金钱和能源。每座建筑物都像是弗兰肯斯坦博士的怪物（Dr. Frankenstein’s monster），即使全新的建筑也是如此。“没有所谓“标准”的空调系统、锅炉系统或空气处理器，”Kleindienst 指出。“我们开展这项业务已有 10 年，但仍然遇到了许多前所未见的系统配置。此类系统是根据建筑物的大小和需求从零开始构建的，大型空气处理器通常是定制的，”她表示。Clockworks Analytics 首先创建客户建筑物的数字孪生。大型设施通常采用程序化的楼宇自动化系统来控制空气处理器、制冷机、锅炉和其他设备。“这些系统必须测量温度和压力，它们有指令和设定值，”Kleindienst 表示。Clockworks Analytics 软件位于现有楼宇自动化系统的上一层，并从中提取数据。该公司的工程师使用机器学习对其中一些数据进行自动分类，让客户很容易就能上手使用，并正在加大开发投入以提高自动化程度。然后，数据会定期发送到安全云中。“该公司还会存储数据，这在楼宇自动化系统中并不常见，”Kleindienst 表示。Clockworks Analytics 每天、每周和每个月都会使用 MATLAB 进行故障检测和诊断。“我认识的很多人主要使用 MATLAB 编写脚本，但我们用它做了很多面向对象的编程，”Kleindienst 表示。“我们拥有业界最丰富的信息模型，允许对特殊的系统配置和运行进行可扩展的建模，包括大量的类、类型和属性：区域类、空气处理器类、制冷机类、设备和机械之间的相互关系，以及决定如何运行的控制参数。”反映 MathWorks HVAC 系统运行的 Clockworks 仪表板。 Clockworks Analytics 首先创建客户建筑物的数字孪生。大型设施通常采用程序化的楼宇自动化系统来控制空气处理器、制冷机、锅炉和其他设备。
该公司将这个内容丰富的、包括诊断信息、支持类和支持功能在内的库，打包到动态链接库 (DLL) 中，在其网站上部署。每个诊断任务都调用该 DLL。Clockworks Analytics 主要依靠白盒建模（专家系统、工程方程和逻辑语句）来实现同类最佳的诊断。“我们之所以选择 MATLAB，是因为我们让机械工程师而不是软件工程师来编写诊断代码，”Kleindienst 表示。“我们希望能够聘请拥有领域知识的机械工程师从事这项工作。我们的工程师无需成为传统程序员，即可利用 MATLAB 丰富的 计算工具库。”在过去十年中，云存储促进了建筑诊断行业的显著增长。新公司纷纷涌现，试图填补这一空白。Kleindienst 发现，拥有全面而详细的诊断库使 Clockworks Analytics 从竞争对手中脱颖而出。MathWorks Apple Hill 园区就是一个很好的例子。就在最近，一栋新建的建筑物完成调试，Clockworks Analytics利用这套系统检查该设施是否在按照业主期望的方式运行，这是一个系统化的过程。FDD 标记出多个问题，包括未加热到合适温度的区域。可持续发展专业人士经常谈论容易实现的目标，即能够立即产生显著影响的改变，通常是环境和经济方面的改变。Kleindienst 回忆说，Clockworks Analytics 早期的一个客户有一栋大型实验室建筑，其制冷阀在冬季一直处于打开状态，迫使其加热阀进行补偿。在 Clockworks Analytics 发现该问题之前，同时加热和制冷导致每个月浪费约 20,000 美元。他们的分析引擎仍能为客户识别出导致浪费的重大问题，在过去 10 年间，Kleindienst 见证了建筑诊断行业对分析的价值有了更深入的认识。“现在的方法涉及如何让一栋建筑良好运行，”她表示。“业主开始提出新问题：‘我如何使用这项技术来提高设施运营团队的效率？我如何才能少接到一些抱怨冷热的电话？我如何才能在发生故障或某一条生产线停摆之前发现问题？这可以为我节省多少碳排放？’”Clockworks Analytics 主要与经营医院、实验室和大学等大型建筑的客户合作。根据联合国项目全球建筑与施工联盟 (Global Alliance for Buildings and Construction) 的数据，在 2020 年，建筑物对能源的需求占全球能源需求的 36%，占与能源相关的二氧化碳排放的 37%。 在美国建筑行业，大多数排放是间接产生的，即发电商在异地燃烧化石燃料发电，为取暖、空调、照明和其他运行提供电力。其余的建筑排放来自现场直接燃烧化石燃料。间接排放和直接排放都是 MathWorks 的减排目标。MathWorks在全球设有 33 个办事处，包括位于内蒂克(Natick)的两个相邻园区：Apple Hill 和 Lakeside。这两个园区的总面积约为 111,000 平方米（120 万平方英尺），可容纳 4,000 名员工。“总体而言，在 2020 年，建筑物对能源的需求占全球能源需求的 36%，占与能源相关的二氧化碳排放的 37%。”
MathWorks 的众多环保措施包括 114 个电动汽车充电站、Lakeside 园区的新数据中心，该数据中心最大限度地减少电力使用，并将照明转换为 LED。此外，Natick园区的七块太阳能电池板每年可以产生近 200 万千瓦时的电力。“作为商业世界的一部分，我们势必会排放碳，但我们正在尽一切努力减少碳排放，”Petersen 表示。MathWorks 是一家成长中的公司，因此减少资源使用并继续减少公司的环境足迹变得越来越重要。故障检测和诊断已成为对减少能源使用和降低碳排放的机会进行识别的重要工具，同时也保证了为员工提供舒适的环境。分析引擎使建筑管理人员能够在问题出现时立即解决问题，而不是等待问题发酵。像 MathWorks 这样的组织采用这种称为continuous commissioning的先进方法后，认识到了该方法的优势。如果 Clockworks Analytics 发现某个客户的楼宇系统比较特别，他们以前从未遇到过，则其团队就编写扩展的诊断程序。该团队还会与客户协作，为他们接入 FDD，将大量杂乱无章的信息变成条理清晰的结论。“该软件将每个问题综合成一份报告，通常是针对单个设备，”Kleindienst 表示。“这些报告带有简单的注释，”Kleindienst 补充道。“例如‘Problem: The air handler’s supply temperature isn’t following its setpoint.'（问题：空气处理器的供气温度不符合设定值）该报告还会指出我们对发生这种情况的原因分析、能源浪费造成的成本以及其它的一些可能原因。”即使有了根本原因诊断，客户仍然需要专业人员在现场调查和纠正问题，例如当 MathWorks HVAC 团队收到一份关于厨房排气系统在整个周末无缘无故运行的报告时。“这只是 FDD 向该公司揭示某种潜在隐蔽问题的其中一次情形，”Petersen 表示。接下来，MathWorks 计划将 Clockworks Analytics 的服务引入到他们的 Lakeside 园区。“无论建筑物的年龄如何，故障检测和诊断都能派上用场，”Petersen 表示。“您不需要等 5 年或 10 年再来实现这种技术。FDD 立刻就会发现问题。然后您就可以将这些问题扼杀在萌芽状态。”◆ ◆ ◆ ◆
看完了 MathWorks 自己家的故事才真实的明白为什么 MathWorks 致力于在 2023 年实现碳中和。可持续的未来需要我们采取行动应对气候变化带来的影响！
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