2025年大學(xué)《智能體育工程》專業(yè)題庫(kù)——智能體育場(chǎng)館能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、請(qǐng)簡(jiǎn)述智能體育場(chǎng)館能源管理系統(tǒng)的定義及其主要目標(biāo)。列舉該系統(tǒng)在大型體育場(chǎng)館中應(yīng)用所面臨的至少三個(gè)獨(dú)特挑戰(zhàn)。二、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)在智能體育場(chǎng)館能源管理中扮演著關(guān)鍵角色。請(qǐng)闡述IoT技術(shù)如何實(shí)現(xiàn)場(chǎng)館內(nèi)能源的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)，并列舉至少三種在體育場(chǎng)館中常見的智能傳感器類型及其監(jiān)測(cè)對(duì)象。三、請(qǐng)論述在智能體育場(chǎng)館能源管理系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)與分析處理的重要性。簡(jiǎn)述一個(gè)典型的數(shù)據(jù)處理流程，并說明在處理體育場(chǎng)館能源數(shù)據(jù)時(shí)需要特別注意的一個(gè)問題。四、智能控制策略是能源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能的關(guān)鍵。請(qǐng)描述基于時(shí)間序列預(yù)測(cè)的負(fù)荷預(yù)測(cè)方法的基本思路，并舉例說明一種適用于體育場(chǎng)館變負(fù)荷特點(diǎn)的智能控制策略。五、假設(shè)你需要為一個(gè)新建的室內(nèi)綜合體育場(chǎng)館設(shè)計(jì)其能源管理系統(tǒng)的基本架構(gòu)。請(qǐng)簡(jiǎn)述該系統(tǒng)應(yīng)包含的四個(gè)主要層次（或?qū)蛹?jí)），并分別說明每一層的主要功能。六、在設(shè)計(jì)和實(shí)施智能體育場(chǎng)館能源管理系統(tǒng)時(shí)，需要考慮多個(gè)因素。請(qǐng)列舉至少五個(gè)重要的非技術(shù)性因素，并簡(jiǎn)要說明它們對(duì)系統(tǒng)成功的影響。七、請(qǐng)?jiān)敿?xì)闡述在設(shè)計(jì)智能體育場(chǎng)館照明能源管理系統(tǒng)時(shí)，可以采取的幾種關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)或策略，并分析其適用場(chǎng)景和潛在效果。八、請(qǐng)比較基于規(guī)則的控制和基于人工智能（AI）的控制策略在智能體育場(chǎng)館暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用。分析各自的優(yōu)勢(shì)、局限性以及可能的應(yīng)用場(chǎng)景。九、系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和互操作性對(duì)于滿足體育場(chǎng)館未來發(fā)展的需求至關(guān)重要。請(qǐng)說明在系統(tǒng)設(shè)計(jì)初期應(yīng)如何考慮這些因素，并舉例說明如何實(shí)現(xiàn)不同子系統(tǒng)（如照明、HVAC、可再生能源系統(tǒng)）之間的數(shù)據(jù)共享與協(xié)同控制。十、請(qǐng)為一個(gè)虛擬的、計(jì)劃舉辦大型室內(nèi)籃球賽事的體育場(chǎng)館，設(shè)計(jì)一套為期三天的賽事期間能源管理應(yīng)急方案或調(diào)整策略，重點(diǎn)考慮如何應(yīng)對(duì)可能出現(xiàn)的能源高峰或系統(tǒng)故障情況。試卷答案一、定義：智能體育場(chǎng)館能源管理系統(tǒng)是指利用先進(jìn)的傳感、通信、控制、計(jì)算等技術(shù)，對(duì)體育場(chǎng)館內(nèi)的能源消耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、智能調(diào)控、優(yōu)化管理和綜合分析的應(yīng)用系統(tǒng)。主要目標(biāo)：1）降低場(chǎng)館運(yùn)營(yíng)的能源消耗和成本；2）提高能源利用效率；3）保障能源供應(yīng)的穩(wěn)定性和可靠性；4）提升場(chǎng)館的智能化水平和綠色環(huán)保形象。獨(dú)特挑戰(zhàn)：1）負(fù)荷波動(dòng)性大：體育活動(dòng)具有間歇性和不規(guī)律性，導(dǎo)致場(chǎng)館負(fù)荷（尤其是照明、空調(diào)）劇烈變化，給能源管理帶來難度；2）設(shè)備種類繁多且復(fù)雜：包含大型照明、精密空調(diào)、特殊電氣設(shè)備等，系統(tǒng)集成難度大；3）空間廣闊且管理區(qū)域劃分復(fù)雜：場(chǎng)館面積大，不同區(qū)域（比賽區(qū)、觀眾區(qū)、后臺(tái)、訓(xùn)練區(qū)）的能源需求和管理要求不同，需要精細(xì)化控制。二、IoT實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)：通過在場(chǎng)館內(nèi)關(guān)鍵位置部署各類智能傳感器（如智能電表、溫濕度傳感器、人體存在傳感器、光照傳感器、水流傳感器等），這些傳感器實(shí)時(shí)采集能源使用數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通過無線或有線網(wǎng)絡(luò)（如LoRaWAN,NB-IoT,Wi-Fi,Ethernet）傳輸?shù)皆破脚_(tái)或本地服務(wù)器進(jìn)行匯聚存儲(chǔ)。平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，形成能源消耗的精細(xì)化管理視圖。傳感器類型及對(duì)象：1）智能電表：監(jiān)測(cè)各回路、區(qū)域或整個(gè)場(chǎng)館的電力消耗；2）溫濕度傳感器：監(jiān)測(cè)空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和場(chǎng)館內(nèi)環(huán)境的舒適度；3）人體存在傳感器：檢測(cè)區(qū)域是否有人活動(dòng)，用于智能照明和空調(diào)控制；4）光照傳感器：監(jiān)測(cè)自然光強(qiáng)度，用于智能照明自動(dòng)調(diào)節(jié)。三、重要性：精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)是能源管理決策的基礎(chǔ)。有效的數(shù)據(jù)采集確保獲取全面、準(zhǔn)確的能源使用信息；可靠的數(shù)據(jù)傳輸保證數(shù)據(jù)及時(shí)到達(dá)處理中心；高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為歷史數(shù)據(jù)分析提供支撐；深入的數(shù)據(jù)分析處理能夠挖掘能耗規(guī)律、識(shí)別浪費(fèi)環(huán)節(jié)、優(yōu)化控制策略，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。數(shù)據(jù)處理流程：示例流程：傳感器采集數(shù)據(jù)->數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸->數(shù)據(jù)清洗與預(yù)處理（去除異常值、填補(bǔ)缺失值）->數(shù)據(jù)存儲(chǔ)（如時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)）->數(shù)據(jù)分析（能耗統(tǒng)計(jì)、趨勢(shì)分析、同比環(huán)比、負(fù)荷預(yù)測(cè)）->生成報(bào)表與可視化->基于分析結(jié)果進(jìn)行智能控制指令下發(fā)。需注意問題：體育場(chǎng)館環(huán)境復(fù)雜，傳感器易受灰塵、水汽、劇烈振動(dòng)等影響，導(dǎo)致數(shù)據(jù)漂移或失效，因此需特別注意傳感器的選型、安裝防護(hù)、定期維護(hù)和校準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)質(zhì)量。四、時(shí)間序列預(yù)測(cè)思路：基于歷史負(fù)荷數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)模型（如ARIMA、指數(shù)平滑）或機(jī)器學(xué)習(xí)模型（如LSTM、Prophet）來學(xué)習(xí)負(fù)荷隨時(shí)間變化的模式（周期性、趨勢(shì)性、季節(jié)性），從而預(yù)測(cè)未來一段時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷情況。模型訓(xùn)練通常需要大量的歷史數(shù)據(jù)。適用策略示例：基于預(yù)測(cè)值的智能調(diào)度：根據(jù)預(yù)測(cè)的下午比賽期間的空調(diào)負(fù)荷高峰，提前開啟部分冷源，并優(yōu)化水泵啟停策略，避免比賽開始時(shí)因需求突然增大而導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)不足或過度調(diào)節(jié)；基于預(yù)測(cè)的夜間空閑期：降低非必要區(qū)域的照明和空調(diào)設(shè)定溫度，或完全關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。五、系統(tǒng)架構(gòu)層次及功能：1）感知層（PerceptionLayer）：負(fù)責(zé)采集場(chǎng)館內(nèi)各種能源消耗數(shù)據(jù)（電、水、氣等）和環(huán)境數(shù)據(jù)（溫濕度、光照、CO2濃度等），以及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息。主要由各類智能傳感器、智能儀表、執(zhí)行器等組成。2）網(wǎng)絡(luò)層（NetworkLayer）：負(fù)責(zé)將感知層采集到的數(shù)據(jù)可靠、高效地傳輸?shù)狡脚_(tái)層。包括各種有線（如Ethernet,BACnet）和無線（如Wi-Fi,Zigbee,LoRaWAN,NB-IoT）通信網(wǎng)絡(luò)。3））平臺(tái)層（PlatformLayer）：負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、分析、建模和可視化。通常包括數(shù)據(jù)庫(kù)、大數(shù)據(jù)處理引擎、AI算法引擎、應(yīng)用服務(wù)器等。是系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)能源數(shù)據(jù)的集成管理、智能分析和策略生成。4）應(yīng)用層（ApplicationLayer）：面向用戶，提供各種能源管理應(yīng)用服務(wù)。包括能源監(jiān)測(cè)可視化界面、能耗報(bào)表、設(shè)備控制、能耗分析報(bào)告、故障報(bào)警、節(jié)能策略配置與執(zhí)行等功能，供場(chǎng)館管理人員、運(yùn)維人員使用。六、重要非技術(shù)性因素：1）管理體制機(jī)制：能源管理能否有效實(shí)施，很大程度上取決于場(chǎng)館是否有明確的管理部門、職責(zé)分工、績(jī)效考核機(jī)制和激勵(lì)機(jī)制。2）用戶意識(shí)與行為：場(chǎng)館內(nèi)人員（運(yùn)動(dòng)員、觀眾、工作人員）的節(jié)能意識(shí)和行為習(xí)慣對(duì)整體能耗有顯著影響，需要相應(yīng)的宣傳教育。3）初始投資預(yù)算：智能能源系統(tǒng)的建設(shè)需要一定的前期投入，預(yù)算的多少直接影響系統(tǒng)規(guī)模和技術(shù)的先進(jìn)程度。4）運(yùn)維人員能力：系統(tǒng)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行需要專業(yè)的運(yùn)維團(tuán)隊(duì)進(jìn)行日常監(jiān)控、維護(hù)、故障排除和策略優(yōu)化。5）政策法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)：地方或國(guó)家的節(jié)能政策、綠色建筑標(biāo)準(zhǔn)、智慧場(chǎng)館規(guī)范等會(huì)直接影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)。七、關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)與策略：1）智能照明控制系統(tǒng)：利用人體存在傳感器、光照傳感器和定時(shí)控制，實(shí)現(xiàn)“人來燈亮、人走燈滅/延時(shí)熄滅”、“天亮燈暗、天黑燈亮”以及根據(jù)自然光強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)照明功率，顯著降低照明能耗。2）分區(qū)溫控與優(yōu)化：根據(jù)不同區(qū)域（比賽區(qū)、觀眾區(qū)、空置區(qū)）的人員密度和活動(dòng)狀態(tài)，設(shè)置不同的空調(diào)溫度設(shè)定值或啟用區(qū)域獨(dú)立控制，避免不必要的能源浪費(fèi)。3）設(shè)備運(yùn)行優(yōu)化：對(duì)空調(diào)、水泵、風(fēng)機(jī)等大功率設(shè)備進(jìn)行智能調(diào)度，如根據(jù)負(fù)荷預(yù)測(cè)提前啟停、變頻調(diào)速控制，避免在低負(fù)荷時(shí)全負(fù)荷運(yùn)行或在高峰期才啟動(dòng)。4）可調(diào)光LED照明：使用支持調(diào)光的LED燈具，可以根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整亮度，比傳統(tǒng)恒定亮度照明更節(jié)能。5）賽事活動(dòng)模式預(yù)設(shè)：針對(duì)大型賽事，預(yù)設(shè)特定的照明和空調(diào)模式（如比賽模式、訓(xùn)練模式、大型活動(dòng)模式），一鍵切換到相應(yīng)的高效運(yùn)行狀態(tài)。八、規(guī)則控制vsAI控制：規(guī)則控制：基于預(yù)設(shè)的規(guī)則進(jìn)行決策。例如，“當(dāng)溫度低于18℃且有人存在時(shí)，開啟空調(diào)”，“當(dāng)光照強(qiáng)度高于300Lux時(shí)，關(guān)閉所有公共區(qū)域照明”。優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、透明、易于理解和調(diào)試；缺點(diǎn)是靈活性差，難以應(yīng)對(duì)復(fù)雜多變或非線性的場(chǎng)景，無法學(xué)習(xí)優(yōu)化。AI控制：利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)復(fù)雜的模式，自主做出最優(yōu)決策。例如，使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)訓(xùn)練一個(gè)控制器，使其能夠根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷、天氣、價(jià)格信號(hào)等多種因素，動(dòng)態(tài)調(diào)整HVAC設(shè)定點(diǎn)或運(yùn)行策略以最小化成本或能耗。優(yōu)點(diǎn)是適應(yīng)性強(qiáng)、能處理非線性關(guān)系、可能實(shí)現(xiàn)更優(yōu)性能；缺點(diǎn)是模型復(fù)雜、需要大量數(shù)據(jù)、調(diào)試和解釋困難、存在“黑箱”問題。應(yīng)用場(chǎng)景：規(guī)則控制適用于相對(duì)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定的場(chǎng)景或作為AI控制的底層邏輯；AI控制適用于復(fù)雜、動(dòng)態(tài)、需要持續(xù)優(yōu)化的場(chǎng)景，如結(jié)合預(yù)測(cè)的智能控制、考慮電價(jià)峰谷的優(yōu)化調(diào)度等。九、設(shè)計(jì)初期考慮擴(kuò)展性與互操作性：可擴(kuò)展性考慮：1）采用模塊化、松耦合的系統(tǒng)架構(gòu)，各個(gè)功能模塊可以獨(dú)立升級(jí)或替換；2）選擇支持標(biāo)準(zhǔn)接口（如RESTfulAPI、MQTT）的技術(shù)和平臺(tái)，方便未來接入新的傳感器、設(shè)備或子系統(tǒng)；3）預(yù)留足夠的網(wǎng)絡(luò)帶寬和計(jì)算資源；4）設(shè)計(jì)可配置的參數(shù)，以便在不修改核心代碼的情況下調(diào)整系統(tǒng)行為。互操作性實(shí)現(xiàn)：1）遵循行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，如BACnetforHVAC,Modbusforindustrialdevices,MQTTforIoTmessaging；2）建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平臺(tái)或消息中臺(tái)，作為不同子系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換和共享的樞紐；3）定義清晰的數(shù)據(jù)接口規(guī)范和語(yǔ)義，確保數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)間正確傳遞和理解；4）采用開放的平臺(tái)架構(gòu)，支持第三方應(yīng)用接入。十、賽事期間能源管理應(yīng)急/調(diào)整策略：1）負(fù)荷預(yù)測(cè)強(qiáng)化：提高對(duì)賽事期間（尤其是比賽開始前、中場(chǎng)休息、賽后）人流和活動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)精度，為能源調(diào)度提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。2）照明策略調(diào)整：比賽區(qū)域周邊照明保持高亮度，非比賽區(qū)域（如空置的休息室、辦公室）提前降低或關(guān)閉照明；利用傳感器確保有人時(shí)才開啟非必要照明。3）空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化：比賽期間，根據(jù)場(chǎng)館內(nèi)人員密度和溫度反饋，動(dòng)態(tài)調(diào)整比賽區(qū)域及相關(guān)區(qū)域的空調(diào)