工業(yè)用樓宇可視化運(yùn)維系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

胥 軍，萬 磊，左家鵬

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，武漢430070）

在工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，樓宇內(nèi)設(shè)備具有種類繁多、協(xié)議多源異構(gòu)性較強(qiáng)、布局分散等特點(diǎn)，給樓宇的集成化管理帶來了巨大的挑戰(zhàn)。目前，樓宇設(shè)備運(yùn)維信息化管理主要是應(yīng)用BAS 樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)[1]。BAS 系統(tǒng)通過中央計(jì)算機(jī)將分布在各監(jiān)控現(xiàn)場的智能單元連接在一起，構(gòu)成一個(gè)先進(jìn)而完善的綜合監(jiān)控系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)樓宇內(nèi)的設(shè)備實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)測與控制。其專業(yè)性較強(qiáng)，運(yùn)維管理人員難以有效使用。同時(shí)樓宇設(shè)備運(yùn)行監(jiān)測的數(shù)據(jù)也僅存在于自動(dòng)化系統(tǒng)內(nèi)，存在信息孤島問題，難以對(duì)樓宇內(nèi)機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行有效利用。此類樓宇系統(tǒng)的運(yùn)維管理方式明顯滯后于工業(yè)樓宇運(yùn)維管理需求，不能滿足以信息化和智能化為核心的現(xiàn)代化發(fā)展趨勢。

本文針對(duì)該問題，提出將自動(dòng)化集成技術(shù)、可視化技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)用樓宇運(yùn)維工作中。通過分析樓宇日常運(yùn)營維護(hù)需求，結(jié)合具體項(xiàng)目，設(shè)計(jì)并開發(fā)了一種信息化、智能化的樓宇運(yùn)維系統(tǒng)，能夠以直觀的方式完成設(shè)備遠(yuǎn)程管控、視頻監(jiān)控、能耗監(jiān)測及設(shè)備巡檢指導(dǎo)等運(yùn)維工作。

1 運(yùn)維內(nèi)容與需求

工業(yè)樓宇的正常運(yùn)轉(zhuǎn)需要對(duì)樓宇設(shè)備進(jìn)行綜合管理。傳統(tǒng)運(yùn)維方式依靠樓宇技術(shù)人員以報(bào)表記錄、定時(shí)巡檢、手動(dòng)排查等方式進(jìn)行管理，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)維工作中存在故障排查困難、設(shè)備資料丟失、監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)采集困難等問題發(fā)生。因此，要保證工業(yè)樓宇的正常運(yùn)行，需要通過確立合理的組織管理模式，開展運(yùn)維管理工作。

1.1 工業(yè)樓宇運(yùn)維內(nèi)容

（1）設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控管理：獲取集成設(shè)備的狀態(tài)信息，工業(yè)樓宇內(nèi)設(shè)備數(shù)量龐大且分散，在運(yùn)維過程中系統(tǒng)要為管理人員提供直觀有效的手段對(duì)設(shè)備相關(guān)信息監(jiān)測和控制以提高設(shè)備管理效率。

（2）設(shè)備資料管理：采用合理的方式對(duì)設(shè)備資料進(jìn)行存儲(chǔ)及管理，樓宇設(shè)備資料包括設(shè)備基礎(chǔ)信息、巡檢信息等，這些資料的數(shù)據(jù)量龐大，有效、合理的存儲(chǔ)方式可以提高設(shè)備運(yùn)維資料獲取的效率。

（3）設(shè)備巡檢管理：制定巡檢計(jì)劃，收集設(shè)備信息，評(píng)估設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備信息收集后根據(jù)評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為Ⅰ～Ⅳ類別，依據(jù)該類別評(píng)估結(jié)果系統(tǒng)指導(dǎo)運(yùn)維人員實(shí)施針對(duì)性的檢修工作，保障巡檢任務(wù)能夠高質(zhì)量完成。

1.2 運(yùn)維系統(tǒng)需求

基于對(duì)工業(yè)樓宇運(yùn)維工作內(nèi)容分析，對(duì)可視化運(yùn)維系統(tǒng)提出以下需求；

（1）實(shí)現(xiàn)設(shè)備可視化監(jiān)控，將設(shè)備的實(shí)時(shí)信息映射到運(yùn)維系統(tǒng)模型的對(duì)應(yīng)點(diǎn)位中，以立體的方式展示設(shè)備位置、分布狀態(tài)及實(shí)時(shí)狀態(tài)等信息。同時(shí)以可視化圖表的形式對(duì)設(shè)備運(yùn)作數(shù)據(jù)進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，使得設(shè)備監(jiān)控過程更加可視化和透明化。

（2）設(shè)備資料管理，建立設(shè)備信息庫用來存儲(chǔ)設(shè)備運(yùn)行信息、基本屬性信息以及運(yùn)維信息等，為設(shè)備信息的錄入、修改、分析等管理功能提供支撐。同時(shí)運(yùn)維系統(tǒng)可以根據(jù)設(shè)備與BIM 模型的映射關(guān)系，在虛擬的數(shù)字模型中快速找出設(shè)備詳細(xì)的資料信息，并以三維可視化的方式展示，提升了樓宇設(shè)備的管理效益。

（3）可視化巡檢，利用可視化場景指導(dǎo)運(yùn)維人員完成設(shè)備巡檢任務(wù)，包括巡檢區(qū)域指導(dǎo)、巡檢計(jì)劃派發(fā)和信息錄入等。運(yùn)維人員通過移動(dòng)終端將巡檢信息保存至運(yùn)維系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)備評(píng)估結(jié)果判斷設(shè)備是否需要進(jìn)行檢修維護(hù)等工作，保證樓宇設(shè)備安全運(yùn)行。

2 系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的可視化運(yùn)維系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)模式進(jìn)行開發(fā)，開發(fā)架構(gòu)如圖1所示。該框架根據(jù)“數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)處理→數(shù)據(jù)應(yīng)用展示”的流向自底向上分成4 層：數(shù)據(jù)層、處理層、表現(xiàn)層以及應(yīng)用層。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)Fig.1 System development architecture

（1）其中數(shù)據(jù)采集層是運(yùn)維系統(tǒng)開發(fā)的基礎(chǔ)，基于現(xiàn)場傳感器、配電柜、臺(tái)架等運(yùn)維設(shè)備的通訊接口，利用信息化技術(shù)來構(gòu)建數(shù)據(jù)采集服務(wù)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)樓宇中各類運(yùn)維設(shè)備的數(shù)據(jù)采集。

（2）處理層采用Django 后端框架實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)服務(wù)文件的集成引用，包括監(jiān)控報(bào)警處理、數(shù)據(jù)調(diào)用與可視化呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)計(jì)算與分析、運(yùn)維業(yè)務(wù)流程關(guān)聯(lián)等。

（3）表現(xiàn)層采用Vue.js+Three.js 框架構(gòu)建系統(tǒng)交互界面。Three.js 框架用于整合樓宇的BIM 模型，完成系統(tǒng)三維可視化場景的搭建。Vue.js 框架實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬場景以及可視化圖表的集成。

（4）應(yīng)用層即運(yùn)維人員操作界面，運(yùn)維人員能夠通過三維可視化的方式監(jiān)控樓宇的整體狀況，掌握樓宇設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程管理。

3 面向多協(xié)議的設(shè)備數(shù)據(jù)采集方案

3.1 樓宇設(shè)備整合

工業(yè)樓宇運(yùn)維設(shè)備種類繁多，且普遍存在多源異構(gòu)性，對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行有效采集首先要對(duì)樓宇運(yùn)維設(shè)備進(jìn)行分析，根據(jù)設(shè)備數(shù)據(jù)通訊接口對(duì)樓宇設(shè)備進(jìn)行整合。圖2為某辦公區(qū)域運(yùn)維設(shè)備平面分布圖。

圖2 辦公區(qū)域運(yùn)維設(shè)備平面布局圖Fig.2 Layout plan of operation and maintenance equipment in office area

圖2辦公區(qū)域的運(yùn)維設(shè)備可劃分為照明、空調(diào)、智能儀表、傳感器、電梯等。上述運(yùn)維設(shè)備均可通過解析其通訊協(xié)議來完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，樓宇設(shè)備通訊接口如表1所示。

表1 樓宇設(shè)備通訊接口Tab.1 Communication interface of building equipment

工業(yè)用樓宇除了辦公區(qū)域還包括實(shí)驗(yàn)區(qū)域，本文所研究的實(shí)驗(yàn)區(qū)域除上述設(shè)備外，還包括臺(tái)架設(shè)備，其Puma 系統(tǒng)能對(duì)不同工況下的電機(jī)進(jìn)行測試以獲取其性能參數(shù)。Puma 系統(tǒng)可通過TCP/IP 協(xié)議傳輸包含設(shè)備關(guān)鍵信息的數(shù)據(jù)報(bào)文，通過解析報(bào)文規(guī)則可獲取臺(tái)架的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

3.2 運(yùn)維數(shù)據(jù)采集

整合后的樓宇設(shè)備根據(jù)其通訊方式可分為標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議設(shè)備、自定義報(bào)文協(xié)議設(shè)備以及非工業(yè)協(xié)議設(shè)備三類。電梯、空調(diào)以及整合后的PLC 設(shè)備均屬于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議；臺(tái)架為自定義報(bào)文通訊協(xié)議設(shè)備；攝像頭設(shè)備的通訊接口屬于非工業(yè)協(xié)議，需要根據(jù)其視頻流地址進(jìn)行開發(fā)?；谝陨戏治觯疚脑O(shè)計(jì)了如圖3所示的數(shù)據(jù)采集方案。

圖3 數(shù)據(jù)采集方案Fig.3 Data acquisition scheme

設(shè)備數(shù)據(jù)均通過網(wǎng)口通訊方式采集，經(jīng)過PLC、空調(diào)等具有標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議的設(shè)備，利用Kepserver服務(wù)能將多源的設(shè)備數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為基于OPC UA協(xié)議規(guī)則的數(shù)據(jù)格式，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)協(xié)議設(shè)備的接入、集成；針對(duì)自定義報(bào)文通訊協(xié)議的臺(tái)架設(shè)備，利用Python 的功能庫建立可用于解析臺(tái)架設(shè)備的解析文件來獲取臺(tái)架的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；以RTSP 格式構(gòu)成的視頻流地址的攝像頭設(shè)備無法直接在網(wǎng)頁端實(shí)現(xiàn)無插件播放[2]，方案采用Nginx 代理服務(wù)進(jìn)行轉(zhuǎn)流，獲取易于在網(wǎng)頁端開發(fā)的視頻流格式。

4 BIM 模型渲染與優(yōu)化

BIM 模型是集成了大量數(shù)據(jù)的參數(shù)化三維模型，涵括建筑項(xiàng)目從設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維直至壽命終結(jié)過程中的各種信息，是可視化運(yùn)維系統(tǒng)開發(fā)的重要基礎(chǔ)。

4.1 BIM 模型渲染

樓宇BIM 模型采用建筑領(lǐng)域常用的Revit 軟件繪制，由BIM 模型信息量龐大，且生成的.rvt 格式文件不能直接被網(wǎng)頁端使用。因此，系統(tǒng)采用一種輕量級(jí)的JSON 格式進(jìn)行中間數(shù)據(jù)交換[3]。

Three.js 是一款三維圖形應(yīng)用框架，能夠利用由BIM 模型導(dǎo)出的JSON 文件實(shí)現(xiàn)樓宇BIM 模型在Web 端渲染開發(fā)。Three.js 的基本渲染結(jié)構(gòu)由場景、相機(jī)和渲染器三類基本元素構(gòu)成，對(duì)三部分基本元素進(jìn)行合理的組合即能完成三維場景在Web 端的可視化展示，渲染流程如圖4所示。

圖4 Three.js 渲染流程Fig.4 Three.js rendering flow chart

4.2 模型優(yōu)化

BIM 模型數(shù)據(jù)量龐大，瀏覽器在渲染時(shí)易造成數(shù)據(jù)資源加載時(shí)間過久，導(dǎo)致Web 渲染響應(yīng)的延遲[4]。因此，系統(tǒng)采用離散LOD 算法與模型緩存2 種方式對(duì)模型渲染進(jìn)行優(yōu)化

4.2.1 LOD 模型優(yōu)化

LOD 模型優(yōu)化算法將相機(jī)和模型中心的視點(diǎn)距離distance 作為判斷標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定距離閾值條件distance1、distance2 進(jìn)行層級(jí)level 劃分，根據(jù)距離所在層級(jí)加載對(duì)應(yīng)分辨率的模型，模型加載層級(jí)邏輯為

式中：M（0）為原始渲染模型；M（1）為渲染精度較高的模型，復(fù)雜度為M（0）模型的70%；M（2）渲染精度較低的模型，復(fù)雜度為M（0）模型的50%。

調(diào)用LOD 算法對(duì)計(jì)算機(jī)性能消耗較大，若將其設(shè)置為常調(diào)用狀態(tài)會(huì)影響渲染性能。為避免其占用過多的CPU 資源，系統(tǒng)僅在三維場景發(fā)生變化時(shí)調(diào)用LOD 算法進(jìn)行重新渲染，主要包括：平移、縮放以及旋轉(zhuǎn)3 種操作，該3 種操作對(duì)應(yīng)Three.js 框架中的OnRightBtnClick、OnScroll 和OnLeftBtnClick 函數(shù)，為判斷場景是否發(fā)生變化將上述函數(shù)通過邏輯運(yùn)算進(jìn)行組合：

式中：check 為場景判斷結(jié)果，僅為0 或1。場景變換操作需要結(jié)合鼠標(biāo)的位置變化進(jìn)行判定，利用mousePosition 函數(shù)進(jìn)行與邏輯運(yùn)算。LOD 算法實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5 LOD 實(shí)現(xiàn)流程Fig.5 LOD implementation flow chart

4.2.2 模型緩存

模型緩存優(yōu)化是利用HTTP 緩存機(jī)制將模型數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于用戶本地，當(dāng)下次發(fā)起請(qǐng)求時(shí)會(huì)判斷請(qǐng)求的資源是否可用，若資源可用則直接調(diào)用緩存池中資源，減少模型渲染延時(shí)間。本模型采用協(xié)商緩存中內(nèi)容修改資源更新的方式，通過設(shè)置Last-Modified與If-Modified-Since 屬性實(shí)現(xiàn)。Last-Modified 屬性記錄了緩存資源最近的修改時(shí)間，If-Modified-Since 屬性用于向服務(wù)器驗(yàn)證資源是否發(fā)生了更新，緩存資源的內(nèi)容會(huì)通過MD5 算法計(jì)算得到唯一字符串值Etag 進(jìn)行標(biāo)識(shí)，內(nèi)容發(fā)生改變時(shí)字符串值也會(huì)對(duì)應(yīng)改變。因此，可通過對(duì)比前后字符串標(biāo)識(shí)的值來判定資源是否更新，模型緩存流程如圖6所示。

圖6 模型緩存方案流程Fig.6 Model caching scheme flow chart

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

5.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

為保證運(yùn)維系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)采用SQL Server 數(shù)據(jù)庫用于承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理與服務(wù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的核心是設(shè)備信息庫，設(shè)備信息庫中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)包括設(shè)備運(yùn)行信息、基本屬性信息及運(yùn)維信息。運(yùn)行信息來源于采集的運(yùn)維設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)；基本屬性信息和運(yùn)維信息均源于由Revit 軟件構(gòu)建的BIM 模型數(shù)據(jù)庫，基本屬性信息主要包括：設(shè)備生產(chǎn)日期、規(guī)格尺寸、生產(chǎn)廠商等，運(yùn)維信息是樓宇運(yùn)維人員對(duì)設(shè)備長期管理、積累后得到的巡檢信息、報(bào)警信息等。上述各類信息共同構(gòu)成了所需設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫實(shí)體。

5.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

5.2.1 場景可視化模塊

可視化三維場景對(duì)樓宇內(nèi)部環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，以可視化圖表的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，系統(tǒng)場景模塊界面如圖7所示。電梯的位置及其運(yùn)行動(dòng)向根據(jù)所采集的運(yùn)行信息，在場景內(nèi)以動(dòng)態(tài)方塊的形式進(jìn)行展現(xiàn)，此外整個(gè)樓宇場景中對(duì)電力的流向進(jìn)行了動(dòng)態(tài)指示。

圖7 場景模塊界面圖Fig.7 Scene module interface

5.2.2 設(shè)備可視化監(jiān)控模塊

設(shè)備可視化監(jiān)控模塊展示了設(shè)備的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)與設(shè)備控制的按鈕組件，該場景整體效果如圖8所示。運(yùn)維人員能夠通過三維可視化的方式查看場景內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)，并通過頁面右上角的搜索框可對(duì)設(shè)備名稱/編號(hào)進(jìn)行查詢，實(shí)現(xiàn)設(shè)備模型定位顯示。

圖8 辦公區(qū)域展廳三維場景圖Fig.8 3D scene of office area exhibition hall

5.2.3 數(shù)據(jù)看板模塊

樓宇臺(tái)架設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、監(jiān)測數(shù)據(jù)是運(yùn)維系統(tǒng)中的關(guān)鍵信息，為提高技術(shù)人員對(duì)臺(tái)架設(shè)備的監(jiān)管效率，建立了圖9所示的臺(tái)架設(shè)備監(jiān)控看板，以集成化的方式展示了實(shí)驗(yàn)區(qū)域各臺(tái)架設(shè)備的狀態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)長、轉(zhuǎn)速、扭矩以及油耗等運(yùn)行信息。

5.2.4 設(shè)備管理模塊

設(shè)備資料管理信息來源于設(shè)備信息庫中的基本屬性信息及運(yùn)維信息。以配電柜為例，資料管理模塊在系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)效果如圖10所示，設(shè)備資料信息能夠通過可視化框圖進(jìn)行展示，展示的信息主要包括：配電柜設(shè)備名稱、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)號(hào)及防護(hù)等級(jí)等。

圖10 配電柜信息展示效果Fig.10 Information display effect of distribution cabinet

5.2.5 可視化巡檢模塊

設(shè)備可視化巡檢模塊包括巡檢任務(wù)安排、巡檢區(qū)域指導(dǎo)以及巡檢信息的錄入三部分?？梢暬矙z模塊界面如圖11所示，巡檢人員登陸系統(tǒng)后根據(jù)值班區(qū)域的計(jì)劃安排到指定區(qū)域進(jìn)行巡檢。

圖11 可視化巡檢管理界面Fig.11 Visual patrol inspection management interface

巡檢記錄界面如圖12所示，巡檢員在巡檢過程中對(duì)設(shè)備的基本信息進(jìn)行判斷分析，利用系統(tǒng)集成的檢修知識(shí)庫對(duì)設(shè)備進(jìn)行評(píng)判，評(píng)判結(jié)果將存至對(duì)應(yīng)的設(shè)備信息庫，作為后續(xù)管理人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修的判斷依據(jù)。

圖12 巡檢記錄界面Fig.12 Patrol inspection record interface

5.2.6 故障報(bào)警模塊

故障報(bào)警模塊主要用于提醒運(yùn)維人員設(shè)備出現(xiàn)異常，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行快速排查和修整。該模塊的效果如圖13所示。通過點(diǎn)擊界面右上角的報(bào)警信息按鈕即可查看設(shè)備的異常信息，主要包括設(shè)備名稱、設(shè)備區(qū)域、設(shè)備編號(hào)、報(bào)警時(shí)間、設(shè)備負(fù)責(zé)人等。

圖13 設(shè)備故障報(bào)警界面Fig.13 Equipment fault alarm interface

為保證運(yùn)維人員能夠?qū)υO(shè)備異常及時(shí)做出響應(yīng)，系統(tǒng)采用阿里云的短信服務(wù)將運(yùn)維設(shè)備的異常信息以短信的形式發(fā)送至管理人員的移動(dòng)終端。設(shè)備異常短信實(shí)際效果如圖14所示。

圖14 故障消息通知Fig.14 Fault message notification

6 結(jié)語

本文通過可視化技術(shù)構(gòu)建出能夠集成管控設(shè)備的可視化運(yùn)維系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)工業(yè)樓宇中落后的設(shè)備運(yùn)維體系導(dǎo)致的設(shè)備的管理難度大、巡檢不及時(shí)等一系列問題。系統(tǒng)將樓宇運(yùn)維設(shè)備關(guān)聯(lián)起來，有效解決了傳統(tǒng)樓宇設(shè)備運(yùn)維環(huán)節(jié)中設(shè)備監(jiān)管困難及信息孤島等問題。滿足了以信息化和智能化為核心的現(xiàn)代化發(fā)展趨勢