基于數字孿生的設備大數據智能運維平臺構建

莊重 李宇舟 李陽

【摘要】文章針對建筑附屬設備運維現狀，基于數字孿生思想，提出設備運維平臺的構建思想，并且基于大數據對設備全生命期智能運維系統。在成都市質量技術監督檢測服務中心的項目上局部實踐探索。同時解決了底層不同廠商、不同類型的數據采集等技術問題。希望能夠為建筑設備運維數字孿生技術的未來發展與應用提供一些思考和借鑒。

【關鍵詞】數字孿生運維管理系統數據采集

【中國分類號】TU712 【文獻標志碼】B

1 建筑附屬設備運維現狀

隨著建筑設計、建設技術的進步，建筑群和大型單體建筑的建設越來越成熟。計算機技術和人工智能的發展，使得建筑附屬設施不僅僅包括傳統的電梯、空調、安防設備、照明設備、消防設備、監控設備、綜合布線、弱電系統、給排水設備等，而且在建筑環境中使用越來越多的的智能化設施設備和智能系統。這樣建筑物能夠給使用者提供更多元化、個性化的服務。

一方面人工現場設備維護越來越難，維護成本不斷增加，而另一方面用戶對設備的維護要求也不斷提升。傳統的依靠人工巡視、值守、人工開關控制;各個系統獨立控制;運維人員后知后覺的運維狀態已經不能適應現狀。隨著互聯網的發展，用戶希望能夠通過互聯網對相關設備進行遠程診斷和維護，這樣可以減少維護工程師到現場的時間和費用，不僅節約了大量的人力和物力的成本，同時也能提供更為快捷的服務，減少客戶的損失。可以通過設備廠商的專家來進行系統診斷，服務效率和質量大大提高。還可以通過一些預警或者預案處理，避免故障發生后的損失。再者，在進行設備遠程運營維護的過程中收集大量設備運轉參數，為設備制造商的后續產品改進設計提供更多分析數據。

因此迫切需要集中化、可視化、智能化聯動、基于大數據健康管理（PHM）的運維系統。但是現實中的建筑附屬設備要不沒有自動化控制單元，要不就是自成獨立系統。同時由于沒有相關的行業通信協議標準，造成各個設備系統形成信息孤島，集成困難，更無從實現集中采集數據、智慧聯動、健康管理。這樣對設備運維帶來新的挑戰，同時也為運維的提升帶來機遇。

2 數字孿生

BIM（Building Information Modelling，建筑信息建模）是大家十分熟悉的概念，而數字孿生（Digital twin）則是在BIM基礎上的一種邏輯延伸，更加關注人們與環境如何進行交互。

數字孿生體利用數字技術對物理實體對象的特征、行為、形成過程和性能等進行描述和建模的過程和方法，建立與現實世界物理實體完全對應和一致的虛擬模型，可實時模擬自身在現實環境中的行為和性能;能夠根據物理實體運行的實時反饋信息對物理實體的運行狀態進行監控，能夠依據采集的物理實體的運行數據完善虛擬體的仿真分析算法，當實體數據發生改變時，數字孿生體能進行更新，實現孿生體與實體同生共長。

數字孿生是個普遍適應的理論技術體系，可以在眾多領域應用。目前在產品設計、產品制造、醫學分析、工程建設等領域應用較多。以Autodesk公司為代表的工程建設類軟件供應商，將數字孿生技術應用于建筑、工廠、基礎設施等建設領域，把建筑和基礎設施看做產品進行全生命周期的管理。

3 大數據智能運維平臺構建

面對行業內的運維需求，以數字孿生為主要建設理論，嘗試一個構建具有設備管理、設備監控、遠程預警、遠程診斷、遠程指導、運維保障、遠程故障處理、設備優化、數據分析、備件管理等功能的數字孿生運維平臺。

數字孿生的三大組成部分分別是現實空間中的物理實體，虛擬空間中的虛擬產品以及連接物理實體與虛擬產品之間的信息通道。對應這三個部分，構建如下系統框架（圖1）。

3.1 物理實體部分

這部分主要對應具體的物理設備。對于沒有自動化控制部分的設備需要配合傳感器，單獨研制數據采集及控制板，實現設備狀態數據的采集和設備控制功能。對應本身具有遠程控制功能的設備，需要研制協議轉化卡，將設備廠商的協議轉化成系統統一的協議實現設備狀態采集和控制。

所有的數據采集卡或者協議轉換卡都通過信道連接到網關上，由網關調度控制。連接的信道可以有多種形式，無線的方式有：Wifi、ZigBee、NBIoT、藍牙等，有線的方式有以太網、485總線等。

3.2 信息通道

通信信道包含設備端的網關軟硬件和服務器端的數據解析、命令發送軟件（圖2）。網關向下與設備通信，向上與服務器通信。同時網關還要承擔邊緣計算的工作，實現下端區域內的簡單智能聯動，如：檢測到漏水信號，則直接關閉對應的電磁閥。發現二氧化碳過高，則啟動排風扇等。

3.3 虛擬部分

本部分即為服務器的軟件部分，其中的主要功能簡要說明如下。

3.3.1 設備管理

遠程運維系統能夠對所有售出的設備進行管理，包括設備型號、售出時間、運行地點等信息。由于設備運行地具有分布廣、分散的特點，系統提供GIS地圖方式來查看運行地點，方便進行快速定位。另外系統中應提供關系數據庫表展示的能力，以便展示設備管理的信息。

3.3.2 設備監控

對設備進行遠程監控，通過網絡技術、通信技術，將分散在不同地點的設備數據接入到遠程運維系統中來，對設備運行、易損部件磨損程度及電氣控制系統進行檢查和校驗，便于判斷設備的運行情況。

由于設備型號不同，使用的上位機系統和觸摸屏等，遠程運維系統應能夠支持與不同上位機系統或觸摸屏進行通信。由于設備運行地點網絡條件不同，遠程運維系統應支持通過多種方式進行通信。另外，隨著設備數量的增加，遠程運維系統應能夠容納大量的數據。

對設備的遠程監控還包括視頻監控，運維系統能夠獲取設備關鍵部位的視頻信息，為遠程診斷、故障維護提供視頻信息。

3.3.3 遠程診斷、預警、故障維護

遠程運維系統的操作員根據設備運行有關的數據、報警、事件等信息，結合設備特性和專家經驗，可對其進行遠程診斷和故障預警，指導用戶按規定及時加注潤滑油，檢查、調整設備可調整數值至標準范圍，緊固松脫的零件等，及時消除設備隱患。

通過對設備的遠程監控，遠程運維系統收集了大量的數據，掌握了設備技術狀況的變化和損耗情況，但這些數據需要與設備模型、專家經驗結合，進行分析才能進行準確的設備診斷、預警。故遠程運維系統能與設備廠商已有的設備模型、總結出來的專家經驗結合，實現遠程診斷和預警功能。

當設備出現故障后，遠程運維系統可根據故障類型，通知給不同的專家、技術人員，便于相關人員與現場取得聯系，盡快排查故障原因、恢復正常運行。

遠程運維系統應具有豐富靈活的通知方式，將設備的故障信息及時通知給設備廠商的專家或技術員，以便進行下一步的故障排除和維護工作。

3.3.4 基于大數據的人工智能分析功能，

結合現有的人工智能技術，在系統中建設人工智能算法模型，對數據進行機器學習處理，將人工智能與運營相結合，逐步實現設備的智能運營。包括在設備運營可靠性的提高、設備壽命的提高、設備運營成本的下降等。

4 系統實踐

成都市質量技術監督檢測服務中心的項目是目前在建的項目，工期到2021年中。在該項目中選擇兩個應用場景作為內容探索構建運維平臺。這兩個應用場景分別是：空氣質量和新風系統聯動，水位和增壓泵的聯動。為了減少相互的電磁干擾，傳感器和網關之間采用485總線連接（圖3）。

4.1 簡化網關與服務器通信協議

為了簡化協議解析和擴展，采用ASCII 編碼+產品供應商編碼體系。本項目中使用到的編碼見表1。

例如：網關上傳的格式為“MAC 標識：MAC地址;Temperature：溫度值;Humidity：濕度值;CO2：二氧化碳值;HCHO：甲醛值”。對應的數據如下：

MAC：38FF6B064154343041580257;Temperature：27.61C;Humidity：44.80%;CO2：0187ppm;HCHO：0071ug/L。

4.2 網關

本項目的網關采用模塊化設計，由電源、直流遠供、通信

模塊（以太網、連接上位機）、調度卡構成。基本單元可接入10個傳感器信道，對應10張可插拔卡，每張卡上可以單獨編程處理不同信道、通信協議的傳感器。這樣網關的結構具有很強的適應性。

在初始設計中，所有廠商設備的協議轉換應該在網關完成。傳送給服務器應該是自己定義的統一數據格式，但是由于廠商的協議復雜調試不方便、同時變化較快。所以部分設備的協議解析沒有放在網關，而是由網關打包，發送到服務器，由服務器負責解析。這樣做的好處是便于調試系統，可以在不修改硬件的條件下，響應供應商的變化。確定是增加了服務器端軟件的復雜度，降低了服務器處理數據的效率。

4.3 服務器

服務器部署于阿里云服務器中，平臺基于Laravel+Swoole架構設計，采用Swoole提供的多線程架構為下位機數據通信提供異步處理的機制，基于Redis設計系統緩存共享數據，為輪詢設備狀態及系統服務維護。系統前后分離，前端支持PC端操作和微信小程序。

4.4 瀏覽器

打開瀏覽器，輸入www.hxazyg.com進入平臺登錄，輸入賬戶密碼即可登錄平臺，見圖4。

4.5 微信小程序

采用微信掃二維碼，安裝“機電運維服務管理平臺”小程序。具有實時監控、歷史數據、通知等功能（圖5）。

5 結束語

數字孿生技術是當前最新的研究熱點之一。其價值正在被各專業人員所認同，反映了一種新的先進的生產管理的理念與研究方向。本文基于數字孿生理論，進行建筑附屬設

備運維系統的探索性構建，希望能夠為建筑設備運維數字孿生技術的未來發展與應用提供一些思考和借鑒。

參考文獻

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