工業用樓宇可視化運維系統研究與實現

胥 軍，萬 磊，左家鵬

（武漢理工大學 機電工程學院，武漢430070）

在工業領域內，樓宇內設備具有種類繁多、協議多源異構性較強、布局分散等特點，給樓宇的集成化管理帶來了巨大的挑戰。目前，樓宇設備運維信息化管理主要是應用BAS 樓宇自動化系統[1]。BAS 系統通過中央計算機將分布在各監控現場的智能單元連接在一起，構成一個先進而完善的綜合監控系統，以實現對整個樓宇內的設備實現集中監測與控制。其專業性較強，運維管理人員難以有效使用。同時樓宇設備運行監測的數據也僅存在于自動化系統內，存在信息孤島問題，難以對樓宇內機電設備的監測數據進行有效利用。此類樓宇系統的運維管理方式明顯滯后于工業樓宇運維管理需求，不能滿足以信息化和智能化為核心的現代化發展趨勢。

本文針對該問題，提出將自動化集成技術、可視化技術應用到工業用樓宇運維工作中。通過分析樓宇日常運營維護需求，結合具體項目，設計并開發了一種信息化、智能化的樓宇運維系統，能夠以直觀的方式完成設備遠程管控、視頻監控、能耗監測及設備巡檢指導等運維工作。

1 運維內容與需求

工業樓宇的正常運轉需要對樓宇設備進行綜合管理。傳統運維方式依靠樓宇技術人員以報表記錄、定時巡檢、手動排查等方式進行管理，會導致運維工作中存在故障排查困難、設備資料丟失、監控設備數據采集困難等問題發生。因此，要保證工業樓宇的正常運行，需要通過確立合理的組織管理模式，開展運維管理工作。

1.1 工業樓宇運維內容

（1）設備狀態監控管理：獲取集成設備的狀態信息，工業樓宇內設備數量龐大且分散，在運維過程中系統要為管理人員提供直觀有效的手段對設備相關信息監測和控制以提高設備管理效率。

（2）設備資料管理：采用合理的方式對設備資料進行存儲及管理，樓宇設備資料包括設備基礎信息、巡檢信息等，這些資料的數據量龐大，有效、合理的存儲方式可以提高設備運維資料獲取的效率。

（3）設備巡檢管理：制定巡檢計劃，收集設備信息，評估設備運行狀態。運維人員對設備信息收集后根據評判標準將其劃分為Ⅰ～Ⅳ類別，依據該類別評估結果系統指導運維人員實施針對性的檢修工作，保障巡檢任務能夠高質量完成。

1.2 運維系統需求

基于對工業樓宇運維工作內容分析，對可視化運維系統提出以下需求；

（1）實現設備可視化監控，將設備的實時信息映射到運維系統模型的對應點位中，以立體的方式展示設備位置、分布狀態及實時狀態等信息。同時以可視化圖表的形式對設備運作數據進行分析統計，使得設備監控過程更加可視化和透明化。

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

（3）可視化巡檢，利用可視化場景指導運維人員完成設備巡檢任務，包括巡檢區域指導、巡檢計劃派發和信息錄入等。運維人員通過移動終端將巡檢信息保存至運維系統數據庫內，系統根據設備評估結果判斷設備是否需要進行檢修維護等工作，保證樓宇設備安全運行。

2 系統總體技術架構

本文設計的可視化運維系統采用B/S 架構模式進行開發，開發架構如圖1所示。該框架根據“數據采集→數據處理→數據應用展示”的流向自底向上分成4 層：數據層、處理層、表現層以及應用層。

圖1 系統開發架構Fig.1 System development architecture

（1）其中數據采集層是運維系統開發的基礎，基于現場傳感器、配電柜、臺架等運維設備的通訊接口，利用信息化技術來構建數據采集服務，以實現對樓宇中各類運維設備的數據采集。

（2）處理層采用Django 后端框架實現數據服務文件的集成引用，包括監控報警處理、數據調用與可視化呈現、數據計算與分析、運維業務流程關聯等。

（3）表現層采用Vue.js+Three.js 框架構建系統交互界面。Three.js 框架用于整合樓宇的BIM 模型，完成系統三維可視化場景的搭建。Vue.js 框架實現對虛擬場景以及可視化圖表的集成。

（4）應用層即運維人員操作界面，運維人員能夠通過三維可視化的方式監控樓宇的整體狀況，掌握樓宇設備的運行狀態，對設備進行遠程管理。

3 面向多協議的設備數據采集方案

3.1 樓宇設備整合

工業樓宇運維設備種類繁多，且普遍存在多源異構性，對設備信息進行有效采集首先要對樓宇運維設備進行分析，根據設備數據通訊接口對樓宇設備進行整合。圖2為某辦公區域運維設備平面分布圖。

圖2 辦公區域運維設備平面布局圖Fig.2 Layout plan of operation and maintenance equipment in office area

圖2辦公區域的運維設備可劃分為照明、空調、智能儀表、傳感器、電梯等。上述運維設備均可通過解析其通訊協議來完成數據采集任務，樓宇設備通訊接口如表1所示。

表1 樓宇設備通訊接口Tab.1 Communication interface of building equipment

工業用樓宇除了辦公區域還包括實驗區域，本文所研究的實驗區域除上述設備外，還包括臺架設備，其Puma 系統能對不同工況下的電機進行測試以獲取其性能參數。Puma 系統可通過TCP/IP 協議傳輸包含設備關鍵信息的數據報文，通過解析報文規則可獲取臺架的動態數據。

3.2 運維數據采集

整合后的樓宇設備根據其通訊方式可分為標準工業協議設備、自定義報文協議設備以及非工業協議設備三類。電梯、空調以及整合后的PLC 設備均屬于標準工業協議；臺架為自定義報文通訊協議設備；攝像頭設備的通訊接口屬于非工業協議，需要根據其視頻流地址進行開發。基于以上分析，本文設計了如圖3所示的數據采集方案。

圖3 數據采集方案Fig.3 Data acquisition scheme

設備數據均通過網口通訊方式采集，經過PLC、空調等具有標準工業協議的設備，利用Kepserver服務能將多源的設備數據統一轉換為基于OPC UA協議規則的數據格式，實現標準工業協議設備的接入、集成；針對自定義報文通訊協議的臺架設備，利用Python 的功能庫建立可用于解析臺架設備的解析文件來獲取臺架的動態數據；以RTSP 格式構成的視頻流地址的攝像頭設備無法直接在網頁端實現無插件播放[2]，方案采用Nginx 代理服務進行轉流，獲取易于在網頁端開發的視頻流格式。

4 BIM 模型渲染與優化

BIM 模型是集成了大量數據的參數化三維模型，涵括建筑項目從設計、施工、運維直至壽命終結過程中的各種信息，是可視化運維系統開發的重要基礎。

4.1 BIM 模型渲染

樓宇BIM 模型采用建筑領域常用的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頁端使用。因此，系統采用一種輕量級的JSON 格式進行中間數據交換[3]。

Three.js 是一款三維圖形應用框架，能夠利用由BIM 模型導出的JSON 文件實現樓宇BIM 模型在Web 端渲染開發。Three.js 的基本渲染結構由場景、相機和渲染器三類基本元素構成，對三部分基本元素進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 模型優化

BIM 模型數據量龐大，瀏覽器在渲染時易造成數據資源加載時間過久，導致Web 渲染響應的延遲[4]。因此，系統采用離散LOD 算法與模型緩存2 種方式對模型渲染進行優化

4.2.1 LOD 模型優化

LOD 模型優化算法將相機和模型中心的視點距離distance 作為判斷標準，設定距離閾值條件distance1、distance2 進行層級level 劃分，根據距離所在層級加載對應分辨率的模型，模型加載層級邏輯為

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

調用LOD 算法對計算機性能消耗較大，若將其設置為常調用狀態會影響渲染性能。為避免其占用過多的CPU 資源，系統僅在三維場景發生變化時調用LOD 算法進行重新渲染，主要包括：平移、縮放以及旋轉3 種操作，該3 種操作對應Three.js 框架中的OnRightBtnClick、OnScroll 和OnLeftBtnClick 函數，為判斷場景是否發生變化將上述函數通過邏輯運算進行組合：

式中：check 為場景判斷結果，僅為0 或1。場景變換操作需要結合鼠標的位置變化進行判定，利用mousePosition 函數進行與邏輯運算。LOD 算法實現流程如圖5所示。

圖5 LOD 實現流程Fig.5 LOD implementation flow chart

4.2.2 模型緩存

模型緩存優化是利用HTTP 緩存機制將模型數據存儲于用戶本地，當下次發起請求時會判斷請求的資源是否可用，若資源可用則直接調用緩存池中資源，減少模型渲染延時間。本模型采用協商緩存中內容修改資源更新的方式，通過設置Last-Modified與If-Modified-Since 屬性實現。Last-Modified 屬性記錄了緩存資源最近的修改時間，If-Modified-Since 屬性用于向服務器驗證資源是否發生了更新，緩存資源的內容會通過MD5 算法計算得到唯一字符串值Etag 進行標識，內容發生改變時字符串值也會對應改變。因此，可通過對比前后字符串標識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 系統實現

5.1 數據庫設計

為保證運維系統實現，系統采用SQL Server 數據庫用于承擔整個系統數據的存儲、管理與服務。系統數據庫的核心是設備信息庫，設備信息庫中存儲的數據包括設備運行信息、基本屬性信息及運維信息。運行信息來源于采集的運維設備動態數據；基本屬性信息和運維信息均源于由Revit 軟件構建的BIM 模型數據庫，基本屬性信息主要包括：設備生產日期、規格尺寸、生產廠商等，運維信息是樓宇運維人員對設備長期管理、積累后得到的巡檢信息、報警信息等。上述各類信息共同構成了所需設計的數據庫實體。

5.2 系統功能實現

5.2.1 場景可視化模塊

可視化三維場景對樓宇內部環境數據進行監測，以可視化圖表的方式進行呈現，系統場景模塊界面如圖7所示。電梯的位置及其運行動向根據所采集的運行信息，在場景內以動態方塊的形式進行展現，此外整個樓宇場景中對電力的流向進行了動態指示。

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

5.2.2 設備可視化監控模塊

設備可視化監控模塊展示了設備的關鍵運行參數與設備控制的按鈕組件，該場景整體效果如圖8所示。運維人員能夠通過三維可視化的方式查看場景內設備的狀態，并通過頁面右上角的搜索框可對設備名稱/編號進行查詢，實現設備模型定位顯示。

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

5.2.3 數據看板模塊

樓宇臺架設備的運行狀態、監測數據是運維系統中的關鍵信息，為提高技術人員對臺架設備的監管效率，建立了圖9所示的臺架設備監控看板，以集成化的方式展示了實驗區域各臺架設備的狀態、發動機運行時長、轉速、扭矩以及油耗等運行信息。

5.2.4 設備管理模塊

設備資料管理信息來源于設備信息庫中的基本屬性信息及運維信息。以配電柜為例，資料管理模塊在系統中的實現效果如圖10所示，設備資料信息能夠通過可視化框圖進行展示，展示的信息主要包括：配電柜設備名稱、設備標準號及防護等級等。

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

設備可視化巡檢模塊包括巡檢任務安排、巡檢區域指導以及巡檢信息的錄入三部分。可視化巡檢模塊界面如圖11所示，巡檢人員登陸系統后根據值班區域的計劃安排到指定區域進行巡檢。

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設備的基本信息進行判斷分析，利用系統集成的檢修知識庫對設備進行評判，評判結果將存至對應的設備信息庫，作為后續管理人員對設備進行檢修的判斷依據。

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

5.2.6 故障報警模塊

故障報警模塊主要用于提醒運維人員設備出現異常，以便對設備進行快速排查和修整。該模塊的效果如圖13所示。通過點擊界面右上角的報警信息按鈕即可查看設備的異常信息，主要包括設備名稱、設備區域、設備編號、報警時間、設備負責人等。

圖13 設備故障報警界面Fig.13 Equipment fault alarm interface

為保證運維人員能夠對設備異常及時做出響應，系統采用阿里云的短信服務將運維設備的異常信息以短信的形式發送至管理人員的移動終端。設備異常短信實際效果如圖14所示。

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

6 結語

本文通過可視化技術構建出能夠集成管控設備的可視化運維系統，解決了傳統工業樓宇中落后的設備運維體系導致的設備的管理難度大、巡檢不及時等一系列問題。系統將樓宇運維設備關聯起來，有效解決了傳統樓宇設備運維環節中設備監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代化發展趨勢