基于BIM的大型數據中心運行與維護管理原型系統研究

高明星，于 煬，周虹霖，張晨榮，張藝輝

（1. 中國鐵路信息科技集團有限公司 中鐵信大數據科技有限公司，北京 100844；2. 中國鐵路設計集團有限公司 信息化院，天津 300308）

目前，建筑信息模型（BIM，Building Information Modeling）技術已廣泛應用于設計和施工階段，而在運行與維護（簡稱：運維）管理中的應用還處于探索階段，相關專家一致認為[1-2]，BIM技術在運維管理中的應用具有很大潛力，尤其是對于運維管理的安全性和節能降耗具有積極意義[3]。中國鐵路主數據中心（簡稱：主數據中心）作為業務運行和數據存儲的重要載體，其自身的可靠性已成為影響企業、行業等持續運行的重要因素[4]。主數據中心在設計、施工中廣泛應用了BIM技術。BIM技術的可視化等特點對數據中心故障診斷、隱蔽工程維修等具有重要意義，因此，將BIM技術應用到數據中心的運維管理中是必然趨勢。

1 主數據中心運維現狀及需求

1.1 運維現狀分析

主數據中心包含數據中心基礎設施管理（DCIM，Data Center Infrastructure Management）系統、樓宇自控系統（ BAS，Building Automation System）、火災自動報警系統（FAS，Fire Alarm System）等信息系統。利用這些系統，運維人員通過全面監控、定期巡檢、定期保養等方式維護主數據中心基礎設施，保障其安全穩定運行。上述運維管理方式主要存在的問題是：（1）缺乏全局觀的運維管理模式，各專業系統獨立采集、管理數據，系統之間無法聯動；（2）運維場景缺乏直觀性和交互性，現有的二維和準三維軟件系統難以支持實際運維場景下的設備快速、精準定位，在有應急演練、培訓、匯報等情況時，對外宣傳和展示的效果不佳；（3）信息挖掘缺乏全面性，需要依靠人力將大量的邏輯圖形或者文字信息與物理世界建立關聯關系，影響整體運維管理的效率。

1.2 運維需求分析

從宏觀來看，數據中心行業整體處于快速發展和規模擴張期，數據中心的運維管理亟需跟上時代發展和規模擴張的步伐；從微觀來看，因前期發展程度和各種投入等不同，導致不同行業和單位在數據中心運維方面水平參差不齊，因此，完全脫離傳統運維管理模式仍然存在許多需要研究和突破的環節。為了探索主數據中心運維管理模式，針對主數據中心面臨的運維需求和問題，本文結合主數據中心工程設計及竣工的BIM數據，設計支撐運維團隊從傳統運維模式向智能運維轉型的基于BIM的大型數據中心運維管理原型系統（簡稱：原型系統），提高運維效率和運維質量。

2 原型系統設計

2.1 技術路線

為滿足主數據中心運維管理中的上述需求，原型系統按照如表1所示的技術路線進行設計。原型系統需要統一的數據管理平臺實現BIM數據與物聯網（IoT，Internet of Things）數據的交互與聯動，從而有效支撐運維管理方面的業務。

表1 原型系統的技術路線規劃

2.2 原型系統架構

結合原型系統的技術路線規劃及實際運維管理需求，設計原型系統的架構，如圖1所示。

圖1 原型系統架構

2.2.1 數據生產層

數據生產層中包含三維模型數據（如revit模型和IFC模型等）、二維圖紙數據（如CAD圖和Visio圖等）、文檔數據（如PDF文件和Word文件等）和設備動態實時數據（如IoT數據等）。其中，三維模型數據是主數據中心BIM數據，包含建筑的模型、材質、設備設施的屬性、關聯關系及空間信息等；二維圖紙數據包含主數據中心各專業竣工圖及機電專業的邏輯圖；文檔數據包含設計、施工與運維階段產生的各類文檔；設備動態實時數據即設備在運行過程中，由傳感器及采集器采集到的數據。

2.2.2 數據服務層

數據服務層包含數字建筑物平臺、數字智能化應用及業務系統動態數據引擎。為確保數據服務層對大量多源異構數據的存儲、管理及處理能力，原型系統選擇數字建筑物平臺作為統一的數據管理平臺，實現多種數據服務。數字建筑物平臺采用智慧空間領域中成熟的軟件即服務（SaaS，Software-as-a-Service）產品—數字孿生平臺，該平臺能夠提供快速開發工具，實現快捷的二次開發。數字孿生平臺[5]基于Hadoop實現，在分布式環境中解決非結構化數據存儲和管理，NoSQL數據庫和關系數據庫管理結構化數據，從而實現對三維數據和二維數據存儲和管理，解決三維圖形的數據存儲格式繁多、單組件數據量較小而整個圖形數據量較大、多專業數據難以集中存儲等問題。業務系統動態數據庫引擎采用的是主數據中心DCIM系統數據庫引擎，DCIM系統擁有大量設備設施的實時狀態數據，利用DCIM系統開放的接口，原型系統就能獲取到設備相關數據。數字智能化應用則是基于數字建筑物平臺，結合運維階段的BIM數據與運維人員需求，實現了園區概覽、資產管理、消防演練和能耗管理4項功能。

2.2.3 終端訪問層

在終端訪問層，原型系統同時支持多類型終端訪問，不再局限于設備的性能，顯著提升了運維人員的工作效率。

3 關鍵技術

原型系統在數字建筑物平臺的基礎上進行了針對性開發，初步實現了將BIM與IoT技術應用于大型數據中心運維管理，其采用的關鍵技術如下。

3.1 運維階段BIM數據標準與IoT數據接入

建筑工程全生命周期管理是指在建筑項目的全生命周期中，各個階段通過信息共建共享和系統集成等方式，實現高效完成項目計劃、提升建筑質量等目標[6]。而在大型或超大型數據中心的運維管理階段，由于竣工BIM數據缺少運維管理方面的信息[7]，無法為運維管理提供數據支撐，所以需要根據實際運維情況，制定出完善的BIM數據標準。

為保證BIM數據能夠有效支撐后續的運維管理業務，本課題結合主數據中心實際建設情況和相關國家標準[8]形成了鐵路主數據中心企業標準《建筑信息模型（BIM）數據與交付標準》（建議稿），該標準規定了在運維階段模型需要達到的細度，同時要求模型中包含施工、材質、設備參數、空間、維護人員等信息。

3.2 實時數據采集

DCIM系統采用開放性設計，能夠支持多類標準協議接口并具備接口定制開發能力。根據目前數據需求情況，DCIM系統中的數據通過指定接口將數據傳輸給原型系統，該接口采用Web Service傳輸數據，其調用服務具有輕量化、易于開發和維護等特點[9]。除實時數據外，還可將告警信息、操作時間等其他信息傳輸至原型系統。

3.3 數據交互

數字建筑物平臺上存儲了大量的BIM數據、非結構化數據和實時的IoT數據，其中，BIM數據與非結構化數據均為靜態數據。為解決靜態數據與實時的IoT數據交互問題，實現對設備設施的管理，需要依靠數字孿生技術[10]。數字建筑物平臺能夠提供數字孿生解決方案，在該平臺上，給設備的BIM建立能夠唯一標識的設備編碼，設備的動態數據、設備相關文檔與設備的BIM依靠編碼實現相互映射，從而實現在設備的BIM上顯示該設備的實時動態數據，解決BIM數據與IoT數據聯動的問題。根據國家標準[11]，編碼結構包含表代碼、大類代碼、中類代碼、小類代碼和細類代碼。結合國家標準編碼結構，設計適合主數據中心運維現狀的設備編碼，編碼結構如圖2所示。

圖2 主數據中心設備編碼結構示意

主數據中心機電專業主要包含電氣、暖通、消防、給排水和信息，每個專業按照如圖2所示的編碼結構對設備進行唯一標識。在數字孿生技術的支持下，本文以主數據中心的冷卻塔為例，設備設施BIM構件與各類數據之間的對應關系如圖3所示。

圖3 主數據中心設備設施BIM與不同數據之間的映射關系

4 原型系統功能模塊

針對現在主數據中心運維過程中存在的問題，BIM技術可以將建筑物空間、位置完全數據化，直觀展示整個建筑內各類情況發生的位置；而IoT技術將各種建筑運維數據通過傳感器收集起來，并通過網絡實時反映到各終端，滿足各類人群的信息獲取需求。BIM和IoT相結合的技術將廣泛應用于施工和運維中[12]。基于BIM與IoT技術，原型系統設計并實現的功能如下。

4.1 園區概覽

園區包含信息樓、運維樓等及周邊供主數據中心正常運行的基礎設施。為了有效管理園區，利用BIM建立一個可視三維電子沙盤，反映園區整體情況。原型系統通過構建“一張圖”式園區大數據管理應用，借助IoT與大數據分析等技術手段，促進提升園區管理透明化、日常工作精細化、運維服務智能化水平。

4.2 資產管理

資產管理主要負責對園區內部的所有基礎設施進行管理，幫助運維人員快速了解設備設施信息及位置，解決“定位難”的問題。該模塊功能主要包括資產可視化和資產信息管理。

（1）資產可視化

資產可視化顯示園區內部的設備位置信息，不僅可以對設備設施進行定位，還可以通過選中設備，獲取設備的詳細信息。該功能主要幫助運維人員快速熟悉場景，用更容易理解的方式表現運維場景，對數據中心有更直觀的認識。同時，資產管理還增設了隱蔽工程可視化功能，該功能結合增強現實（AR，AugmentedReality）技術，以展示園區地下管線BIM為主。用戶通過手持移動端，掃描二維碼定位園區內的排水管、通信管廊管、市電管廊等，原型系統會對當前定位點周邊地下管線的BIM進行詳細展示。展示內容包括但不限于設備定位、所屬機組、設備參數等專業信息。

（2）資產信息管理

資產信息管理對各個專業及系統的分類建立資產樹，實現對基礎設施信息的結構化、數字化管理。資產信息管理包括對基礎設施的資產信息錄入、查詢和統計。

4.3 消防演練

消防演練通過模擬火災場景，幫助運維人員進一步了解和掌握火災的處理流程。通常數據中心發生火災的概率非常小，但是一旦發生容易造成極大的損失，因此需要提升全體運維人員在處理突發事件過程中的協調配合能力，增強運維人員在火災發生時的互救、自救意識。消防演練在BIM構建的場景中，通過模擬虛擬火災發生情況，根據火災發生地點制定逃生路線。模擬發生火災、報警、逃生、確定火災源頭、滅火整個流程，能夠使運維人員在面對突發情況時反應更加迅速。

4.4 能耗管理

能耗的計量、監測與管理，是實現節能減排的基礎。原型系統的能耗管理對各類能耗實行精細計量、實時監測，達到精細化管理的目的。

能耗管理主要是統計園區的不同類型設備用電占比、能耗指標變化等，同時，總體能耗還能夠根據用戶所選時間段生成相應的報表，為運維管理人員決策提供數據支持。

5 結束語

本文通過對主數據中心基礎設施運維進行調研，明確了運維的需求，分析了BIM技術對運維管理信息化的支撐，掌握了設備IoT數據與BIM數據的融合方法，形成了基于BIM的運維管理體系模式和BIM+IoT原型系統，充分發揮了主數據中心信息數據的價值。然而，原型系統在實踐過程中還存在許多需要繼續深化研究的地方，例如，目前的原型系統重點集中在資產管理、消防和能耗管理這3個業務場景，需要繼續完善原型系統現有的功能；此外，本文對設備設施的BIM管理顆粒度為構件級別，對于管線和回路未采用構件級別的管理，需要在后續的研究中繼續細化，從而更好地支撐主數據中心的精細化管理，為鐵路工程實現信息化運維管理提供可借鑒的技術參考。