低軌衛星信關站可視化運維關鍵技術研究

李 洪，劉化召

（1.中國鐵塔股份有限公司，北京 100010；2.中通服軟件科技有限公司，上海 200127）

0 引 言

地面信關站是為用戶提供互聯網接入服務的主要基礎設施，也是運營商開展衛星網絡運營管理的關鍵節點，主要承擔衛星互聯網饋電信號上下行傳輸、與地面信息通信網絡互聯互通以及網絡管理等任務。建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）具有可視化、參數化、協同性、模擬仿真等特點，能夠對信關站的設計、分析、采購、施工和運維全過程進行管理[1-5]。

1 應用場景及需求分析

信關站設計及建設過程，相關設計參數、分析計算結果、設備信息、施工過程數據等需要以參數化數據庫的方式，在上下游相關單位進行協同、流轉，從而提高信關站建設及管理水平。

信關站科學、高效的運維管理，需要基于可視化技術的管理系統，集成運維管理體系，提供高效的監控管理手段，達到快速響應需求、預測性維護、設備決策分析等作用，從而保障信關站的正常、穩定運行。

基于BIM技術的信關站可視化運維，對于全網絡工作狀態性能管理、設備監測、故障切斷、頻譜監視、頻率功率控制等，提供了更直觀、集成度更高的管理平臺，大大提升了信關站運維效率和自動化水平；形成了信關站資產的統一視圖數據資源，支持集約化的信息管理、管理業務規劃及資源調配[6-10]。

2 關鍵技術分析

信關站可視化運維，主要通過BIM技術來實現，通過BIM技術實現信關站各階段數據、各網絡設備參數、各運維業務數據等的集成管理及可視化展示，需要依托統一的可視化信息模型，滿足瀏覽器和移動端訪問的需要，信關站BIM模型的參數化、輕量化、模型信息數據庫等技術成為關鍵點。

2.1 參數化模型

參數化幾何描述可以將單個圖元做到最極致的輕量化，避免了通過三角網頂點去構建一個三維對象所必須的大量坐標數據，能夠很好地支持精確測量、布爾運算（流水段切割圖元）等，處理過程如圖1所示。

圖1 參數化幾何處理流程

2.2 模型輕量化

根據不同的應用場景、對模型精細度的不同要求，有針對性地對BIM中的每個部件設置不同的切割參數，從而減少三角網的數量，達到輕量化的目的。三角網輕量化的幾何處理過程如圖2所示。

圖2 三角網輕量化幾何處理流程

通過BIM輕量化引擎提取BIM文件模型信息，將輕量化后的幾何數據、屬性數據同步到應用服務器，作為輕量化模型展示的基礎數據；輕量化后的幾何數據通過WebGL進行重構展示。

輕量化模型具備以下能力：

（1）模型輕量化：能夠通過瀏覽器、移動端展示。

（2）模型疊加：能將多個輕量化模型疊加展示。

（3）模型放大、縮小、旋轉：能夠對輕量化后的模型進行放大、縮小、旋轉查看。

（4）多角度查看：能夠通過指南針調整顯示角度。

（5）構件高亮顯示：能夠高亮顯示所選中的構件。

（6）構件顏色設置：能夠自定義設置構件顏色。

（7）構件展示設置：能夠設置構件透明、取消透明、隱藏、取消隱藏。

（8）模型剖切：能夠沿X、Y、Z、自定義軸對模型剖切并進行展示。

2.3 模型庫管理

信關站的不同建設及應用管理特點，將會形成多種輕量化模型信息。為了減少相同類型模型存儲空間，為相關模型建立關聯關系，提高模型利用效率，需要建立統一模型庫，支撐信關站統一可視化運維。

模型庫的管理，采用模型與屬性分離策略，實現幾何模型的復用、屬性的靈活適配。將不同模型按照類型、型號統一編碼；根據應用場景，對不同模型屬性按照應用信息建立關聯關系。通過這些方式，形成統一、靈活、滿足各種應用的輕量化模型庫，在模型展示時，快速定位到所關聯的屬性信息[10-15]。

3 基于BIM的信關站運維系統分析與設計

系統引入BIM輕量化引擎，對信關站設計模型（RVT文件）進行輕量化處理，實現輕量化模型展示能力，包括模型瀏覽（放大、縮小、旋轉、構件透明、構件隱藏、模型局部展示以及模型剖切）、模型三維視圖、二維導航等功能。同時系統根據信關站運維需要，在BIM輕量化模型基礎上，構建適用于運維的3D信息模型，實現設備資源、網絡容量、站房溫濕度、設備告警等信息管理。

3.1 支撐應用視圖

軟件應用架構如圖3所示。

圖3 軟件應用架構

3.2 技術架構設計

整個應用架構采用數據采集與應用分離的思路實現。數據平臺實現數據采集、數據存儲、數據處理、數據分析等功能；并通過數據集市對外提供數據應用程序界面（Application Programming Interface，API），供各類專題構建分析應用。充分體現軟件分層、軟件重用、數據抽象服務等設計思想。

系統基于分層解耦體系，形成平臺獨立、架構松耦合、分布式、多層組件的系統架構，充分保證了系統的可伸縮性、可擴展性、可靠性和動態性。

具體技術架構如圖4所示。

圖4 軟件技術架構

（1）數據采集。通過Ansible、Zabbix、采集程序等方式實現對網絡設備、服務器、安全設備、存儲設備、虛機等設備的性能采集。

（2）數據存儲。數據存儲分為數據庫存儲、文件存儲，滿足基礎數據、流量數據、性能數據等存儲的需要。

（3）業務功能。滿足信關站基礎設施管理維護；實現網絡設備、服務器、站房設備等性能展示、告警監控；滿足信關站網絡業務開通、設備運維的需要。

（4）訪問方式。提供業務平臺、門戶、App等多種方式，滿足用戶不同維度的需要。

3.3 系統應用分析場景

通過BIM輕量化技術，對信關站BIM模型進行輕量化展示，實現信關站BIM模型中的資產展示、容量展示、管線展示、動環監控、告警定位以及巡檢展示等。

3.3.1 資產展示

場景描述：通過信關站設備資產、網絡拓撲、資源關聯關系等的可視化、層次化展示，通過BIM輕量化模型，充分掌握信關站的各類型資產信息，并能正常還原展示BIM模型中的資產信息，通過鼠標點擊實現站層、設備位置、設備、設備構件、設備關聯的分級直接瀏覽，同時可快速搜索、定位目標設備。單擊任何一個資產設備查看該設備的資產情況：設備信息、安裝應用信息、歸屬信息、運維信息等內容。

3.3.2 容量分析

場景描述：信關站的設備、網絡、耗電等信息通過二維表格描述難以數字化管理與分析，無法很好地支撐信關站內資源的擴容需求，通過三維容量分析，使信關站管理人員能夠一目了然地查看到當前站內設備、網絡或電力的使用情況。系統通過樹形數據呈現和三維場景展現兩種方式同時表現信關站容量整體使用情況，實現資源容量可用性動態統計，包括站內空間U位可用性、用電量分布和設備承重分布情況統計，對于已用容量和可用容量進行精確統計和展現，更加有效地管理信關站的容量資源，使得各類資源的負荷更加均衡，使運維人員可以實現更細顆粒度、更高關聯度的容量管理，更加清晰地掌握當前的容量情況。

3.3.3 管路配線

場景描述：信關站內管線復雜，一方面管線種類多，包括電力、網絡、排水等；另一方面管線走勢復雜，各種管線存在交疊，甚至存在管線跨樓層的情況，運維人員難以整體感知管線情況。通過管線的三維展示，同時借助于模型的虛化技術，能夠展示站內所關心的管線信息。通過自管理、集成其他配置管理數據庫（Configuration Management Database，CMDB）等，將機柜內設備的連接信息納入到BIM平臺，通過端口可以查找到相關的鏈路信息，通過鏈路也可以查找到相關設備端口信息，支持鏈路配置可視化。基于不同模型的屬性、不同的關聯關系，對所查看管線及其關聯設備高亮顯示，其余設備虛化，幫助運維任務快速感知管線情況，提高運維效率。

3.3.4 動環監控

場景描述：動環信息采集專業性較強，往往由專業系統采集，但是要有效地降低能耗，動環信息必須是相結合的。通過信關站的BIM輕量化三維可視化管理，實現動環數據的空間分布，能夠直觀地反映動力與環境的相互作用。動環監控可視化通過與各個子系統實現數據連接和交互，包括供配電柜、UPS、精密空調、漏水檢測、溫濕度、煙感、紅外探測、攝像頭、門禁等實現設備數據集成化，同時結合各監控點的空間位置信息，實現動環信息立體化呈現，為降低能耗提供有效精準的數據支撐。

3.3.5 告警定位

場景描述：站內設備告警信息的處理通常需要人工參與，傳統系統通過列表方式提供的告警信息使運維人員難以及時定位問題發生位置；通過BIM輕量化三維運維系統建設，能夠將告警及其實體信息反應到真實的信關站空間場景中，提高運維任務故障定位速度。運維人員通過系統能夠直觀地看到告警發生位置、告警內容；能夠及時地采取相應措施到現場進行維護。

3.3.6 可視化巡檢

場景描述：傳統人工巡檢的考核比較困難，針對巡檢時間、巡檢路線往往通過簽到的方式進行上報，難以真實反映人員巡檢情況。通過BIM三維可視化運維系統建設，能夠模擬人員歷史巡檢路線、查看巡檢時間，降低運維人員管理難度；能夠借助攝像頭、傳感器等工具，獲取巡檢人員坐標信息、巡視點視頻畫面。通過時間、坐標點、BIM模型之間的結合，實現對運維人員的巡檢路線回放，巡檢點的視頻查看。能夠有效提升巡檢人員的工作質量，增強任務考核的便捷性。

4 結 論

信關站應用規模的不斷擴大，設備資產種類繁雜，設備數量龐大，通過BIM技術構建輕量化三維模型庫，對設計模型、計算模型、運維信息等進行集成管理，有利于業主方對所有信關站模型及相關信息進行數字化管理。

系統圍繞便捷化、可視化、自動化、智能化，通過構建的基于BIM的可視化運維系統，對主要場景進行實現，構建了優質的運營維護支撐體系，解決了當前信關站普遍存在的資源利用情況分析難、運維成本快速增加、資源管理日益復雜、以及服務多樣性等問題，提高了信關站運行管理效率，實現運維智能化，助力信關站向規模化、集中化、智能化方向發展，取得了良好的經濟效益與社會效益。

結合信關站空間、網絡、IT及安全管理的實踐，技術上需要不斷深入研究，重點包括BIM+地理信息系統融合、服務器集群并發處理能力、面向運維管理提供的模擬仿真、增強現實應用等方面。