基于SpringBoot 的三維數字化設備運維管理系統的設計與實現

馬文新 劉百韜 侯冠麒 姜天凌

(中國市政工程華北設計研究總院有限公司)

目前污水處理廠等場站類市政設施存在設備種類多且布局分散、信息采集速度慢、管理效率低等問題，增加了市政企業運維的時間成本和人力成本，導致企業無法實現精準高效的運維管理。受益于工業互聯網、大數據、3DGIS、人工智能等信息技術的發展，上述運維業務中存在的問題逐漸得以解決。

基于移動互聯、三維可視化、web 開發等數字化技術，將場站內的單體、設備等生產要素映射到三維場景之中，并實時展示場站內的關鍵運行數據，以數據驅動運營決策，全面提升場站運維管理效率，最終實現為企業生產經營降本增效的目標。

三維數字化設備運維系統的建設需要貼合市政場站內的日常工作場景，因此我們從污水處理企業的運營管理架構及經營模式出發，通過先進的信息技術實現場站內的資源共享，并設計出一套更加實用、高效的業務流程，構建一套科學完善的運營管理機制。

其中，場站內設備的管理工作是該系統的核心模塊，場站的日常運維工作是緊緊圍繞著設備開展的。我們充分考慮到市政企業的設備管理規章制度及分類標準，對場站內的設備進行劃分建檔，與設備的檔案資料、保養維修記錄等信息進行掛接，共同構建設備運行維護和信息化管理的數據基礎。通過該系統，企業管理人員可以及時查看場站內設備的動態和靜態信息，對場站內全部設備的運行、巡檢、保養、維修、更新直至報廢進行全生命周期的高效數字化閉環管理。

1.相關技術

設備運維系統整體采用B/S 結構實現，采用瀏覽器作為客戶端，用戶只需要在瀏覽器中輸入網址即可訪問該服務，無需安裝客戶端軟件，使用方便。服務器端提供服務，所有的業務邏輯都在服務器端運行，客戶端只需要提供輸入和接收輸出即可，這樣可以減輕客戶端的負擔，數據集中管理也在服務器端，可以保證數據的一致性和安全性，避免了數據的分散和冗余，降低了數據管理的成本。

服務端采用前后端分離架構，前端和后端可以獨立開發、測試和部署，各自專注于自己的工作。前端可以專注于用戶界面和用戶交互，后端可以專注于業務邏輯和數據處理，這樣可以提高開發效率和質量；前后端分離可以將頁面渲染全部交給前端處理，減少了服務器端的壓力，提高了系統的運行效率和穩定性；前后端分離可以非常靈活地進行擴展和升級，可以根據需求對前端和后端進行單獨的擴展和升級，降低了系統升級和維護的成本和風險。

前端采用Vue.js 框架，后端采用Spring Boot 框架開發。Vue.js 是一種漸進式開發框架，可以根據項目需要逐步引入其功能，也可以與其他庫或項目集成使用；Vue.js 提供一種由數據驅動的組件化架構，通過響應式的數據綁定和指令系統，讓開發者能夠更簡單地實現單頁面應用中數據交互的功能需求；Vue.js 的生態非常完備，提供了大量的插件和工具，例如Vuex 狀態管理庫、Vue Router 路由庫、Vue CLI 腳手架工具等等，能夠讓開發者快速掌握從開發、調試到生產環境打包的全過程。

Spring Boot 是一個基于Spring 框架的輕量級Java Web開發框架，它的設計目的是簡化Spring 應用的初始搭建和開發過程。它使用了約定優于配置的思想，省卻了大量的XML 配置文件，提供了開箱即用，無需代碼生成的特性。它還支持多種常用的技術和組件，如JPA，JDBC，MVC，Security 等[1]。Spring Boot 還可以自動化配置應用程序的各個部分，包括數據源、Web 框架以及基本的代碼安全性等等。Spring Boot 框架內嵌web 服務器，可以獨立運行，使得開發者可以更方便地測試、調試應用。開發者僅需要配置基本的JDK 環境，和Maven 構建工具，即可管理項目所依賴的第三方庫，在本地完成所有后端功能的開發，很大程度上減少了在環境配置上消耗的時間，使開發者更專注于業務邏輯的實現。

Spring Boot 采 用MVC（Model-View-Controller）設 計模式。在Spring Boot 中，Controller 層作為MVC 的控制器，用于接收和處理請求，Model 層負責數據存儲和業務邏輯處理，View 層則負責頁面渲染和呈現。Spring Boot 中的Controller 層通常使用注解來處理請求，使用Java 類來定義數據模型和業務邏輯，使用模板引擎來呈現視圖。這種MVC 設計模式可以有效地分離不同的應用程序組件，使應用程序更易于維護和擴展[2]。

2.系統設計

2.1 總體需求分析

為了使該平臺的功能更加貼合生產實際，設計人員從市政類場站運維管理人員的日常工作出發，充分考慮了決策層、管理層、和執行層三類角色的業務需求，基于三維可視化及web 相關技術，將場站內的單體、各類生產設備關鍵生產要素映射到三維可視化場景中，使其與日常生產過程的管理工作緊密聯系起來，實現對場站中資產設備的全生命周期動態監控及全過程數字化管理。

如圖1 所示，該系統需要實現以下功能需求：

圖1 總體業務需求

將多元數據與三維模型融合，能夠動態地展示模型整體與組成單元，用戶通過與模型的交互實現工藝流程、單體尺寸、空間位置等信息的查詢功能。

圍繞場站內的所有生產設備，建立數字化設備臺賬，用戶可直觀地對設備進行定位檢索、信息查看、編輯等操作。

將設備臺賬與設備的日常巡檢、維修、保養、變更、預警等工作建立聯系，完成設備資產在生產過程中的全流程閉環管理。

2.2 總體架構設計

系統架構、采用技術均具有較好的開放性、先進性、前瞻性和擴展性。前端與后端完全解耦，通過HTTP 協議進行數據交互，展示層在Vue.js 框架的基礎上，整合UI 框架Ant Design Vue 開發，在框架中的基礎組件上封裝新組件，既可以確保展示層基本視覺風格的一致性，又可以根據系統設計需求靈活調整，快速開發出具有獨創性UI 設計的展示層服務[3]；業務層集成了MyBatis 作為操縱數據的ORM 模型，提升了后端開發效率，數據層采用了MySQL 存儲整個系統的業務數據，提供易用、可靠的高性能持久化存儲，還引入了Redis 作為緩存，提升了數據的加載速度，降低對系統部署環境的計算資源消耗，系統架構圖如圖2 所示。

圖2 總體架構設計

2.3 數據庫設計

本系統在數據庫的設計上，遵循基本原則，即一致性原則、完整性原則、安全性原則、可伸縮性與可擴展性原則、規范性原則。具體到數據表的設計上，也遵守幾個開發基本規則：例如表名應該簡單明了，準確描述表的內容；表的字段具有唯一性，確保數據準確和完整；表的字段與后端Java類的命名一致，確保開發的易用性和可操作性；表的字段應該遵循命名規范，確保數據的易懂性和可讀性；表的設計應該考慮系統的性能和可用性，確保數據的快速訪問和高效存儲等[4]。

基于上述原則，根據本系統的實際業務需求，共設計了包括人員權限、設備屬性、資料屬性、巡檢記錄、維修保養、告警提示等模塊的81 張表。

3.系統實現

設備的巡檢是場站運維工作的典型場景之一，比較有代表性意義，因此本章以該系統的設備巡檢模塊為例，簡述系統的后端開發實現過程。

3.1 設備巡檢模塊業務流程

設備巡檢模塊的主要功能是由場站的運維管理者派發巡檢工單，生產任務的執行者在接單后按照指定路線在指定時間內對場站內相關設備進行巡檢，查看當前設備的運行狀況及周圍環境的變化，及時發現現場設備的缺陷故障及安全隱患，并采取有效措施，從而保障場站的安全有效運行。

如圖3 所示，具體業務流程如下：

圖3 設備巡檢業務流程

a.第一環節是工單派發，設計人員通過對運維工作的分析，將巡檢工單分為兩類：計劃工單和臨時工單，前者由管理者根據日常巡檢需求設定巡檢計劃，系統將根據計劃中設定的時間自動派發工單，后者是考慮到有臨時巡檢任務的需求時，管理者可以根據實際業務的需要手動派發工單。

b.執行者在系統上接收派發給自己的工單，然后去現場執行巡檢任務。

c.如果巡檢過程中發現異常情況，需要在系統上進行異常上報，交給相關維修人員進行處理，如果未發現異常，在巡檢結果處選擇正常，到此一個完整的巡檢流程結束。

3.2 開發實現

本節主要以設備巡檢模塊為例，簡要介紹系統的后端開發工作。

（1）數據庫設計

通過對設備巡檢模塊的業務邏輯進行了細致的拆解分析之后，為該模塊設計了5 張配置表和3 張業務表：5 張配置表分別是巡檢時間表、巡檢點位表、巡檢類型表、巡檢班組表、巡檢路線表，用于存儲巡檢模塊的基礎配置數據；針對巡檢模塊的業務流程，為該模塊設計了巡檢計劃、巡檢工單、巡檢任務3 張業務表，用于存儲巡檢相關的業務數據。

（2）業務邏輯開發

設備巡檢模塊需要實現的業務主要包括：

a.巡檢計劃的新增、編輯、刪除及啟停操作。

b.系統需要根據用戶制定的巡檢計劃完成自動派單，這種工單為計劃工單，當有臨時巡檢需求時，用戶可以填寫臨時工單。

c.巡檢工單、巡檢任務在不同權限等級用戶間的流轉等。

下面介紹巡檢模塊后端需要完成的工作：

首先是系統自動派單及超時關閉工單功能的開發工作，這部分功能是基于SpringBoot 框架自帶的定時任務功能實現的：

首先引入@EnableScheduling 定時任務注解，根據業務功能開發定時任務類，為該任務類添加@Scheduled 注解，配置cron 表達式，設定定時任務的執行時間。我們開發的任務類需要完成如下工作：

a.計劃狀態變更：該任務在每天的凌晨執行，根據巡檢計劃的啟停狀態和起止時間，完成巡檢計劃的狀態變更工作。

b.自動派單功能：該任務在每天的每個整點執行，根據用戶設置的提前派單日期、派單時間以及計劃的開始狀態篩選出符合條件的巡檢計劃，并為這些計劃自動生成巡檢工單（計劃工單）。

c.工單超時關閉：該任務在每天凌晨的特定時間執行，篩選前一天的工單，根據該工單對應的巡檢任務完成情況，修改巡檢工單的完成狀態。

除了上述需要系統自動執行的業務邏輯之外，該模塊需要完成如表1 所示的后端接口的開發工作，在開發這些接口時需要考慮到與其他操作的關聯影響，例如巡檢計劃生效后，已經開始按計劃派發工單時，巡檢計劃是否可以刪除；修改巡檢班組成員時，是否會對歷史巡檢計劃、巡檢工單等數據產生影響等等。這些問題都需要經過妥善的思考與處理，使系統避免在使用過程中出現致命問題。

表1 設備巡檢模塊后端接口匯總表

以上功能全部開發完成后，該模塊順利地通過了測試環節，用戶制定巡檢計劃之后，系統能夠完成按計劃定時派單及關閉超時工單的功能，系統生成的工單能夠在相關用戶之間正常流轉。從實際使用效果來看，將巡檢業務整合到線上的數字化運維方式，有效地提升了相關運維人員的工作效率，幫助員工減少了大量重復性的工作，縮短了溝通時間，使其可以更加專注運維工作本身，更加高質量地完成本職工作。

4.應用效果

對設備資產的高效管理是市政場站穩定運行的重要基礎，將場站內的各種資源進行優化整合，構建以設備臺賬為基礎，以企業生產運營為主線的數字化設備管理應用，可以從以下幾個方面助力運維人員的工作：

a.對場站內的生產設備進行全生命周期管理，規范備品備件管理，可以有效提高設備的周轉率。

b.根據企業日常生產活動的需要，通過線上的方式完成工單派發、工單流轉等工作，可以使相關工作人員避免過多的重復性工作，縮短溝通時間，有效提高工作效率。

c.對系統產生的各種運維資料進行科學規范的歸檔，便于日后查閱及生產指導。

綜上所述，三維數字化設備運維系統可以幫助運維人員有效地提高生產運維效率，確保場站的穩定運行，進而大幅提升企業運維管理水平，助力實現設備管理規范化、資源利用最大化、運維管理自動化、企業運營最優化的目標，同時為今后其他專業數字化運維系統的建設提供了寶貴的經驗。