數字孿生技術在機場行李處理系統設備監控與智能運維中的應用

文 / 劉繼深 曾學 崔鴻剛 熊成明 甘麗琴 普永金

一、引言

隨著我國數字化轉型的持續推進，數字孿生逐漸成為各個行業關注的熱點[1]。數字孿生作為一項迅速發展的數字信息化技術，以數字化為載體，通過建立現實空間到虛擬空間的映射，實現對現實空間中的設備或系統狀態實時感知[2]，以指導工作人員快速決策，為機場推進行李處理系統全方位感知、提高故障處理效率，進行預防性維護、輔助決策以及人力資源管理等提供了新的途徑。

二、行李處理系統數字孿生模型架構

為提高行李處理系統智能化水平、提高故障處理效率、及時進行預防性維護，設計基于數字孿生技術的行李處理系統模型架構，如圖1所示。基于Revit平臺設計設備模型可以快速將模型的屬性信息存儲到靜態數據庫中，以便在數字孿生系統中實時顯示，為設備預防性維護系統提供可靠的數據基礎；另外可以將必要的建筑信息模型（Building Information Modelling，BIM）快速導入到Revit平臺中，以便各專業協同作業，例如，建筑信息模型和設備模型是否有干涉，橋架電纜的敷設線路是否穿透建筑物，現場主控柜（Main Control Panel，MCP）擺放空間是否足夠。為解決以上問題，可以將各專業的系統模型統一導入到Revit平臺進行集中管理，對各系統進行碰撞檢測，這樣可以提前規避設計錯誤和風險，提高現場施工的可行性和準確性。

圖1 行李處理系統數字孿生模型架構

1.基于Revit 平臺的系統設備模型

基于Revit平臺，以建筑信息為參考，建立行李處理系統設備模型。模型的屬性數據包括設備的名稱，生產日期，設備整體尺寸，零部件的名稱、形狀等信息。這些數據通常為靜態值，將模型的靜態數據存儲到SQL數據庫中。

2.物理感知層

物理感知層主要由各類檢測執行器件組成，包括光電傳感器、接近開關、限位開關、隔離開關、空氣開關、變頻器、馬達驅動器、電流表、電壓表、無線射頻RFID行李條碼自動識別器、不間斷電源UPS、電量信息采集器等。這些器件主要完成設備的動態數據檢測。

3.數據傳輸層

檢測器件以組網方式進行數據整合，一般采用的總線以及網絡有Profinet總線、Profibus總線、ASI總線、控制器局域網C A N 總線、Modbus總線等。若有無線功能的檢測器件，可以通過無線局域網Wifi來完成組網通信。多渠道的組網通信模式讓所有檢測器件的信息傳輸成為可能，為數字信息全集成提供了基礎保證。

4.數據采集層

組網后的數據都會保存在PLC中，采集通信協議一般采用O P C UA/DA協議、TCP/IP協議、ISO工業以太網通信協議來完成與PLC的數據交換。在特殊情況下，也可以通過以太網直接采集現場檢測器件數據信息。

5.BIM 模型動態數據庫

在完成數據采集后，數據會存儲到動態數據庫中，以便實時跟蹤設備的運行狀態。實時數據可以真實映射到設備模型下的具體檢測器件，當設備故障發生時，實時報警數據庫會捕獲當前故障設備的必要信息元素，并同步存儲到歷史報警數據庫中。

數字孿生技術下的設備模型由設備模型體、靜態數據和動態數據組成。設備模型體顯示模型在數字孿生系統中的位置以及設備的相對大小。設備模型上加載靜態數據和動態數據，可更加直觀高效展示設備詳細信息。

6.數字孿生技術下的設備模型

數字孿生技術下的設備模型主要由設備模型體、靜態數據和動態數據三部分組成。設備模型體顯示模型在數字孿生系統中的位置以及設備的相對大小。設備模型上加載靜態數據和動態數據，更加直觀高效的展示了設備的詳細信息。

三、行李處理數字孿生系統設計

1.基于Revit 平臺的系統建模

基于Revit平臺建立輸送機基礎模型，輸送機模型根據不同應用場景，分為簡易模型和詳細模型。簡易模型通常在系統流程圖、數字孿生系統的一級總覽視圖和二級總覽視圖中使用；詳細模型在數字孿生系統的三級視圖和四級視圖中使用，其設備信息更加詳細。如圖2所示為輸送機的簡易模型和詳細模型。簡易模型中包括了輸送機皮帶，光電管檢測器件，急停檢測器件等重要器件。在詳細模型中，可以看到設備的支腿、電機、軸承以及各個零部件。由于中大型樞紐機場行李處理系統中，設備比較多，想要一個場景下展示更多的設備狀態，就需要優化模型，減少模型的占用空間以及加載時間，所以模型的輕量化處理是必要的。

圖2 輸送機簡易模型與詳細模型

輕量化模型處理需要滿足的條件為:（1）在一級或二級總覽圖中必須直觀完整地顯示設備以及設備上檢測器件的實時狀態，所以設備部件單元屬性必須可以獨立編輯，例如，輸送皮帶的背景顏色必須可以根據顏色接口規范進行靈活更改；急停按鈕底座和按鈕必須可以進行背景顏色閃爍以及按鈕頭上下相對位置移動；光電管背景顏色和位置必須可以自由編輯和移動。（2）不需要顏色以及位置變化的設備零部件，需要將其整合成為一個整體，并將整合后的部件定義為新的設備部件標簽，這樣可以大大減少模型對象的數量，為后期在設備監控系統中的模型編輯以及管理創建有利條件。在滿足輕量化模型處理條件后，主要通過兩種方式實現輕量化模型處理：（1）將沒有必要在一級或者二級總覽圖中顯示的設備零部件直接去除。（2）將一些圓形以及多頂點形狀的零部件用方形以及頂點盡量少的模型來取代。經過模型輕量化處理，設備監控系統模型占用資源將大幅度減小。

經過設備建模后，會生成設備的基礎數據，包括設備平面號、設備長度、設備類型等信息，通過Revit平臺將建模數據導出到SQL靜態數據庫中，如表1所示。

表1 設備模型的靜態數據

2.行李處理系統的仿真與優化

基于數字孿生系統，可以對行李處理系統進行仿真測試，如關鍵點分合流測試、早到存儲容量測試，以調整以及優化系統中各性能參數。在保證系統穩定運行的前提下，使系統各測試指標滿足招標要求以及第三方檢測機構的測試要求。如圖3所示為行李處理系統的壓力測試，圖4為TTS分揀系統的仿真測試。

圖3 系統壓力測試仿真

圖4 TTS分揀系統仿真

3.基于OPC 協議的數據采集

本系統采用OPC協議進行數據采集，將不同設備的數字信息轉化成統一的數據格式。如圖5所示，在子系統sub02下，首先定義所有輸送機的變量以及地址，在100的文件夾下定義設備編號為CIT110_BS001的設備，在PLC的地址為DB100.WORD2，采集頻率為1000ms。如圖6所示，在117的文件夾下定義設備編號為CIT110_BS001的光電傳感器。采用這樣統一格式命名的方式，目的在于在數字孿生系統中，可以采用統一的圖形模板制作同一類型的設備，大大提升數字孿生系統的數據采集效率。

圖5 OPC 輸送機數據定義與采集

圖6 OPC 光電管傳感器數據定義與采集

4.數字孿生系統監控與報警功能

將OPC采集的設備數據統一儲存到SQL數據庫，以方便用戶觀測設備狀態。設備動態數據分為兩類，一類是設備的實時數據，另一類是設備的報警數據。設備的實時數據用于顯示設備的運行、級聯、節能、手動、自動等狀態，可以通過監控設備模型的顏色來判斷設備當前狀態，如圖7所示，在數字孿生設備監控系統中的二級總覽圖上，可以立刻監控到設備平面號為DP-01-001的設備，其顏色為黃色，根據設備顏色定義，黃色表示設備處于故障狀態。在二級總覽圖中點擊故障設備后將彈出設備的詳細視圖，如圖8所示。根據設備詳細視圖中的故障信息描述，可以精準確定設備當前故障的原因。

圖7 行李設備監控系統二級總覽圖

設備的報警數據用于記錄設備發生故障的原因，報警數據通過報警列表的方式展示，如圖9所示。當設備出現空開故障、光電管堵塞、星型輪故障、隔離開關斷開、變頻器故障時，報警信息會記錄到實時報警庫中，并同步歸檔到歷史報警數據庫中，以便快速實時查閱、診斷并分析歷史報警。通過對報警歷史數據的分析，可以生成預防性維護系統的基礎數據。當設備出現故障時，會同時彈出設備實時視頻窗口，以提示操作人員快速處置設備故障，如圖10示。

圖9 行李處理系統報警數據列表

圖10 設備故障視頻彈出窗口

四、基于數字孿生的智能運維系統

根據行李系統運行維護作業的特點，數字孿生智能運維系統包含了預防性維護系統、工單作業系統、人力資源管理系統、智能化操作指南生成系統等。該系統的業務流程如圖11所示。

圖11 智能運維系統的業務流程

1.預防性維護系統

在行李系統運行過程中，其設備會出現各種故障情況，例如空開故障、星型輪故障、隔離開關斷開等。歷史報警數據庫會記錄設備故障出現的時間、故障類型以及發生的次數。如果某一類故障高頻發生，客戶端則會提示操作人員進行針對此類故障的設備檢查。根據數字孿生系統的靜態數據中所提供的整機設備保養周期、易損件的使用時間和次數等信息，并結合動態數據庫中所記錄的設備運行時長以及故障頻率等信息[3]，在監控客戶端處會彈出各類預防性維護提示信息，如圖12所示。

如圖13所示為電機各參數趨勢預警處理流程。數字孿生系統采集各電機的電流、溫度、頻率、電壓等參數，計算出過去一年的數據波動范圍，當實時采集的電流、溫度、頻率、電壓等參數，超出年統計波動范圍時，會彈出對應報警信息的提示窗口。當電機的實時參數值超出生產商給出的額定值范圍時，同樣會彈出報警窗口。

2.工單作業系統

預防性維護系統會產生多種不同類型的工單任務，這些工單任務會歸檔到工單作業系統中。如圖14所示，當系統中出現工單任務時，所有維護人員可通過維護平板在工單系統中看到工單任務，并可在一定時間內選擇工單作業任務。當工單任務選擇超時后，智能運維系統會根據工單作業的類型來匹配不同級別的維護人員實現自動派單。

圖14 工單作業、人力資源管理系統

3.人力資源管理系統

維護人員的設備維修次數、設備維護后的運行效果以及維護難易程度，會記錄到人力資源管理系統的人才庫中，用于員工月度績效考核（詳見圖14）。同時，人力資源管理系統會根據員工的工作技能和作業特點完善人才技能等級評價。

4.智能化操作指南

現場維護人員根據預防性維護系統提示，通過增強現實AR或者現場維護平板，可以快速進行可視化故障定位，如圖15所示。在進行設備保養或者故障處置時，維修人員通過視頻以及文字方式記錄設備保養操作和設備故障處置的全過程，并歸檔到數字孿生系統的設備維護以及故障處置學習庫中。設備維護以及故障處置學習庫通過大量的方法積累和分析，優選出針對此類設備保養和故障處置的最優方法，并生成操作指南，供日后其他維護人員參考。此后其他的現場維護人員可以通過登錄高級賬戶，來查詢之前維護人員在針對此類問題的處置方法和現場操作視頻，分析采用何種方式來進行設備保養或者故障處置，這樣大大提高了維護和故障處置的工作效率。智能化操作指南生成的流程圖，如圖16所示。

圖15 設備保養或故障處置可視化定位

圖16 系統設備維護以及故障處置操作流程

五、結束語

基于數字孿生技術設計的行李設備監控與智能運維系統，通過Revit平臺生成行李處理系統模型以及設備的靜態數據庫；使用OPC協議進行數據動態采集，生成數字孿生系統動態數據庫；通過靜態數據庫和動態數據庫的結合，實現行李處理系統的仿真驗證與設備的狀態監控。利用數字孿生系統中產生的靜態數據和動態數據進行分析和邏輯運算，生成預防性維護系統，提高了設備維護的預見性和及時性，這種預防性的維護提高了行李處理系統設備的使用效率并降低了系統的故障率。工單作業系統和人力資源管理系統完成了工單作業任務及時處置、資源合理分配以及人員績效指標化考核。設備維護以及故障處置學習庫中生成的智能化操作指南，指導維護人員進行精準操作，提高設備維護和故障處置的操作效率。此系統的應用提升了機場的運維能力和服務質量，為“智慧機場”建設提供了重要支撐。