工业用楼宇可视化运维系统研究与实现

胥 军，万 磊，左家鹏

（武汉理工大学 机电工程学院，武汉430070）

在工业领域内，楼宇内设备具有种类繁多、协议多源异构性较强、布局分散等特点，给楼宇的集成化管理带来了巨大的挑战。目前，楼宇设备运维信息化管理主要是应用BAS 楼宇自动化系统[1]。BAS 系统通过中央计算机将分布在各监控现场的智能单元连接在一起，构成一个先进而完善的综合监控系统，以实现对整个楼宇内的设备实现集中监测与控制。其专业性较强，运维管理人员难以有效使用。同时楼宇设备运行监测的数据也仅存在于自动化系统内，存在信息孤岛问题，难以对楼宇内机电设备的监测数据进行有效利用。此类楼宇系统的运维管理方式明显滞后于工业楼宇运维管理需求，不能满足以信息化和智能化为核心的现代化发展趋势。

本文针对该问题，提出将自动化集成技术、可视化技术应用到工业用楼宇运维工作中。通过分析楼宇日常运营维护需求，结合具体项目，设计并开发了一种信息化、智能化的楼宇运维系统，能够以直观的方式完成设备远程管控、视频监控、能耗监测及设备巡检指导等运维工作。

1 运维内容与需求

工业楼宇的正常运转需要对楼宇设备进行综合管理。传统运维方式依靠楼宇技术人员以报表记录、定时巡检、手动排查等方式进行管理，会导致运维工作中存在故障排查困难、设备资料丢失、监控设备数据采集困难等问题发生。因此，要保证工业楼宇的正常运行，需要通过确立合理的组织管理模式，开展运维管理工作。

1.1 工业楼宇运维内容

（1）设备状态监控管理：获取集成设备的状态信息，工业楼宇内设备数量庞大且分散，在运维过程中系统要为管理人员提供直观有效的手段对设备相关信息监测和控制以提高设备管理效率。

（2）设备资料管理：采用合理的方式对设备资料进行存储及管理，楼宇设备资料包括设备基础信息、巡检信息等，这些资料的数据量庞大，有效、合理的存储方式可以提高设备运维资料获取的效率。

（3）设备巡检管理：制定巡检计划，收集设备信息，评估设备运行状态。运维人员对设备信息收集后根据评判标准将其划分为Ⅰ～Ⅳ类别，依据该类别评估结果系统指导运维人员实施针对性的检修工作，保障巡检任务能够高质量完成。

1.2 运维系统需求

基于对工业楼宇运维工作内容分析，对可视化运维系统提出以下需求；

（1）实现设备可视化监控，将设备的实时信息映射到运维系统模型的对应点位中，以立体的方式展示设备位置、分布状态及实时状态等信息。同时以可视化图表的形式对设备运作数据进行分析统计，使得设备监控过程更加可视化和透明化。

（2）设备资料管理，建立设备信息库用来存储设备运行信息、基本属性信息以及运维信息等，为设备信息的录入、修改、分析等管理功能提供支撑。同时运维系统可以根据设备与BIM 模型的映射关系，在虚拟的数字模型中快速找出设备详细的资料信息，并以三维可视化的方式展示，提升了楼宇设备的管理效益。

（3）可视化巡检，利用可视化场景指导运维人员完成设备巡检任务，包括巡检区域指导、巡检计划派发和信息录入等。运维人员通过移动终端将巡检信息保存至运维系统数据库内，系统根据设备评估结果判断设备是否需要进行检修维护等工作，保证楼宇设备安全运行。

2 系统总体技术架构

本文设计的可视化运维系统采用B/S 架构模式进行开发，开发架构如图1所示。该框架根据“数据采集→数据处理→数据应用展示”的流向自底向上分成4 层：数据层、处理层、表现层以及应用层。

图1 系统开发架构Fig.1 System development architecture

（1）其中数据采集层是运维系统开发的基础，基于现场传感器、配电柜、台架等运维设备的通讯接口，利用信息化技术来构建数据采集服务，以实现对楼宇中各类运维设备的数据采集。

（2）处理层采用Django 后端框架实现数据服务文件的集成引用，包括监控报警处理、数据调用与可视化呈现、数据计算与分析、运维业务流程关联等。

（3）表现层采用Vue.js+Three.js 框架构建系统交互界面。Three.js 框架用于整合楼宇的BIM 模型，完成系统三维可视化场景的搭建。Vue.js 框架实现对虚拟场景以及可视化图表的集成。

（4）应用层即运维人员操作界面，运维人员能够通过三维可视化的方式监控楼宇的整体状况，掌握楼宇设备的运行状态，对设备进行远程管理。

3 面向多协议的设备数据采集方案

3.1 楼宇设备整合

工业楼宇运维设备种类繁多，且普遍存在多源异构性，对设备信息进行有效采集首先要对楼宇运维设备进行分析，根据设备数据通讯接口对楼宇设备进行整合。图2为某办公区域运维设备平面分布图。

图2 办公区域运维设备平面布局图Fig.2 Layout plan of operation and maintenance equipment in office area

图2办公区域的运维设备可划分为照明、空调、智能仪表、传感器、电梯等。上述运维设备均可通过解析其通讯协议来完成数据采集任务，楼宇设备通讯接口如表1所示。

表1 楼宇设备通讯接口Tab.1 Communication interface of building equipment

工业用楼宇除了办公区域还包括实验区域，本文所研究的实验区域除上述设备外，还包括台架设备，其Puma 系统能对不同工况下的电机进行测试以获取其性能参数。Puma 系统可通过TCP/IP 协议传输包含设备关键信息的数据报文，通过解析报文规则可获取台架的动态数据。

3.2 运维数据采集

整合后的楼宇设备根据其通讯方式可分为标准工业协议设备、自定义报文协议设备以及非工业协议设备三类。电梯、空调以及整合后的PLC 设备均属于标准工业协议；台架为自定义报文通讯协议设备；摄像头设备的通讯接口属于非工业协议，需要根据其视频流地址进行开发。基于以上分析，本文设计了如图3所示的数据采集方案。

图3 数据采集方案Fig.3 Data acquisition scheme

设备数据均通过网口通讯方式采集，经过PLC、空调等具有标准工业协议的设备，利用Kepserver服务能将多源的设备数据统一转换为基于OPC UA协议规则的数据格式，实现标准工业协议设备的接入、集成；针对自定义报文通讯协议的台架设备，利用Python 的功能库建立可用于解析台架设备的解析文件来获取台架的动态数据；以RTSP 格式构成的视频流地址的摄像头设备无法直接在网页端实现无插件播放[2]，方案采用Nginx 代理服务进行转流，获取易于在网页端开发的视频流格式。

4 BIM 模型渲染与优化

BIM 模型是集成了大量数据的参数化三维模型，涵括建筑项目从设计、施工、运维直至寿命终结过程中的各种信息，是可视化运维系统开发的重要基础。

4.1 BIM 模型渲染

楼宇BIM 模型采用建筑领域常用的Revit 软件绘制，由BIM 模型信息量庞大，且生成的.rvt 格式文件不能直接被网页端使用。因此，系统采用一种轻量级的JSON 格式进行中间数据交换[3]。

Three.js 是一款三维图形应用框架，能够利用由BIM 模型导出的JSON 文件实现楼宇BIM 模型在Web 端渲染开发。Three.js 的基本渲染结构由场景、相机和渲染器三类基本元素构成，对三部分基本元素进行合理的组合即能完成三维场景在Web 端的可视化展示，渲染流程如图4所示。

图4 Three.js 渲染流程Fig.4 Three.js rendering flow chart

4.2 模型优化

BIM 模型数据量庞大，浏览器在渲染时易造成数据资源加载时间过久，导致Web 渲染响应的延迟[4]。因此，系统采用离散LOD 算法与模型缓存2 种方式对模型渲染进行优化

4.2.1 LOD 模型优化

LOD 模型优化算法将相机和模型中心的视点距离distance 作为判断标准，设定距离阈值条件distance1、distance2 进行层级level 划分，根据距离所在层级加载对应分辨率的模型，模型加载层级逻辑为

式中：M（0）为原始渲染模型；M（1）为渲染精度较高的模型，复杂度为M（0）模型的70%；M（2）渲染精度较低的模型，复杂度为M（0）模型的50%。

调用LOD 算法对计算机性能消耗较大，若将其设置为常调用状态会影响渲染性能。为避免其占用过多的CPU 资源，系统仅在三维场景发生变化时调用LOD 算法进行重新渲染，主要包括：平移、缩放以及旋转3 种操作，该3 种操作对应Three.js 框架中的OnRightBtnClick、OnScroll 和OnLeftBtnClick 函数，为判断场景是否发生变化将上述函数通过逻辑运算进行组合：

式中：check 为场景判断结果，仅为0 或1。场景变换操作需要结合鼠标的位置变化进行判定，利用mousePosition 函数进行与逻辑运算。LOD 算法实现流程如图5所示。

图5 LOD 实现流程Fig.5 LOD implementation flow chart

4.2.2 模型缓存

模型缓存优化是利用HTTP 缓存机制将模型数据存储于用户本地，当下次发起请求时会判断请求的资源是否可用，若资源可用则直接调用缓存池中资源，减少模型渲染延时间。本模型采用协商缓存中内容修改资源更新的方式，通过设置Last-Modified与If-Modified-Since 属性实现。Last-Modified 属性记录了缓存资源最近的修改时间，If-Modified-Since 属性用于向服务器验证资源是否发生了更新，缓存资源的内容会通过MD5 算法计算得到唯一字符串值Etag 进行标识，内容发生改变时字符串值也会对应改变。因此，可通过对比前后字符串标识的值来判定资源是否更新，模型缓存流程如图6所示。

图6 模型缓存方案流程Fig.6 Model caching scheme flow chart

5 系统实现

5.1 数据库设计

为保证运维系统实现，系统采用SQL Server 数据库用于承担整个系统数据的存储、管理与服务。系统数据库的核心是设备信息库，设备信息库中存储的数据包括设备运行信息、基本属性信息及运维信息。运行信息来源于采集的运维设备动态数据；基本属性信息和运维信息均源于由Revit 软件构建的BIM 模型数据库，基本属性信息主要包括：设备生产日期、规格尺寸、生产厂商等，运维信息是楼宇运维人员对设备长期管理、积累后得到的巡检信息、报警信息等。上述各类信息共同构成了所需设计的数据库实体。

5.2 系统功能实现

5.2.1 场景可视化模块

可视化三维场景对楼宇内部环境数据进行监测，以可视化图表的方式进行呈现，系统场景模块界面如图7所示。电梯的位置及其运行动向根据所采集的运行信息，在场景内以动态方块的形式进行展现，此外整个楼宇场景中对电力的流向进行了动态指示。

图7 场景模块界面图Fig.7 Scene module interface

5.2.2 设备可视化监控模块

设备可视化监控模块展示了设备的关键运行参数与设备控制的按钮组件，该场景整体效果如图8所示。运维人员能够通过三维可视化的方式查看场景内设备的状态，并通过页面右上角的搜索框可对设备名称/编号进行查询，实现设备模型定位显示。

图8 办公区域展厅三维场景图Fig.8 3D scene of office area exhibition hall

5.2.3 数据看板模块

楼宇台架设备的运行状态、监测数据是运维系统中的关键信息，为提高技术人员对台架设备的监管效率，建立了图9所示的台架设备监控看板，以集成化的方式展示了实验区域各台架设备的状态、发动机运行时长、转速、扭矩以及油耗等运行信息。

5.2.4 设备管理模块

设备资料管理信息来源于设备信息库中的基本属性信息及运维信息。以配电柜为例，资料管理模块在系统中的实现效果如图10所示，设备资料信息能够通过可视化框图进行展示，展示的信息主要包括：配电柜设备名称、设备标准号及防护等级等。

图10 配电柜信息展示效果Fig.10 Information display effect of distribution cabinet

5.2.5 可视化巡检模块

设备可视化巡检模块包括巡检任务安排、巡检区域指导以及巡检信息的录入三部分。可视化巡检模块界面如图11所示，巡检人员登陆系统后根据值班区域的计划安排到指定区域进行巡检。

图11 可视化巡检管理界面Fig.11 Visual patrol inspection management interface

巡检记录界面如图12所示，巡检员在巡检过程中对设备的基本信息进行判断分析，利用系统集成的检修知识库对设备进行评判，评判结果将存至对应的设备信息库，作为后续管理人员对设备进行检修的判断依据。

图12 巡检记录界面Fig.12 Patrol inspection record interface

5.2.6 故障报警模块

故障报警模块主要用于提醒运维人员设备出现异常，以便对设备进行快速排查和修整。该模块的效果如图13所示。通过点击界面右上角的报警信息按钮即可查看设备的异常信息，主要包括设备名称、设备区域、设备编号、报警时间、设备负责人等。

图13 设备故障报警界面Fig.13 Equipment fault alarm interface

为保证运维人员能够对设备异常及时做出响应，系统采用阿里云的短信服务将运维设备的异常信息以短信的形式发送至管理人员的移动终端。设备异常短信实际效果如图14所示。

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

6 结语

本文通过可视化技术构建出能够集成管控设备的可视化运维系统，解决了传统工业楼宇中落后的设备运维体系导致的设备的管理难度大、巡检不及时等一系列问题。系统将楼宇运维设备关联起来，有效解决了传统楼宇设备运维环节中设备监管困难及信息孤岛等问题。满足了以信息化和智能化为核心的现代化发展趋势