数字孪生技术在机场行李处理系统设备监控与智能运维中的应用

文 / 刘继深 曾学 崔鸿刚 熊成明 甘丽琴 普永金

一、引言

随着我国数字化转型的持续推进，数字孪生逐渐成为各个行业关注的热点[1]。数字孪生作为一项迅速发展的数字信息化技术，以数字化为载体，通过建立现实空间到虚拟空间的映射，实现对现实空间中的设备或系统状态实时感知[2]，以指导工作人员快速决策，为机场推进行李处理系统全方位感知、提高故障处理效率，进行预防性维护、辅助决策以及人力资源管理等提供了新的途径。

二、行李处理系统数字孪生模型架构

为提高行李处理系统智能化水平、提高故障处理效率、及时进行预防性维护，设计基于数字孪生技术的行李处理系统模型架构，如图1所示。基于Revit平台设计设备模型可以快速将模型的属性信息存储到静态数据库中，以便在数字孪生系统中实时显示，为设备预防性维护系统提供可靠的数据基础；另外可以将必要的建筑信息模型（Building Information Modelling，BIM）快速导入到Revit平台中，以便各专业协同作业，例如，建筑信息模型和设备模型是否有干涉，桥架电缆的敷设线路是否穿透建筑物，现场主控柜（Main Control Panel，MCP）摆放空间是否足够。为解决以上问题，可以将各专业的系统模型统一导入到Revit平台进行集中管理，对各系统进行碰撞检测，这样可以提前规避设计错误和风险，提高现场施工的可行性和准确性。

图1 行李处理系统数字孪生模型架构

1.基于Revit 平台的系统设备模型

基于Revit平台，以建筑信息为参考，建立行李处理系统设备模型。模型的属性数据包括设备的名称，生产日期，设备整体尺寸，零部件的名称、形状等信息。这些数据通常为静态值，将模型的静态数据存储到SQL数据库中。

2.物理感知层

物理感知层主要由各类检测执行器件组成，包括光电传感器、接近开关、限位开关、隔离开关、空气开关、变频器、马达驱动器、电流表、电压表、无线射频RFID行李条码自动识别器、不间断电源UPS、电量信息采集器等。这些器件主要完成设备的动态数据检测。

3.数据传输层

检测器件以组网方式进行数据整合，一般采用的总线以及网络有Profinet总线、Profibus总线、ASI总线、控制器局域网C A N 总线、Modbus总线等。若有无线功能的检测器件，可以通过无线局域网Wifi来完成组网通信。多渠道的组网通信模式让所有检测器件的信息传输成为可能，为数字信息全集成提供了基础保证。

4.数据采集层

组网后的数据都会保存在PLC中，采集通信协议一般采用O P C UA/DA协议、TCP/IP协议、ISO工业以太网通信协议来完成与PLC的数据交换。在特殊情况下，也可以通过以太网直接采集现场检测器件数据信息。

5.BIM 模型动态数据库

在完成数据采集后，数据会存储到动态数据库中，以便实时跟踪设备的运行状态。实时数据可以真实映射到设备模型下的具体检测器件，当设备故障发生时，实时报警数据库会捕获当前故障设备的必要信息元素，并同步存储到历史报警数据库中。

数字孪生技术下的设备模型由设备模型体、静态数据和动态数据组成。设备模型体显示模型在数字孪生系统中的位置以及设备的相对大小。设备模型上加载静态数据和动态数据，可更加直观高效展示设备详细信息。

6.数字孪生技术下的设备模型

数字孪生技术下的设备模型主要由设备模型体、静态数据和动态数据三部分组成。设备模型体显示模型在数字孪生系统中的位置以及设备的相对大小。设备模型上加载静态数据和动态数据，更加直观高效的展示了设备的详细信息。

三、行李处理数字孪生系统设计

1.基于Revit 平台的系统建模

基于Revit平台建立输送机基础模型，输送机模型根据不同应用场景，分为简易模型和详细模型。简易模型通常在系统流程图、数字孪生系统的一级总览视图和二级总览视图中使用；详细模型在数字孪生系统的三级视图和四级视图中使用，其设备信息更加详细。如图2所示为输送机的简易模型和详细模型。简易模型中包括了输送机皮带，光电管检测器件，急停检测器件等重要器件。在详细模型中，可以看到设备的支腿、电机、轴承以及各个零部件。由于中大型枢纽机场行李处理系统中，设备比较多，想要一个场景下展示更多的设备状态，就需要优化模型，减少模型的占用空间以及加载时间，所以模型的轻量化处理是必要的。

图2 输送机简易模型与详细模型

轻量化模型处理需要满足的条件为:（1）在一级或二级总览图中必须直观完整地显示设备以及设备上检测器件的实时状态，所以设备部件单元属性必须可以独立编辑，例如，输送皮带的背景颜色必须可以根据颜色接口规范进行灵活更改；急停按钮底座和按钮必须可以进行背景颜色闪烁以及按钮头上下相对位置移动；光电管背景颜色和位置必须可以自由编辑和移动。（2）不需要颜色以及位置变化的设备零部件，需要将其整合成为一个整体，并将整合后的部件定义为新的设备部件标签，这样可以大大减少模型对象的数量，为后期在设备监控系统中的模型编辑以及管理创建有利条件。在满足轻量化模型处理条件后，主要通过两种方式实现轻量化模型处理：（1）将没有必要在一级或者二级总览图中显示的设备零部件直接去除。（2）将一些圆形以及多顶点形状的零部件用方形以及顶点尽量少的模型来取代。经过模型轻量化处理，设备监控系统模型占用资源将大幅度减小。

经过设备建模后，会生成设备的基础数据，包括设备平面号、设备长度、设备类型等信息，通过Revit平台将建模数据导出到SQL静态数据库中，如表1所示。

表1 设备模型的静态数据

2.行李处理系统的仿真与优化

基于数字孪生系统，可以对行李处理系统进行仿真测试，如关键点分合流测试、早到存储容量测试，以调整以及优化系统中各性能参数。在保证系统稳定运行的前提下，使系统各测试指标满足招标要求以及第三方检测机构的测试要求。如图3所示为行李处理系统的压力测试，图4为TTS分拣系统的仿真测试。

图3 系统压力测试仿真

图4 TTS分拣系统仿真

3.基于OPC 协议的数据采集

本系统采用OPC协议进行数据采集，将不同设备的数字信息转化成统一的数据格式。如图5所示，在子系统sub02下，首先定义所有输送机的变量以及地址，在100的文件夹下定义设备编号为CIT110_BS001的设备，在PLC的地址为DB100.WORD2，采集频率为1000ms。如图6所示，在117的文件夹下定义设备编号为CIT110_BS001的光电传感器。采用这样统一格式命名的方式，目的在于在数字孪生系统中，可以采用统一的图形模板制作同一类型的设备，大大提升数字孪生系统的数据采集效率。

图5 OPC 输送机数据定义与采集

图6 OPC 光电管传感器数据定义与采集

4.数字孪生系统监控与报警功能

将OPC采集的设备数据统一储存到SQL数据库，以方便用户观测设备状态。设备动态数据分为两类，一类是设备的实时数据，另一类是设备的报警数据。设备的实时数据用于显示设备的运行、级联、节能、手动、自动等状态，可以通过监控设备模型的颜色来判断设备当前状态，如图7所示，在数字孪生设备监控系统中的二级总览图上，可以立刻监控到设备平面号为DP-01-001的设备，其颜色为黄色，根据设备颜色定义，黄色表示设备处于故障状态。在二级总览图中点击故障设备后将弹出设备的详细视图，如图8所示。根据设备详细视图中的故障信息描述，可以精准确定设备当前故障的原因。

图7 行李设备监控系统二级总览图

设备的报警数据用于记录设备发生故障的原因，报警数据通过报警列表的方式展示，如图9所示。当设备出现空开故障、光电管堵塞、星型轮故障、隔离开关断开、变频器故障时，报警信息会记录到实时报警库中，并同步归档到历史报警数据库中，以便快速实时查阅、诊断并分析历史报警。通过对报警历史数据的分析，可以生成预防性维护系统的基础数据。当设备出现故障时，会同时弹出设备实时视频窗口，以提示操作人员快速处置设备故障，如图10示。

图9 行李处理系统报警数据列表

图10 设备故障视频弹出窗口

四、基于数字孪生的智能运维系统

根据行李系统运行维护作业的特点，数字孪生智能运维系统包含了预防性维护系统、工单作业系统、人力资源管理系统、智能化操作指南生成系统等。该系统的业务流程如图11所示。

图11 智能运维系统的业务流程

1.预防性维护系统

在行李系统运行过程中，其设备会出现各种故障情况，例如空开故障、星型轮故障、隔离开关断开等。历史报警数据库会记录设备故障出现的时间、故障类型以及发生的次数。如果某一类故障高频发生，客户端则会提示操作人员进行针对此类故障的设备检查。根据数字孪生系统的静态数据中所提供的整机设备保养周期、易损件的使用时间和次数等信息，并结合动态数据库中所记录的设备运行时长以及故障频率等信息[3]，在监控客户端处会弹出各类预防性维护提示信息，如图12所示。

如图13所示为电机各参数趋势预警处理流程。数字孪生系统采集各电机的电流、温度、频率、电压等参数，计算出过去一年的数据波动范围，当实时采集的电流、温度、频率、电压等参数，超出年统计波动范围时，会弹出对应报警信息的提示窗口。当电机的实时参数值超出生产商给出的额定值范围时，同样会弹出报警窗口。

2.工单作业系统

预防性维护系统会产生多种不同类型的工单任务，这些工单任务会归档到工单作业系统中。如图14所示，当系统中出现工单任务时，所有维护人员可通过维护平板在工单系统中看到工单任务，并可在一定时间内选择工单作业任务。当工单任务选择超时后，智能运维系统会根据工单作业的类型来匹配不同级别的维护人员实现自动派单。

图14 工单作业、人力资源管理系统

3.人力资源管理系统

维护人员的设备维修次数、设备维护后的运行效果以及维护难易程度，会记录到人力资源管理系统的人才库中，用于员工月度绩效考核（详见图14）。同时，人力资源管理系统会根据员工的工作技能和作业特点完善人才技能等级评价。

4.智能化操作指南

现场维护人员根据预防性维护系统提示，通过增强现实AR或者现场维护平板，可以快速进行可视化故障定位，如图15所示。在进行设备保养或者故障处置时，维修人员通过视频以及文字方式记录设备保养操作和设备故障处置的全过程，并归档到数字孪生系统的设备维护以及故障处置学习库中。设备维护以及故障处置学习库通过大量的方法积累和分析，优选出针对此类设备保养和故障处置的最优方法，并生成操作指南，供日后其他维护人员参考。此后其他的现场维护人员可以通过登录高级账户，来查询之前维护人员在针对此类问题的处置方法和现场操作视频，分析采用何种方式来进行设备保养或者故障处置，这样大大提高了维护和故障处置的工作效率。智能化操作指南生成的流程图，如图16所示。

图15 设备保养或故障处置可视化定位

图16 系统设备维护以及故障处置操作流程

五、结束语

基于数字孪生技术设计的行李设备监控与智能运维系统，通过Revit平台生成行李处理系统模型以及设备的静态数据库；使用OPC协议进行数据动态采集，生成数字孪生系统动态数据库；通过静态数据库和动态数据库的结合，实现行李处理系统的仿真验证与设备的状态监控。利用数字孪生系统中产生的静态数据和动态数据进行分析和逻辑运算，生成预防性维护系统，提高了设备维护的预见性和及时性，这种预防性的维护提高了行李处理系统设备的使用效率并降低了系统的故障率。工单作业系统和人力资源管理系统完成了工单作业任务及时处置、资源合理分配以及人员绩效指标化考核。设备维护以及故障处置学习库中生成的智能化操作指南，指导维护人员进行精准操作，提高设备维护和故障处置的操作效率。此系统的应用提升了机场的运维能力和服务质量，为“智慧机场”建设提供了重要支撑。