基于BIM的數(shù)字孿生智慧機(jī)房管理系統(tǒng)

趙德寧 李舒濤,2 吳勁松,2 廖霄 鄧振華

（1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣東省廣州市 510663 2.華南理工大學(xué) 廣東省廣州市 510641）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的加速和我國(guó)改革開(kāi)放的縱深發(fā)展，數(shù)據(jù)中心對(duì)業(yè)務(wù)連續(xù)性要求極高，對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全性要求也非常之高。隨著數(shù)據(jù)中心的設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)也越來(lái)越多，使得故障診斷困難，并且管理也變得龐大和復(fù)雜。對(duì)于如何做好數(shù)據(jù)中心維護(hù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)一些潛在隱患和排除突發(fā)故障，降低管理的成本，提高運(yùn)維的效率，降低數(shù)據(jù)中心的能耗，已經(jīng)變成管理者關(guān)注的重點(diǎn)。而要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，數(shù)據(jù)中心的管理者面臨著諸多挑戰(zhàn)：

1.1 管理工具分散

應(yīng)用系統(tǒng)和系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)管理、機(jī)房管理等工具系統(tǒng)各自獨(dú)立運(yùn)行，缺乏整合，無(wú)法提供統(tǒng)一管理視圖，難以協(xié)調(diào)配合。

1.2 技術(shù)領(lǐng)域間缺乏關(guān)聯(lián)分析

各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域之間沒(méi)有建立關(guān)聯(lián)關(guān)系，在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障的根源定位非常困難，經(jīng)常要耗費(fèi)很多時(shí)間處理。

1.3 可視化管理缺失

目前多數(shù)系統(tǒng)還是停留在數(shù)據(jù)庫(kù)管理和表格管理的二維維護(hù)層面，缺乏有效的可視化處理方案。

1.4 依賴人工維護(hù)

相當(dāng)部分運(yùn)維數(shù)據(jù)維護(hù)仍然使用傳統(tǒng)的表格（紙質(zhì)或電子化），管理比較分散，沒(méi)有進(jìn)行統(tǒng)一管理，準(zhǔn)確性也是個(gè)問(wèn)題。

1.5 數(shù)據(jù)中心能耗管理的挑戰(zhàn)，亟待采取措施予以解決

針對(duì)當(dāng)前存在的上述問(wèn)題，廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司積極探索，經(jīng)過(guò)研究，決定采用BIM 技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等科學(xué)、可行的管理方法來(lái)解決這些問(wèn)題。建立基于BIM的數(shù)字孿生智慧機(jī)房管理系統(tǒng)以滿足公司的人員和領(lǐng)導(dǎo)及時(shí)掌握數(shù)據(jù)中心運(yùn)行狀態(tài)；通過(guò)動(dòng)環(huán)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心運(yùn)行故障進(jìn)行有效的防范決策，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)中心精細(xì)化管理的目的。

2 數(shù)字孿生

根據(jù)《數(shù)字孿生白皮書（2019年）》書中的定義，數(shù)字孿生是綜合運(yùn)用了現(xiàn)代科技的物聯(lián)網(wǎng)感知、大數(shù)據(jù)計(jì)算、仿真建模等現(xiàn)代信息技術(shù)，借由軟件定義功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理空間進(jìn)行展示以及故障診斷、運(yùn)行及狀態(tài)預(yù)測(cè)、行為決策，從而實(shí)現(xiàn)了賽博空間與物理空間二者的交互映射。如圖1所示。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 BIM

BIM（英文全稱：Building Information Modeling 建筑信息模型）是用建筑工程項(xiàng)目中各個(gè)項(xiàng)相關(guān)的信息數(shù)據(jù)來(lái)作為基礎(chǔ)從而建立起建筑模型，它通過(guò)數(shù)字化信息來(lái)仿真模擬物理世界的建筑物所具有的物理信息。BIM 模型可存儲(chǔ)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維，甚至?xí)r間、成本等信息，因此它成為建筑物管理的一個(gè)理想載體，貫穿全生命周期各個(gè)階段。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)

通過(guò)安裝的物聯(lián)網(wǎng)檢測(cè)設(shè)備，對(duì)數(shù)據(jù)中心的基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)平臺(tái)，物聯(lián)網(wǎng)支持RS485,ModBus, MQTT 等協(xié)議。

3.3 AI

圖1

圖2

通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)，結(jié)合知識(shí)圖譜，對(duì)系統(tǒng)故障進(jìn)行診斷，找到故障原因及位置定位，對(duì)故障診斷結(jié)果可以生產(chǎn)工單，進(jìn)行閉環(huán)管理。

4 技術(shù)架構(gòu)介紹

本系統(tǒng)前端使用vue+bim+webgl 輕量化引擎（模型，數(shù)據(jù)分離）技術(shù)實(shí)現(xiàn)，服務(wù)應(yīng)用層基于springcloud 框架，采用Eureka 作為注冊(cè)中心，Config 做為配置中心統(tǒng)一管理配置文件，F(xiàn)eign 實(shí)現(xiàn)各服務(wù)之間的數(shù)據(jù)調(diào)用，Hystrix 實(shí)現(xiàn)熔斷降級(jí)，Redis 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存，Websock 技術(shù)實(shí)現(xiàn)客戶端與服務(wù)端的實(shí)時(shí)通信。利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Mysql 存儲(chǔ)系統(tǒng)關(guān)鍵業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)Mongodb 存儲(chǔ)動(dòng)態(tài)模型數(shù)據(jù)及測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用大數(shù)據(jù)平臺(tái)作為離線計(jì)算及存儲(chǔ)支撐。在Iot 層制定統(tǒng)一的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)MQTT 等通用協(xié)議做統(tǒng)一的接入口，開(kāi)放廠商協(xié)議和數(shù)據(jù)的接入。如圖2所示。

5 系統(tǒng)主要功能介紹

5.1 數(shù)字孿生模型三維可視化展示

通過(guò)BIM 技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行可視化展示，從樓棟、樓層、房間、機(jī)柜一直到設(shè)備，逐級(jí)下鉆展示，并且建模的精度比較高，達(dá)到LOD500 級(jí)別，可以精細(xì)到線纜和端口，清晰看到某根線纜的精確走向和位置，甚至在橋架中線纜夾的位置都可以看到。

5.1.1 數(shù)據(jù)中心可視化

系統(tǒng)基于三維模型對(duì)數(shù)據(jù)中心的建筑結(jié)構(gòu)、機(jī)房布局、設(shè)備及強(qiáng)弱電鏈路進(jìn)行展示，設(shè)備及鏈路均可以在三維模型中進(jìn)行查看，對(duì)機(jī)柜的容量、機(jī)柜空間、電力信息等進(jìn)行統(tǒng)一展現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備性能、告警信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

5.1.2 資產(chǎn)配置可視化

通過(guò)BIM 三維建模，把各個(gè)機(jī)柜以及機(jī)柜內(nèi)IT 設(shè)備的基本配置信息導(dǎo)入可視化平臺(tái)，通過(guò)三維模型里的設(shè)備就可查找相應(yīng)的配置信息，反過(guò)來(lái)也可以通過(guò)配置信息查找到對(duì)應(yīng)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)配置的可視化展示。

5.1.3 設(shè)備配線可視化

通過(guò)采用自管理或集成CMDB 系統(tǒng)的方式，把各個(gè)機(jī)柜內(nèi)設(shè)備的連接信息導(dǎo)入可視化平臺(tái)，通過(guò)設(shè)備、鏈路、端口信息相互查找，完成設(shè)備配線可視化展示。

5.1.4 機(jī)房容量可視化

把數(shù)據(jù)中心的機(jī)柜U 位、端口、機(jī)房的承重情況、空調(diào)負(fù)荷、電力負(fù)荷等集成在BIM 模型中展現(xiàn)，便于運(yùn)維人員掌握機(jī)房容量情況。

5.2 數(shù)字孿生系統(tǒng)應(yīng)用

通過(guò)數(shù)字孿生模型與機(jī)房各個(gè)監(jiān)控子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)集成和控制集成，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)集成化展現(xiàn)，可以在數(shù)字模型中直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作，調(diào)整設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)。

5.2.1 動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)

5.2.1.1 配電監(jiān)測(cè)

（1）監(jiān)測(cè)設(shè)備：配電柜、UPS 主機(jī)、智能母線等。

（2）監(jiān)測(cè)內(nèi)容：監(jiān)測(cè)主開(kāi)關(guān)及所有輸出開(kāi)關(guān)的支路開(kāi)關(guān)狀態(tài)；輸入三相全電量參數(shù)（電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、電量等）。

5.2.1.2 蓄電池監(jiān)測(cè)

（1）監(jiān)測(cè)對(duì)象：蓄電池12VDC 或2VDC。

（2）監(jiān)測(cè)內(nèi)容：監(jiān)測(cè)每節(jié)單體電池的內(nèi)阻/電壓/電流、電池表面溫度、電池總電壓、總充放電流等。

5.2.1.3 空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

（1）監(jiān)控對(duì)象：智能精密空調(diào)。

（2）監(jiān)測(cè)內(nèi)容：溫度、濕度、溫度設(shè)定值、濕度設(shè)定值、空調(diào)運(yùn)行狀態(tài)、風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、報(bào)警等數(shù)值。

5.2.1.4 溫濕度監(jiān)測(cè)

實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)房的環(huán)境以及重要設(shè)備等目標(biāo)進(jìn)行溫度和濕度的高精度監(jiān)測(cè)。

5.2.1.5 漏水監(jiān)測(cè)

對(duì)于空調(diào)周圍以及其它地方可能發(fā)生漏水的重要位置，比如機(jī)房?jī)?nèi)如果有水管流經(jīng)的地方以及沒(méi)有設(shè)置封堵的門窗等重要位置進(jìn)行漏水監(jiān)測(cè)。

5.2.2 安防監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

5.2.2.1 門禁監(jiān)測(cè)

在智慧運(yùn)維系統(tǒng)三維可視化展示門禁系統(tǒng)設(shè)備布局，通過(guò)對(duì)門禁人員常規(guī)進(jìn)出信息的讀取解析，在三維可視化環(huán)境中展示各個(gè)門禁入口的人員進(jìn)出情況。

通過(guò)聯(lián)動(dòng)視頻系統(tǒng)以及紅外雙鑒設(shè)備對(duì)人員入侵以及目標(biāo)越線和小動(dòng)物入侵等特殊異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控告警。

5.2.2.2 消防監(jiān)測(cè)

在智慧運(yùn)維系統(tǒng)三維可視化展示消防設(shè)備布局，通過(guò)視頻系統(tǒng)、煙霧探測(cè)器、紅外熱能探測(cè)器等設(shè)備對(duì)消防異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控及告警。

5.2.2.3 視頻監(jiān)測(cè)

在智慧運(yùn)維系統(tǒng)三維可視化展示視頻設(shè)備位置，在系統(tǒng)實(shí)時(shí)調(diào)用視頻監(jiān)控內(nèi)容，協(xié)同聯(lián)動(dòng)門禁系統(tǒng)、消防系統(tǒng)進(jìn)行異常發(fā)現(xiàn)、追蹤、告警流程的處理。

5.2.3 告警處理系統(tǒng)

系統(tǒng)通過(guò)接口接入各類物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)中運(yùn)行的設(shè)備如果有告警發(fā)生，在三維場(chǎng)景中實(shí)時(shí)展示告警數(shù)據(jù)，并且三維可視化系統(tǒng)中以高亮、閃爍告警，同時(shí)會(huì)發(fā)出聲音提示用戶。

5.2.4 AR 運(yùn)維

系統(tǒng)把AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)結(jié)合BIM 三維建模技術(shù)應(yīng)用于各種場(chǎng)景的巡視和運(yùn)維工作中，通過(guò)AR 技術(shù)在圖像識(shí)別、虛實(shí)疊加、信息交互，智能判斷糾錯(cuò)等各方面的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)AR 設(shè)備對(duì)被檢查的關(guān)鍵信息進(jìn)行掃描捕捉，把提醒內(nèi)容進(jìn)行實(shí)時(shí)疊加，并且與后臺(tái)信息進(jìn)行對(duì)比核查。運(yùn)維人員通過(guò)AR 設(shè)備可對(duì)故障發(fā)生位置進(jìn)行定位和導(dǎo)航，快速找到故障設(shè)備。

5.3 人工智能算法模型

5.3.1 故障算法診斷模型

系統(tǒng)通過(guò)采集的監(jiān)控信息和運(yùn)行數(shù)據(jù)，使用故障算法診斷模型進(jìn)行智能診斷，判斷故障原因，定位故障源頭設(shè)備，并結(jié)合知識(shí)圖譜專家?guī)爝M(jìn)行驗(yàn)證和匹配解決方案。

5.3.2 健康度評(píng)估模型

系統(tǒng)通過(guò)健康度檢測(cè)模型，結(jié)合全生命周期數(shù)據(jù)（包括初始數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)）對(duì)各專業(yè)系統(tǒng)和設(shè)備進(jìn)行健康度檢測(cè)評(píng)分，并進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)推薦，使得系統(tǒng)故障或者停機(jī)檢修時(shí)間大為減少。

5.3.3 綠色能耗模型

運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)，對(duì)機(jī)房設(shè)備進(jìn)行1:1 仿真建模，系統(tǒng)調(diào)用設(shè)備建模數(shù)據(jù)，搭載綠色能耗模型，通過(guò)安裝在設(shè)備末端的智能傳感器，反饋數(shù)據(jù)到運(yùn)維系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)能耗模型的分析，系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)冷凍水管水流的大小并實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)精密空調(diào)的風(fēng)力來(lái)達(dá)到節(jié)能的效果。在服務(wù)器夜間較少運(yùn)行時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)可以減少冷量輸出來(lái)節(jié)能。

6 結(jié)語(yǔ)

綜合來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)基于BIM 和數(shù)字孿生技術(shù)，初步實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心的智慧運(yùn)維。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)設(shè)備采集數(shù)據(jù)，然后對(duì)各個(gè)物理實(shí)體的要素部分進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)的展現(xiàn)，基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，檢查各個(gè)設(shè)備的功能 、性能變化的情況及原因，揭示各類模式之間的關(guān)系，對(duì)于系統(tǒng)和設(shè)備的未來(lái)運(yùn)行情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)維行為進(jìn)行指導(dǎo)。