基于數(shù)字孿生的設(shè)備大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維平臺(tái)構(gòu)建

莊重 李宇舟 李陽(yáng)

【摘要】文章針對(duì)建筑附屬設(shè)備運(yùn)維現(xiàn)狀，基于數(shù)字孿生思想，提出設(shè)備運(yùn)維平臺(tái)的構(gòu)建思想，并且基于大數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備全生命期智能運(yùn)維系統(tǒng)。在成都市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)服務(wù)中心的項(xiàng)目上局部實(shí)踐探索。同時(shí)解決了底層不同廠商、不同類型的數(shù)據(jù)采集等技術(shù)問題。希望能夠?yàn)榻ㄖO(shè)備運(yùn)維數(shù)字孿生技術(shù)的未來發(fā)展與應(yīng)用提供一些思考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字孿生運(yùn)維管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

【中國(guó)分類號(hào)】TU712 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

1 建筑附屬設(shè)備運(yùn)維現(xiàn)狀

隨著建筑設(shè)計(jì)、建設(shè)技術(shù)的進(jìn)步，建筑群和大型單體建筑的建設(shè)越來越成熟。計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的發(fā)展，使得建筑附屬設(shè)施不僅僅包括傳統(tǒng)的電梯、空調(diào)、安防設(shè)備、照明設(shè)備、消防設(shè)備、監(jiān)控設(shè)備、綜合布線、弱電系統(tǒng)、給排水設(shè)備等，而且在建筑環(huán)境中使用越來越多的的智能化設(shè)施設(shè)備和智能系統(tǒng)。這樣建筑物能夠給使用者提供更多元化、個(gè)性化的服務(wù)。

一方面人工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備維護(hù)越來越難，維護(hù)成本不斷增加，而另一方面用戶對(duì)設(shè)備的維護(hù)要求也不斷提升。傳統(tǒng)的依靠人工巡視、值守、人工開關(guān)控制;各個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立控制;運(yùn)維人員后知后覺的運(yùn)維狀態(tài)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)狀。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，用戶希望能夠通過互聯(lián)網(wǎng)對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和維護(hù)，這樣可以減少維護(hù)工程師到現(xiàn)場(chǎng)的時(shí)間和費(fèi)用，不僅節(jié)約了大量的人力和物力的成本，同時(shí)也能提供更為快捷的服務(wù)，減少客戶的損失?？梢酝ㄟ^設(shè)備廠商的專家來進(jìn)行系統(tǒng)診斷，服務(wù)效率和質(zhì)量大大提高。還可以通過一些預(yù)警或者預(yù)案處理，避免故障發(fā)生后的損失。再者，在進(jìn)行設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)營(yíng)維護(hù)的過程中收集大量設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，為設(shè)備制造商的后續(xù)產(chǎn)品改進(jìn)設(shè)計(jì)提供更多分析數(shù)據(jù)。

因此迫切需要集中化、可視化、智能化聯(lián)動(dòng)、基于大數(shù)據(jù)健康管理（PHM）的運(yùn)維系統(tǒng)。但是現(xiàn)實(shí)中的建筑附屬設(shè)備要不沒有自動(dòng)化控制單元，要不就是自成獨(dú)立系統(tǒng)。同時(shí)由于沒有相關(guān)的行業(yè)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，造成各個(gè)設(shè)備系統(tǒng)形成信息孤島，集成困難，更無從實(shí)現(xiàn)集中采集數(shù)據(jù)、智慧聯(lián)動(dòng)、健康管理。這樣對(duì)設(shè)備運(yùn)維帶來新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也為運(yùn)維的提升帶來機(jī)遇。

2 數(shù)字孿生

BIM（Building Information Modelling，建筑信息建模）是大家十分熟悉的概念，而數(shù)字孿生（Digital twin）則是在BIM基礎(chǔ)上的一種邏輯延伸，更加關(guān)注人們與環(huán)境如何進(jìn)行交互。

數(shù)字孿生體利用數(shù)字技術(shù)對(duì)物理實(shí)體對(duì)象的特征、行為、形成過程和性能等進(jìn)行描述和建模的過程和方法，建立與現(xiàn)實(shí)世界物理實(shí)體完全對(duì)應(yīng)和一致的虛擬模型，可實(shí)時(shí)模擬自身在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為和性能;能夠根據(jù)物理實(shí)體運(yùn)行的實(shí)時(shí)反饋信息對(duì)物理實(shí)體的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，能夠依據(jù)采集的物理實(shí)體的運(yùn)行數(shù)據(jù)完善虛擬體的仿真分析算法，當(dāng)實(shí)體數(shù)據(jù)發(fā)生改變時(shí)，數(shù)字孿生體能進(jìn)行更新，實(shí)現(xiàn)孿生體與實(shí)體同生共長(zhǎng)。

數(shù)字孿生是個(gè)普遍適應(yīng)的理論技術(shù)體系，可以在眾多領(lǐng)域應(yīng)用。目前在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造、醫(yī)學(xué)分析、工程建設(shè)等領(lǐng)域應(yīng)用較多。以Autodesk公司為代表的工程建設(shè)類軟件供應(yīng)商，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于建筑、工廠、基礎(chǔ)設(shè)施等建設(shè)領(lǐng)域，把建筑和基礎(chǔ)設(shè)施看做產(chǎn)品進(jìn)行全生命周期的管理。

3 大數(shù)據(jù)智能運(yùn)維平臺(tái)構(gòu)建

面對(duì)行業(yè)內(nèi)的運(yùn)維需求，以數(shù)字孿生為主要建設(shè)理論，嘗試一個(gè)構(gòu)建具有設(shè)備管理、設(shè)備監(jiān)控、遠(yuǎn)程預(yù)警、遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程指導(dǎo)、運(yùn)維保障、遠(yuǎn)程故障處理、設(shè)備優(yōu)化、數(shù)據(jù)分析、備件管理等功能的數(shù)字孿生運(yùn)維平臺(tái)。

數(shù)字孿生的三大組成部分分別是現(xiàn)實(shí)空間中的物理實(shí)體，虛擬空間中的虛擬產(chǎn)品以及連接物理實(shí)體與虛擬產(chǎn)品之間的信息通道。對(duì)應(yīng)這三個(gè)部分，構(gòu)建如下系統(tǒng)框架（圖1）。

3.1 物理實(shí)體部分

這部分主要對(duì)應(yīng)具體的物理設(shè)備。對(duì)于沒有自動(dòng)化控制部分的設(shè)備需要配合傳感器，單獨(dú)研制數(shù)據(jù)采集及控制板，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集和設(shè)備控制功能。對(duì)應(yīng)本身具有遠(yuǎn)程控制功能的設(shè)備，需要研制協(xié)議轉(zhuǎn)化卡，將設(shè)備廠商的協(xié)議轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)統(tǒng)一的協(xié)議實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)采集和控制。

所有的數(shù)據(jù)采集卡或者協(xié)議轉(zhuǎn)換卡都通過信道連接到網(wǎng)關(guān)上，由網(wǎng)關(guān)調(diào)度控制。連接的信道可以有多種形式，無線的方式有：Wifi、ZigBee、NBIoT、藍(lán)牙等，有線的方式有以太網(wǎng)、485總線等。

3.2 信息通道

通信信道包含設(shè)備端的網(wǎng)關(guān)軟硬件和服務(wù)器端的數(shù)據(jù)解析、命令發(fā)送軟件（圖2）。網(wǎng)關(guān)向下與設(shè)備通信，向上與服務(wù)器通信。同時(shí)網(wǎng)關(guān)還要承擔(dān)邊緣計(jì)算的工作，實(shí)現(xiàn)下端區(qū)域內(nèi)的簡(jiǎn)單智能聯(lián)動(dòng)，如：檢測(cè)到漏水信號(hào)，則直接關(guān)閉對(duì)應(yīng)的電磁閥。發(fā)現(xiàn)二氧化碳過高，則啟動(dòng)排風(fēng)扇等。

3.3 虛擬部分

本部分即為服務(wù)器的軟件部分，其中的主要功能簡(jiǎn)要說明如下。

3.3.1 設(shè)備管理

遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)能夠?qū)λ惺鄢龅脑O(shè)備進(jìn)行管理，包括設(shè)備型號(hào)、售出時(shí)間、運(yùn)行地點(diǎn)等信息。由于設(shè)備運(yùn)行地具有分布廣、分散的特點(diǎn)，系統(tǒng)提供GIS地圖方式來查看運(yùn)行地點(diǎn)，方便進(jìn)行快速定位。另外系統(tǒng)中應(yīng)提供關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)表展示的能力，以便展示設(shè)備管理的信息。

3.3.2 設(shè)備監(jiān)控

對(duì)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)，將分散在不同地點(diǎn)的設(shè)備數(shù)據(jù)接入到遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)中來，對(duì)設(shè)備運(yùn)行、易損部件磨損程度及電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行檢查和校驗(yàn)，便于判斷設(shè)備的運(yùn)行情況。

由于設(shè)備型號(hào)不同，使用的上位機(jī)系統(tǒng)和觸摸屏等，遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)能夠支持與不同上位機(jī)系統(tǒng)或觸摸屏進(jìn)行通信。由于設(shè)備運(yùn)行地點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)條件不同，遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)支持通過多種方式進(jìn)行通信。另外，隨著設(shè)備數(shù)量的增加，遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)能夠容納大量的數(shù)據(jù)。

對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控還包括視頻監(jiān)控，運(yùn)維系統(tǒng)能夠獲取設(shè)備關(guān)鍵部位的視頻信息，為遠(yuǎn)程診斷、故障維護(hù)提供視頻信息。

3.3.3 遠(yuǎn)程診斷、預(yù)警、故障維護(hù)

遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的操作員根據(jù)設(shè)備運(yùn)行有關(guān)的數(shù)據(jù)、報(bào)警、事件等信息，結(jié)合設(shè)備特性和專家經(jīng)驗(yàn)，可對(duì)其進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和故障預(yù)警，指導(dǎo)用戶按規(guī)定及時(shí)加注潤(rùn)滑油，檢查、調(diào)整設(shè)備可調(diào)整數(shù)值至標(biāo)準(zhǔn)范圍，緊固松脫的零件等，及時(shí)消除設(shè)備隱患。

通過對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)收集了大量的數(shù)據(jù)，掌握了設(shè)備技術(shù)狀況的變化和損耗情況，但這些數(shù)據(jù)需要與設(shè)備模型、專家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，進(jìn)行分析才能進(jìn)行準(zhǔn)確的設(shè)備診斷、預(yù)警。故遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)能與設(shè)備廠商已有的設(shè)備模型、總結(jié)出來的專家經(jīng)驗(yàn)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和預(yù)警功能。

當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障后，遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)可根據(jù)故障類型，通知給不同的專家、技術(shù)人員，便于相關(guān)人員與現(xiàn)場(chǎng)取得聯(lián)系，盡快排查故障原因、恢復(fù)正常運(yùn)行。

遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)應(yīng)具有豐富靈活的通知方式，將設(shè)備的故障信息及時(shí)通知給設(shè)備廠商的專家或技術(shù)員，以便進(jìn)行下一步的故障排除和維護(hù)工作。

3.3.4 基于大數(shù)據(jù)的人工智能分析功能，

結(jié)合現(xiàn)有的人工智能技術(shù)，在系統(tǒng)中建設(shè)人工智能算法模型，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)處理，將人工智能與運(yùn)營(yíng)相結(jié)合，逐步實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能運(yùn)營(yíng)。包括在設(shè)備運(yùn)營(yíng)可靠性的提高、設(shè)備壽命的提高、設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本的下降等。

4 系統(tǒng)實(shí)踐

成都市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)服務(wù)中心的項(xiàng)目是目前在建的項(xiàng)目，工期到2021年中。在該項(xiàng)目中選擇兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景作為內(nèi)容探索構(gòu)建運(yùn)維平臺(tái)。這兩個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景分別是：空氣質(zhì)量和新風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，水位和增壓泵的聯(lián)動(dòng)。為了減少相互的電磁干擾，傳感器和網(wǎng)關(guān)之間采用485總線連接（圖3）。

4.1 簡(jiǎn)化網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器通信協(xié)議

為了簡(jiǎn)化協(xié)議解析和擴(kuò)展，采用ASCII 編碼+產(chǎn)品供應(yīng)商編碼體系。本項(xiàng)目中使用到的編碼見表1。

例如：網(wǎng)關(guān)上傳的格式為“MAC 標(biāo)識(shí)：MAC地址;Temperature：溫度值;Humidity：濕度值;CO2：二氧化碳值;HCHO：甲醛值”。對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)如下：

MAC：38FF6B064154343041580257;Temperature：27.61C;Humidity：44.80%;CO2：0187ppm;HCHO：0071ug/L。

4.2 網(wǎng)關(guān)

本項(xiàng)目的網(wǎng)關(guān)采用模塊化設(shè)計(jì)，由電源、直流遠(yuǎn)供、通信

模塊（以太網(wǎng)、連接上位機(jī)）、調(diào)度卡構(gòu)成。基本單元可接入10個(gè)傳感器信道，對(duì)應(yīng)10張可插拔卡，每張卡上可以單獨(dú)編程處理不同信道、通信協(xié)議的傳感器。這樣網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。

在初始設(shè)計(jì)中，所有廠商設(shè)備的協(xié)議轉(zhuǎn)換應(yīng)該在網(wǎng)關(guān)完成。傳送給服務(wù)器應(yīng)該是自己定義的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式，但是由于廠商的協(xié)議復(fù)雜調(diào)試不方便、同時(shí)變化較快。所以部分設(shè)備的協(xié)議解析沒有放在網(wǎng)關(guān)，而是由網(wǎng)關(guān)打包，發(fā)送到服務(wù)器，由服務(wù)器負(fù)責(zé)解析。這樣做的好處是便于調(diào)試系統(tǒng)，可以在不修改硬件的條件下，響應(yīng)供應(yīng)商的變化。確定是增加了服務(wù)器端軟件的復(fù)雜度，降低了服務(wù)器處理數(shù)據(jù)的效率。

4.3 服務(wù)器

服務(wù)器部署于阿里云服務(wù)器中，平臺(tái)基于Laravel+Swoole架構(gòu)設(shè)計(jì)，采用Swoole提供的多線程架構(gòu)為下位機(jī)數(shù)據(jù)通信提供異步處理的機(jī)制，基于Redis設(shè)計(jì)系統(tǒng)緩存共享數(shù)據(jù)，為輪詢?cè)O(shè)備狀態(tài)及系統(tǒng)服務(wù)維護(hù)。系統(tǒng)前后分離，前端支持PC端操作和微信小程序。

4.4 瀏覽器

打開瀏覽器，輸入www.hxazyg.com進(jìn)入平臺(tái)登錄，輸入賬戶密碼即可登錄平臺(tái)，見圖4。

4.5 微信小程序

采用微信掃二維碼，安裝“機(jī)電運(yùn)維服務(wù)管理平臺(tái)”小程序。具有實(shí)時(shí)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)、通知等功能（圖5）。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字孿生技術(shù)是當(dāng)前最新的研究熱點(diǎn)之一。其價(jià)值正在被各專業(yè)人員所認(rèn)同，反映了一種新的先進(jìn)的生產(chǎn)管理的理念與研究方向。本文基于數(shù)字孿生理論，進(jìn)行建筑附屬設(shè)

備運(yùn)維系統(tǒng)的探索性構(gòu)建，希望能夠?yàn)榻ㄖO(shè)備運(yùn)維數(shù)字孿生技術(shù)的未來發(fā)展與應(yīng)用提供一些思考和借鑒。

參考文獻(xiàn)

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