王 亭，王 佳

(北京建筑大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，北京 100044)

0 引 言

建筑數(shù)據(jù)云端化是當(dāng)前發(fā)展的趨勢(shì)[1]，隨著建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)的發(fā)展與變革，建筑的靜態(tài)數(shù)據(jù)云端化已經(jīng)得到了很好的解決，但建筑運(yùn)維產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理并沒(méi)有得到更好的解決，對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互也是亟待解決的難題，使得建筑運(yùn)維的管理工作缺乏直觀性、便捷性和高效性。針對(duì)大量設(shè)備對(duì)象的提供廠家不盡相同，導(dǎo)致傳輸?shù)膮f(xié)議差異，要如何把不同格式的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫四?？?shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫撕笤谌S的建筑物中以什么形式來(lái)展示建筑的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)和靜態(tài)數(shù)據(jù)呢？這些問(wèn)題都需要去突破。面對(duì)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理和分析問(wèn)題，當(dāng)前正在不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(IoT)、云計(jì)算和云平臺(tái)技術(shù)可以為解決上述問(wèn)題提供很好的技術(shù)方法[2]，并能為建筑數(shù)據(jù)的管理提供新的機(jī)遇。該研究結(jié)合全生命周期的BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)以及基于WebGL的三維可視化技術(shù)，致力于解決設(shè)備管理中海量多樣化數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和交互，實(shí)現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的可視化操作和云管控，為高效智能的設(shè)備管控服務(wù)。

1 當(dāng)前設(shè)備管理面臨的問(wèn)題

1.1 數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、存儲(chǔ)分散、不完整

一個(gè)“數(shù)字化建筑物”包含建筑全生命周期的所有實(shí)體信息、屬性信息和運(yùn)維數(shù)據(jù)信息，尤其是運(yùn)維過(guò)程中設(shè)備產(chǎn)生的狀態(tài)數(shù)據(jù)是多源異構(gòu)的。傳統(tǒng)上整個(gè)建筑的管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集往往都是階段性收集的，最終數(shù)據(jù)紀(jì)錄和存儲(chǔ)是分散雜亂的，對(duì)于建筑設(shè)備的數(shù)據(jù)復(fù)用率極低，使得這些數(shù)據(jù)失去了它們潛在的價(jià)值。物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)下設(shè)備數(shù)據(jù)涉及傳感器、RFID讀取器和其它設(shè)備快速生成的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量龐大、快速增加、數(shù)據(jù)多源異構(gòu)，因此用于物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)解決方案不僅必須能夠有效地存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，必須支持水平縮放，以高吞吐量處理數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件還必須具有處理異構(gòu)數(shù)據(jù)資源的能力。

1.2 數(shù)據(jù)信息不友好、不直觀、缺乏交互性

當(dāng)前很多設(shè)備管理場(chǎng)景中仍都是依靠中控室平面圖和數(shù)據(jù)監(jiān)控畫面的方式[3]，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)常獲取不及時(shí)，有些設(shè)備狀態(tài)與參數(shù)仍要靠工作人員現(xiàn)場(chǎng)檢查和采取，且對(duì)于中控室搜集的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)往往都是通過(guò)工藝平面圖、表格的方式展現(xiàn)的，這樣的方式不直觀，對(duì)于迫切需要檢查的參數(shù)不能及時(shí)獲取，不熟悉業(yè)務(wù)的工作人員難度就更加大了。另外，狀態(tài)數(shù)據(jù)僅僅展示，并沒(méi)有做到實(shí)用性的交互利用。

1.3 對(duì)技術(shù)人員的依賴性高

一方面，一些設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)還需要運(yùn)維人員間斷期的到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查和收集，這種方式對(duì)管理人員的要求高，無(wú)形中增加了人力成本。另一方面，對(duì)于一些比較簡(jiǎn)單的或者流程化的維護(hù)維修工作都需要依靠經(jīng)驗(yàn)豐富的老師傅，當(dāng)在設(shè)備維修任務(wù)中，遇到技術(shù)難點(diǎn)對(duì)老師傅的依賴性比較大，有時(shí)候某些數(shù)據(jù)的資料和設(shè)備狀況也只有少數(shù)的人員掌握，這些狀況都是對(duì)技術(shù)人員高依賴性的集中表現(xiàn)。

1.4 數(shù)據(jù)處理不及時(shí)、準(zhǔn)確性低、實(shí)時(shí)性差

對(duì)于運(yùn)維工作場(chǎng)景的數(shù)據(jù)都是運(yùn)維工作人員從具體的工作場(chǎng)景下記錄的，如維護(hù)維修記錄等，但是這些記錄都是紙質(zhì)化或者存儲(chǔ)在表格中，記錄的這些數(shù)據(jù)往往得不到及時(shí)的處理，實(shí)時(shí)性差，查找起來(lái)也不方便，有時(shí)工作人員的遺漏、書(shū)寫模糊都會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。

針對(duì)以上提出的問(wèn)題，首先提出了一個(gè)基于IoT數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框架，為了存儲(chǔ)和管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于組合多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理模型，還構(gòu)建了一個(gè)文件存儲(chǔ)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的版本管理。同時(shí)，針對(duì)云平臺(tái)如何使得BIM數(shù)據(jù)和設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互做了詳細(xì)的交互設(shè)計(jì)。最后針對(duì)一個(gè)實(shí)際的水庫(kù)泵房開(kāi)發(fā)了基于所提出的框架和交互設(shè)計(jì)方法的原型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明框架的有效性。

2 系統(tǒng)整體架構(gòu)

該文針對(duì)提出的基于IoT數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)框架，以實(shí)際的生產(chǎn)項(xiàng)目水廠泵房為案例，從數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)交互的性能上，都充分驗(yàn)證了提出方法的實(shí)用性和價(jià)值所在，整體技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 技術(shù)架構(gòu)

3 技術(shù)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于IoT數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)框架

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中，許多傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)平臺(tái)都基于關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)。雖然關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面仍然很突出，但它們很難在大數(shù)據(jù)環(huán)境中提供足夠的性能。作為關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)的補(bǔ)充，那些能夠在分布式環(huán)境中有效處理海量數(shù)據(jù)的工具，如Hadoop和NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)，正在引起越來(lái)越多的關(guān)注。NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)提供了關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)無(wú)法提供的一系列功能，例如水平可伸縮性，內(nèi)存和分布式索引，動(dòng)態(tài)修改數(shù)據(jù)模式等。Hadoop是Google Map Reduce的開(kāi)源實(shí)現(xiàn)，它支持Map Reduce[4]以高性能處理海量數(shù)據(jù)。許多學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了結(jié)合NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)和Hadoop文件庫(kù)處理數(shù)據(jù)的研究，并開(kāi)發(fā)了一個(gè)結(jié)合Hadoop和并行數(shù)據(jù)庫(kù)的體系結(jié)構(gòu)，它允許統(tǒng)一訪問(wèn)和管理[5]。還提出了一個(gè)框架，允許開(kāi)發(fā)人員使用結(jié)構(gòu)化查詢語(yǔ)言(SQL)在關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)和NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)上運(yùn)行。本文提出的基于IoT數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)框架，支持高吞吐量處理數(shù)據(jù)，能夠有效地存儲(chǔ)海量數(shù)據(jù)，支持水平縮放。物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可以從許多不同的來(lái)源收集，并由各種結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)組成，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組件具有處理異構(gòu)數(shù)據(jù)資源的能力。為了存儲(chǔ)和管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，構(gòu)建了基于組合多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理模型，還構(gòu)建了一個(gè)文件存儲(chǔ)庫(kù)Hadoop來(lái)實(shí)現(xiàn)非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的版本管理。此外，基于數(shù)據(jù)庫(kù)管理模型和文件庫(kù)，提出了一種RESTful服務(wù)生成機(jī)制，為訪問(wèn)基于框架存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序提供API接口。提出的存儲(chǔ)框架結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)架構(gòu)

其中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框架由以下幾個(gè)模塊組成：

(1)文件存儲(chǔ)庫(kù)：文件存儲(chǔ)庫(kù)使用hadoop分布式文件系統(tǒng)(HDFS)在分布式環(huán)境中存儲(chǔ)非結(jié)構(gòu)化文件。物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備生成的數(shù)據(jù)只有在可以識(shí)別的情況下才有價(jià)值。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)中生成的數(shù)據(jù)，本文方法是使用設(shè)備數(shù)據(jù)的生成時(shí)間戳和設(shè)備編碼ID來(lái)識(shí)別設(shè)備一次生成的數(shù)據(jù)，將時(shí)間戳和ID號(hào)存儲(chǔ)在相應(yīng)的文件名中；

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)模塊：數(shù)據(jù)庫(kù)模塊組合了多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)，并使用NoSQL數(shù)據(jù)庫(kù)和關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。該模塊還為多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)提供統(tǒng)一的API和對(duì)象實(shí)體映射，以隱藏它們?cè)趯?shí)現(xiàn)和接口方面的差異，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)訪問(wèn)模塊的開(kāi)發(fā)和數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用程序遷移。數(shù)據(jù)庫(kù)管理的關(guān)鍵任務(wù)是組合多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)并統(tǒng)一訪問(wèn)接口。對(duì)象實(shí)體映射和查詢自適應(yīng)是此模型中使用的主要方法[6]；

(3)資源配置模塊：資源配置模塊支持預(yù)定元模型的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理。因此，可以基于用戶要求來(lái)配置數(shù)據(jù)資源和相關(guān)服務(wù)。此模塊涉及用戶配置、配置服務(wù)接口、元模型和配置策略；

(4)服務(wù)模塊：服務(wù)模塊用于自動(dòng)生成RESTful服務(wù)。該模塊通過(guò)配置提取元數(shù)據(jù)，然后根據(jù)元數(shù)據(jù)映射到存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)和文件庫(kù)中的數(shù)據(jù)實(shí)體和文件[7]，最后生成相應(yīng)的RESTful服務(wù)。RESTful服務(wù)作為具有唯一URI的公開(kāi)資源，可以通過(guò)HTTP請(qǐng)求進(jìn)行操作。統(tǒng)一接口使資源可以被不同平臺(tái)上的客戶端訪問(wèn)[8]。復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理過(guò)程可以通過(guò)面向資源的服務(wù)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常，4種類型的HTTP請(qǐng)求被映射到4種類型的操作：“GET”映射檢索，“POST”映射創(chuàng)建，“PUT”映射更新和“DELETE”映射刪除。因此，本文根據(jù)映射構(gòu)建服務(wù)方法，并將HTTP請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為資源上的操作。

3.2 基于BIM與IoT的設(shè)備管理平臺(tái)

本研究要實(shí)現(xiàn)樓宇設(shè)備的高效管理，BIM技術(shù)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備管理的核心，針對(duì)設(shè)備運(yùn)維過(guò)程中數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、量大冗雜且實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，本文在盈嘉互聯(lián)“BOS建筑運(yùn)維云”的數(shù)字化運(yùn)維服務(wù)平臺(tái)基礎(chǔ)上進(jìn)行了針對(duì)性的軟件開(kāi)發(fā)，開(kāi)發(fā)平臺(tái)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)自下而上分?jǐn)?shù)據(jù)層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層、傳輸層和應(yīng)用層。最底層的數(shù)據(jù)庫(kù)由BIM數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)組成。模型數(shù)據(jù)即建筑的BIM數(shù)據(jù)庫(kù)，包含建筑的實(shí)體、施工、交付文檔、模型、圖紙、材質(zhì)、屬性、關(guān)聯(lián)、設(shè)備、空間信息等等；運(yùn)維數(shù)據(jù)主要指日常運(yùn)維產(chǎn)生的維護(hù)維修紀(jì)錄信息、預(yù)警報(bào)警信息；實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)即設(shè)備在運(yùn)行過(guò)程中的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和報(bào)警狀態(tài)信息。服務(wù)層基于表現(xiàn)層狀態(tài)轉(zhuǎn)移(representational state transfer，REST)服務(wù)搭建，解決了傳統(tǒng)業(yè)務(wù)反應(yīng)滯后、交互方式不直觀、渲染效果差等問(wèn)題，而輕量級(jí)的REST調(diào)用服務(wù)具有易開(kāi)發(fā)和維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[6]。業(yè)務(wù)層根據(jù)運(yùn)維管理的功能需求設(shè)計(jì)，主要的業(yè)務(wù)功能管理對(duì)象有設(shè)備信息集成、模型可視化、維護(hù)維修、預(yù)警報(bào)警和人員管理，該層功能管理對(duì)象也可根據(jù)實(shí)際情況做相應(yīng)的修改和擴(kuò)展。傳輸層通過(guò)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層與底層數(shù)據(jù)的交換和信息處理。應(yīng)用層支持電腦端和移動(dòng)端應(yīng)用程序等多種方式，運(yùn)維人員通過(guò)應(yīng)用層登入該系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理。

該平臺(tái)應(yīng)用前文提出的基于IoT數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)框架，該存儲(chǔ)框架不僅支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和調(diào)用，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)處理時(shí)的高吞吐量，確保平臺(tái)數(shù)據(jù)的快速查詢和展示。

BIM數(shù)據(jù)通過(guò)BIM建模軟件Revit中的開(kāi)放數(shù)據(jù)庫(kù)互連功能(open database connectivity)導(dǎo)出。設(shè)備運(yùn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過(guò)OPC SERVER接口與結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)連接，根據(jù)第三范式-3NF方法判斷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型，把數(shù)據(jù)分類存儲(chǔ)到文件存儲(chǔ)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)模塊[9]。將這些信息與設(shè)備靜態(tài)信息相關(guān)聯(lián)，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)信息與建筑空間信息之間的交互，點(diǎn)擊相應(yīng)設(shè)備就可以查看與之關(guān)聯(lián)的靜動(dòng)態(tài)信息。其中平臺(tái)數(shù)據(jù)的傳輸過(guò)程如圖4所示。

圖4 平臺(tái)數(shù)據(jù)的處理過(guò)程

3.3 BIM模三維可視化技術(shù)

工業(yè)基礎(chǔ)類標(biāo)準(zhǔn)(industry foundation class，IFC)是BIM領(lǐng)域開(kāi)放的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由國(guó)際協(xié)同聯(lián)盟(IAI，現(xiàn)名為BuildingSMART聯(lián)盟)建立用來(lái)作為共享和交換建筑全生命周期信息的載體，具有較為完善的信息分類和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[10]，能夠?yàn)楸姸郆IM軟件間的數(shù)據(jù)交換和跨平臺(tái)信息共享提供統(tǒng)一規(guī)范。

BIM模型的三維可視化通過(guò)將IFC(industry foundation classes)格式[11,12]的模型文件上傳到 BIM Server服務(wù)器中，服務(wù)器先把IFC文件解析成三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，然后通過(guò)統(tǒng)一的API接口鏈接設(shè)備模型數(shù)據(jù)和運(yùn)維數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)圖形庫(kù)(web graphics library，WebGL)下的建筑模型三維可視化瀏覽，某泵房現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的三維可視化效果如圖5所示。

圖5 某泵房現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)可視化效果

3.4 靜動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交互

本研究基于BIM與IoT的設(shè)備管理平臺(tái)支持以下實(shí)時(shí)交互方法，即：①模型可視化瀏覽和信息集成化管理；②設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示；③設(shè)備維護(hù)維修管理；④設(shè)備預(yù)警報(bào)警管理；⑤多方用戶線上交互。

3.4.1 模型可視化瀏覽和信息集成化管理

平臺(tái)中存儲(chǔ)了建筑的BIM模型，在云端可以直接打開(kāi)存儲(chǔ)在平臺(tái)上的模型IFC文件，后臺(tái)解析后渲染出建筑設(shè)備的三維模型，渲染結(jié)果不僅可以瀏覽設(shè)備的三維模型，同時(shí)模型中也存儲(chǔ)了建筑以及設(shè)備全生命周期的信息，支持建筑的實(shí)體、施工、模型、材質(zhì)、屬性、關(guān)聯(lián)、設(shè)備、空間、資產(chǎn)、人員等靜態(tài)信息和設(shè)備運(yùn)維過(guò)程中產(chǎn)生的巡檢、維護(hù)、維修紀(jì)錄等信息的查看。平臺(tái)集成了建筑全生命周期的所有信息，高質(zhì)量地確保了信息的完整性，并且這些信息可以得到有效的復(fù)用，查找起來(lái)快速便捷。

3.4.2 設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

傳統(tǒng)上BIM設(shè)備管理僅支持在三維模型中查看建筑和設(shè)備的靜態(tài)屬性信息以及設(shè)備運(yùn)維紀(jì)錄，并不支持在BIM模型中直觀地查看設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。本研究中提出的基于IoT的存儲(chǔ)框架解決了數(shù)據(jù)多源異構(gòu)的問(wèn)題，同時(shí)支持大量數(shù)據(jù)的高吞吐量處理和水平縮放。首先根據(jù)住建部批準(zhǔn)的自2018年5月1日起實(shí)施的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T51269-2017《建筑信息模型分類和編碼標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)設(shè)備進(jìn)行編碼，設(shè)備編碼ID主要由表代碼、大類代碼、中類代碼、小類代碼和細(xì)類代碼5個(gè)部分組成，每個(gè)部分由兩位數(shù)字生成。設(shè)備編碼的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 設(shè)備編碼的結(jié)構(gòu)

單體設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)編碼(SID)由設(shè)備編碼(ID)和接受到數(shù)據(jù)的時(shí)間戳(TS)組成，即

SID=ID+TS

(1)

這樣，設(shè)備模型與靜態(tài)信息和設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)就可以根據(jù)編好的ID和SID相互映射，進(jìn)而做到BIM數(shù)據(jù)庫(kù)與運(yùn)維數(shù)據(jù)庫(kù)和設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)的映射，平臺(tái)中渲染設(shè)備模型的同時(shí)通過(guò)關(guān)聯(lián)設(shè)備的ID和SID關(guān)聯(lián)映射，靈活應(yīng)用API接口調(diào)取設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)到模型中的設(shè)備上顯示，這樣就可以在模型中實(shí)時(shí)查看該設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)。通過(guò)查看設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，既是管理方式上的一次技術(shù)性變革，同時(shí)也對(duì)設(shè)備的運(yùn)行情況做到了更加及時(shí)和精確的掌控和應(yīng)變。其中，設(shè)備信息和設(shè)備狀態(tài)信息的對(duì)象實(shí)體(OR)映射關(guān)系圖如圖7所示。

圖7 設(shè)備數(shù)據(jù)OR映射關(guān)系

3.4.3 設(shè)備維護(hù)維修管理

運(yùn)維人員在運(yùn)維工作中需要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，對(duì)于報(bào)修或者報(bào)廢的設(shè)備需要如期維修和更換，然而，這些設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)情況記錄和維修詳情對(duì)于設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行都是有著重大參考作用的。運(yùn)維人員可以直接在平臺(tái)上增添設(shè)備維護(hù)維修記錄，記錄設(shè)備損壞的緣故和維修進(jìn)度信息，通過(guò)程序化與系統(tǒng)化的信息統(tǒng)計(jì)，平臺(tái)上可以查看目標(biāo)設(shè)備的維護(hù)維修歷史記錄。同時(shí)，工作人員可以通過(guò)平臺(tái)發(fā)起設(shè)備維修的派工任務(wù)，維修人員接受派工單后可在平臺(tái)快速定位目標(biāo)設(shè)備位置并查看對(duì)應(yīng)設(shè)備的詳細(xì)信息，這些服務(wù)為維修人員大幅度減少了維修時(shí)間，縮短了設(shè)備故障停工周期，提高了生產(chǎn)效率。技術(shù)層面上，當(dāng)工作人員需要查看一些設(shè)備的屬性信息或者設(shè)備安裝信息、使用手冊(cè)等信息，在該平臺(tái)都可以輕松查到，降低對(duì)特定工作人員的技術(shù)依賴。

3.4.4 設(shè)備預(yù)警報(bào)警管理

對(duì)平臺(tái)中紀(jì)錄的設(shè)備維護(hù)維修紀(jì)錄，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)化的分析和整合可以對(duì)設(shè)備做一些預(yù)期管理。如對(duì)于易壞、高頻率故障、敏感且關(guān)鍵、到期的設(shè)備設(shè)置一些報(bào)警閾值[13]，當(dāng)設(shè)備狀態(tài)達(dá)到這個(gè)閾值，平臺(tái)就給前端管理界面或模型中發(fā)送預(yù)警信息，提醒運(yùn)維人員及時(shí)處理，如此就避免了設(shè)備高頻故障、損壞，減少了設(shè)備損壞停工占用周期，提高生產(chǎn)效率的同時(shí)也延長(zhǎng)了設(shè)備的使用壽命，一定程度上節(jié)約了設(shè)備管理成本。為了快捷處理警情，可根據(jù)警情的緊急程度把警情分多等級(jí)管理，如把設(shè)備報(bào)警分為A，B，C這3個(gè)等級(jí)。

3.4.5 多方用戶線上交互

該設(shè)備運(yùn)維管理平臺(tái)為運(yùn)維多方專業(yè)人員提供一個(gè)線上溝通協(xié)作的協(xié)同環(huán)境，打通各項(xiàng)專業(yè)壁壘，促使多方專業(yè)人員高效開(kāi)展工作，減少問(wèn)題解決的占用時(shí)間。如當(dāng)維修人員在設(shè)備維修時(shí)，遇到暖通管道方面的問(wèn)題，一方面可以直接在模型中直觀瀏覽管道的整體三維架構(gòu)，另一方面可以在平臺(tái)中發(fā)起一個(gè)“多人討論”回話[14]，這樣多方專業(yè)人員就可以一同在該回話中一起交流討論，使得問(wèn)題盡快解決。

4 設(shè)備運(yùn)維管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

4.1 平臺(tái)搭建

為了體現(xiàn)提出的交互方法的實(shí)用性和高效性，本章節(jié)以北京市某一凈水廠的泵房為設(shè)備運(yùn)維管理對(duì)象，根據(jù)BIM的特性進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，設(shè)計(jì)了面向配水泵房的設(shè)備運(yùn)維管理平臺(tái)。該泵房建筑總面積為3499.2 m2，建筑占地面積1166.4 m2，地下一層，地上一層，一共包含8個(gè)水泵體系，泵房現(xiàn)場(chǎng)如圖8所示。泵房?jī)?nèi)設(shè)備管理對(duì)象繁多且系統(tǒng)復(fù)雜、監(jiān)控的設(shè)備參數(shù)龐大、實(shí)時(shí)性要求又高，在管理大量設(shè)備對(duì)象中面臨著巨大的挑戰(zhàn)。基于BIM技術(shù)的泵房管理模型充分整合泵房設(shè)備的各種信息，同時(shí)把設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)和運(yùn)維數(shù)據(jù)集成在BIM模型中。通過(guò)平臺(tái)信息高度集成化、協(xié)同性和完整性可實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理過(guò)程中的信息高效流通、實(shí)時(shí)交互和資源共享。

圖8 泵房現(xiàn)場(chǎng)

4.2 交互方法展示

泵房設(shè)備管理平臺(tái)包含以下主要應(yīng)用模塊：綜合監(jiān)控管理界面、資產(chǎn)管理、運(yùn)維管理、可視化管理、用戶管理、系統(tǒng)管理。平臺(tái)登錄后首先是一個(gè)泵房的綜合監(jiān)控管理界面，如圖9所示，綜合展示泵房的基本信息，資產(chǎn)信息，設(shè)備核心狀態(tài)信息，水質(zhì)參數(shù)、溫濕度信息、巡檢、報(bào)警和預(yù)警信息。通過(guò)綜合界面可進(jìn)入各板塊的詳細(xì)信息頁(yè)面。

圖9 綜合監(jiān)控管理界面

單擊綜合界面中的“控制臺(tái)”按鈕，即可進(jìn)入控制臺(tái)界面，該頁(yè)面展示泵房?jī)?nèi)所有資產(chǎn)設(shè)備信息和關(guān)聯(lián)文件信息，包括資產(chǎn)設(shè)備的ID、名稱、維修記錄、圖紙、安裝手冊(cè)、使用手冊(cè)、經(jīng)驗(yàn)分享等信息，其中屬性信息和關(guān)聯(lián)信息匹配選中的資產(chǎn)設(shè)備。設(shè)備的維護(hù)維修的詳細(xì)信息點(diǎn)擊“明細(xì)”按鈕即可瀏覽詳細(xì)的維護(hù)維修信息內(nèi)容。

同時(shí)支持點(diǎn)擊“維修統(tǒng)計(jì)表”查看整體設(shè)備的維修統(tǒng)計(jì)情況，做到宏觀把控，及時(shí)解決問(wèn)題的效果。點(diǎn)擊“三維模型”即可進(jìn)入到泵房的三維可視化模型如圖10所示。

圖10 泵房的三維可視化模型

4.3 數(shù)據(jù)交互方案

具體的模型展示方案包含：水泵上方顯示水泵壓力表的參數(shù)值、以及真空泵的參數(shù)值、水泵溫度值、轉(zhuǎn)速、開(kāi)關(guān)狀態(tài)。水泵右邊為供水管道(進(jìn)水)，管道上智能顯示供水流量、濁度、余氯、電導(dǎo)率、pH參數(shù)信息。水泵上邊為回水管道(出水)，管道上顯示回水流量及水質(zhì)參數(shù)信息。左側(cè)配電機(jī)的上側(cè)顯示電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和溫度信息、電機(jī)的油量?jī)?chǔ)備信息，仿照電池剩余百分比顯示油量的剩余情況。單擊水泵可查看水泵的屬性信息，其中包括水泵型號(hào)、轉(zhuǎn)速、葉輪直徑、配用功率、流量、揚(yáng)程、設(shè)備編碼、汽濁余量、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、出廠編號(hào)、廠家等信息。

在三維模型場(chǎng)景中支持設(shè)備構(gòu)件的檢索、伸縮瀏覽、快速查看警情信息、折線圖顯示設(shè)備運(yùn)行情況、查看資產(chǎn)列表功能。其中，如設(shè)備周期運(yùn)行的參數(shù)紀(jì)錄圖表、設(shè)備月周期的保養(yǎng)、維修維護(hù)紀(jì)錄等，利用這些歷史紀(jì)錄信息和統(tǒng)計(jì)圖表可用于對(duì)設(shè)備進(jìn)一步管理作出明智和預(yù)測(cè)性的決策。同時(shí)，在“操作修改”界面支持對(duì)設(shè)備信息的修改和增刪。

4.4 場(chǎng)景交互方案

現(xiàn)階段下維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)作業(yè)如對(duì)泵體的進(jìn)出水口壓力、電機(jī)箱的發(fā)熱程度、油量剩余情況等都需要在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行一一針對(duì)性監(jiān)測(cè)和核實(shí)，而該平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)在泵房模型中進(jìn)行三維現(xiàn)場(chǎng)漫游實(shí)時(shí)的監(jiān)看，對(duì)于泵房全局的情況更加明朗和直觀，相對(duì)于前者的管理方式就更加先進(jìn)和高效。現(xiàn)場(chǎng)的漫游圖見(jiàn)上文的圖5所示。維修人員也可以根據(jù)模型快速定位目標(biāo)設(shè)備的位置，并快速檢索設(shè)備的相關(guān)數(shù)據(jù)信息。當(dāng)維修人員遇到技術(shù)難題，可以通過(guò)該平臺(tái)協(xié)同各專業(yè)維護(hù)人員進(jìn)行技術(shù)探討和交流，從而更加快捷地找出問(wèn)題并解決問(wèn)題。另外，該平臺(tái)也是一個(gè)可以讓新員工快速全面熟悉該泵房整體運(yùn)維情況的智能工具。通過(guò)三維瀏覽該泵房的所有場(chǎng)景和每一個(gè)工作流程，如水泵、電機(jī)、管道走向、清水池水位等等，對(duì)于新員工熟悉和掌握具體工作業(yè)務(wù)起到了事半功倍的效果。

該平臺(tái)結(jié)合全生命周期的BIM技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)技術(shù)以及基于WebGL的三維可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)泵房設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)和設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)三維可視化方式的管控，實(shí)現(xiàn)了BIM模型與設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)之間的互聯(lián)互通和友好交互。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要著眼于當(dāng)前BIM技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，面向IoT在現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中大大量應(yīng)用中遇到的一些技術(shù)挑戰(zhàn)，如對(duì)于多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和高并發(fā)處理，設(shè)備管理中數(shù)據(jù)信息的不完整性、不直觀、缺乏交互性以及數(shù)據(jù)處理的滯后性和準(zhǔn)確性等弊端，本文首先提出一個(gè)基于IoT數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)框架，不僅能夠有效存儲(chǔ)大量物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，還能集成結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)存儲(chǔ)框架能夠組合和擴(kuò)展多個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)和Hadoop，以存儲(chǔ)和管理由傳感器和RFID讀取器收集的各種類型的數(shù)據(jù)。然后，針對(duì)設(shè)備管理應(yīng)用需求，對(duì)BOS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)了基于BIM與IoT的設(shè)備管理云平臺(tái)框架。同時(shí)，針對(duì)云平臺(tái)如何使得BIM數(shù)據(jù)和設(shè)備動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行交互做了詳細(xì)的交互設(shè)計(jì)。最后把該平臺(tái)對(duì)接應(yīng)用到一個(gè)實(shí)際的水庫(kù)泵房設(shè)備管理云平臺(tái)，從平臺(tái)管理功能充分描述了該云平臺(tái)下BIM數(shù)據(jù)和IoT數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互效果，從而驗(yàn)證本文提出的框架和交互方法研究的有效性。

本文研究平臺(tái)和交互實(shí)現(xiàn)方法都是從較小的設(shè)備管理場(chǎng)景為出發(fā)點(diǎn)，在交互效果和功能場(chǎng)景可能還不是很全面，例如對(duì)于設(shè)備管理中能源決策管理方面就沒(méi)有具體研究。面對(duì)當(dāng)前BIM與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、IoT等技術(shù)集成應(yīng)用發(fā)展，將來(lái)BIM技術(shù)在設(shè)備管理領(lǐng)域甚至其它重要領(lǐng)域都會(huì)有著不可阻擋的趨勢(shì)，還要繼續(xù)深入研究和探討。